Zanieczyszczenie światłem – przyczyny, skutki, sposoby ograniczania

Sztuczne światło, emitowane przez elektryczne źródła, jest dobrodziejstwem i jednym z największych osiągnięć cywilizacyjnych. Po zapadnięciu zmroku takie oświetlenie jest niezbędne do normalnego funkcjonowania współczesnego człowieka. Oświetlenie we wnętrzu jest bardzo ważnym czynnikiem pozwalającym na uzyskanie wysokiej wydolności wzrokowej. Jest także potrzebne do kreowania odpowiedniej atmosfery w strefach wypoczynku i relaksu. Oświetlenie zewnętrzne natomiast zapewnia odpowiednią widoczność osób i obiektów oraz umożliwia swobodne przemieszczanie się w przestrzeniach publicznych. Liczne badania naukowe wykazały jego bezpośredni związek ze wzrostem poczucia bezpieczeństwa i poprawą porządku publicznego [1, 2]. Ma ono także bardzo duże znaczenie dla zapewnienia bezpieczeństwa w ruchu drogowym. Oświetlenie dróg i ulic podnosi wydolność wzrokową, ostrość widzenia i skraca czas reakcji wszystkich uczestników ruchu drogowego, przyczyniając się tym samym do ograniczenia liczby wypadków w nocy [1, 2]. Oświetlenie boisk oraz stadionów sportowych pozwala na prowadzenie rozgrywek po zapadnięciu zmroku. Umożliwia także udział kibiców zarówno na miejscu, jak i przed telewizorami.

Nie bez znaczenia jest także rola oświetlenia zewnętrznego w kształtowaniu nocnego wizerunku miasta. Iluminacje obiektów architektonicznych oraz przestrzeni publicznej podnoszą atrakcyjność danych miejsc w porze nocnej. Zachęcają turystów i lokalnych mieszkańców do spędzenia wolnego czasu na zewnątrz.

Niemniej jednak oświetlenie elektryczne, szczególnie przestrzeni zewnętrznej, które jest źle zaprojektowane i niewłaściwie eksploatowane, wywołuje nadmierną emisję światła do miejsc, gdzie nie jest ono ani potrzebne, ani chciane. Stan, w którym nadmierna ilość światła sztucznego zakłóca nocne środowisko naturalne, nazywany jest zanieczyszczeniem światłem (ang. light pollution).

Zanieczyszczenie światłem – przyczyny

Zanieczyszczenie światłem jest problemem globalnym, niemniej jednak najsilniej widoczne jest w rejonach wysoko uprzemysłowionych i gęsto zaludnionych, np. w Ameryce Północnej czy Europie. W wielu krajach, w tym także w Polsce, trudno jest znaleźć obszary ciemnego nieba. Skalę zanieczyszczenia światłem na świecie i w Europie pokazano na fot. 1 i 2.

Fot. 1. Mapa zanieczyszczenia światłem na świecie [3]. Fot. 2. Mapa zanieczyszczenia światłem na terenie Europy [3]

Głównym źródłem zanieczyszczenia światłem jest infrastruktura oświetlenia zewnętrznego, zwłaszcza źle zaprojektowana, nieprawidłowo wykonana lub też nieodpowiednio eksploatowana. Wśród przyczyn zanieczyszczenia światłem wyróżnić można: kierowanie światła do miejsc, które nie są celem danej iluminacji, stosowanie zbyt wysokich poziomów oświetlenia niż wymaga tego zadanie wzrokowe, stosowanie oświetlenia w czasie, gdy jest ono zbędne, oraz chaos świetlny, powstający na skutek zbyt dużej liczby jasno oświetlonych lub świecących reklam, szyldów i znaków firmowych.

Fot. 3. Zanieczyszczenie światłem. Ucieczka światła i rozświetlenie elewacji budynku. Fot. 4. Oświetlenie drogi w parku oprawą oświetleniową typu kula mleczna

Nieprawidłowe skierowanie światła poza oświetlaną powierzchnię powoduje powstawanie światła przeszkadzającego (ang. obtrusive light), które w dalszej kolejności może być źródłem olśnienia, szczególnie niebezpiecznego dla użytkowników dróg i ulic, światła wnikającego do wnętrza budynków – intruzyjnego (ang. light trespass) (Fot. 3), a bezpośrednio wypromieniowane w górną półprzestrzeń (Fot. 4), łącznie ze strumieniem świetlnym odbitym od wszystkich powierzchni znajdujących się w zasięgu wiązki światła, powoduje powstawanie łuny świetlnej i sztucznego rozjaśnienia nieba.

