论夜天空光污染产生的原因.doc

论夜天空光污染产生的原因(组图)
一、前 言 
  太阳光照亮了大自然的一切，也赋予了大自然界五彩缤纷的颜色，色觉是主客观相结合的慨念，从种族进化史来看，在漫长的进化过程中，是对太阳光线物理特性的适应形成了人的视觉器官。可见光譜正位于太阳辐射光譜到达地球表面的中间部分，太阳辐射中波长小于 290毫微米部分被较低大气层中的臭氧吸收，波长大于 1400 毫微米部分被较低大气层中的水蒸汽和二氧化碳所吸收，现在实验室的工作进一步证实了用高能量光波照射眼睛，视觉范围可进一步扩展到 312.5nm的紫外线一段及 1150nm红外线一段，这与太阳光到达地面的辐射光譜十分接近。
      人眼的视觉色觉器官正是在适应外界光源主要是日光光源而形成，人类对大自然各种景物的记忆色来自于日光，彩色电视、彩色电影、照明光源如重现日光下景物的颜色则给人类真实的色彩感受。
      夜景照明设计在源于自然的基础上应高于自然，它涉及到建筑艺术、光学、色度学、生理学、美学、环境艺术等多科学领域，是一门集多学科为一体的综合。据感知觉实验，人眼可以分辨出十万种以上不同明度、色调、饱和度的物体，自然光的亮度由10 cd/m 到10 cd/m 以上，单用语言根本无法确切描绘这五彩缤纷的世界。光学与色度学的发展才使我们可以用数据与图形对我们生活的自然界作出了定量的描绘并提供科学参数，也为交流、改进现有的照明设计和创造新的照明设计打下必要的科学量化基础。
      在城市灯光夜景中，以照度作为照明指标是不严格、不全面的，因为照度大小并不直接反映人眼的明暗感，人眼直接感受的是亮度，同时建筑物立面的不同材质、大量自发光光源、内透光照明方式的照明效果均无法用照度指标衡量，而各表面的亮度则决定了整个空间光环境的质量和效果。
      计量学、测量学和光学仪器的发展可以使我们借助现代科技手段测量出自然界和已实施照明工程的亮度和色度参数。
      充分利用现代光学、色度学、光学仪器的成就，积极开展对昼光、夜天空和夜景照明的测量与研究将推动夜景照明设计达到更高的境界。
      二、国际上有关的工作
      各国科学工作者一直致力于对本地区天空光的观察与测量。康狄特（H.R.Condit）等在美国罗彻斯特测出日光光譜分布。巴德（W.Budde）等在加拿大渥太华（Ottawa）测出日光光譜分布，威泽斯基（G.Wyszecki）对加拿大渥太华的北方天空日光的视觉观察。Wegner 在柏林测量了天空亮度，并经再分析形成了 BRE 平衡天空。汉德逊（S.T.Hendrson）等在英国恩菲尔德（Enfield）测出日光光譜分布，英国科学工作者对英国南部北方天空日光做观察。由 Nakamura和 Oki 在日本进行了天空亮度测量，并对日本的天顶亮度的标准化进行了开发。
      CIE2001 年召开的中期执委会将颜色和光的测量及日光的测量与计算作为会议的两个重要专题。但是，至今对夜晚天空光的色度测量基本还处于空白状态。
  大自然夜晚天空构成了夜景照明，尤其是高大建筑物顶部照明的背景，测量和研究不同时相下夜晚天空亮度和色度将奠定夜景设计规范的技术基础，是晚间照明设计的量化依据。天空的亮度和色度随时间、季节、气候而变化，为使夜景照明设计立足于充分科学实验基础上，需要系统测量和研究不同时刻天空光特别是夜晚天空的亮度和色度。分析不同时刻夜晚天空光的亮度、色度参数将有助于我们寻找夜晚天空光污染的原因。
      三、测量仪器的选择与测量程序
      1.测量仪器的选择
      对遥远的天空光进行非接触的光、色测量可使用带成像系统的彩色亮度计或光譜辐射仪，它的优点是不必接触被测表面，通过目视系统瞄准测量对象，即可进行测量，测量结果也可反映出光源照射下经过各表面颜色相互反射后的实际效果，因此更具使用价值。
      美国光学研究公司研制成功的光譜辐射仪有 1980B、PR-650。彩色亮度计有 1980A。1980B光譜辐射仪的光譜带宽及取样间隔均可准确到 1nm，测量精度及准确度均较优良；但价格昂贵，操作也较为繁杂，宜作为标准传递的源泉之一。
      自然夜天空亮度为2.1×10 cd/m ，24小时天空光亮度变化范围由10 cd/m 到10 cd/m 以上。但 PR-650 亮度范围由 3.4cd/m 到 86,000cd/m ，不能进行夜晚天空亮度色度的测量。日本东光公司研制成功的彩色亮度计有 BM-5、BM-7。小型亮度计为 BM-3。其中 BM-3、BM-7 测量低亮度性能较差，在大视场条件下，不能测量低于 10 cd/m 的光，在小视场条件下，BM-7不能测量低于 4 个尼特的光，适宜近距离测量。不适宜对夜晚天空进行亮度、色度测量，无法对夜晚天空光污染程度作出定量和定性的判断、测量与研究。
      BM-5 彩色亮度计测量范围为 10 cd/m 到 1.999×10 cd/m ，测量距离为 0.2m 到无限远，适用于测量白昼光和夜晚天空的亮度。根据规定：亮度计的测量面积应小于光源面积，此时的测量结果才是正确的，BM-5 具有小的测量直径，适用于远距离对高大建筑物顶部照明光源的测量。但 BM-5 与其它彩色亮度计一样存在色度测量中的误差。因为彩色亮度计的滤色系统PR(l)、PG(l)、PB(l)与光电倍增管 T(l)组合后的光譜响应需分别模拟 CIE 光譜三刺激值X(l)、Y(l)、Z(l)，这种模拟是十分困难的，存在不可避免的误差。各台彩色亮度计之间存在很难避免的个体差异，如果仔细对比，各台彩色亮度计之间确实存在色度测量中的相互误差。
      为了提高彩色亮度计色度测量的准确性，应使用与待测色源色域相近，光譜分布相类似的标准光源、标准色源对彩色亮度计进行校准，我们的实验证实用一种标准光源对彩色亮度计进行校准尚不能完全适用和伸延到各个色域，计算公式及对测色准确度的改善见前文“彩色电视色度测试中的量值统一”。
      白昼和夜晚天空光色度不同，因此需要分别使用与其一一对应的标准光源，标准色源对彩色亮度计进行校准，这样才可以使彩色亮度计光谱灵敏度与 CIE 光谱三刺激值的不一致所带来的误差减到最小限度，从而取得准确的测量结果。
      2.标准色源的研制与测量程序
      （1）用 BM-5 彩色亮度计对天空光进行连续 24 小时初测，大体确定不同时相下天空光的色域范围。
      （2）根据天空光不同时相下的色度值研制相对应的光源，用卤钨灯加不同的滤色片组成四种不同色度值的白光源。
      （3）用美国光学研究公司 1980B 光谱辐射仪对卤钨灯及四种白光源进行标定，测量光谱分布，计算出色度坐标