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来城市的你有多久没见过星星了? 光污染的危害远比现象中大

2017年08月09日 14:13 来源:网易科学人 
自从爱迪生发明的灯泡开始照亮世界,大多数人类就此告别了夜晚的星空,地球上超过60%的地区天空都被昏黄的光污染所笼罩。人造光在给人类生活带来便利的同时,同样产生了不可忽视的负面影响,不仅影响着观星和动物行为,甚至影响人类健康。

  出品|网易科学人栏目组

  译者|小小

  自从爱迪生发明的灯泡开始照亮世界,大多数人类就此告别了夜晚的星空,地球上超过60%的地区天空都被昏黄的光污染所笼罩。人造光在给人类生活带来便利的同时,同样产生了不可忽视的负面影响,不仅影响着观星和动物行为,甚至影响人类健康。

你有多久没见过星星了?光污染的危害远比现象中大

  图1:由于大量的光线照射,大城市在夜间很容易被从太空中看到。即使在地面上,它们也可以从很远的地方看到,因为它们会产生名为“天空辉光”现象。

  1994年,大地震袭击了美国加州洛杉矶市。在随后的几天里,许多居民报告称看到巨大的银色光晕在夜空中伸展开来。有些人担心这种神秘的景象与地震有关。这些人终生都生活在灯火通明的大城市里,很少有人见到过星星,他们肯定从未见过这种夜空光云。实际上,那是我们的银河系!

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  图2:这是2012年美国宇航局卫星拍摄到的美国夜空,显示夜空几乎被人造光照亮

  在这场灯火管制之前的数十年中,城市灯光始终遮挡着来自遥远太空的微弱光线。当人造光照射到不需要它们的地方时,就形成了所谓的光污染。事实上,它被认为是世界上最大的污染形式之一,它阻止了2/3的美国居民和半数欧洲人观看银河系。随着城市的持续扩张,光污染每年都在增加。

  当然,这并非意味着电灯成了邪恶之源。在过去100年间,电灯帮助人们在太阳落山后还能继续工作和娱乐,公路两旁的路灯让汽车夜间行驶变得更安全。在许多方面,点亮夜晚都是好事。但这同样也存在缺点。有时候,有用的灯光也会造成意外伤害,这个问题甚至超出了我们享受夜空的能力。研究表明,光污染可以改变植物、动物和人的行为。有些不自然的光暗周期甚至可能使人类生病。

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  图3:这应是夜空原本的样子,有成千上万颗星星在闪烁。在这里,银河在科罗拉多州恐龙国家纪念馆的上方清晰可见。

  在不使用望远镜的情况下,夜晚应该有8000多颗星星是肉眼可见的,其中多达4000颗可以同时被看到。但是,要想看到最多的行星,人们需要前往远离城市或其他居民区的地方。生活在城市地区的人们只看到我们祖先能看到的一小部分星星。以纽约为例,远郊的人们可以在万里无云的夜晚看到250颗星星。靠近市中心的人,比如在布鲁克林区或皇后区,可能只能看到50颗星星。而在曼哈顿中部,看到15颗行星都算运气好。

  那么,是什么从天空中擦除了这些星星?人造光。我们的眼睛大约要半个小时才能完全适应黑暗。只有这样,我们才能精确分辨来自遥远恒星发出的暗弱光线。但当我们接触到更明亮的灯光时,比如车灯、门廊灯、手电筒或手机屏幕时,我们的眼睛立即就失去了对黑暗的适应能力。在我们日益电气化的世界里,这样的光污染几乎很难逃避。

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  图4:瑞典湖面上反射出大城市上空的光晕,请注意地平线上的穹顶形状。

  正在美国科罗拉多州柯林斯堡(Fort Collins)为美国国家公园服务局下属自然声音和夜空司研究光污染的杰里米·怀特(Jeremy White)解释说,光污染可分为三种形式。第一种是来自特定光源的直射光,如手电筒或头灯,它被称为直射眩光。间接光可以在天空光或“光穹顶”找到,这种光线可以让你知道远处有城市。而射入不想被侵入的地面或建筑物中的光,则被称为光侵扰。

