Световое загрязнение окружающей среды. Космический мониторинг данной проблемы.

Введение

Физиология и поведение большей части жизни на поверхности Земли или вблизи нее развивались в течение миллиардов лет, чтобы соответствовать естественному циклу дня и ночи на нашей планете. Однако за относительно короткий промежуток времени люди нарушили этот естественный цикл освещения, и теперь в нашей жизни широко распространенно искусственное освещение в ночное время.

Казалось бы, чем может навредить с виду безопасное искусственное освещение окружающему миру? В данной статье мы подробно расскажем о проблеме светового загрязнения и ее решения при помощи дистанционного зондирования.

История возникновения проблемы светового загрязнения

Световое загрязнение (по-другому засветка) — засвечивание ночного неба искусственными источниками освещения, свет которых рассеивается в нижних слоях атмосферы, мешая проведению астрономических наблюдений и изменяя биоритмы живых существ, приводя к гибели некоторых из них. Иногда это явление также называют световым смогом.

В каждый момент половина Земли переживает ночь. На протяжении бесчисленных тысячелетий каждое животное, экосистема, человек, город и поселение приспосабливались к ночи как к половине естественного цикла света и тьмы, задаваемого восходом и заходом Солнца. Однако менее чем за столетие люди изменили ночь с появлением повсеместного искусственного освещения.

Изучение светового загрязнения и его воздействия на окружающую среду в ночное время является относительно молодой и быстро развивающейся областью. Первое исследование было проведено Университетом Плимута в Великобритании. Ученые доказали, что искусственное освещение прибрежных городов оказывает влияние на три четверти мест обитания морских животных. Последствия этого глубокого изменения ритма жизни начинают понимать только сейчас. На данный момент уже известно, что они включают угрозы для экосистем, здоровья человека, климата и видимости ночного неба.

Сегодня примерно 23% поверхности Земли находится в зоне светового загрязнения. Почти 80% населения подвергается его воздействию, включая 99% живущих в Европе и США.

В мире с каждым годом света становится все больше, площадь искусственно освещенных территорий выросла на 2,2% с 2012 по 2016 года, а яркость света повышается на 1,8% ежегодно.

Виды светового загрязнения

На данный момент выделяют 5 типов светового загрязнения. Рассмотрим каждый из них.

1. Нарушение освещения

Довольно общая проблема, вызванная нежелательным светом, который проникает в дома и вызывает проблему бессонницы. Многие страны миры разрабатывают стандарты наружного освещения городов, которые буду ограждать людей от его пагубного влияния на здоровье.

2. Чрезмерное освещение

Частое использование искусственного света днем, неправильные лампы и использования косвенного света – все это называется нерациональным использованием освещения. Такое использование света сокращает ресурсы нефти на миллион баррелей каждый год только на территории США.

3. Яркий свет

Этот тип светового загрязнения вызывает угрозу общественности. Попадания бликов яркого света в сетчатку глаза способно вызвать серьезные нарушения контрастности зрения. Также его пагубное влияние вызывает проблемы на дорогах. Если взглянуть на ослепляющий свет солнца, то можно получить временный дефицит зрения.

4. Световой беспорядок

Проблема вызваны огромным скоплением огней города, которые оказывают воздействие на человека.

5. Свечение неба

Происходит в результате отражения света от освещенных поверхностей и света, направленного в небо. Они рассеиваются атмосферой Земли и вызывают своеобразное ночное свечение.

Влияние светового загрязнения на экосистему

Опасность для человека:

В первую очередь, как было сказано ранее, световое загрязнение влияет на здоровье человека. Но каким образом? Большое количество искусственного света, и уличного, и внутри квартиры, влияет на циркадные ритмы — внутренние часы, которые управляют дневной и ночной активностью человека. В частности, нарушение циркадных ритмов влияет на выработку мелатонина — химического вещества, обладающего антиоксидантными свойствами и помогающего вызвать сон. Оно же повышает иммунитет человека и снижает уровень холестерина. Недостаток этого гормона приводит к недосыпанию, усталости, головным болям, стрессу, беспокойству и другим проблемам со здоровьем.

От данной проблемы страдают не только люди, но и вся экосистема.

Опасность для животных:

• Сбиваются с путей миграции
• Нарушаются циклы размножения
• Усложняется формирование среды обитания
• Гибель некоторых видов от яркого искусственного освещения

Опасность для растений:

• Влияние на фотосинтез
• Нарушается циклический рост растений
• Деревья сбрасывают листья с опозданием
• Сдвиг стадии цветения

Влияние на атмосферу:

Слишком много ночного освещения означает перерасход электроэнергии и существенное увеличение выбросов парниковых газов.

Влияние на астрономические наблюдения:

По причине искусственного свечения неба искажается видимость неярких объектов, так как ухудшается контраст между ними. Из-за этого в крупных городах в ночном небе видны только крупные звёзды, Луна и некоторые планеты - Юпитер, Меркурий, Венера, Марс. Такие объекты далёкого космоса, как туманности, галактики, звёздные скопления, становится сложно наблюдать из городов.

Борьба со световым загрязнением

Основными методами борьбы со световым загрязнением являются:

• Контроль уровня света. Свет не должен быть ярче, чем необходимо. Эксперты призывают использовать минимальный требуемый уровень освещенности.

  

• Понимание четкости предназначения искусственного освещения. Если никак не уйти от освещения, необходимо избавиться от нежелательного света, т. е. направлять лампы и фонари только на те места, которые действительно нужно подсветить.
• Мониторинг цвета. По возможности использовать более теплые оттенки. Эксперты советуют ограничить коротковолновый сине-фиолетовый свет до минимально необходимого количества, так как он наиболее вреден для насекомых и животных.

