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。

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。

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。

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。

图4 SKY LIVE观星指数

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。

图6 拥有大气层的观星效果

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。