Nová metodika měření a vyhodnocování světelného znečištění na obzoru

Rok 2023 přinesl mimo jiné i normu ČSN 36 0459, která je zaměřena na omezování nežádoucích účinků venkovního osvětlení. V tomto dokumentu jsou definovány především maximální světelně technické parametry instalovaných osvětlovacích soustav v souvislosti s jejich možným negativním působením na životní prostředí, popř. na lidské zdraví. Ucelenější metodika k hodnocení míry světelného znečištění však dosud chyběla. A právě na problematiku komplexního měření světelného znečištění se zaměřili vědci z brněnského VUT.

Těsně po nástupu elektrického osvětlení koncem devatenáctého století ještě nebylo nejspíš nikomu zřejmé, jak široké spektrum negativních dopadů může umělé světlo v nočním prostředí mít. Tyto nežádoucí účinky začaly být patrné až s jeho rapidním rozvojem koncem dvacátého a začátkem jednadvacátého století spolu s vývojem nových technologií osvětlování. Přesto se tato problematika dostává do popředí zájmu vědců a světelných techniků až v posledních několika letech.

Problém to přitom není zdaleka zanedbatelný. Světelné znečištění je schopno negativně ovlivňovat i lidské zdraví. Pokud je člověk vystaven zejména kratším vlnovým délkám v oblasti modré barvy v nevhodnou dobu, dojde k ovlivnění tzv. cirkadiánního rytmu lidského organismu, což s sebou nese rizika poruch spánku [1, 2], sezonní deprese [3, 4] či vzniku rakoviny [5, 6].

Lidský organismus ovšem není jediný, který je rušivým světlem ovlivněn. Nezanedbatelné dopady má také na životní prostředí, a to například na rostliny [7, 8], bezobratlé [9, 10], plazy [11, 12], savce [13, 14], ryby [15, 16] či ptáky [17, 18]. U studovaných živočichů ovlivňovalo světelné znečištění jejich přirozené biorytmy a chování celkově, což se projevuje například na hledání potravy [19, 20], začátku a době aktivity [21, 22], komunikaci [23, 24] a rozmnožovacích návycích [25, 26].

Dopad má světelné znečištění také na astronomická pozorování. Rostoucí úroveň umělého světla v noční atmosféře ohrožuje nyní i odlehlejší astronomické observatoře, kde ještě před několika lety tento problém neexistoval [27, 28].

V neposlední řadě je světelné znečištění také problémem ekonomickým. Veškeré světlo, které následně uniká nevhodným směrem a způsobuje rušivé a negativní dopady, musíme nejdříve vytvořit. Což pochopitelně přináší ekonomické náklady v podobě ceny energií, výkonných světelných zdrojů a jejich údržby. Pokud budeme schopni světelné znečištění maximálně omezit, snížíme i tyto náklady na neužitečné světlo.

Nově vyvíjená metodika hodnocení světelného znečištění

Světelné znečištění (potažmo rušivé světlo) se obvykle [29] dělí na čtyři kategorie, a to závojový jas oblohy, oslňující světlo, světelný přesah a světlo vyzářené do horního poloprostoru – ULR. Pro oslňující světlo existují již řadu let dostačující metriky výpočtu a měření. Uveďme si nejznámější metodu UGR (Unified Glare Ratio) pro vnitřní prostory a TI (Threshold Increment) pro prostory vnější. Stejně tak ULR – respektive jeho poměrná část ULOR – je veličina, kterou lze odvodit z křivek svítivosti daného svítidla nainstalovaného určitým způsobem. A podobně jako již zmíněné UGR tyto hodnoty získáme simulací během návrhu osvětlení pro daný osvětlovaný prostor. U zbývajících dvou kategorií světelného znečištění však žádné všeobecně uznávané standardy měření a kvantifikace neexistují. Jednotlivá (výzkumná) pracoviště sice mnohdy mají svoje vlastní metriky, jenže ty obvykle reflektují pouze jejich požadavky pro specifické použití, a tedy by je bylo problematické standardizovat k univerzálnímu použití napříč odvětvími. Vyvíjená metodika hodnocení světelného znečištění si klade za cíl toto změnit, a to za pomoci využití jasových analyzátorů.

