venerdì 1 luglio 2011

L’inquinamento Luminoso

Il problema
Il problema dell'inquinamento luminoso fa parte delle tante forme d'inquinamento: ossia un'alterazione degli equilibri biologici dell'ambiente; proprio come avviene con: l'inquinamento atmosferico, marino, acustico, ecc.
Definiamo innanzi tutto cosa sia l'inquinamento luminoso. Esso è caratterizzato dall'uso indiscriminato di fonti luminose: fari, lampade e luminarie in genere. Le città a tutt’oggi sono illuminate a “giorno” per dare a tutti una sensazione di progresso e di prosperità. Ma un uso senza precise regole (infatti non esiste ancora una legge nazionale in Italia per regolamentare l’illuminazione pubblica), ha finora permesso d'illuminare l'ambiente notturno in modo indiscriminato, creando un notevole spreco d'energia elettrica nelle nostre piazze, vie e città.
La maggior parte della gente non conosce gli effetti di questo spreco d'energia. Giorno per giorno, lo sviluppo di zone illuminate impedisce la visione di un cielo veramente buio, e quindi stellato. Ormai sono moltissime le persone che non hanno mai visto lo spettacolo della Via Lattea, e chiunque è portato a pensare che questo problema sia di minore importanza rispetto ad altri.
Parlare di inquinamento luminoso non vuoi dire, fare un favore agli astrofili spegnendo le luci cittadine! Significa invece preservare il giusto equilibrio, non solo dell'ambiente ma anche degli animali, delle piante e degli uomini. Alcuni studi condotti sull’inquinamento luminoso hanno evidenziato come la presenza delle luci cittadine crei notevoli problemi agli animali. Uno studio in particolare, è stato condotto sulle testuggini marine negli USA, scoprendo che nelle spiagge illuminate, le testuggini non deponevano le uova (come fanno abitualmente), confondendo la notte con il giorno. Un altro studio sui lepidotteri (un genere d’insetti che si sposta di notte seguendo come riferimento la luce delle stelle e della luna), ha rivelato che da alcuni anni la presenza dell’illuminazione pubblica, disturba l’orientamento di questi insetti conducendoli erroneamente in ambienti non idonei alla loro sopravvivenza, decimandoli e portandoli in pochi anni a rischio d’estinzione; senza poi aggiungere gli innumerevoli casi di confusione tra giorno e notte da parte di altri animali, anche più evoluti. Nella zona di Venezia, per esempio, un gallo abbagliato dalle luci dell’autostrada Venezia-¬Mestre, cantava anche di notte disturbando il sonno dei vicini (articolo del Gazzettino di Venezia, 24 aprile 1997). Inoltre, uno studio sulle piante del dipartimento di biologia dell'Università di Padova, ha riscontrato come la presenza d’illuminazione notturna (specialmente con lampade al mercurio) sia la causa di una ridotta efficienza fotosintetica delle piante e degli alberi direttamente esposti, stremati continuamente dallo stress luminoso.
Non bisogna poi dimenticare i problemi che sorgono per la ricerca astronomica, in primis nel lavoro degli osservatori professionali, i quali sempre più spesso sono in crisi, poiché gli strumenti perdono la capacità di percezione degli oggetti stellari, dato che il cielo è sempre meno contrastato dal bagliore notturno.   
Molti di noi avranno anche notato come siano fastidiose le luci stradali quando gli impianti d’illuminazione sono sovradimensionati. Le luci dei cartelloni pubblicitari nelle strade, i fari rotanti delle discoteche; oltre a distrarci dalla guida divengono spesso fonte di abbagliamento specie di notte, quando la ricettività del cervello è notevolmente ridotta dalla stanchezza fisica.


