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lunes 20 de noviembre de 2017 
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Polución Lumínica


Por: Alejandro C. Gomariz

Si incorporamos al ambiente una sustancia o forma de energía en cantidad tal que resulte perjudicial para el ser humano u otros organismos, o altere las condiciones naturales del medio, decimos que estamos ante un agente contaminante. Cuando este agente es la luz, hablamos de polución lumínica.

Esta forma de contaminación se manifiesta como una claridad continua y difusa, que afecta la oscuridad del cielo nocturno y está provocada por la dispersión en el aire atmosférico de la luz artificial de alumbrado. Se da principalmente en zonas urbanas, industriales y nudos de vías de comunicación, sitios que generalmente se yuxtaponen geográficamente formando los continuos urbanizados de gran extensión y densidad poblacional.

Un observador del cielo urbano ve, según el grado de polución lumínica, sólo las estrellas más brillantes o acaso ninguna, por haberse perdido el fondo oscuro sobre el cual contrastan; Desde el campo la oscuridad profunda de la noche y el brillo nítido de los cuerpos celestes que vemos en el cenit, se van perdiendo hacia el horizonte afectado por los "globos" luminosos de las ciudades próximas y las conurbaciones aún lejanas.

El aire de la ciudad

La materia constitutiva de la atmósfera, el aire, es una mezcla de elementos y compuestos químicos que no reaccionan entre sí. Toda la actividad humana se realiza en la troposfera, que es la capa atmosférica en contacto con la superficie terrestre y alcanza en sentido vertical 16 kilómetros sobre el ecuador y 7 kilómetros en los polos. En la troposfera se originan la formación de vientos y los cambios climatológicos, habiendo siempre vapor de agua en ella además de contener en suspensión gran variedad de partículas sólidas y líquidas, desde materias orgánicas naturales (polen, productos de combustión natural, etc.) hasta la amplia cama de agentes que contaminan las ciudades y zonas industriales.

Las fábricas y automóviles generan residuos gaseosos, humo y hollín que se derivan de una combustión incompleta o descomposición térmica de aceites, resinas, gas natural, etc. y contienen dispersas partículas sólidas y líquidas finamente divididas (carbón en polvo, cenizas, ácido sulfúrico, óxido carbónico, metano, nitrógeno, anhídrido carbónico, etc.) según el combustible quemado. Cuánto más graso sea éste, mayor volumen de humo se produce; La humedad se condensa junto a las partículas de hollín y origina el smog, empeorando ésta situación según el entorno geográfico y el flujo de los vientos.

Imagen superior: Polución en un entorno urbano industrial.

El tamaño de las partículas suspendidas varía entre Desde el punto de vista físico es pues una dispersión coloidal que se distingue de una disolución verdadera por el tamaño de las partículas dispersas (micelas); Este estado se caracteriza por el hecho de que los fenómenos de superficie entre las partículas y el medio predominan sobre los efectos de volumen, entre ellos la turbidez y la dispersión y difusión de la luz. La primera se manifiesta por la reducción de la intensidad de la luz que la atraviesa (por absorción) a pesar de ser el aire un medio transparente; La unidad de turbidez es la nébula y se mide con el fotómetro de Gold. La dispersión y difusión sigue la Ley de Rayleigh. Que determina que la interacción de la luz con partículas cuyo tamaño sea del orden de la longitud de onda de la radiación incidente, provoca la difusión de ésta en todas direcciones en la gama del espectro correspondiente. La difusión es inversamente proporcional a la cuarta potencia de la longitud de onda (se difunde más la luz de onda corta) y en el aire diáfano de la atmósfera es el fenómeno responsable del color azul del cielo.

La iluminación

La luz está formada por un conjunto de ondas monocromáticas (de frecuencia definida) cada una de las cuales se encuentra en cantidad determinada por la naturaleza de la luz de que se trate: solar desde 2.900 Å en el ultravioleta a 35.000 Å en el infrarrojo con un máximo en los 4.900 Å en la gama visible; Fluorescentes de 3.250 Å a 6.150 Å; incandescentes desde el infrarrojo y en toda la gama de luz visible, etc.

Imagen superior: Espectro de emisión de las diferentes fuentes lumínicas.

Un espejo rechaza todas las longitudes de onda de la luz, reproduciendo la forma y el color del objeto reflejado; el rayo incidente forma un ángulo de igual valor al de la luz reflejada. Una superficie no uniforme y rugosa puede asemejarse a miles de pequeños espejos unidos, con sus superficies orientadas a distintos lados; éstos no dan una imagen reconocible del objeto reflejado: el ojo registra una superficie que refleja luz (reflexión difusa). Esta es la capacidad que hace que podamos ver los objetos, que en general absorben una parte del espectro, que se transforma en calor, reflejando luz con otra composición que la incidente, traduciéndose en el color con que se aprecia al objeto; al ojo sólo le llegan las longitudes de onda presentes en la luz original, por lo cual difiere el color de las cosas iluminadas con luz natural o artificial.