• V podstatě libovolný přístup k měření a kvantifikaci světelného znečištění spadá do jedné ze dvou kategorií, kterými jsou přístup Sky-down a Ground-up. První spočívá v přímém pozemním měření fotometrických parametrů noční oblohy – zejména jasu –, druhý zmiňovaný spočívá v distančním měření příspěvků osvětlenosti od jednotlivých světelných zdrojů či aglomerací, typicky z kamer či spektroradiometrů, umístěných na palubách umělých družic. Z takto získaných dat je poté odvozen předpokládaný jas noční oblohy [30]. Již uvedené existující metody spadají do kategorie Sky-down, neboť do této kategorie spadá i vyvíjená metodika. Druhou možností dělení metod měření světelného znečištění je jejich rozdělení na jednodimenzionální a dvojdimenzionální.
   
• 1D fotometrické metody k hodnocení světelného znečištění poskytují jako výsledek měření pouze jednu numerickou hodnotu. Ta může popisovat buď jas celé noční oblohy, nebo jejího určitého segmentu. V případě, že má použitý měřicí přístroj dostatečně malý zorný úhel, lze opakováním měření docílit alespoň základního pochopení rozložení jasu na noční obloze. 1D metody spoléhají (vyjma metody mezní hvězdné velikosti, se kterou se lze obejít bez jakékoli měřicí techniky) na jednoúčelově vyvinuté měřicí přístroje, jako jsou například Sky Quality Meter (SQM) kanadské společnosti Unihedron a jeho četné varianty (lišící se zejména zorným úhlem a komunikačním protokolem). V principu podobná jsou i měřidla TESS evropské iniciativy STARS4ALL, případně na fotovoltaickém článku založený rakouský Lightmeter. Všechny uvedené měřicí přístroje jsou poměrně levné (nižší stovky eur) a jednoduché, ovšem daní za to jsou jak vyšší nejistota měření, tak nedokonalá spektrální přizpůsobenost. Se spektrální přizpůsobeností se pojí také další problém, spočívající v kalibraci uvedených přístrojů. Vzhledem k tomu, že žádný z uvedených neodpovídá svou spektrální odezvou ani přibližně křivce normálního fotometrického pozorovatele V(λ), je přepočet naměřených hodnot na hodnoty jasu v cd.m⁻² zatížen poměrně velkou nejistotou.
• 2D metody vyhodnocování světelného znečištění se spoléhají na využití kalibrovaných digitálních fotoaparátů a následný přepočet neupravených dat ze snímače na hodnoty jasu, náležející jednotlivým pixelům. Prakticky se tedy jedná o (jednoúčelové) jasové analyzátory. Ty mohou být vybaveny buď objektivem typu rybí oko, pomocí kterého lze přímo pořídit celooblohovou fotografii (španělský ASTMON, slovinská Sky Quality Camera), nebo lze využít optiky s delší ohniskovou vzdáleností a výsledný snímek skládat z více fotografií (americký All Sky Mosaic, využívaný místní správou národních parků a umístěný na automatizované motorizované hlavě), a docílit tak vyšší úrovně detailu. Podobně jako u 1D přístrojů i zde velmi záleží na spektrální přizpůsobenosti dané měřicí soustavy. Výše uvedené přístroje jsou typicky kalibrovány na pásmo V fotometrického systému Johnson-Cousin, který je využíván primárně astronomy. I zde tak vzniká problém s přesným převodem těchto jednotek do soustavy SI.

