抗光害滤镜拍摄银河(星野摄影教程9)

光害

天空中的人造光就是所谓的光害,来自城市的灯火、乡间的路灯及车灯是光害的主要来源。这些光不止在其制造点会被察觉,还会因大气中的分子、水气、及尘埃的散射,扩散到相当遥远的距离。大型城市的光害,甚至可以影响百公里的天空亮度。我们只能尽量寻找远离大城市的地点进行摄影。

图1是于美国Kitt Peak(基特峰)与Mt. Hopkins两个天文台所测量到的天空背景光光谱,我们把重点放到谱线:有标示Atm的谱线即是前面提到的天光,如OH、O、N等原子或分子所发出的谱线,其中以氧原子(OⅠ)的三条谱线对天文摄影的影响最大,OH的众多谱线则对近红外光的天文观测有影响。没有标示Atm的谱线是光害,主要来自钠(Na)与汞(Hg)。钠的众多谱线与谱带来自高压钠灯(图1中的HPS)与低压钠灯,一般城市与乡间的呈现微黄色的路灯便属于此类,只有少量天光的贡献;汞谱线来自汞灯,室内的日光灯即属于此类。

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图1 于Kitt Peak与Mt. Hopkins两个天文台测量的天空背景光谱(天顶)

图1中,最强的一条谱线是天光在5577Å的OⅠ谱线。但这是Kitt Peak天文台,它离Arizona的城镇Tuscon约80公里,为了保护这个天文台,临近地区有相对严格的室外照明法规,以限制室外光的使用(注1)。中国没有室外照明法规,中国重度光害区的天空光谱比Kitt Peak精彩得多,典型大城市附近的光谱如图2所示。其中可以看到,天光的OⅠ完全被各种人造光源比下去,除了图1里很弱的钠与汞的谱线变得极强外,还加入了各类卤素灯的谱线与谱带,如In与Tl等。

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图2 典型大城市附近的光谱

从图1与图2的比较可知,光害的光谱形态在不同地区可以有极大的差异。一般来说,小城镇周边看到的光害还是以钠灯与少量汞灯为主。到了室外广告猖獗的大型城市,卤素灯的比重就会开始增加。此外,另一项值得注意的事是,2010年前后全球从欧盟开始逐步淘汰传统灯泡,节能型照明装置渐渐成为主流。现在,不论是室内还是室外照明,LED灯所占的比重都在持续增加,而LED灯的光谱是偏蓝的连续谱,不像钠灯与汞灯那样只发出特定谱线。这意味着,我们将无法用光害滤镜避开LED灯的影响。目前为止,光害最大的来源——道路照明仍以钠灯居多,何时LED照明的比重会增加到让光害滤镜失去效力,是值得我们持续关注的事。

在全无光害的地区,天空的亮度主要由天光主宰,尤其是5577Å的谱线,以及深红色的众多OH谱线。因为这些谱线,天空的颜色是棕色的。在弱光害地区(如高山),因钠灯与汞灯的谱线主要分布在黄绿色光,即波长约5000Å到6000Å之间,蓝光相对较弱而几乎没有红光,这使得天空呈现浑浊的橙色,视地区的不同,有可能偏黄或偏红。但未来颜色偏蓝的LED增加后,我们照片中看到的天空颜色势必会因此改变。

在天空的总合亮度方面,图1中所示的低光害地区的光谱在V波段(也就是绿色光)所对应的天空亮度是每平方角秒约21.4等。在有月光时,天空当然会更亮,如果是上、下弦月,远离月亮天空的亮度,在红绿、与蓝光,分别约是无月亮时的1.3与2倍,这种天空亮度其实不算太糟,曝光时间不需要增加两倍,就可以得到相当于无月光时的结果。但如果是满月的话,天空亮度的红、绿、蓝光会增加为无月光时的3、4、与10倍,这时靠长时间曝光补偿的难度就会变很高。

以上是天顶的天空亮度,而天空亮度会大概随着sec(z)增加,其中z是天顶角,在天顶时sec(z)是1.0,仰角60°、45°、30°时分别是1.15、1.41、与2.0。也就是,仰角30°的天空亮度会约是天顶的两倍。

可从从网页版光污染地图查看当地的光污染情况,或寻找周边光害较低的区域(俗称“灰区”)、无光害的区域(俗称“黑区”)。如图3所示,石家庄西北部观星条件较优,那里就是观星胜地——门河线。

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图3 Light pollution map(https://www.lightpollutionmap.info/)

一些软件提供观星指数,如SKY LIVE(图4),以及莉景天气(图5),石家庄最近阴云密布,观星指数非常低。

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图4 SKY LIVE观星指数

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图5 莉景天气观星指数界面


大气消光

最后,天空除了会发光,也会吸收光线,天文学上称之为大气消光。大气的吸收让星体的亮度看起来比实际暗k×sec(z)等,其中,k是所谓的消光系数。在V波段,台湾省鹿林天文台测量到k介于0.11到0.16之间。如果取0.15,表示在天顶、与仰角30°时,天体看起来的亮度会比实际暗0.15与0.3等,或者,相当于实际亮度的92%或84%。

图6和图7分别用stellarium软件模拟了有大气层和无大气层的情况,可直观感受到大气层对观星的影响。

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图6 拥有大气层的观星效果

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图7 去除大气层的观星效果


以上知识乍看之下与天文摄影无关,但在后续章节中,各位将会看到关于天光与光害的光谱分布、以及总亮度的资讯其实对我们非常有用,包括在滤镜的选用、曝光时间与极限星等的决定等方面,都会用到这些资讯。作为一位优秀的星野摄影者,不能不把这些知识放在心上(或至少放在书架上)。

注1:在夏威夷的Maunakea天文台,其所坐落的岛上更是立法禁止一切汞灯及高压钠灯与户外的使用,其光害只有一条微弱的来自低压钠灯的谱线而已。在LED开始取代低压钠灯之后,该岛则在LED路灯上覆盖了一片黄绿色滤镜,用以抑制LED的蓝光,因为蓝光最容易被散射形成光害。在中国大众认知到星空是与山林及水一样重要的天然资源前,这样的光害控制,或者即使是为了交通或住宅安全而设的室外照明规范,短时间内仍然难以普及,目前只有在特定山区开始小范围实施光害控制。

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