  在直射眩光中,光线直接从光源进入某人的眼睛。眩光往往会分散我们的注意力,使我们分心。怀特表示,对于夜间司机来说,面对迎面而来的前灯或明亮闪烁的标志,这是个大问题。此外,这种光也会影响行人,使他们很难看到隐藏在暗处的东西。虽然许多人认为安全灯使他们更安全,但实际上这些直射眩光会让你更难发现不想被人看见的人。

  天空发光通常都是属于间接光。从远处看,它像一个光穹顶。当光进入空气中的粒子(如水蒸气、烟雾或其他污染物)中时,就会出现这种穹顶。怀特解释说,这些分子会散射光,产生可见光。他说,这种光照非常明显,从某些城市中心的天空可以被250公里外看到。

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  图5:这些街灯向各个方向发光,产生直射眩光和光侵入。它们也可能改变附近树木的生长情况。

  当街灯照亮本应属于黑暗空间的地方,或某人的安全灯照亮邻居的房子时,就发生了光入侵现象。怀特解释说:“天空中有天空的光辉,但光入侵发生在地面或建筑物上。”

  怀特称,这三种光污染都是由于照明不当造成的。夜晚的光线很重要,但是我们需要在地面上的特定地方发光。许多街道、门廊和安全灯的光线超出了它覆盖的范围,它们可以水平或向空中发光。明亮的广告也能做到这一点。水平光线会引起眩光和光入侵,而向上闪烁的光会使天空发光。两者都能影响到生物。

  几乎所有生物都需要经历日夜周期,通常每24小时重复循环。这样的周期称为昼夜节律(Sur KAY dee)。许多植物在早晨开花,其他则只在晚上开花。动物在特定的时间搜寻食物。有的晚上睡觉,白天进食。有些晚上进食,而白天睡觉。在24小时内,光和黑暗的周期性循环通常控制着这种行为。

  当昼夜周期中发光部分延长时,动植物的反应就会改变 。例如,黑暗时长决定了许多树木何时在春天发芽、开花,以及在秋天何时落叶。当然,并非所有植物都对光暗周期敏感。但是那些生活在街灯或其他全夜灯附近的植物,可能不会在自然状态下休眠。相反,它们一年四季都在生长。这可能导致这些植物无法应对压力条件,如干旱或树叶被昆虫和真菌侵入等。

  动物也受到夜间灯光的影响,不仅仅是因为它们的生物钟被改变了。在大城市里,即使没有人在工作,建筑物内的灯也可能在晚上开着。这些灯会吸引候鸟,因为它们经常在夜间旅行。这种鸟进化到利用遥远而昏暗的灯光来引导他们旅行的能力。然而,现在明亮的城市灯光可能会让鸟类感到困惑。它们就像围绕街灯的飞蛾,围绕明亮的建筑绕圈飞行。这种行为会继续下去,直到鸟儿筋疲力尽地摔落地面。它们很容易受到其他威胁,如狗、猫或车辆等。根据国家奥杜邦协会统计,每年晚上有数百万只鸟死于这种人造光。

  海滩附近灯火通明的地区可能会给海龟带来不同的问题。雌性海龟每年只会上岸1次,趁着夜色在沙滩上挖洞产卵。水可以反射来自月亮和星星的光,这通常会让大海显得比海滩更明亮。雌性海龟利用这种光线差别寻找建立巢穴的安全地点。海龟产卵后,会在上面铺满沙子,然后在月光和星光的指引下回到海中。大约两个月后,小海龟会在它们的巢穴中孵化出来。它们也利用月亮和星星发出的自然光寻找到通往大海的路线。

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  图6:在美国佛罗里达州Vero Beach,研究人员标记刚孵化出来的小海龟行动轨迹。大部分海龟都被人造光所迷惑,反而会远离海洋。