Jasový analyzátor LumiDISP

Jádrem vyvíjené metodiky je jasový analyzátor LumiDISP, využívající hardwarovou úpravu spektrální citlivosti použitého snímače. Tím je docíleno velmi nízkých nejistot měření. Spektrální chyba f1‘ se pohybuje pod 3 %. Jasový analyzátor je při měření umístěn na dvouosé motorizované hlavě, instalované na stativu. Ten je v prvním kroku měření zarovnán na sever tak, aby bylo následně možné při vyhodnocování snímků použít údajů z vestavěného gyroskopu k přesnému určení azimutu všech zdrojů světelného znečištění, které jsou z místa měření viditelné. Následně je automaticky pořízeno celkem 5 panoramatických snímků. Čtyři odpovídají světovým stranám, pátý je směřován do zenitu. Z těchto snímků je poté sestaven výsledný kompozitní snímek – 360° panorama. Díky použití objektivu typu rybí oko jsme tak schopni zachytit poměrně nízkým počtem snímků veškeré obrazové informace, které jsou dostupné z místa měření. Ale zároveň s tím, že je pořízeno větší množství snímků než dva nezbytně nutné (při uvažování zorného pole objektivu o velikosti 180 °), jsme schopni také omezit výslednou nejistotu měření, jelikož není třeba pracovat s okraji zorného pole, které jsou zatíženy výraznou vinětací. Podobný přístup byl již dříve demonstrován jako validní [31]. 

Kromě skládání snímků do panoramat byly také vyvinuty algoritmy k transformaci souřadnic snímků zenitu do tzv. Hammer-Aitoffovy projekce, která se ukázala pro dané využití jako nejvhodnější. Její velká výhoda spočívá v tom, že všechny pixely v této projekci zabírají stejný prostorový úhel, je tedy rovnoplošná. K prezentaci naměřených dat mimo okruh světelných techniků byla také do softwaru zahrnuta funkce pro přepočet hodnot jasu z cd.m⁻² na V mag.arcsec⁻². Tato jednotka nespadá do soustavy SI, ovšem především mezi astronomy je široce používaná a využívají ji i mnohé další přístroje určené k měření světelného znečištění.

Jasový analyzátor je možné nakalibrovat na křivku spektrální citlivosti normálního fotometrického pozorovatele V(λ) i na křivku melanopické citlivosti C(λ). Tím se otevírá možnost měřit nejen jas, ale také melanopickou zář Lmel. Při znalosti obou veličin jsme následně schopni přepočítat výsledné hodnoty na ekvivalentní jas denního světla D65, který vyvolá stejnou melanopickou odezvu jako měřený zdroj záření v obraze. Tím jsme schopni identifikovat světelné zdroje či svítidla s relativně vysokým podílem modré složky ve svém spektru. Laboratorně bylo ověřeno, že odchylky proti referenčním spektroradiometrům jsou i v tomto případě nižší než 10 %. Tím byla tedy prokázána použitelnost využití systému LumiDISP k měření melanopických veličin. V hodnocení jednotlivých zdrojů světelného znečištění bylo poté přistoupeno ke srovnání jejich příspěvků osvětlenosti vůči svitu Měsíce, na základě čehož jim je pak přiřazeno skóre. Přesné referenční hodnoty jsou zatím stále tématem odborné diskuze.

Aplikace ALANIS

Nová metodika ovšem nespočívá pouze ve vývoji samotné měřicí sestavy, zahrnuje mimo jiné i cloudovou databázi provedených měření. Za tímto účelem byla rozpracována aplikace ALANIS (ALAN Information System), která agreguje naměřená data a zpřístupňuje je dále odborné i široké veřejnosti. Tato aplikace obsahuje jak samotné jasové a melanopické mapy a snímky daného místa měření, tak množství relevantních metadat, týkajících se místa měření. Jde například o údaje o meteorologické situaci, informace o fázi a výšce Měsíce na obloze, údaje z gyroskopu a pochopitelně také datum a čas. Aplikace má také vazbu na již existující projekty k monitorování světelného znečištění. Uveďme zejména možnost zobrazení místa měření v projektu www.lightpollutionmap.info. Součástí této aplikace je také možnost přidávání požadavků na měření potenciálně problematických míst a instalací. 

Ucelený algoritmus k hodnocení zdrojů světleného znečištění

Vyvíjená metodika tak tvoří ucelený algoritmus k hodnocení zdrojů světelného znečištění jak ve fotopickém, tak melanopickém pohledu na problematiku. Vysoká míra automatizace při pořizování měření a následné nahrání výsledků do cloudové databáze přispívá k praktičnosti celého řešení. Můžeme tedy o výsledcích uvažovat jako o dalším střípku skládačky, která nám pomůže snížit množství rušivého světla na minimum.

