光污染

为什么在城市里很难观测到漂亮的深空天体，因为除了雾霾、多云，还有一个最重要的原因——光污染！

光污染普遍指城市人造光源的污染，这种污染会照亮夜空，使得天体的可见性大大降低。

光污染是目前我们天文观测中遇到的最大问题。包括月光在内的光污染会对我们深空天体的观测造成干扰。

来源
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### 夜天光的构成

当眼睛适应了暗环境的时候我们总能发现周围环境被照亮了，这个源自天空的光俗称为夜天光，夜天光背景亮度特指除去可分辨天体外的天空背景亮度。通常夜天光亮度主要取决于大气本身的辐射、散射和人造光源污染，是决定光学天文观测所能达到极限星等的重要指标之一。根据《兴隆观测基地的观测条件和夜天光研究》一文，夜天光的光谱及组成见图和表3

**表3   夜天光光源的组成**

测量
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### 波特尔分类

右边是根据波特尔暗空分类法分出的从8到1的级别下的夜空污染程度。污染每增加一个等级，天体的可见程度愈加暴跌。我相信每一个亲眼见过、亲身感受过波特尔一二级的银河是怎么样的人，都无法认为我们可以舍弃这种无法替代的永恒财富。

### 查询网站

https://darkmap.cn/
https://www.lightpollutionmap.info/

影响
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### **夜天光的一些思考**

在杭州市天文学会群里，每次新人加入后除了问购买设备的问题外，都会有“某某山头观星怎么样？有没距离近又好的观星点？”这样的提问。得到的回答一般是“某某山头有光害，北面太亮，南面还好。某某山头虽然海拔高，但经常起雾。某某地方环境不错但距离很远。”大都是比较主观的描述客观环境差异。很难从客观定量角度给出天文观测环境优劣的细微差别。要准确全面描述一个观星点的环境好坏目前还是件很困难的事，涉及的因素实在太多。我认为夜天光明暗程度是一个可以量化的主要影响因素之一，相对稳定短期变化幅度不大，可以作为判别观测环境好坏的基础条件（当然其他观测条件也同样重要如视宁度、AOD等）。

对目视DSO来说，市区附近能看到的虽然不少，但想看得更多更富有细节还是需要更好的环境和口径的支持。一个好的观星环境包含了很多要素，为了避免内容散乱本篇仅讨论夜天光亮度或者背景亮度在某个单一因素影响下的变化，下文中假设其他条件一致并遵循常理或从静态角度考虑。

**一、天文目视入门时的疑惑**

下面列举一下我曾疑惑过的一些问题及凭直觉的第一反应，有些仍在寻找相关答案。

A大城市周边VS专业天文台址 哪里更暗？台址处也会有近距离光污染，找找有没比它更好的地方

B山顶VS山脚 哪个位置更黑？夜天光亮度相同，山顶的星光更亮

C高仰角VS低仰角 哪个更暗？高仰角相对暗些

D山顶有近距离光污染还去不去观星？不去，宁可找个周围看不见灯光的地方

E近郊高海拔VS远郊低海拔（抵达观测点耗时接近时）去哪里更好？很犹豫，感觉跑远点好

F有没可能在城市周边光污染严重区域内找到局部天区光害低的近距离观测点？期望有可能

为了能自己解答这些问题，我购买了2台天光测量仪SQM-L（10°）也找到了这方面的同好丁爷，目前我俩人手一台分别有机会测测杭州和青岛周边的环境光害情况了。下面对这些困扰了我一年多的疑惑逐个分析一下，不足之处敬请谅解。

1、大城市周边VS专业天文台址

南京紫台在城市中心区光害等级粉色区（A级），紫台盱眙观测站和上海天文台安吉天荒坪观测站在郊外浅蓝色区（F级）。北京兴隆台在绿-浅蓝交界区（E-F区），夜天光冬季暗夏季亮，实测全年**平均值20.7等**（i星等红外光），可能受大气污染和城市光污染共同影响，20.7等的夜天光看来并不难超越。事实的确如此，我在桐庐富阳的郊区山顶（黄绿-绿色区）2016年测到过不少夜天光值大于20.8等（V星等，值越大越暗）的数据，丁爷在青岛周边也测到超过20.8等的数据（当然由于有星光的影响，仪器还会低估夜天光背景的暗度，实际背景亮度值应该比测量值暗0.1-0.3等）。

