Инновационные подходы к мониторингу и сокращению загрязнения городского освещения

Искусственный свет ночью нарушает естественный 24-часовой круговорот дня и ночи, который управляет жизнью на Земле. Ночные животные — летучие мыши, мотыльки, морские черепахи и перелетные птицы — полагаются на темноту для навигации, кормления, размножения и избегания хищников. Исследование 2019 года, опубликованное в Биологическая консервация , показало, что световое загрязнение влияет на более чем 1500 видов, и для многих это нарушение является прямым фактором сокращения популяции. Уличные фонари могут заманить мигрирующих птиц в фатальные столкновения со зданиями; птенцы морских черепах, тянущиеся к более яркому океанскому горизонту, теперь ползают вглубь страны к прибрежным огням и умирают.

Здоровье человека в равной степени подвержено риску. Воздействие искусственного света ночью - особенно богатых синим цветом длин волн, излучаемых светодиодами - подавляет производство мелатонина, гормона, который регулирует сон. Хроническое подавление было связано с повышенным риском рака молочной железы, ожирения, депрессии и сердечно-сосудистых заболеваний. Американская медицинская ассоциация признала этот риск в 2016 году, когда она выпустила руководство по светодиодному уличному освещению, в частности, рекомендуя использовать более низкие цветовые температуры (3000K или ниже), чтобы минимизировать циркадные нарушения.

Энергетические и экономические потери

По данным Министерства энергетики США, 30% наружного освещения в Соединенных Штатах тратится впустую либо потому, что оно неэкранировано, переосвещено или работает, когда никого нет. Эти отходы стоят примерно 3,3 миллиарда долларов в год, плюс миллионы тонн ненужных выбросов CO2. Эти затраты делают мониторинг и сокращение не только экологической проблемой, но и фискальным императивом для городов.

Инновационные технологии мониторинга: от космоса до уличного освещения

Точный мониторинг высокого разрешения является основой любой эффективной стратегии уменьшения света. Традиционные методы - спутниковые изображения из прибора VIIRS (Visible Infrared Imaging Radiometer Suite) на спутнике Suomi NPP и наземные счетчики качества неба (SQM) - остаются ценными, но они имеют значительные ограничения. VIIRS может обнаруживать 10-100-кратные изменения яркости неба в нижнем течении, но его грубое разрешение (~ 750 м) означает, что он не может точно определить отдельные светильники или различать типы уличного освещения. SQMs предлагают местную точность, но требуют ручного измерения и являются редкими в покрытии.

Чтобы закрыть эти пробелы, появляется новое поколение инструментов мониторинга, движимое Интернетом вещей (IoT), недорогими фотометрами и гражданской наукой.

IoT-модули Smart Light Sensors

Сетевые датчики света, такие как разработанные Gaia Impact и развернутые в пилотных проектах в Барселоне и Лос-Анджелесе, предоставляют данные в реальном времени о горизонтальной и вертикальной освещенности в городских сетях. Эти датчики общаются через LoRaWAN или сотовые сети, позволяя городам отображать точки светового загрязнения на уровне улицы каждые несколько минут. При подключении к системам управления освещением они позволяют адаптивное затемнение: огни автоматически светятся при обнаружении движения и исчезают до самого низкого безопасного уровня в часы низкой активности. Например, в Париже теперь многие из его светодиодных уличных фонарей при яркости 20% после полуночи, уменьшая световой поток на 30% при сохранении безопасности.

Беспилотные воздушные исследования

Дроны, оснащенные калиброванными фотометрическими датчиками и мультиспектральными камерами, могут обследовать целые кварталы за один полет, создавая трехмерные карты светового загрязнения. В отличие от спутниковых изображений, исследования беспилотников показывают точную ориентацию светильников, разлив света на боковые улицы и задние дворы, а также вклад источников, не связанных с уличным освещением, таких как рекламные щиты, фасады зданий и спортивные поля. Университет Гонконга использовал квадрокоптеры, несущие световые метры, обращенные вверх, для измерения светового сияния непосредственно над городскими каньонами, показывая, что самые худшие горячие точки происходят там, где пересекаются многочисленные прожекторы. Данные о беспилотниках теперь подаются в LightPollutionMap , ГИС-платформу с открытым исходным кодом, которая помогает планировщикам расставлять приоритеты, какие светильники модернизировать.

Гражданская наука и мобильное зондирование

Мобильные приложения, такие как Globe at Night и Loss of the Night, превращают миллионы пользователей смартфонов в сборщиков данных. Просто открывая приложение и сопоставляя видимые звезды с экранными диаграммами, добровольцы вносят свой вклад в глобальную, проверенную гражданами базу данных яркости неба. Ежегодная кампания Globe at Night, управляемая Национальной оптико-инфракрасной исследовательской лабораторией астрономии (NOIRLab), собрала более 200 000 наблюдений из 180 стран. Недавние исследования использовали эти данные для проверки спутниковых оценок и доказательства того, что переход на светодиодные уличные фонари во многих городах фактически увеличил содержание синего света и сияние, вопреки первоначальным ожиданиям.

Низкозатратные аппаратные комплекты, такие как Sky Quality Meter (SQM-LU-DL) и фотометр с открытым исходным кодом TESS-W, могут быть постоянно установлены на крышах или в парках, потоковые данные на облачные платформы. Сеть из 30 таких устройств, развернутых в районе Тусона, штат Аризона, в 2021 году, предоставила первый непрерывный набор данных о том, как меняется яркость неба с погодой, праздничным освещением и политикой комендантского часа. Данные показали, что даже под облачным покровом небо над тускло освещенным пригородным районом может быть в 10 раз ярче, чем под чистым небом — открытие, которое сформировало новые стандарты освещения для облачных регионов.