Mechanizm powstawania zanieczyszczenia światłem na skutek skierowania strumienia świetlnego poza oświetlaną płaszczyznę oraz jego odbicia od różnych powierzchni pokazano na rys. 1.

Rys. 1. Mechanizm powstawania zanieczyszczenia światłem: Φ – strumień świetlny bezpośredni, Φp – strumień
świetlny odbity

>>> Pomiary jakości oświetlenia dróg i ulic

>>> Słupy oświetleniowe z betonu – przegląd

>>> Olśnienie świetlne w obiektach budowlanych

Dla powstawania zjawiska zanieczyszczenia światłem nie bez znaczenia jest stosowanie zbyt wysokich poziomów oświetlenia dróg, ulic, placów oraz obiektów architektonicznych, a także działanie iluminacji i intensywnie świecących reklam oraz witryn sklepowych przez całą noc.

Nadmierna ilość sztucznego światła w przestrzeni i czasie skutkuje większym strumieniem świetlnym bezpośrednio i pośrednio wypromieniowanym w kierunku nieboskłonu. Zdjęcie satelitarne Warszawy w nocy pokazano na fot. 5.

Fot. 5. Zdjęcie satelitarne Warszawy w nocy, wykonane w październiku 2015 r. [4]

Skutki zanieczyszczenia światłem

Zanieczyszczenie światłem jest jedną z wielu form negatywnej ingerencji człowieka w środowisko przyrodnicze oraz klimat. Jego skutki są bardzo poważne dla ludzi, fauny i flory. Nadmiar światła w porze nocnej, szczególnie z zakresu krótkofalowej części promieniowania widzialnego, zakłóca funkcjonowanie zegara biologicznego człowieka, który ma wpływ na mechanizmy odpowiadające za zmiany w wydzielaniu hormonów, w tym także melatoniny, czyli hormonu snu. Regularne zapewnienie w nocy kilku godzin bez jakiegokolwiek światła jest kluczowe dla odpoczynku człowieka. Ważne jest także dla procesów regeneracji narządów, w tym bariery ochronnej, jaką jest skóra [5]. Ponadto nadmiar światła w przestrzeni publicznej odpowiada za wzrost mocy potrzebnej na cele oświetleniowe, a tym samym większy koszt funkcjonowania oświetlenia. Zbędne światło ma negatywny wpływ na klimat poprzez zwiększenie emisji gazów cieplarnianych. Nie bez znaczenia jest również dla obserwacji astronomicznych, gdyż sztucznie rozjaśnione niebo zmniejsza widoczność obiektów astronomicznych.

Jeśli chodzi o rośliny, to nadmierna ekspozycja na światło w nocy może doprowadzić do zmiany terminu pękania pąków drzew i krzewów wiosną, a także wpływać na zmianę terminu jesiennego przebarwiania się i opadania liści oraz przejścia w spoczynek. Zaburzenie tych procesów może powodować zamieranie części pędów w koronie roślin drzewiastych i przyspieszone ich starzenie [6]. Przykład opóźnienia opadania liści drzew pod wpływem nadmiaru sztucznego światła przedstawia fot. 6.

Fot. 6. Zanieczyszczenie światłem. Zakłócenie opadania liści na skutek zbyt długiej ekspozycji na sztuczne światło [7]

W świecie zwierząt nadmiar światła w nocy ma wpływ na fazy aktywności i spoczynku prawie wszystkich gatunków, a w przypadku płazów i gadów także na ich preferencje pokarmowe czy śmiertelność potomstwa. U ptaków ekspozycja na światło w nocy negatywnie wpływa na ich migracje, śpiew, śmiertelność, wydawanie na świat potomstwa, a u ssaków stwierdzono zmiany w rozwoju płodu i potomstwa [6, 8].