Tato výzkumná práce byla provedena v Centru pro výzkum a využití obnovitelných zdrojů energie (CVVOZE). Autoři děkují za finanční podporu Technologické agentuře České republiky (projekt č. SS05010159). 

Autoři: Ing. Filip Novák, doc. Ing. Petr Baxant, Ph.D., 
Ing. Jan Škoda, PhD., Ing. Martin Motyčka, PhD.

Ústav elektroenergetiky, 
Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií, 
Vysoké učení technické v Brně

---

LITERATURA:

1.    PATEL, Pankaj C. Light pollution and insufficient sleep: Evidence from the United States. American Journal of Human Biology 
[online]. 2019, 31(6) [cit. 2024-04-03]. ISSN 1042-0533. Dostupné z: doi:10.1002/ajhb.23300
2.    JOHNSON, Dayna A., Martha E. BILLINGS a Lauren HALE. Environmental Determinants of Insufficient Sleep and Sleep Disorders: Implications for Population Health. Current Epidemiology Reports [online]. 2018, 5(2), 61–69 [cit. 2024-04-03]. ISSN 2196–2995. Dostupné z: doi:10.1007/s40471-018-0139-y
3.    KUMAR, Pravin, Mahendra S. ASHAWAT, Vinay PANDIT a Dinesh K. SHARMA. Artificial Light Pollution at Night: A Risk for Normal Circadian Rhythm and Physiological Functions in Humans. Current Environmental Engineering [online]. 2019, 6(2), 111–125 
[cit. 2024-04-03]. ISSN 22127178. Dostupné z: doi:10.2174/2212717806666190619120211
4.    TANCREDI, Stefano, Teresa URBANO, Marco VINCETI a Tommaso FILIPPINI. Artificial light at night and risk of mental disorders: A systematic review. Science of The Total Environment [online]. 2022, 833 [cit. 2024-04-03]. ISSN 00489697. 
Dostupné z: doi:10.1016/j.scitotenv.2022.155185
5.    ZHANG, Dong, Rena R. JONES, Peter JAMES, Cari M. KITAHARA a Qian XIAO. Associations between artificial light at night and risk for thyroid cancer: A large US cohort study. Cancer [online]. 2021, 127(9), 1448-1458 [cit. 2024-04-03]. ISSN 0008-543X. 
Dostupné z: doi:10.1002/cncr.33392
6.    XIAO, Qian, Gretchen L. GIERACH, Cici BAUER, William J. BLOT, Peter JAMES a Rena R. JONES. The Association between Outdoor Artificial Light at Night and Breast Cancer Risk in Black and White Women in the Southern Community Cohort Study. Environmental Health Perspectives [online]. 2021, 129(8) [cit. 2024-04-03]. ISSN 0091-6765. Dostupné z: doi:10.1289/EHP9381
7.    BENNIE, Jonathan, Thomas W. DAVIES, David CRUSE, Kevin J. GASTON a Nathan SWENSON. Ecological effects of artificial light at night on wild plants. Journal of Ecology [online]. 2016, 104(3), 611–620 [cit. 2024-04-03]. ISSN 0022-0477. 
Dostupné z: doi:10.1111/1365–2745.12551
8.    BRELSFORD, Craig C. a T. Matthew ROBSON. Blue light advances bud burst in branches of three deciduous tree species under short-day conditions. Trees [online]. 2018, 32(4), 1157–1164 [cit. 2024-04-03]. ISSN 0931-1890. Dostupné z: doi:10.1007/s00468-018-1684-1
9.    MACGREGOR, Callum J., Darren M. EVANS, Richard FOX a Michael J. O. POCOCK. The dark side of street lighting: impacts on moths and evidence for the disruption of nocturnal pollen transport. Global Change Biology [online]. 2017, 23(2), 697-707 [cit. 2024-04-03]. ISSN 13541013. Dostupné z: doi:10.1111/gcb.13371