La perdita del cielo stellato quindi, diviene nel tempo una perdita culturale. Basti pensare che in un terremoto di qualche anno fa, Los Angeles rimase al buio per problemi alle linee elettriche; quella stessa sera arrivarono centinaia di segnalazioni per capire cosa fossero quelle luci in cielo!
Parlare d'inquinamento luminoso vuoi dire, avere la cultura del risparmio e del rispetto per l'ambiente. Significa rendere più sicure le strade, preservare il nostro sonno (quanti di noi sono costretti a dormire con le serrande abbassate). Si calcola che in genere ogni singolo impianto d’illuminazione disperda verso l’alto il 20% della luce emessa, luce che non viene sfruttata, ma solo sprecata verso il cielo. Se si pensa al 20% di ogni luminaria, moltiplicata per tutte le lampade d’illuminazione esterna in Italia e nel mondo: ogni ora, ogni sera e ogni anno; si arriva a cifre impressionanti. Per l’Italia si è stimato che se si avessero tutti gli impianti in regola si potrebbero risparmiare circa 250 miliardi di lire annue. Così facendo, le centrali termoelettriche eviterebbero di produrre centinaia di migliaia di Kwh; si eviterebbe di bruciare tonnellate e tonnellate di combustibile in più, e infine si eviterebbero di immettere all'atmosfera altrettante tonnellate di CO2 senza un valido motivo.
Crescita dell'inquinamento luminoso
Il fenomeno dell’inquinamento luminoso è in forte crescita, favorito in tutto il mondo dallo sviluppo e dall’elettrificazione di zone sempre più ampie. In fig. 1 possiamo notare la crescita esponenziale dell’inquinamento luminoso in Italia e le relative previsioni. Le foto in fig. 2, invece, mostrano la città di Los Angeles fotografata dal monte Wilson; la prima fu scattata nel 1908, mentre la seconda, sempre dallo stesso luogo è stata ripresa nel 1988. La crescita della città e nel contempo lo sviluppo della luminosità si è più che raddoppiato in soli 80 anni.
Osserviamo con attenzione l’immagine in copertina, rappresenta il mondo di notte. Alcuni anni fa fu ottenuto quel collage di foto con le immagini dei satelliti meteorologici a 800 Km di quota, in assenza di luna e nuvole. La pellicola era sensibile a qualsiasi luce al di sopra dei 60 W. Dall’immagine si notano le tipiche forme ben definite dell’America e dell’Europa, nonché sono ben distinte le posizioni delle principali città del mondo.



Concetti di illuminotecnica
La radiazione nel visibile è compresa in media tra i 0,4 e i 0,76 micron ovvero fra i 400 e i 760 nm. Lo spettro così è composto dal colore violetto per le lunghezze d'onda piccole, e dal colore rosso per le lunghezze grandi. L’occhio umano percepisce meglio la luce alla lunghezza d’onda di 550 nm (colore giallo - verde). Cominciamo esponendo il primo concetto, quello di flusso luminoso; esso rappresenta la quantità di luce o d'energia raggiante, emessa nell’unità di tempo:

F= quantità di luce/tempo

da cui si deduce che il flusso luminoso è una potenza (energia diviso tempo). L’unità di misura è il lumen (lm).
    L’efficienza luminosa, invece è pari al rapporto fra il flusso luminoso (lm) emesso da una sorgente luminosa e la potenza elettrica assorbita (Watt, W):

E= F/P

l’efficienza luminosa si misura in lm/W; essa misura la quantità d'energia emessa per produrre una data quantità di luce. Maggiore è il numero e più efficiente sarà la lampada.
    La luminanza è pari al rapporto fra l’intensità luminosa emessa in una certa direzione e l’area della superficie emittente perpendicolare alla direzione:

U= dI/dA

la luminanza si misura in cd/mq. Nel caso in cui il flusso non sia perpendicolare alla superficie, allora bisogna dividere U per cos y, dove y è l’angolo fra flusso ed ortogonale alla superficie. La luminanza detta anche brillanza è importante in quanto se supera certi valori per ciascuna lampada, si ottiene un effetto di abbagliamento dell’occhio umano, esso quindi determina se e quanto un impianto abbagli.
    Infine la temperatura di colore è la temperatura misurata in gradi K, alla quale si associa il colore tipico della luce emessa.

Modelli di lampade in commercio
Il mercato offre diverse possibilità d’acquisto di lampade per molteplici usi, con costi e caratteristiche differenti, ecco i principali modelli.

