[论文解读] The Artificial Sky Luminance And The Emission Angles Of The Upward Light Flux

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

Impact of Light on Environment and Health参考文献 2被引用 12

一句话总结

本文建模了城市向上光发射在不同仰角下对人工天光亮度的贡献，表明地平线上方0°至10°之间发射的光对远处观测点的光污染贡献尤为显著。关键发现是，低于10°的向上发射光与所有更高仰角发射光的总和相比，影响程度相当，因此必须严格控制——将此类发射限制在总向上光通量的10%以内——才能有效减轻暗空保护区附近的光污染。

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.

研究动机与目标

• 量化不同仰角的向上光发射对城市不同距离处人工天光亮度的相对贡献。
• 识别在远距离观测点造成光污染的主要发射角度。
• 通过确定必须最小化的发射角度阈值，为光污染控制策略提供依据，以保护暗空保护区。

提出的方法

• 开发了详细的的大气光污染传播模型，以模拟城市中心不同距离处的天光亮度。
• 计算比值 $ b_H / b_L $，其中 $ b_H $ 为从 $ \theta_0 $ 至天顶的发射光产生的亮度，$ b_L $ 为从地平线至 $ \theta_0 $ 的发射光产生的亮度。
• 改变阈值角度 $ \theta_0 $，以评估高仰角与低仰角向上发射光的相对影响。
• 评估灯具溢出光对低仰角发射光（0°–10°）的贡献，尤其关注灯具遮蔽设计的影响。
• 通过数值模拟评估不同发射角度的相对重要性如何随城市距离的变化而变化。
• 评估全遮蔽灯具（例如平面玻璃灯具或无倾斜安装的非对称泛光灯）在最小化低仰角向上发射光方面的有效性。

实验结果

研究问题

• RQ1 不同仰角的向上光发射对人工天光亮度的贡献如何随距离城市远近而变化？
• RQ2 地平线上方0°至10°之间发射的光与更高仰角发射光相比，其相对影响如何？
• RQ3 灯具溢出光在多大程度上主导了低仰角向上发射光？
• RQ4 为有效降低远距离观测点的光污染，必须将总向上光发射中低于10°的部分限制在多大比例以内？
• RQ5 全遮蔽灯具在最小化低仰角向上光发射方面效果如何？

主要发现

• 在城市数公里以外的距离，地平线上方0°至10°之间发射的光对人工天光亮度的贡献，与所有更高仰角发射光的总和相当。
• 随着距离增加，比值 $ b_H / b_L $ 下降，表明在更远距离处，高仰角发射光相对于低仰角发射光的重要性降低。
• 低仰角发射光（0°–10°）主要由未充分遮蔽的灯具产生的溢出光造成。
• 为保护暗空保护区，必须将低于10°的向上光发射限制在总向上光通量的10%以内。
• 全遮蔽灯具——如平面玻璃灯具或无倾斜安装的非对称泛光灯——对于最小化低仰角向上光发射至关重要。
• 本研究证实，即使总向上光发射量减少，控制低仰角发射光仍是实现有效光污染缓解的关键。