10.    BENNIE, Jonathan, Thomas W. DAVIES, David CRUSE, Richard INGER, Kevin J. GASTON a Owen LEWIS. Artificial light at night causes top-down and bottom-up trophic effects on invertebrate populations. Journal of Applied Ecology [online]. 2018, 55(6), 2698-2706 [cit. 2024-04-03]. ISSN 0021-8901. Dostupné z: doi:10.1111/1365-2664.13240
11.    KAMROWSKI, RL, C LIMPUS, J MOLONEY a M HAMANN. Coastal light pollution and marine turtles: assessing the magnitude of the problem. Endangered Species Research [online]. 2012, 19(1), 85-98 [cit. 2024-04-03]. ISSN 1863-5407. 
Dostupné z: doi:10.3354/esr00462
12.    ZHELEVA, Marina. The dark side of light. Light pollution kills leatherback turtle hatchlings. BioDiscovery, 2012, 3: e8930.
13.    ROBERT, Kylie A., John A. LESKU, Jesko PARTECKE a Brian CHAMBERS. Artificial light at night desynchronizes strictly seasonal reproduction in a wild mammal. Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences [online]. 2015, 282(1816) [cit. 2024-04-03]. ISSN 0962-8452. Dostupné z: doi:10.1098/rspb.2015.1745
14.    HOFFMANN, Julia, Rupert PALME a Jana Anja ECCARD. Long-term dim light during nighttime changes activity patterns and space use in experimental small mammal populations. Environmental Pollution [online]. 2018, 238, 844-851 [cit. 2024-04-03]. 
ISSN 02697491. Dostupné z: doi:10.1016/j.envpol.2018.03.107
15.    BECKER, Alistair, Alan K. WHITFIELD, Paul D. COWLEY, Johanna JÄRNEGREN, Tor F. NAESJE a Erika CRISPO. Potential effects of artificial light associated with anthropogenic infrastructure on the abundance and foraging behaviour of estuary-associated fishes. Journal of Applied Ecology [online]. 2013, 50(1), 43-50 [cit. 2024-04-03]. ISSN 00218901. Dostupné z: doi:10.1111/1365-2664.12024
16.    BRÜNING, Anika, Werner KLOAS, Torsten PREUER a Franz HÖLKER. Influence of artificially induced light pollution on the hormone system of two common fish species, perch and roach, in a rural habitat. Conservation Physiology [online]. 2018, 6(1) 
[cit. 2024-04-03]. ISSN 2051–1434. Dostupné z: doi:10.1093/conphys/coy016
17.    VAN DOREN, Benjamin M., Kyle G. HORTON, Adriaan M. DOKTER, Holger KLINCK, Susan B. ELBIN a Andrew FARNSWORTH. 
High-intensity urban light installation dramatically alters nocturnal bird migration. Proceedings of the National Academy of Sciences [online]. 2017, 114(42), 11175-11180 [cit. 2024-04-03]. ISSN 0027-8424. Dostupné z: doi:10.1073/pnas.1708574114
18.    JONG, Maaike de, Laura van den EERTWEGH, Ronald E. BESKERS, Peter P. de VRIES, Kamiel SPOELSTRA a Marcel E. VISSER. Timing of Avian Breeding in an Urbanised World. Ardea [online]. 2018, 106(1) [cit. 2024-04-03]. ISSN 0373-2266. 
Dostupné z: doi:10.5253/arde.v106i1.a4
19.    FARNWORTH, Bridgette, John INNES, Joseph R. WAAS a Mathew S. CROWTHER. Converting Predation Cues into Conservation Tools: The Effect of Light on Mouse Foraging Behaviour. PLOS ONE [online]. 2016, 11(1) [cit. 2024-04-03]. ISSN 1932–6203. 
Dostupné z: doi:10.1371/journal.pone.0145432
20.    SILVA, Arnaud Da, David DIEZ-MÉNDEZ a Bart KEMPENAERS. Effects of experimental night lighting on the daily timing of winter foraging in common European songbirds. Journal of Avian Biology [online]. 2017, 48(6), 862-871 [cit. 2024-04-03]. ISSN 09088857. Dostupné z: doi:10.1111/jav.01232