Wymagania i zalecenia dotyczące ograniczenia zanieczyszczenia światłem

Akty prawne a zanieczyszczenie światłem

W polskim prawie nie określono szczegółowych wymagań dotyczących ograniczenia zanieczyszczenia światłem. Jedynym aktem prawnym odnoszącym się w bardzo uproszczony sposób do ograniczenia światła przeszkadzającego jest Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie [9]. Określono w nim maksymalne natężenia oświetlenia na elewacji budynku zawierającego okna. Nie może ono przekraczać 5 lx w przypadku światła białego i 3 lx w przypadku światła kolorowego, o zmieniającym się natężeniu albo błyskowego, ewentualnie pulsującego. Nie podano jednak, do jakiej wartości natężenia oświetlenia należy się odnieść – średniej czy maksymalnej z cyklu pomiarowego. Jak wykazały badania [10], ma to istotne znaczenie w przypadku światła pochodzącego od urządzeń elektronicznych, które bardzo często prezentują zmienne w czasie treści reklamowe. Mimo iż w badanym przypadku średnia wartość natężenia oświetlenia (2,9 lx) była poniżej dopuszczalnej (3 lx) dla światła kolorowego i na dodatek o zmiennym natężeniu, to wartość maksymalna zarejestrowana w odstępach jednosekundowych (6,7 lx) była ponad dwa razy większa od dopuszczalnej, a impulsy świetlne o czasie trwania krótszym niż 1 s (10,3 lx) – ponad trzy razy większe. Wygląd reklamy elektronicznej świecącej w kierunku okna oraz czasowe zmiany natężenia oświetlenia w płaszczyźnie okna pokazano na fot. 7 i rys. 2.

Fot. 7. Zanieczyszczenie światłem. Widok reklamy z okna mieszkania

Na problem braku uregulowań prawnych w odniesieniu do zanieczyszczenia światłem zwrócono uwagę w memorandum w sprawie ustanowienia prawnych podstaw zrównoważonej polityki oświetlenia zewnętrznego [11].

Rys. 2. Wykres czasowych zmian natężenia oświetlenia w płaszczyźnie okna we wnętrzu mieszkalnym

Kwestia zanieczyszczenia światłem w Polskich Normach

W Polskich Normach problematyka związana z zanieczyszczeniem światłem traktowana jest marginalnie, a wytyczne, jakie można w nich znaleźć, dotyczą przede wszystkim ograniczenia światła przeszkadzającego ludziom. Nie ma natomiast odrębnych wymagań dotyczących fauny i flory oraz ograniczenia wpływu światła na obserwacje astronomiczne. Wymagania ilościowe, zawarte w dwóch normach [12, 13], dotyczące światła przeszkadzającego uzależnione zostały od tzw. stref środowiskowych oznaczonych od E1 (strefa o największych obostrzeniach w odniesieniu do oświetlenia sztucznego – parki narodowe i miejsca chronione, które naturalnie są pozbawione światła w nocy) do E4 (strefa o wysokiej jaskrawości, np. centra miast i obszary komercyjne). Zestawienie wymagań podano w tab.

Tab. Zestawienie wymagań dotyczących ograniczenia światła przeszkadzającego według [12, 13]

Raporty Techniczne Międzynarodowej Komisji Oświetleniowej (CIE)

Bardziej szczegółowe zalecenia i wskazówki dla projektantów oświetlenia zewnętrznego w zakresie ograniczenia zanieczyszczenia światłem sformułowano w raportach technicznych CIE. W publikacjach tych określono wytyczne w zakresie redukcji zakłóceń w trakcie obserwacji astronomicznych [14], ograniczenia światła przeszkadzającego ludziom [15] oraz projektowania iluminacji obiektów architektonicznych [16]. W odniesieniu do ograniczenia jasności nieba wprowadzono ograniczenie strumienia świetlnego emitowanego przez oprawy oświetleniowe w górną półprzestrzeń dla każdej ze stref środowiskowych (od E1 do E4) i określonego rodzaju obserwacji astronomicznych (profesjonalne, amatorskie). Podano także minimalne akceptowalne odległości pomiędzy granicami poszczególnych stref a położeniem obserwatorium astronomicznego w danej strefie. W zakresie ograniczenia światła przeszkadzającego, oprócz wymagań zawartych w [14] i dokumentach europejskich [12, 13], wprowadzono ograniczenie strumienia świetlnego wypromieniowanego w górną półprzestrzeń przez oprawy oświetleniowe, łącznie ze strumieniem świetlnym odbitym od wszystkich powierzchni znajdujących się na oświetlanym obszarze. W odniesieniu do oświetlenia architektonicznego określono dopuszczalne wartości średniego oraz maksymalnego poziomu luminacji na elewacjach obiektów w zależności od strefy środowiskowej (od E1 do E4).

