用光電二極體來監控光害

五月 23, 2017
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今日的夜空已不再如過去幾世代那樣黑了。難以計數的燈光照亮了我們的街道、停車場、和體育場,其中一部分則散射至夜空中。夜空中佈滿了空氣分子和被稱作氣懸膠體的霧霾及灰塵粒子。當光線射向這樣的夜空後會產生霞光,這種現象被天文學家稱為光害。
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《夜晚的地球》,由Craig Mayhew和Robert Simmon基於Marc Imhoff和Christopher Elvidge所提供的資料製作

PARTS
  • 陶瓷電容:47pF(1)和0.01µF(1),分別稱為C1和C2
  • 運算放大器IC,TLC271BIP IC1
  • 矽光電二極管,OSRAM BPW或類似款,Jameco part #1621132; PD1
  • 電阻,10 MΩ,你可以對此數值進行實驗(見文字部分);RF
  • 免焊麵包板
  • 電池,9V或6V;或USB電源,5V
TOOLS
  • 萬用電表或資料記錄器(非必要)
從防衛氣象衛星計畫提供的全球城市燈光的照片,可以清楚看到大範圍的光害。這些驚人的燈光分布構成了上圖由Craig Mayhew和Robert Simmon(皆來自NASA)基於Marc Imhoff(NASA)和Christopher Elvidge(NOAA)提供光點資料製作的《夜晚的地球》。
對專業天文學家而言,光害是會影響研究觀測最嚴重的問題,這就是為什麼他們會耗資鉅額、盡其所能地在能找到最黑的天空下如夏威夷和智利等山頂建造天文臺。業餘天文觀測者,尤其是美國東部的觀測者,也遇到了相同的問題。有些人甚至搬到美國西部以改善觀測星體的成果。
多年前,我曾經歷過整個禮拜近乎全黑的夜晚。當時我正帶著一班教會裡的青少年,進行為期16天、距離1000英里、從新墨西哥州的阿布奎基到德州的帕德雷島的自行車之旅。當我們騎到新墨西哥州東部時,每天晚上都享受著壯麗的銀河景色,偶爾點綴著流星劃過。遠方的小鎮則閃爍著微弱的燈火,提醒我們它的存在。

觀察光散射現象

將雷射筆或手電筒照向黑暗的房間時,你就會看到經由空氣分子反射所產生的光柱。這個現象稱作瑞利散射。偶爾光線會由空氣中的灰塵反射,形成光柱中的光點,這個現象稱作米氏散射。如果你用腳掃過地毯揚起灰塵,你會看到更多光點。上述的兩種現象都是光害的來源,但米氏散射的結果更為嚴重。

測量光害

光害可以用LED光度計來測量,我們在之前的專欄中也有介紹過(你可以自己打造一臺)。我發現用紅色和橘色的LED燈光來偵測光害是最有效的。
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或者,你也可以在麵包版上自製一臺簡易版本,可參考上圖的電路圖,以矽光電二極體或微型太陽能電池取代LED。這兩種元件能夠增加探測敏感度,這表示RF電阻可以比LED光度計上的大型電阻要小得多。RF電阻的歐姆與電路放大的程度相同。因此,上圖的電路若帶有1000歐姆(1kΩ)電阻,就能將光電二極的訊號強度放大1000倍。理想的初始射頻設定是10兆歐姆(10MΩ),但建議你先進行測試,因為有些光電二極的反應特別靈敏。
接下來,請放一支管子在光電二極體上,這樣裝置就能透過錐體以不同角度望向天空。
如果你用萬用電表來讀取光度計電路的輸出數據,記得電源要用9V電池。而若你打算把這個電路連接到資料記錄器上,則使用5V的USB供電或6V電池。

光害調查

我住在鄰近德州小鎮賽金的鄉下地方。或許你會認為我應該能看到超棒的夜空景色,但其實不然。在沒有月亮的晚上,雖然我能觀測到一些行星、較著名的星星和星座等,但銀河通常都被距離數哩以外的城市燈光散射遮蔽了。
為了寫這個專欄,我決定出門作午夜光害調查,與我之前描述過的都市熱島效應調查(追查熱島效應)有幾分相似。與上次開車往返聖安東尼奧不同,這次我總共開了80英哩,繞行穿越賽金​至聖馬可斯再折返。聖安東尼奧的光害已是眾所皆知,因此我想知道的是規模小得多的城市光害程度為何。我使用一對4-channel Onset UX120-006M類比資料記錄器,以每秒取樣一次的頻率來記錄光散射訊號。你可以改用數位電壓計來讀取數據──但這點非常重要──只有在同行友人負責開車的情況下才能使用這個方式。
我將這兩臺LED光度計和它們各自對應的資料記錄器裝在一個塑膠彈藥箱裡,再將它裝在紙箱中,放在我的小貨車後車斗,用兩塊磚頭固定。
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德州聖馬可斯。Forrest M. Mims III攝

接下來發生的事十分令人驚訝。光亮無所不在!當然光是總是無所不在,但透過這項實驗更凸顯了光存在的事實。整條馬路上充斥著頭頂上的路燈、路旁閃爍的警示燈、交通號誌、以及最糟糕的尾隨在我車後的汽車大燈。除此之外還有工業廠房及商家的探照燈、保全照燈等。聖馬可斯的光線創造了一個獨特的光球,壟罩了整座城市。
我一邊猜想這些光線會在都市霞光的訊號上製造突波,一邊持續取樣,最後的成果如上圖。這些用600nm橘色LED燈記錄下來的紅色突波主要來自於街燈、警示燈和汽車頭燈。分佈在底下一層、動態相當穩定的圖案則是分布在空中的光散射背景。而圖中藍色的方塊圖案代表我針對不同地點錄的簡單評論。在圖表中的數字則代表:
  1. 賽金光散射的尖峰。
  2. 賽金​與聖馬可斯之間最黑暗的天空。
  3. 聖馬可斯光散射的尖峰
  4. 聖馬可斯城外兩家汽車百貨造成的突波
  5. 在聖馬可斯城中開車所記錄下的突波
在我簡單的實驗中,兩個樣本城市的光散射淹沒了銀河,讓我們只能看見亮度最亮的星星和行星。業餘的天文觀測者在這兩座城市中間的地點能擁有較好的觀測環境。或者,他們也可以為了追尋更暗的夜空,繼續向西部前進。

延伸閱讀

(譯:葉家豪)
原文
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