[논문 리뷰] The Artificial Sky Luminance And The Emission Angles Of The Upward Light Flux

P. Cinzano, F. J. Diaz Castro|arXiv (Cornell University)|1998. 11. 19.

Impact of Light on Environment and Health참고 문헌 2인용 수 12

한 줄 요약

이 논문은 도시에서 상향 방향으로 방출되는 빛이 다양한 고도 각도에서 인공 하늘 빛의 밝기를 어떻게 기여하는지 모델링하며, 수평선 위 0°에서 10° 사이로 방출되는 빛이 먼 거리의 지역에서 하늘빛을 형성하는 데 비례적으로 기여하는 것으로 나타났다. 주요 발견은 10° 이하의 상향 방출 빛이 모든 높은 각도의 빛 방출을 합친 것과 동일한 영향을 미친다는 것이다. 따라서 어둠진 하늘 지역을 보호하기 위해 이러한 방출 빛을 총 상향 빛의 10% 이내로 제한하는 엄격한 통제 조치가 필요하다.

ABSTRACT

The direction of the upward light emission has different polluting effects on the sky depending on the distance of the observation site. We studied with detailed models for light pollution propagation the ratio $(b_{H})/(b_{L})$, at given distances from a city, between the artificial sky luminance $b_{H}$ produced by its upward light emission between a given threshold angle $θ_{0}$ and the vertical and the artificial sky luminance $b_{L}$ produced by its upward light emission between the horizontal and the threshold angle $θ_{0}$. Our results show that as the distance from the city increases the effects of the emission at high angles above the horizontal decrease relative to the effects of emission at lower angles above the horizontal. Outside some kilometers from cities or towns the light emitted between the horizontal and 10°~is as important as the light emitted at all the other angles in producing the artificial sky luminance. Therefore the protection of a site requires also a careful control of this emission which needs to be reduced to at most 1/10 of the remaining emission. The emission between the horizontal and 10°~is mostly produced by spill light from luminaires, so fully shielded fixtures (e.g. flat glass luminaires or asymmetric spot-lights installed without any tilt) are needed for this purpose.

연구 동기 및 목표

• 도시에서 다양한 거리 떨어진 곳에서 상향 빛 방출 각도가 인공 하늘 빛의 밝기에 미치는 상대 기여도를 정량화하는 것.
• 먼 거리의 관측지에서 하늘빛을 형성하는 데 가장 기여하는 빛 방출 각도를 특정하는 것.
• 어둠진 하늘 지역을 보호하기 위해 방출 각도의 임계 각도 이하에서 방출을 최소화해야 할지를 규명함으로써 빛 polution 통제 전략을 제안하는 것.

제안 방법

• 도시 중심에서 다양한 거리에서의 하늘 빛을 시뮬레이션하기 위해 세밀한 대기 중 빛 오염 전파 모델을 개발하였다.
• 비율 $ b_H / b_L $ 를 계산하였으며, 여기서 $ b_H $ 는 $ \theta_0 $ 와 수직 방향 사이의 빛 방출에 의한 빛의 밝기이고, $ b_L $ 은 수평선과 $ \theta_0 $ 사이의 빛 방출에 의한 빛의 밝기이다.
• 임계 각도 $ \theta_0 $ 를 변화시켜 고각도 대비 저각도 상향 빛 방출의 상대적 영향을 평가하였다.
• 조명기구의 누출광(light spill)이 저각도 빛 방출(0°–10°)에 얼마나 기여하는지, 특히 기구의 캐리어와의 관계를 평가하였다.
• 수치 시뮬레이션을 통해 도시에서의 거리가 증가함에 따라 다양한 방출 각도의 상대적 중요도가 어떻게 변화하는지 평가하였다.
• 완전히 캐리어된 조명기구(예: 평판 유리 또는 비대칭 스폟라이트)가 저각도 상향 빛 방출을 최소화하는 데 얼마나 효과적인지 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 도시에서 떨어진 거리가 증가함에 따라, 다양한 고도 각도에서 상향 빛 방출이 인공 하늘 빛의 밝기에 기여하는 정도는 어떻게 변화하는가?
• RQ2 수평선 위 0°에서 10° 사이로 방출되는 빛이 더 높은 각도에서의 빛 방출에 비해 상대적으로 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 조명기구의 누출광이 저각도 상향 빛 방출을 얼마나 지배적으로 형성하는가?
• RQ4 먼 거리의 어둠진 하늘 지역에서 하늘빛을 효과적으로 줄이기 위해 총 상향 빛 방출량의 어느 정도를 10° 이하로 제한해야 하는가?
• RQ5 완전히 캐리어된 조명기구는 저각도 상향 빛 방출을 최소화하는 데 얼마나 효과적인가?

주요 결과

• 도시에서 몇 킬로미터 이상 떨어진 거리에서는, 수평선 위 0°에서 10° 사이로 방출되는 빛이 모든 더 높은 각도의 빛 방출을 합친 것과 동일한 기여도를 보인다.
• 거리가 증가함에 따라 비율 $ b_H / b_L $ 가 감소하며, 이는 고각도 빛 방출이 거리가 멀어질수록 저각도 빛 방출에 비해 상대적으로 덜 중요해짐을 나타낸다.
• 저각도 빛 방출(0°–10°)은 주로 부적절하게 캐리어되지 않은 조명기구에서 발생하는 누출광에 의해 주로 발생한다.
• 어둠진 하늘 지역을 보호하기 위해, 10° 이하의 상향 빛 방출을 총 상향 빛 유량의 10% 이내로 제한해야 한다.
• 완전히 캐리어된 조명기구—예를 들어 평판 유리 조명기구 또는 기울임 없이 설치된 비대칭 스폿라이트—는 저각도 상향 빛 방출을 최소화하는 데 필수적이다.
• 이 연구는 총 상향 빛을 줄여도, 저각도 빛 방출을 통제하는 것이 효과적인 빛 오염 완화를 위해 필수적임을 확인한다.