  然而,城市照明已经改变了这些现象。人们在海龟筑巢的海滩上建造了旅馆、度假村和房屋。到了晚上,这些建筑物比海洋显得更加明亮,这可以让海龟迷失方向。佛罗里达州盖恩斯维尔海龟保护协会的照明专家格温·奥博霍尔策(Gwen Oberholtzer)指出,有人报告在游泳池、停车场或公路上发现成年雌性海龟。小海龟也同样会感到困惑,每年都会有无数刚刚孵化的小海龟迷失方向,大多数最终将死于疲惫和口渴。

  即使是困惑的海龟找到了出海的路,也可能没办法记住重新回来的路径。她解释说,许多小海龟浪费了太多的精力去流浪,这使得它们不太可能到达能够提供大量食物和躲避捕食者的重要近海栖息地。小海龟需要几年才能到达繁殖年龄。在那之前,它们都生活在海洋里。只有当这些爬行动物长大到能自己产卵时,它们才会短暂上岸,并前往它们出生的筑巢地点。这种多年的延迟使得科学家很难确定光照会如何改变小海龟的健康状况。

  光污染也会影响蝙蝠,其中少数蝙蝠物种能从光污染中获益。 由于昆虫被街灯所吸引,这些蝙蝠可以在这里找到大量美食。但是专门研究蝙蝠和光污染的行为生态学家丹尼尔·莱万茨克(Daniel Lewanzik)发现,有些蝙蝠会避免发光区域。莱万茨克目前在德国塞维森的马克斯普朗克鸟类研究所工作,他担心电灯可能会阻止蝙蝠到达它们进食的地方。

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  图7:作为蝙蝠实验的一部分,莱万茨克将光源放在胡椒植物上

  在2014年研究中,莱万茨克前往哥斯达黎加,调查夜间照明对蝙蝠进食的影响。那时,他为德国柏林的莱布尼茨动物园和野生动物研究所工作。莱万茨克捕捉蝙蝠进行各项测试,并把它们放在飞行的围栏里。他设置了两个较小的围栏,每个都有蝙蝠喜欢吃的胡椒。围栏的一侧有灯光照射,另一侧则保持黑暗。在晚上6点到凌晨2点之间,莱万茨克统计了蝙蝠进入每个围栏的频率。研究显示,蝙蝠在黑暗面进食的几率是光照面的两倍还多。

  为了观察蝙蝠在野外的行为是否相同,莱万茨克记录下它们在热带雨林中寻找食物的场景。他找到在灌木深处生长的胡椒植物,其他的则生长在夜间用钠蒸气灯照明的地方。这些灯会发出橙色的光。在日落3小时后,蝙蝠吃掉了黑暗地区植物所有成熟的果实。而处于光照条件下的胡椒,只有不到78%成熟果实消失。当然,这种行为与电灯密切相关,皎洁的月光并没有阻止他们吃掉胡椒。

  对于野生动物来说,夜间照明的颜色也有很大的影响。 许多路灯发出红光和红外线。电磁光谱包括所有类型的光,红外线正好超出了人们可以看到的红光范围。我们利用红外线辐射探测热量,有些植物用它来决定何时开花,因为温暖的夜晚通常是气候进入变暖周期的标志。那些夜间接受人造光照射的植物,可能比正常情况下提前开花。

  红光同样会影响许多鸟类。 候鸟往往利用地球磁场来帮助在夜间寻找方向,但他们的大脑似乎需要吸收蓝绿色波长的光,并利用这些磁场的线索。某些波长(比红光波长更长的光)会干扰鸟类利用磁场进行导航的能力。因此,受影响的鸟类可能偏离航向。研究表明,用波长较短的绿色代替长波的红色光有助于候鸟在途中停留。