Lampade agli alogenuri
Questo tipo di lampade sono molto usate per illuminare gli impianti sportivi, e presentano una tonalità di luce molto chiara. Emettono su tutto lo spettro del visibile e la loro efficienza luminosa è discreta. Queste lampade sono il peggior nemico dell’astrofilo, in quanto la loro radiazione non può essere filtrata dai filtri antinquinamento luminoso. Questo tipo di filtri infatti ha la caratteristica di filtrare solo una parte dello spettro visibile, e proprio con questo modello i filtri non hanno successo.

Lampade ai vapori di mercurio
Le lampade ai vapori di mercurio sono ancora presenti nelle strade cittadine. Emettono una luce bianca, ed il loro spettro copre tutto il visibile con punte dal violetto all'arancione Esse sono il nemico numero due dell'astrofilo. La tendenza attuale dei comuni prevede di sostituirle con le lampade al sodio ad alta pressione, più efficienti ed inoltre non presentano il problema dello smaltimento. La legge infatti considera questo tipo di lampade un rifiuto speciale, per la presenza del mercurio.

Lampade ad incandescenza
Sono lampade che ormai non vengono più usate per l'illuminazione esterna (anche se alcuni impianti esterni molto vecchi, ancora montano queste lampade), poiché il loro principio di funzionamento (emissione di luce tramite il passaggio di energia elettrica su filamento interno) è il meno efficiente di tutti. La lampada anche se ha un costo basso, presenta un’efficienza luminosa scadente e un’emissione in tutto lo spettro del visibile.

Lampade ai vapori di sodio ad alta pressione
Presentano una tonalità calda (rosa/arancione), e sono usate soprattutto per l’illuminazione delle vie cittadine, la loro efficienza luminosa è superiore a quella delle lampade al mercurio e agli alogenuri, inoltre hanno una durata maggiore nel tempo. I filtri nebulari o i dark sky permettono di filtrare la loro radiazione.



Lampade ai vapori di sodio a bassa pressione
Presentano la più alta efficienza luminosa, emettono luce monocromatica sulla lunghezza d'onda del sodio e quindi disturbano poco le osservazioni in quanto è luce facilmente filtrabile. Il colore è sempre il giallo ma con tonalità più scure. Sono lampade ad altissima efficienza luminosa, ma data la loro luce prettamente monocromatica sono utilizzate prevalentemente: nelle zone industriali, depositi, svincoli autostradali e distributori di benzina fuori città, dove la percezione dei colori non è un fattore importante.


Alogenuri
Sodio A.P.
Mercurio
Sodio B.P.
lm
lm/W
cd/cq
K
20.000
80
1.350
4.200
33.000
132
500
2.000
14.000
56
10
3.100
33.000
183
10
giallo


Nella tabella in alto sono riportate le principali caratteristiche delle lampade: flusso luminoso (lm), efficienza luminosa (lm/W), luminanza (cd/cq) e temperatura di colore (K). Le caratteristiche sono calcolate per lampade da 250 w (180 per il sodio a bassa pressione) Analizzando la tabella si desume che: l’efficienza luminosa delle lampade al sodio a bassa pressione è la più elevata, addirittura tripla rispetto le lampade al Mercurio: cioè a parità di lumen emessi le lampade al sodio a bassa pressione consumano un terzo di energia. Le lampade agli alogenuri hanno la più elevata intensità luminosa per unità di superficie, quindi molto abbaglianti. Una lampada al sodio a B.P, con una potenza ridotta del 30% ha un flusso luminoso pari ad una lampada al sodio ad A.P. da 250 W ed addirittura un flusso più che doppio rispetto ad una lampada al mercurio.
Riguardo alla durata di vita delle lampade, facciamo notare che finora le più durature sono quelle al mercurio; ma con la presenza degli alimentatori elettronici (premontati dei lampioni) la durata media delle lampade al sodio è stata fortemente allungata, minimizzando le differenze esistenti in passato con quelle al mercurio. Inoltre gli alimentatori permettono di stabilizzare l’efficienza luminosa delle lampade al sodio, cosa che non succede con quelle al mercurio che invecchiando perdono efficienza. Il prezzo di una lampada al sodio ad A.P è maggiore del 30% circa rispetto ad una lampada al mercurio. Sembrerebbe che le lampade al mercurio siano le più convenienti, in realtà anche se il costi d’acquisto e manutenzione delle lampade al mercurio è più basso, il costo finale invece, torna in pareggio tenendo conto delle spese di raccolta e smaltimento del mercurio; materiale che sottolineo, è considerato nocivo e che quindi ha uno smaltimento non semplice.