Podobnie jak w Polskich Normach, tak i w publikacjach CIE nie określono odrębnych wymagań w odniesieniu do ograniczenia światła uciążliwego dla fauny i flory.

Sposoby ograniczania zanieczyszczenia światłem

Podstawowe sposoby ograniczenia zanieczyszczenia światłem wynikają bezpośrednio z przyczyn powstawania tego zjawiska. Pierwszym krokiem w walce z zanieczyszczeniem tego rodzaju jest poprawne i wieloaspektowe przygotowanie projektu oświetleniowego. Musi ono nie tylko gwarantować spełnienie wymagań w zakresie odpowiedniej wydolności wzrokowej, komfortu widzenia i bezpieczeństwa, ale także powinno zapewniać ograniczenie zanieczyszczenia światłem. Można to uzyskać poprzez odpowiedni dobór sprzętu oświetleniowego, czyli stosowanie źródeł światła, szczególnie lamp LED, o niższych temperaturach barwowych (o cieplejszej barwie światła, od 3000 do 4000 K) oraz opraw oświetleniowych o ograniczonym rozsyle strumienia świetlnego. Niedopuszczalne jest stosowanie opraw świecących w górną półprzestrzeń. Na etapie projektowania należy także starannie dobrać geometrię całego systemu. Mimo iż zastosowanie większych kątów nachylenia opraw oświetleniowych względem oświetlanej płaszczyzny zwiększa zasięg świecenia oraz pozwala zwykle uzyskać większe równomierności oświetlenia, to powinno się dążyć do jak najbardziej poziomego usytuowania opraw oświetleniowych, a w przypadku obiektów architektonicznych do takiego ukierunkowania naświetlaczy, aby strumień świetlny kierowany był na wybrany obiekt, a nie na inne, pobliskie budynki (fot. 8) lub w niebo. Należy dążyć do tego, aby zasięg strumienia świetlnego zwiększyć poprzez odpowiednie usytuowanie słupów oświetleniowych względem oświetlanego obiektu i stosowanie dłuższych wysięgników, a także prawidłowy dobór bryły fotometrycznej światłości opraw. Szczególnie starannie trzeba także przeanalizować miejsce usytuowania słupów oświetleniowych, zwłaszcza gdy mają być blisko drzew (fot. 9).

Fot. 8. Zanieczyszczenie światłem. Widoczna na elewacji budynku ucieczka światła poza oświetlany obiekt

Kolejną ważną rzeczą, jaką należy przeanalizować na etapie projektowania, jest odpowiedni poziom oświetlenia (klasy oświetlenia) uwzględniający rzeczywiste wymagania i potrzeby jego użytkowników, bez zbędnego przewymiarowania. Istotna jest także wartość przyjętego współczynnika utrzymania, która powinna wynikać ze zmian eksploatacyjnych zastosowanego sprzętu oświetleniowego, warunków pracy systemu oświetleniowego oraz częstości i rodzaju zabiegów konserwacyjnych [17]. Niedopuszczalne jest przyjmowanie wartości „1” lub widniejącej w oświetleniowych programach komputerowych jako „domyślna”. Kolejnym sposobem, który pozwala na ograniczenie zanieczyszczenia światłem, jest stosowanie systemów regulacji mocy, a tym samym strumienia świetlnego opraw. Dzięki tym systemom możliwe jest np. obniżenie klasy oświetlenia dróg i ulic w czasie, gdy występuje zmniejszony ruch motorowy i pieszy lub gdy zmienia się jasność otoczenia poprzez wygaszenie reklam, przyciemnienie witryn sklepowych lub wyłączenie świateł w domach. Możliwe jest także dostosowanie poziomu oświetlenia w obiektach sportowych do aktualnych potrzeb (np. zawody lub trening). W przypadku iluminacji obiektów architektonicznych wskazane jest wyłączanie oświetlenia w godzinach nocnych, w których ruch pieszy praktycznie zamiera.