  但是短波长的人造光并不总是良性的。发光二极管或LED灯,往往会散发短波长的光。这些节能灯泡近年来十分流行。明亮的白色等会发出很多蓝光(短波长)的光。这种颜色可以欺骗身体,以为是白天,即使我们的身体可能“知道”当时是深夜。

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  图8:夜班工人,比如这里的医院工作人员,夜里会遇到明亮的灯光。这可能会使他们的身体以为是白天,进而带来健康风险。

  考虑到电子设备的日益普及,很少有人在晚上体验到完全的黑暗,即使是在家中。当我们入眠时,街灯或汽车发出的光依然透过窗帘边缘在闪烁。即使是装在电子设备上的小灯或时钟收音机上发光的数字,也会破坏我们在黑暗中看东西的能力。

  也许令人感到惊讶的是,夜间如此低的光线也可能影响健康。美国加州索尔克生物研究所主要研究基因和行为的专家特雷西·贝德罗希安(Tracy Bedrosian)表示:“夜晚的灯光会扰乱人类的睡眠,而睡眠不足会对健康和行为产生许多负面影响。”

  然而,贝德罗希安指出,夜晚的灯光不仅剥夺了人们的睡眠。她在仓鼠测试中发现,随着夜晚的光线逐渐消失,人类和仓鼠的大脑中都会产生一种褪黑素,它能让我们准备好睡觉。但贝德罗希安的研究小组显示,即使暴露在昏暗的光线下,也会导致仓鼠体内的褪黑素减少。

  更重要的是,仓鼠的大脑也显示突触数量减少。突触位于2个神经细胞之间,是神经信号传递的必经之路。在患有抑郁症的人身上,存在类似突触减少的情况。贝德罗希安研究发现,存在这类大脑变化的动物表现得好像很沮丧。他们走动较少,对愉快的经历也表现出较少的兴趣,比如喝糖水。

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  图9:智能手机的LED显示屏可以提供很多蓝光。如果在就寝时间查看,这种光线可能会干扰身体的内部生物钟,使它难以产生足够的褪黑激素来促使人入睡。

  贝德罗希安解释说,对于人类来说,夜晚的光线可能会产生“双重打击”,不仅会扰乱睡眠,还可能诱发疾病。事实上,越来越多的研究表明,夜间光线与乳腺癌的风险增加有关。有些实验表明,褪黑素的降低可能在这方面发挥了负面作用。

  青少年应该尽量避免在夜间使用智能手机、平板电脑和其他设备。这样可以让他们的大脑处于“足够的黑暗时间”,以保持正常工作。

  怀特指出,选择“柔和”或“温暖”的白色LED灯而非明亮白色,可能也有所助益。柔和或温暖的白光发出的光接近红色末端的颜色,而明亮的白色更接近于蓝色波长,更多倾向于模仿日光。夜晚避免类似白天的照明可以改善人们的睡眠和情绪。

  与其他可见光相比,蓝光更容易散射。这意味着,蓝光更容易在空气中遇到粒子反弹,并在其他方黑暗的地方产生辉光。当这种情况发生在室内(因为电子设备上的蓝光),它会让你无法睡个好觉。事实上,韩国4月份发布的研究报告,显示智能手机的LED光对年轻人会产生巨大影响。这种光会减少睡意,减缓褪黑激素的产生,并导致人们产生错误。

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  图10:这张照片显示了适当的室外照明。这些光被屏蔽以消除直射眩光、光线侵入或天空辉光

  怀特指出,在户外使用柔和或温暖的灯光可以帮助减少天空辉光现象。如果你或者你的父母正在更换室外灯具,考虑下遮挡灯泡直接下射的光线,这可以防止直射炫光,同时将光线集中于最需要照明的地方。奥博霍尔策表示:对付破坏性的夜晚户外照明可能是最容易解决的问题,比如可以关掉电灯。而且它不像其他类型的污染那样,对环境会产生持久伤害。这类污染可以很快消除,人们只需要意识到问题所在,并采取行动。

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