“點燃一支蠟燭就會投下陰影。” 這是厄休拉·K·勒吉恩在她 1968 年的青少年奇幻小說《地海巫師》中寫下的。勒吉恩的詩意觀察涉及魔法的道德模糊性，但也雄辯地描述了幾個世紀以來旨在消除黑暗的技術探索及其最偉大的進步之一：電燈泡的發明。
電燈照明無疑有其光明的一面。在黑暗中工作、旅行或閱讀都很困難，但只需撥動開關，問題就消失了。經濟效益如此巨大，以至於你可以從深空中看到它們的影響，在夜間燈火通明的網路中，勾勒出我們繁榮的全球文明的輪廓。但是，我們現代對燈光璀璨的夜晚的喜愛卻投下了長長的陰影——浪費能源、擾亂生態系統，在某些情況下還會損害人類健康。而且，正如週五釋出的《新人造夜空亮度世界地圖集》中所詳述的那樣，那些點綴我們的星球並向外界宇宙揭示我們存在的燈光，也正在扼殺我們對星星的觀看。該地圖集發表在《科學進展》上。
根據該地圖集（該地圖集是透過分析 NOAA-NASA Suomi 國家極地軌道夥伴關係衛星在地球上拍攝的數萬張高解析度夜間燈光影像而製作的），地球上大約三分之一的人在仰望夜空時看不到銀河系。對於美國人來說，這個比例更高：光汙染阻止了五分之四的人看到我們家園的星系，就像一條籠罩在頭頂的朦朧光河。在新加坡、韓國和卡達等光汙染特別嚴重的國家的居民，幾乎看不到任何星星，而是將夜晚置身於永久的“人造黃昏”之中。除了相對荒蕪的開闊海洋和極地荒原之外，擁有自然黑暗天空的有人居住的星球部分僅限於查德、巴布亞紐幾內亞和馬達加斯加等偏遠地區，並且還在不斷縮小。
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“二十年前，光汙染只能被認為是天文學家的問題，”主要作者法比奧·法爾基說，他是義大利蒂耶內的一名高中物理老師，他在 20 世紀 90 年代光汙染開始干擾他的業餘天文學愛好後，開始關注日益嚴重的光汙染威脅。“但從根本上說，生命在數百萬年的進化過程中，一半的時間是黑暗，一半的時間是光明，而我們現在已經用一層發光的霧籠罩了我們的星球。光汙染已成為全球範圍內的真正環境問題。”
“星空會觸動你的靈魂，”法爾基補充道。“我們文明的宗教、哲學、科學、藝術和文學都源於我們對天空的觀察，而我們現在正在失去這些，其後果我們無法完全瞭解。當我們無法從夜空中獲得啟發時會發生什麼？”
基於 35,000 多張衛星影像和對天空亮度的詳細地面測量，此《新人造天空亮度世界地圖集》的互動式視覺化顯示了人造照明造成的天空光芒遮擋恆星和星座的位置。較亮的區域對應於光汙染造成的天空輝光水平較高。圖片來源：Falchi 等人，《科學進展》；Jakob Grothe/美國國家公園管理局，Matthew Price/CIRES 和 CU-Boulder。
除了光汙染明顯的弊端（例如抱怨的天文學家或因明亮燈光而偏離航向的海龜幼崽和遷徙鳥類）之外，它的大多數相關影響都很難量化。研究人員仍然缺乏對許多夜間捕食者和獵物之間複雜關係的深入瞭解，更不用說不同程度的人造光如何改變它們了。對於人類來說，其影響也同樣混亂。根據多項流行病學研究，世界衛生組織在 2007 年和美國醫學會在 2012 年分別發表宣告，警告說夜間長時間暴露在光線下會增加患某些癌症的風險，可能是透過改變晝夜節律和相關激素水平。即便如此，這些研究中的大多數都沒有區分戶外光源（如路燈）和室內光源（如電視和智慧手機螢幕）的暴露。