2、同一光害等级区域海拔高程不同，夜天光的变化趋势

由于海拔高程升高，能避开贴近地表的300~700米悬浮颗粒物浓度大（散射光更多）的气层，因此理论上高海拔天顶方向的光污染比低海拔要少，夜天光亮度会更暗些。根据杭州临安大明山牵牛岗从海拔436m至1470m的测光实践来看，1000米的高差夜天光亮度降低幅度很小，几乎可以忽略不计，才0.1等左右，当然有可能那天空气比较干净。（链接http://www.astronomy.com.cn/bbs/thread-412816-1-1.html）

3、离城市不同距离的高山对光污染传播的影响

图C  高山对光污染传播距离的阻隔分析

从图C中不难发现：山体能阻隔城市中心直射或通过地面反射出来的光，观测点与城市之间有山体遮挡比没山体遮挡的光污染弱些，同等高度近郊山体比远郊山体能削减更多的城市光污染。（1000、2000米的山只是用来示意阻挡光污染，11个城市周边没有这样近距离高山的条件）

4、面向城市光污染和背对光污染方向夜天光明暗的区别。

从图3中位于25公里处的观测点在3个方向的夜天光比较来看，面向城市方向夜天光最亮，天顶其次，背对城市方向相对暗些。从这一点来看，未必高仰角暗于低仰角，从观测点（城市近郊）的实测数据来看也发现这个规律，往往夜天光最暗的区域并不是天顶，而是在背对光污染方向天顶距5~15°的位置，详见永安山顶的夜天光测光图（链接http://www.astronomy.com.cn/bbs/thread-410167-1-1.html）。城市远郊进入绿色---蓝色光害区时，各方向地平线低仰角处的光害直接由此方向的城市规模和距离决定，仰角45°以上各方向的差别就不太明显了，天顶处基本上是夜天光最暗的区域。

5、夜天光随时间的推移变化趋势

由于入夜后城市居民屋内照明以及建筑物照明需要，夜天光在19∶00~23∶00的亮度要大于23∶00~5∶00。乡村在21∶00以后就会进入相对稳定的黑暗状态，因此定性判断在无云无月夜夜天光亮度从亮逐渐变暗，22点以后趋于稳定。季节变化可能与兴隆台一致，夜天光冬季暗夏季亮（和气象条件及大气污染密切相关）。

6、近距离光污染的影响

观测点附近的路灯或屋内照明及场地灯光与城市光污染虽然不在一个量级上，但对夜天光的影响仍然很大，从牵牛岗雷达站海拔1470m山顶（光害深蓝区）测光结果来看，水平方向西面20.21等、东面20.04等，西面1km处海拔1200m滑雪场的光害只比东面120公里外杭州富阳光害暗了0.17等，45°仰角时差距才拉开，西面比东面暗0.5等。

从实际观测来看只要不面对光源观测，尽量避开直射光线（使瞳孔尽可能张大），夜天光略微增亮目视条件还是理想的，当然能避开灯光更好更有利于暗视力的发挥。（2017年1月22日在牵牛岗雷达站，用100ed大双在仰角50°附近观测到，表面亮度24等、视星等10左右的2个星系NGC4565、4244，3月3日凌晨观测到了马卡良星系链中的6个目标，其中最暗最小的一个是NGC4479。）

7、综合以上的结论来看近郊高海拔VS远郊低海拔（抵达观测点耗时接近时）去哪里更好？这个问题我认为首先看两地的夜天光等别，暗的区域相对会好些，如果差距仅在一个等级或在同一色区范围内那还是选高海拔观测点更优吧，最终还是要通过实测数据来对比更精确些。

