[论文解读] The Propagation of Light Pollution in Diffusely Urbanised Areas

P. Cinzano|arXiv (Cornell University)|Nov 19, 1998

Advanced Sensor Technologies Research参考文献 4被引用 10

一句话总结

本文采用Garstang的辐射传输技术，模拟了在漫射城市化区域中光污染的传播，量化了距离超过d的光源对人工天空亮度贡献$b_d(d)$。研究发现，远处光源对天空辉光有显著贡献，因此必须在天文台周围设立大范围的保护区域才能有效控制光污染，且核心半径参数能很好地捕捉亮度的空间衰减特性。

ABSTRACT

The knowledge of the contribution $b_d(d)$ to the artificial sky luminance in a given point of the sky of a site produced by the sources beyond a given distance $d$ from it is important to understand the behaviour of light pollution in diffusely urbanized areas and to estimate which fraction of the artificial luminance would be regulated by norms or laws limiting the light wasted upward within protection areas of given radii. I studied the behaviour of $b_d(d)$ constructing a model for the propagation of the light pollution based on the modelling technique introduced by Garstang which allows to calculate the contribution to the artificial luminance in a given point of the sky of a site of given altitude above sea level, produced by a source of given emission and geographic position. I obtained $b_d(d)$ integrating the contribution to the artificial luminance from every source situated at a distance greater than $d$. I also presented an analitical expression for $b_d(d)$ depending mainly from one parameter, a core radius, well reproducing model's results. In this paper I present the results for $b_d(d)$ at some Italian Astronomical Observatories. In a diffusely urbanised territory the artificial sky luminance produced by sources located at large distances from the site is not negligible due at the additive character of light pollution and its propagation at large distances. Only when the core radius is small, e.g. for sites in the inner outskirts of a city, the sky luminance from sources beyond few kilometers is negligible. The radii of protection zones around Observatories needs to be large in order that prescriptions limiting upward light be really effective.

研究动机与目标

• 量化遥远人工光源在漫射城市化区域中对天空亮度的贡献。
• 评估在天文台周围划定的保护区域内，向上发光限制措施的有效性。
• 基于单一核心半径参数，开发一种简化的人工天空亮度空间衰减分析模型。
• 利用意大利天文台的数据，评估城市扩张对光污染传播的影响。
• 通过实证表明，数公里外的光污染仍具显著影响，从而为政策制定提供依据，强调需设立大范围缓解区域。

提出的方法

• 将Garstang的大气光传播模型进行适配，基于光源发射强度、海拔高度和地理位置，计算某地的人工天空亮度。
• 整合所有距离大于$d$的光源贡献，推导出$b_d(d)$，即来自距离$d$以外光源的亮度。
• 采用辐射传输方法，考虑大气散射和地表反照率的影响。
• 利用意大利天文台的实际天空亮度观测数据对模型进行标定。
• 推导出依赖于单一核心半径参数的$b_d(d)$解析表达式，以近似模型结果。
• 通过数值模拟和观测数据验证模型预测的准确性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在漫射城市化区域中，距离超过$d$的人工光源对总天空辉光的贡献如何？
• RQ2 远处光源的光污染贡献的空间衰减特征是什么？是否能通过单一核心半径参数准确描述？
• RQ3 在数公里以外的都市光源，对天文台站点的天空亮度贡献有多大？
• RQ4 天文台周围保护区域需多大，才能通过法规有效减少向上光污染？
• RQ5 地形海拔和大气条件的变化如何影响人工天空辉光的传播？

主要发现

• 由于散射光具有累加性和远距离传播特性，在漫射城市化区域中，距离数公里外的人工天空亮度贡献仍不可忽视。
• 对于城市内缘地区且核心半径较小的观测点，距离数公里外光源的亮度贡献可忽略不计。
• 基于单一核心半径参数的$b_d(d)$解析表达式，能准确再现不同城市布局下的模型结果。
• 研究表明，远处光源的光污染显著影响天空亮度，削弱了小范围保护区域的有效性。
• 天文台周围的保护区域必须足够大——规模达数十公里——才能通过控制向上发光有效降低天空辉光。
• 在意大利天文台的模型验证中，确认即使距离超过20公里，远处城市光源对天空亮度的贡献仍非常显著。