無錫城市夜空光度測量研究**

沈 昊 陸寅楓 張譯昕 周明遠 陸佳穎指導教師：沈新榮 肖 明

（江蘇省天一中學, 江蘇 無錫 214101）

一、夜天光概述

隨著工業化與城市化的發展，城市亮化工程的大力推進，光污染越來越嚴重。與大氣、水、噪聲、固體廢棄物等污染不同，光污染還沒有在公眾中引起足夠的重視。

無錫作為長三角地區的重要城市之一，經濟發達，城市光污染情況總體比較嚴重，但是不同區域的污染程度也存在明顯差異。夜空光度是衡量城市光污染程度的重要指標，通過使用專門的測光儀器，可以對無錫城區進行定點的光度測量，從而了解無錫城區整體的污染程度，不同區域、地平高度、方位角和時刻的污染水平差異，這對于分析光污染產生的原因，并嘗試提出防治的建議，都是大有裨益的。本文即是在對大量夜天光實測數據的統計和分析基礎上，對此問題進行的一些總結和探討。

二、測量儀器及方法

本課題組采用的儀器為Sky Quality Meter-L（以下簡稱SQM，圖1），這是一款十分輕便（手機大小），但靈敏度和精度較高的便攜式測光儀，以星等/平方角秒（記作mag/□″）為默認單位。

圖1 Sky Quality Meter-L

課題組成員使用SQM對無錫城區的夜天光亮度進行了多次的實地測量。測光時間為非雨雪天氣的天文昏影結束后或天文晨光開始前，具體時段因季節差異而有不同；測光地點為黑暗且視野較為廣闊的地點（如樓頂、公園、球場等），并盡可能地避免人造光源的直接照射。

此外，課題組還運用“Loss of the night”APP程序（由德國聯邦科技和教育部“可持續發展（FONA）項目（033L038A）”提供資助）對個別地點進行了測光，并通過該APP向“Globe at Night”項目組（隸屬于美國國家光學天文臺）提交了SQM搜集的部分數據，以便構建全球光污染監測網絡。

三、數據分析及測量結果

1.數據測量與分析步驟

儀器編號：為支持本課題組的研究工作，我們從加拿大購置了9臺SQM測光儀，并予以編號（以分辨并盡可能的消除儀器本身存在的機械誤差）。

路線設計：將無錫中心城區（解放環路內）分為不同的片區，并設計好測光的具體行進路線和測光任務。

實地測量：將課題組成員分成不同的小組，每組由3人組成，分別負責儀器操作、數據記錄和坐標定位，每個坐標點測5個數據，以減小誤差。

數據處理：將測光所得的數據（經度、緯度、時間、測光值）輸入Excel表格，進行誤差分析，取平均值，得到各坐標點夜天光亮度的最終值。

2.夜天光亮度的地區分異

表1 無錫中心城區夜天光亮度分布表

圖2 無錫中心城區夜天光亮度分布圖

從表1及圖2中的數據可以看到，區域①的夜天光亮度明顯高于區域②，較區域③也高出一些。從城市內部空間結構的角度分析，區域①為無錫的中心商務區，多商場、寫字樓、娛樂場所及一些社交平臺，這些建筑物的大型戶外廣告牌、射燈、透窗而出的內部照明燈光及城市道路照明設施較為密集，上述光線逸散到天空導致了該區域較高的夜天光亮度。區域②主要為無錫中心城區的住宅區，道路和小街（如崇寧路、小婁巷 、田基浜、東河頭巷等）兩側有大量的老式居民區，當地的人造戶外光源較少且較暗，使得該地的夜天光亮度較低。區域③的夜天光亮度介于①和②之間，其原因是該地區為商業與住宅兼有的混合地區，既有少量摩天大廈，又不乏老式居民區分布。受到科技大廈、匯能大廈等高樓的戶外照明及密集的城市主干道上街燈的影響，該區域的夜天光亮度也較高。

3.夜天光亮度的地區變化

表2 無錫中心城區夜天光亮度隨地點的變化

圖3 無錫中心城區夜天光亮度隨地點的變化

課題組在無錫市中心城區隨機選取了十一個距三洋廣場距離不等的坐標點，處理后列為表2和圖3。從圖表可以看出，夜天光亮度最終值與坐標點距三陽廣場的距離的相關系數（運用Excel表格中計算相關系數的公式CORREL計算）約為-0.314，即夜天光亮度并未隨坐標點距三陽廣場的距離增加而呈現有規律的變化。其中，較高的夜天光亮度多出現在重要商場和市政設施附近，如圖2中的坐標點(1)、(2)、(3)分別為八佰伴、銀行商鋪集中區和市政公用大廈附近。

表3 無錫城區夜天光亮度隨地點的變化

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圖4 無錫城區夜天光亮度隨地點的變化

課題組在無錫市城區范圍內隨機選取了六個距三洋廣場距離不等的坐標點，計算每個坐標點方圓500米內夜天光亮度最終值的均值，處理后列為表3和圖4。從圖表可以看出，夜天光亮度最終值與坐標點距三陽廣場的距離的相關系數為0.978，即夜天光亮度隨坐標點距三陽廣場的距離增加而呈現明顯的降低。這表明無錫城區夜天光亮度與人為光源存在確切的正相關關系。