Apparecchi di illuminazione per esterni
L’inquinamento luminoso può essere ridotto non solo sostituendo le lampade, ma illuminando in maniera intelligente senza inutili dispersioni di luce. Per l’illuminazione esterna si usano diversi tipi di lampioni, quella che seguirà è un’attenta spiegazione dei modelli esistenti e di come fare per limitare la dispersione di luce.

Globi luminosi
I globi luminosi sono le luminarie più inquinanti. Essi sono formati da una sfera in materiale plastico trasparente. La loro forma non presenta alcuna schermatura e per tale motivo disperdono una quantità enorme di luce. Se osserviamo la curva fotometrica del globo luminoso notiamo che ai 360° si hanno tre picchi di emissione: due rivolti verso il basso ma con un angolo di 60° circa, e l’ultimo rivolto totalmente in alto, almeno il 30% di ciò che viene emesso. Si noti anche che ai 0° (verso il basso) l’intensità luminosa è zero. Quindi questo modello non illumina in modo efficiente come vorremmo. Lo sviluppo di questo tipo di luminarie avviene per il costo veramente basso, ma in opposto si ottiene un’efficienza luminosa scadente.
Per limitare i danni esistono in commercio dei globi schermati con paraluce. In questo modo la curva fotometrica risulta cambiata. Non c'è più il picco di emissione verso l'alto e la luce si distribuisce maggiormente verso il basso, migliorando anche l'emissione ai 0°. Così facendo abbiamo migliorato la resa del globo, con la possibilità di diminuire anche la potenza della lampada del 30-40%, ed inoltre se si sostituisse la lampada al mercurio con una al sodio, si potrebbe risparmiare fino al 60-70% di potenza.

Lampioni
I lampioni stradali, supportano in genere lampade al mercurio oppure al sodio ad A.P. o B.P. Il lampione in figura è il modello che più spesso vediamo nelle nostre strade. Esso presenta una coppa in vetro o policarbonato che diffonde la luce, ma la coppa essendo molto pronunciata e di forma semisferica produce una dispersione di luce dal 5 all’8%. Tra l'altro questo lampione dà un abbagliamento diretto alla vista, molto pericoloso per chi guida.
In figura 8 troviamo invece un lampione schermato (in inglese cut-off) Questo tipo di lampione ha un'ottica incassata, con un vetro di protezione piano e non bombato, con un angolo di inclinazione rispetto al piano di calpestio di zero o al massimo di pochi gradi. Con questa soluzione la dispersione di luce è dell'ordine dell’1%. In figura notiamo le curve fotometriche di un lampione normale e di uno schermato. Si noterà che il lampione normale presenta uno schema fotometrico abbastanza direzionato, ma il cut-off risulta avere un’intensità luminosa negli angoli di calpestio molto maggiore del primo, quindi a parità di condizioni illumina di più.
In definitiva un lampione normale con lampada al mercurio da 250 W è equivalente ad un lampione schermato con lampada al sodio al alta pressione da 400 W.



Fari e torri faro
I fari o i proiettori sono utilizzati: degli impianti sportivi, stadi, depositi, scali, cabine elettriche, piazzali, monumenti, ecc. In genere montano lampade agli alogenuri e sono spesso di conformazione simmetrica. Dalle figure a lato notiamo la disposizione del fasci, che denota come solo con un faro asimmetrico sia possibile direzionare meglio il fascio luminoso. Un altro elemento importante per i fari è la loro inclinazione rispetto il piano di calpestio. Oggi la non conoscenza del problema porta a dover vedere fari direzionati non verso l’alto o in angolo orizzontale, con notevoli fenomeni di abbagliamento ottico. L'inclinazione ottimale per un faro non deve superare i 30°, esistono per questo sul mercato torri faro schermate.