Спутниковый мониторинг воздействия искусственного света на окружающую среду

 Как правило, загрязнение окружающей среды светом распространено в больших городах. Проводить наземный мониторинг в таком случае нецелесообразно. Спутниковое дистанционное зондирование является единственным практическим средством измерения воздействия искусственного света на наиболее чувствительные экосистемы, поскольку прямое зондирование в этих местах затруднено или невозможно.

Первые измерения ночных огней со спутниковых платформ были сделаны в начале 1970-х годов в рамках ныне рассекреченного проекта Министерства обороны США, известного как «Программа оборонных метеорологических спутников». Помимо общего грубого пространственного разрешения, полученные данные имеют ряд ограничений, включая шестибитное квантование, относительно низкий динамический диапазон и отсутствие как спектральной дискриминации, так и бортовой калибровки. Несмотря на эти проблемы, данные были использованы в конце 1990-х для создания первого глобального атласа светового загрязнения.

В последние годы были предприняты усилия по разработке небольших спутников для наблюдения за ночными огнями. Предшественником почти всех этих усилий является концепция спутника Nightsat 2007г. В то время прибор DMSP-OLS был единственной орбитальной миссией, предоставляющей данные для изучения глобального светового загрязнения.

Сейчас появление технологий малых спутников открыло новый класс потенциальных спутников по наблюдению в ночное время. Компромиссом высокого пространственного разрешения и широкополосной спектральной чувствительности этих спутников является относительно короткая продолжительность полета и/или ограниченный охват. К ним относятся китайские спутники такие как: Luojia 1–01 (LJ1-01), JL1-3B и Jilin 1–07/08. Израильский спутник EROS-B и демонстрационный ряд спутников Aerocube CubeSat от The Aerospace Corporation. Данные спутники, как правило, отлично справляются не только с задачей обнаружения ночных огней, но и с задачей по сбору данных дистанционного зондирования погоды.

Наглядно покажем на объекте «Аэропорт Шарль-де-Голь» в Париже, насколько высоко разрешение современной ночной съемки.

Разница очевидна, не так ли?

Практическое применение мониторинга светового загрязнения из космоса

С применением ночных космических снимков представляется возможным :

1. Создать картограмму светового загрязнения как на отдельный район, так и масштабные территории с последующим мониторингом изменений;
2. Создать мировой атлас искусственной яркости ночного неба
3. Разработать алгоритмы автоматической идентификации извлечения источника света
4. Проводить прогнозирование и мониторинг распространения светового излучения

Картограмма распространения светового загрязнения в КНР (пример)

Ниже представлен фрагмент карты светового загрязнения. Карта интерактивная, можно сильно увеличивать и рассмотреть освещенность любого города или местности планеты в ретроспективе. Подробно по ссылке 

Плюсы мониторинга светового загрязнения из космоса

• Большой охват территории
• Эффективность наблюдения
• Изображения без потери разрешения
• Возможность получить как фото, так и видеосъемку

Ограничения мониторинга светового загрязнения из космоса

• Подходящие для исследования данные не находятся в общем доступе
• Цена

Актуальна ли проблема светового загрязнения в Москве?

На мировом атласе светового загрязнения наглядно видно, что наиболее подвержены этой проблеме мегаполисы. Город Москва не исключение.

Ниже представлена картограмма распространения светового загрязнения в Москве и Московской области.

Наглядно видно, что 90% территории столицы России подвержено световому загрязнению.

В черте Москвы насчитывается более сотни особо охраняемых природных территорий (ООПТ), где действует особый режим охраны, и хозяйственная деятельность частично ограничена. Это «зеленые лаборатории» столицы.

Следовательно, город насыщен как флорой, так и фауной. Рассмотрим, насколько сильно подвержен световому загрязнению самый популярный заповедник Москвы (Лосиный остров).

Видно, что значения вокруг национального парка принимают значения близкие к максимальному. В самом парке ситуация не лучше – значения выше среднего. Это значит, что режим дня и ночи в этом месте нарушен 100%. Что, мягко говоря, пагубно влияет на растительный и животный мир.

Москва – город, который больше всего загрязнен искусственным ночным светом в России.

В статье был приведен только один пример вреда ночного искусственного света в Москве, но по факту их тысячи. Начиная от насекомых, которые умирают от одного светящегося билборда в количестве 300 тыс., заканчивая омертвениями водоемов из-за развития фитопланктона. Следовательно, можно сделать вывод, что данная проблема особенно актуальна.

Именно поэтому необходимо производить регулярный мониторинг светового загрязнения в столичном регионе, выполнить городское планирование использования уличного освещения, классифицировать административные единицы. Все это поможет сберечь экологию Москвы и МО.

Заключение

Проблема светового загрязнения окружающей среды является особенно актуальной в наше время. Использование искусственного света в последние годы выросло в геометрической прогрессии. В погоне за современными технологиями мы сами изменяем естественные ритмы дня и ночи, что пагубно влияет не только на здоровье человека, но и на всю окружающую среду.

На данный момент у исследователей данной задачи стоит цель создать такую систему, которая визуализировала бы все небо по низкой цене с высокой простотой использования для более широкого отображения и мониторинга ночных условий в защищенных местах. Но это всего лишь перспективы. 

Спутниковое дистанционное зондирование ночных огней остается нашим единственным эффективным средством понимания проблемы светового загрязнения в действительно планетарном масштабе.

ООО «Геопространственное Агентство ИННОТЕР» является прямым партнером операторов космических аппаратов ночного зондирования Земли, обладает высокой экспертизой процессинга рассматриваемых космических снимков, и готово помогать ответственным органам государственной и муниципальной власти в решение вопроса оценки уровня светового загрязнения окружающей среды.