**二、霾和雾的影响探讨**

华东、华中、华南、华北地区一年中多个季节受霾天气的影响，大气透明度降低，对天文观测的影响巨大，霾最主要是对天体辐射的消光作用使得深空目标变暗淡难以目视观测，通俗的讲就是看不到星（从大气AOD的分布图中不难看到华东华南和华中其实比北京好不了多少）。我们生活的环境短时间内无法改变，条件再恶劣也要开展观测活动啊。下面试着简单分析下霾和雾对夜天光的影响。

**霾**——是大量细微的气溶胶粒子均匀浮游在空中，使大气水平能见度小于10km的一种大气污染现象，按湿度高低分干霾（80%以下）和湿霾（80%以上）。大气对流层底部除了大气分子外，悬浮的固体与液体细颗粒物统称为**气溶胶粒子**，粒径以2.5微米为界分细粒子（PM2.5对应的细颗粒物）与粗粒子。粗粒子由于重力因素会自然沉降，在空气中停留时间不长，细粒子随空气流动能长时间悬浮于大气中。

**雾——**是在水汽充足大气稳定的情况下，相对湿度达到100%时，水汽凝结成细微的水滴悬浮于空中使水平能见度下降的天气现象。冬天和春天山区比较常见，白天看雾是白色的，峡谷里或水面附近的低空也会形成白色的层状气团称为水汽。夜晚随着山区夜晚温度逐渐下降，低海拔空气先于高海拔空气达到湿度饱和，雾从低处向高处逐渐蔓延，到凌晨日出前后温度最低时达到最高位置，隔着雾看天会朦朦胧胧的就象透过一块毛玻璃来看。

大气分子、气溶胶粒子和雾滴都能通过散射传递光污染。从微观角度来看，散射主要分以下两类。

光强
分布

粒径小于波长的1/10
（主要为N2、O2分子）
2粒子前半部和后半部的散射光通量相等。
3前向(0°)和后向(180°)的散射光最强，都比垂直方向(90°、270°)强一倍。
4前向和后向的散射光与入射光偏振状态相同；而垂直方向的散射光为全偏振。
2散射强弱与**波长几乎无关。散射效率因子 Q 恒定。**
 理论应用
2瑞利散射中波长短的绿激光是同功率红激光散射光强的2.2倍，且人眼对绿光敏感，就更容易被看到，指星笔选绿激光更合理，大气清洁的郊外可选高功率绿激光。

霾和雾微观的实质都是细小的颗粒物（固体或液体），对夜天光的影响是类同的，区别是颗粒物直径大小不同而已。霾颗粒的组成即气溶胶的成份有硫酸盐气溶胶、黑碳气溶胶、沙尘气溶、胶海盐气溶胶、有机碳气溶胶，自然条件下气溶胶是由干气溶胶颗粒与水结合而成的。气溶胶（俗称霾颗粒）有亲水增长的特点，特别是城市污染型气溶胶（主要为硫酸盐、硝酸盐气溶胶）颗粒亲水能力强，在90%湿度下粒径增长迅速，使散射系数提高5倍之大（霾造成的水平能见度降低比雾还厉害的主要原因）。

**因此夜晚城市中心上空的夜天光背景亮度高，主要由地面漫反射光和直射光经气溶胶散射所造成的（大气分子散射微不足道了），大气污染越严重夜天光越亮，反之空气清洁天看起来通透，夜天光也会变暗。**

**而远郊或山区的夜天光增亮主要由城市的光污染造成。随距离的增加，城市光污染强度逐渐减弱（见表1表2）；随城市空气污染的程度不同，光污染强度也会变化（示意见下图）。由此可见天气条件的变化也会引起城市周边夜天光明暗的变化。**

**三、近距离合适的观星点到底有没有？**

最后讨论一下有没可能在城市周边高光污染区域内找到局部天区光害低1-2个等级的近距离观测点呢？我很期待能在近郊1小时交通圈内找到这样的观测点，面临的问题是依据什么思路来找，如何描述这个点的观测环境条件。目前只考虑到一定是选在近郊山峰的背光侧，且观测方向上几十公里内光污染源尽量少，避开河流及水库，还需经过多次测光整理分析数据，才能确定各个季节不同观测方向的最佳点。我认为近距离合适的观星点可以在城市近郊光害黄绿区或绿区里寻找，可作为天文刚入门的爱好者活动的基地。