然而，最根本的困難在於，沒有人確切知道這個問題有多嚴重。夜間照明的總量很容易從衛星影像中計算出來——科學家們已經這樣做了幾十年——但是確定所有這些光線在穿過地球大氣層時散射所造成的“天空輝光”有多少則是一項更為棘手的任務。法爾基及其同事透過在無雲的天空中執行 Suomi 衛星資料，透過計算天頂（正上方）的天空輝光來獲得他們的光汙染估計值。然後，他們將這些結果與從地球上各個晴朗地點獲得的真實天空亮度測量值進行比較和進一步校準。該模型對顯著光汙染的閾值是當計算出正上方的夜空比其墨黑自然狀態亮 1% 時。
根據研究合著者丹·杜里斯科（美國國家公園管理局的科學家，他提供了許多天空亮度測量值）的說法，頭頂亮度變化 1% 的意義遠比看起來重要，部分原因是地球上超過一半的物種被認為是夜行性的。“一個天空亮度僅比自然天頂高 1% 的地點，在地平線附近可能具有更高的天空輝光，因為它可能處於數百公里外其他物體的光穹頂內，”杜里斯科說。“這就是該模型在預測未來遙遠城市的光汙染威脅方面強大的地方。隨著人口的增長和擴散，沒有人工照明證據的區域將變得更加難以找到。”
此外，雲的影響可以極大地放大即使是輕微的光汙染程度。出於這個原因，南加州大學多恩西夫城市生態學家特拉維斯·朗科爾（未參與這項研究）說，新地圖集僅為可能更大的光汙染水平提供了最低基線。“從陰天降下來的光量很容易達到 10 倍……地圖集顯示基線晴空亮度相當於黃昏或半照明月亮的地點，可能被排除在需要真正黑暗才能生存和繁榮的特殊物種的棲息地之外。”
對於人類來說，地圖集揭示的最令人擔憂的見解是，隨著戶外照明光源從較舊的白熾燈照明轉變為發光二極體（LED），這種轉變正在產生影響。LED 比白熾燈泡更節能、更耐用且可動態調節，美國和其他幾個國家正在積極鼓勵使用 LED。然而，最經濟的 LED 在刺眼的藍白色調中最亮。由於地球大氣層優先散射藍光（要證明這一點，只需仰望晴朗的陽光天空），法爾基的模型表明，大規模轉換為廉價的藍白色 LED 用於戶外照明可能會大大增加天空輝光，即使發射的光量總數保持不變。除了在許多人看來不美觀之外，人們還擔心藍白色 LED 光可能也很危險。托馬斯傑斐遜大學的光生物學家喬治·佈雷納德（未參與法爾基的研究）說，人類對可見光譜的黃色和綠色部分具有最高的視覺敏感度。但正是藍白色光（正是廉價 LED 產生的那種）主導著人類晝夜節律和其他重要生物週期的調節，佈雷納德說。“廣泛採用 LED 將節省大量能源，這是一件好事，”佈雷納德說。“問題是，巨大的節能是否會損害人類健康和生態系統？”
法爾基及其同事的這項研究的最大價值可能在於它為關於光汙染的政策辯論以及夜間照明水平的任何相關變化設定了基線。朗科爾說，地圖集關於藍白色 LED 的有害天空輝光效應的發現，“是一個資訊，即鼓勵轉換為廉價的藍白色 LED 是一個巨大的政策錯誤。”
“如果我作為一名大學教授向我的機構審查委員會提出，我想透過引入與有害生物和生態影響最相關的光波長來對整個人群進行實驗，他們會笑著把我趕出門外，走過街道，走出我的辦公室，”朗科爾說。“幸運的是，我們現在可以使用顏色更溫暖的 LED，消除光譜中如此有害的藍色峰值，因為它在地球大氣中散射太多。”
除了優先使用顏色更溫暖的 LED 外，該研究的作者說，可以透過對人造光進行更嚴格的監管以及無需太多街道照明的無人駕駛汽車的出現來阻止或逆轉星空因光汙染而消失的情況。但是，還有一個更簡單的解決方案。
“我喜歡告訴人們，戶外照明的好處是它的環境影響可以立即消除，”杜里斯科說。“你所要做的就是關燈。”