4.夜天光亮度的地平高度及方位分異

課題組以所在學校——江蘇省天一中學的科學樓天文教室樓頂平臺（31°35’39”N，120°21’32”E）為坐標點，對不同地平高度和不同方位角的夜天光亮度進行了測量，具體數據見表4：

表4 天一中學坐標點的夜天光亮度（mag/□″）

圖5 天一中學不同地平高度的夜天光亮度

綜上可知，各方位的夜天光亮度均隨地平高度的升高而減弱，表明人造光源逸散對夜天光的影響十分顯著；地平高度在40°以下的天區，各方位的夜天光亮度差異較大，50°以上差異明顯減小，表明人造光源的逸散在較低的高度上對夜天光亮度有更為直接和顯著的影響，具體可參考圖6：

圖6 距離與光污染程度關系演示圖

圖6中的半圓形弧線表示天穹，圓弧左下段虛線部分表示人造光源及受其逸散影響嚴重的天區。從中可以看出，離光源越近的坐標點，光源逸散范圍對觀測者視角的覆蓋越大，影響也越大；在光源離觀測者坐標點普遍較遠的情況下，其逸散的影響主要集中在地平高度較低的城市建筑物輪廓的邊緣地帶。

考慮到天一中學在無錫城區偏東的方位，以及盡可能減弱學校西側晶石國際大廈強光的直接影響，我們取正東方向的數據（表4）進行分析，并繪制了散點圖（圖7），計算得出地平高度與夜天光亮度的相關系數R約為0.936，R2≈0.877，即高度對亮度的影響程度達87.7%。地平高度90°的天區與0°的天區在夜天光亮度的最終值上相差超過2個mag/□″，這表明夜天光亮度在不同地平高度上的分異十分明顯，究其原因是人造光源為城市地區夜天光增亮的主要影響因素，而人造光源一般位于近地面，其逸散影響最嚴重的天區也在地平線附近。

圖7 正東向地平高度與夜天光值散點圖

基于表4的數據，我們將各方位夜天光亮度的均值制作成圖8，以此來分析不同方位的夜天光亮度。

圖8 天一中學不同方位的夜天光亮度

從圖8可以看出，天一中學偏西和偏南方位的夜天光亮度值最低，即夜天光最亮，這是無錫中心城區的方向；偏北和偏東方位的夜天光亮度值較高，即夜天光較暗，這是無錫城東的鄉鎮方向；另外，正東方位較低的夜天光亮度值主要是天一中學校內燈光的影響。

5.夜天光亮度的時間變化

課題組以某成員家庭所在地——無錫市崇安區金科東方王榭小區（31.594°N，120.347°E）為坐標點，對夜天光亮度隨時間的變化進行了測量，并制作成表5和圖9：

表5 夜天光亮度隨時間變化表（mag/□″）

圖9 夜天光亮度隨時間變化圖

從圖9可以看出，無錫城市夜天光亮度值在前半夜有明顯的隨時間的遞減變化，從晚上19:00到24:00，夜天光亮度由15.75mag/□″迅速遞減為17.30mag/□″，變化幅度高達1.55mag/□″；而后半夜從00:00到凌晨4:30期間，夜天光亮度總體平穩，變化幅度僅為0.9mag/□″。這表明人造光源在前半夜有一個逐漸關閉的過程，這導致了夜天光亮度的線性減弱；后半夜的夜天光亮度除自然光外，主要受道路照明等長明燈的影響，故而變化不明顯。

四、反思及討論

根據本課題組掌握的資料，香港維多利亞灣兩側的港島和九龍核心城區的夜天光亮度大概在14.4mag/□″左右，極值約13.9mag/□″。根據本課題組的實地測量，無錫中心城區存在13.35mag/□″的極值，可見無錫的光污染程度已堪比香港鬧市區。

在香港大學、環保及自然保育基金等的共同努力下，香港已經建立了較為完備的夜空光度監測網絡，并已開始討論光污染立法與暗夜保護問題。但在無錫等大陸城市，光污染仍僅為少數人（主要是業余天文愛好者）知曉，如何加強光污染的危害與防治宣傳是一個值得探討的問題。

本課題組在實測過程中發現，無錫城區不少的路燈缺少“頂蓋”，這使得路燈釋放的光能可以直接向上照射，對天空增亮作用十分明顯。如何改進城市街燈設計、如何完善城市街燈布局等將是課題組下一步要研究的方向。

[1]譚滿清,郝允祥.北京夜間天空亮度的研究[J].照明工程學報,1994,(06):51-55.

[2]劉鳴,馬劍,張寶剛,張明宇.夜天空亮度的測量及其評價研究[J].照明工程學報,2007,(09):6-11.