总而言之：**“夜天光背景亮度的明暗制约了目视观测的广度（DSO数量）；天文气象条件（AOD、Seeing等）影响目视观测的深度（DSO细节）。”** 因此，想看到更多更清晰的DSO，除了增大口径，另一条路就是去光污染更小、大气更清洁更稳定的环境。

对策
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### **距离城市多远才能避开光污染？**

地球大气对流层位于大气的最低层，从地球表面开始向高空伸展，直至对流层顶，即平流层的起点为止。平均厚度约为12公里，其厚度在地球两极上空为8公里，在赤道上空为17公里，是大气中最稠密的一层，集中了约75%的大气质量和90%以上的水汽质量。有对流和湍流，天气现象和天气过程主要发生在这一层。

杭州北纬30°属于中纬度，对流层厚度约12km，水汽、尘粒含量集中在对流层的下层+中层约6km厚度范围，因此城市光污染能使6000米高度内的大气产生散射（水汽、尘粒、大气分子共同参与）。

光污染对夜天光的增亮主要原因见右图（网图侵删）：

那么我分析计算离开严重光污染城市中心距离10km，20km，30km，40km，50km，80km时，光害影响天空范围上限结果见下表。

**观测点正对城市方向光害最大影响仰角与距离的关系（水平面以上度数）**

Tanθ=（6-△）÷（X-6）增亮程度与人口数量成正比，与距离平方成反比率关系

从上表分析可知，光害影响小的观测点需离开光污染严重的城市边缘至少30km，光污染才能控制在15°仰角以下，寻找海拔更高的观测点也能使光污染程度变轻（仅限大气散射，需尽可能避开低角度直射光）。当水汽含量较少时（冬季）或尘粒较少时（能见度大）可适当减小远离城市的距离也能达到同样的目标。

另外如果15°仰角范围内有山体遮挡，只要最近的城市距离大于30km，是不是我们可以认为这一方向天空可见部分的夜天光污染可以定性判断接近为0了（有待于实际测试数据来验证这一推断）。

结语
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20世纪某年美国某个大城市断电，银河清晰地显现在城市人的头顶，很多人不知道这是什么，甚至还有人会担心，银河的射线会不会对他们造成严重的影响。

在城市的光污染下，我们已经真正意义上失去了星空。虽然不是说绝对在城市里看不到深空天体。比如笔者就在某市光污染最严重的市中心，周围还有路灯各种楼盘的霓虹灯的情况下，用20×80双筒看到M42猎户座大星云的。更有甚者，在美国帝国大厦楼顶用DOB观测完所有的梅西耶天体的。

不过，这些做法仅仅是杯水车薪，在设备有限的情况下，看不到的天体你就是看不到，无论你如何抓耳挠腮。我相信很多天爱，更情愿驱车100公里远离城市，而不愿在光污染下将就看看的。除了平原，你还可以在山上观星，因为可以排除很多霓虹灯的水平污染要素。

我们确实不能预测未来是否会不会更糟，不过我们不否认，我们现在所处的环境就已经足够的恶劣了。这里是21世纪，我们有着一流的设备和前人留下的无数经验，然而却只有末流的环境。

星空与天文是我们以及我们子孙后代的共同财富，任何先污染再治理的想法都是错误的。不只是绿水青山，我们的夜空也是我们全人类的财富。多抓紧时间去看看真正的星空吧。

1. ↑ 《夜天光的构成》（刀锋）
2. ↑ **《夜天光的一些思考》（刀锋）**
3. ↑ 《距离城市多远才能避开光污染？》（刀锋）