Soluzioni 
Dopo aver conosciuto le cause e gli effetti dell'inquinamento luminoso, parliamo adesso di come affrontarlo. La risoluzione parte dal principio del risparmio energetico e non dello spegnimento delle luci, non si chiede quindi di salvaguardare il cielo spegnendo le città, ma di illuminare meglio. A tal proposito ogni cittadino o nel nostro caso ogni astrofilo ha il diritto di cercare ogni mezzo per la risoluzione del problema, basterebbe che ogni Comune o Regione approvasse una legge antinquinamento. In Italia da anni ci si batte per avere delle leggi di tutela, alcuni passi sono stati fatti. Delle regioni come il Veneto, la Lombardia, il Piemonte, la Valle d'Aosta ecc. hanno approvato un regolamento regionale, così come hanno fatto altri comuni d'Italia sensibilizzati dall'incessante divulgazione degli astrofili. Al Parlamento c'è anche una proposta di legge proprio su questo argomento, ma purtroppo i tempi di discussione e approvazione sembrano eterni, basti pensare che la legge giace dal 1996 senza essere ancora discussa. L’UAI di recente ha creato la Commissione Nazionale Inquinamento Luminoso (C.N.I.L.) che con articoli e recensioni svolge un’importante lavoro. Ma andiamo a conoscere i concetti sulle quali si basano queste leggi.



Lampade: le lampade devono essere preferibilmente quelle al sodio ad A.P. In alcuni luoghi dove non è necessaria la percezione dei colori, si possono usare le lampade al sodio a B.P, magari in prossimità di depositi, magazzini ecc. Il suggerimento vale anche per le torri faro.
Lampioni: i lampioni stradali devono essere schermati con alta efficienza, i cosiddetti cut-off. La lampada deve quindi essere ben incassata nel lampione e non vi deve essere presente alcun vetro sporgente e ricurvo.
Lampioni e pali: per i lampioni oltre alla schermatura suddetta è necessario che il palo non sia ricurvo ma con un braccio a 90° e ben rivolto verso il basso.
Fari: la struttura dei fari deve essere asimmetrica, agevolando così l'orientamento e migliorando la superficie da illuminare.
Inclinazione dei fari: l'inclinazione non deve superare i 30° rispetto il piano di calpestio.
Globi luminosi: i globi possono anche essere mantenuti, purché abbiano uno schermo che ne delimiti la direzione di emissione.
Insegne luminose: le insegne pubblicitarie semitrasparenti che emettono luce, necessitano di uno schermo superiore, cosi come le insegne illuminate dall’esterno devono avere un orientamento del fascio luminoso dall’alto verso il basso.
Dimensionamento degli impianti: gli impianti d’illuminazione vanno ben dimensionati senza creare gli eccessi di lumen ben visibili in alcune piazze e vie.
Accensione e regolazione degli impianti: gli impianti vanno ben tarati per quanto riguarda gli orari di accensione e spegnimento, senza troppi anticipi o posticipi (regolare meglio i relè crepuscolari). Inoltre dopo le prime ore della mattina si può programmare uno spegnimento alternato di alcune lampade in determinate vie, magari riducendo l'intensità d'emissione.
Nelle leggi approvate, in molti casi si fa riferimento al lavoro delle associazioni di astrofili, i quali hanno il compito di sorveglianza e controllo dello stato d’illuminazione, nonché di vigilanza nei confronti delle infrazioni. Ecco perché in generale è importante che gli astrofili siano ben informati.

Bibliografia
L'Astronomia n°122 pag. 26;
Astronomia UAI, nov-dic’98 pag.39;
Astronomia UAI, mar-apr’99 pag.45;
Astronomia UAI, mag-giu’99 pag.39;
Astronomia UAI, lug-ago’99 pag.41;
sito Internet www.pd.astro.it/cinzano ;
sito Internet www.uai.it

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