Fot. 9 i 10. Zanieczyszczenie światłem. Przykład nieprzemyślanego usytuowania opraw oświetleniowych w koronach drzew: po lewej stronie w iluminacji, po prawej w oświetleniu drogowym

Ważnym aspektem ograniczenia zanieczyszczenia światłem jest wykonanie infrastruktury oświetlenia zewnętrznego zgodnie z założeniami projektowymi, stosowanie tego samego sprzętu i tej samej geometrii systemu. Każda podmiana sprzętu wymaga wykonania ponownych obliczeń z uwzględnieniem wszystkich założeń projektowych, w tym także wpływu na środowisko naturalne. Ponadto zabiegi konserwacyjne muszą być wykonywane zgodnie z założeniami projektowymi, a uszkodzony sprzęt oświetleniowy powinien być wymieniany najlepiej na identyczny, a jeżeli jest to niemożliwe, na sprzęt o tych samych parametrach świetlnych, a nie na taki, jaki aktualnie jest w magazynie.

Podsumowanie
Sztuczne światło jest niezbędnym elementem środowiska współczesnego człowieka i niemożliwe jest całkowite jego wyeliminowanie. Możliwe jest jednak rozsądne, sprzyjające ograniczeniu zanieczyszczenia światłem, korzystanie z wszystkich zalet iluminacji elektrycznej. W tym celu potrzebne
jest racjonalne i odpowiedzialne planowanie, instalowanie oraz użytkowanie infrastruktury oświetleniowej.

dr inż. Małgorzata Zalesińska
Politechnika Poznańska, Instytut Elektrotechniki i Elektroniki Przemysłowej, Zakład Metrologii, Elektroniki i Techniki Świetlnej

Fot. autorki. Rys. opracowanie autorki

Literatura
1. W.J.M. Bommel, Road lighting. Fundamentals, Technology and Application, Springer, The Netherlands 2015, doi: 10.1007/978-3-319-11466-8.
2. W. Żagan, Oświetlenie ulic, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2021.
3. https://darksitefinder.com.
4. https://zoz.cbk.waw.pl/miedzynarodowa-stacja-kosmiczna-fotografuje-warszawe-noca/.
5. K. Dong, E.C. Goyarts, E. Pelle, J. Trivero, N. Pernodet, Blue light disrupts the circadian rhythm and create damage in skin cells, International Journal of Cosmetic Science 2019, doi: 10.1111/ics.12572, https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/31418890/.
6. J. Falcon, A. Torriglia, D. Attia et al., Exposure to artificial light at night and the consequences for flora, fauna and ecosystems, Frontiers in Neuroscience 2020.
7. https://cescos.fau.edu/observatory/lightpol-Plants.html.
8. K. Skorb, Wpływ zanieczyszczenia sztucznym światłem na ptaki – podsumowanie badań [w:] Sztuczne światło nocą. Między zagrożeniem a rozwojem, Wydawnictwo Politechniki Łódzkiej, Łódź 2022, https://doi.org/10.34658/9788366741461.4.
9. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (Dz.U. z 2022 r. poz. 1225).
10. M. Zalesińska, Badanie światła przeszkadzającego na elewacji poznańskiej kamienicy, niepublikowane prace badawcze.
11. K. Szlachetko (red.), Memorandum w sprawie ustanowienia prawnych podstaw zrównoważonej polityki oświetlenia zewnętrznego, Instytut Metropolitalny, Gdańsk 2022, https://goodlightlaw.im.edu.pl/memorandum/.
12. PN-EN 12464-2:2014 Światło i oświetlenie – Oświetlenie miejsc pracy – Część 2: Miejsca pracy na zewnątrz.
13. PN-EN 12193:2019 Światło i oświetlenie – Oświetlenie w sporcie.
14. CIE Technical Report no. 126, Guidelines for minimizing sky glow, CIE, Vienna 1997.
15. CIE Technical Report no. 150, Guide on the limitation of the effects of obtrusive light from outdoor lighting installations – 2nd Edition, CIE, Vienna 2017.
16. CIE Technical Report no. 234, A guide to urban lighting masterplanning, CIE, Vienna 2019.
17. ISO/CIE TS 22012:2019 Light and lighting – Maintenance factor determination – Way of working, CIE, Vienna 2019.