21.    STONE, Emma Louise, Gareth JONES a Stephen HARRIS. Street Lighting Disturbs Commuting Bats. Current Biology [online].
2009, 19(13), 1123-1127 [cit. 2024-04-03]. ISSN 09609822. Dostupné z: doi:10.1016/j.cub.2009.05.058
22.    KURVERS, R. H. J. M., J. DRÄGESTEIN, F. HÖLKER, A. JECHOW, J. KRAUSE a D. BIERBACH. Artificial Light at Night Affects Emergence from a Refuge and Space Use in Guppies. Scientific Reports [online]. 2018, 8(1) [cit. 2024-04-03]. ISSN 2045-2322. 
Dostupné z: doi:10.1038/s41598-018-32466-3
23.    VAN GEFFEN, KOERT G., ASTRID T. GROOT, ROY H. A. VAN GRUNSVEN, MAURICE DONNERS, FRANK BERENDSE a ELMAR M. VEENENDAAL. Artificial night lighting disrupts sex pheromone in a noctuid moth. Ecological Entomology [online]. 2015, 40(4), 401–408 [cit. 2024-04-03]. ISSN 03076946. Dostupné z: doi:10.1111/een.12202
24.    DELHEY, Kaspar a Anne PETERS. Conservation implications of anthropogenic impacts on visual communication and camouflage. Conservation Biology [online]. 2017, 31(1), 30–39 [cit. 2024-04-03]. ISSN 0888-8892. Dostupné z: doi:10.1111/cobi.12834
25.    AGARWAL, Neha, Swati SRIVASTAVA, Shalie MALIK, Sangeeta RANI a Vinod KUMAR, 2015. Altered light conditions during spring: effects on timing of migration and reproduction in migratory redheaded bunting (Emberiza bruniceps) [online]. 29. květen 2015. B.m.: Informa UK Limited. Dostupné z: doi:10.1080/09291016.2015.1046245
26.    LE TALLEC, Thomas, Marc THÉRY a Martine PERRET. Melatonin concentrations and timing of seasonal reproduction in male mouse lemurs (Microcebus murinus) exposed to light pollution. Journal of Mammalogy [online]. 2016, 97(3), 753-760 [cit. 2024-04-03]. ISSN 0022-2372. Dostupné z: doi:10.1093/jmammal/gyw003
27.    GREEN, Richard F., Christian B. LUGINBUHL, Richard J. WAINSCOAT a Dan DURISCOE. The growing threat of light pollution to ground-based observatories. The Astronomy and Astrophysics Review [online]. 2022, 30(1) [cit. 2024-04-03]. ISSN 0935-4956. 
Dostupné z: doi:10.1007/s00159-021-00138-3
28.    FALCHI, Fabio, Salvador BARÁ, Pierantonio CINZANO, Raul C. LIMA a Martin PAWLEY. A call for scientists to halt the spoiling of the night sky with artificial light and satellites. Nature Astronomy [online]. 2023, 7(3), 237–239 [cit. 2024-04-03]. ISSN 2397-3366. 
Dostupné z: doi:10.1038/s41550-022-01864-z
29.    SOKANSKÝ, Karel. Světelná technika. Praha: České vysoké učení technické v Praze, 2011. ISBN 978-80-01-04941-9.
30.    LUGINBUHL, Christian B., G. Wesley LOCKWOOD, Donald R. DAVIS, Kevin PICK a Jennifer SELDERS. From The Ground Up I: Light Pollution Sources in Flagstaff, Arizona. Publications of the Astronomical Society of the Pacific [online]. 2009, 121(876), 185-203 
[cit. 2024-04-03]. ISSN 0004-6280. Dostupné z: doi:10.1086/597625
31.    JECHOW, Andreas; KYBA, Christopher a HÖLKER, Franz. Beyond All-Sky: Assessing Ecological Light Pollution Using Multi-Spectral Full-Sphere Fisheye Lens Imaging. Online. Journal of Imaging. 2019, roč. 5, č. 4. ISSN 2313-433X. 
Dostupné z: https://doi.org/10.3390/jimaging5040046. [cit. 2024-04-03].