Al proyectar una instalación de iluminación callejera se tienen en cuenta varios modos de discernimiento, siendo el más importante el discernimiento por silueta, dado cuando se ilumina el pavimento de modo que aparezca con un brillo uniforme y el objeto brille menos que el fondo sobre el cual se lo ve. Este modo de discernimiento predomina en la observación de objetos distantes en las calles y rutas iluminadas y se invierte al acercarse, según la iluminación directa que reciba el objeto del lado del observador.

La iluminación media recomendada para calles y carreteras oscila, según su jerarquía, entre 2 y 16 Lx (Lux), y la reflectancia de los pavimentos varía entre 3 y 35 % según su composición. La lámpara más usual es la de vapor de sodio de baja presión de 18 a 180 W y 1.800 a 32.000 Lumen respectivamente, siendo su espectro de emisión el característico del vapor que utiliza de 5.893 Å, lineal y 96% monocromático, coincidiendo prácticamente con la longitud de onda de máxima sensibilidad del ojo humano, de 5.560 Å en la banda amarilla del espectro. Como elemento de referencia, una lámpara incandescente de 100 W tiene una luminosidad de 130 cd, un caudal de 1.400 Lm y a 1 metro de distancia produce una iluminación de 130 Lx, a 2 metros 32 Lx y a 10 metros 1 Lx.

El diseño y colocación de las luminarias es muy variado, atendiendo a asegurar la buena visibilidad para el transeúnte y la economía de la instalación y evitar el deslumbramiento producido por la visión directa del foco por el observador viajero, ya que el mismo reduce la visibilidad. Los reflectores más usuales con los de haces para lelos opuestos (distribuyen la luz en sentido longitudinal sobre calzada y acera) y haces asimétricos angostos, medianos y anchos (distribuyen en mayor proporción hacia la calzada); en menor medida se usan los de haz simétrico (distribuye verticalmente un haz cónico de 75%); Excepto éste último, todos producen un deslumbramiento más o menos considerable que trata de excitarse con la altura y separación del montaje; la primera oscila entre 6 y 10,5m y la distancia entre 22 y 63 m, disponiéndose en forma central en la calzada, escalonada a ambos lados u opuesta.

Imagen superior: Iluminación en un entorno urbano.

Los valores aquí considerados son los usuales medios para el alumbrado público urbano céntrico y suburbano, habiendo grandes desviaciones de éstos en playas de estacionamiento, estadios deportivos, cruces importantes, puentes, aeropuertos y centros comerciales urbanos, en los cuales la iluminación puede llegar a 300 Lx sobre superficies con reflectancia de hasta un 60%.

Interacción

Quien realice observación astronómica en un emplazamiento urbano, lo hará inmerso en una dispersión coloidal de altura variable cuyas micelas tienen un tamaño del orden de la longitud de onda de la luz incidente (producto del alumbrado público, que emana desde una fuente extensa de luz difusa: El pavimento) la cual a su vez difunde y dispersa provocando a su vez un fenómeno análogo al que se da durante el día, con otra intensidad y color.

Es importante destacar que la luz reflejada por el pavimento y solados exteriores constituye un manantial extenso de luz difusa, de brillo comprendido entre 0,06 apostilb, con picos acotados de 180 apostilb, que pese a ser valores relativamente bajos, producen una iluminación totalmente independiente de la distancia*, con ciertas limitaciones, por ser la fuente superficial de gran extensión la iluminación no varía en forma inversamente proporcional con el cuadrado de la distancia como la debida a una fuente puntual, ni en proporción inversa con la distancia como la debida a una fuente lineal infinita. Esto explica la contaminación lumínica del horizonte por las ciudades distantes para un observador emplazado en el campo, ya que el aire sobre ésta puede asimilarse, en la lejanía, a un medio opalescente de gran altura, actuando como un cuerpo de volumen radiante secundario.

Otro factor que debemos considerar, aunque no lo incluimos en la definición de polución lumínica, es el deslumbramiento provocado por las lámparas de alumbrado exterior cuando su brillo en Stilb >0,26. siendo Ba el brillo del entorno para el cual está adaptado el ojo en Apostilb, aunque si nuestro objeto es la observación astronómica prácticamente cualquier luminaria presente en el campo visual producirá deslumbramiento; Este reduce la sensibilidad del ojo y produce fatiga por el esfuerzo necesario para mantener la visión ajustada al objeto que se mira.

Conclusión

El propósito de la iluminación es la visión nocturna, buscándose la eficiencia mediante la mejora de las condiciones de visibilidad para el observador transeúnte; Estas no incluyen las condiciones de observación del cielo nocturno. Si se incorpora la necesidad de reducir la contaminación lumínica como variable de diseño de las instalaciones de alumbrado público no serían esperables avances significativos en el corto plazo, dado que éstos implican modificar situaciones que dependen de múltiples factores.

La reducción de la contaminación del aire es una de ellas, ya que en un medio diáfano sería muy baja la dispersión de la luz emitida en la banda amarilla del espectro. La inercia de modos de producción industrial, generación de energía y propulsión de vehículos consolidados atentan contra una acción inmediata en este sentido, si bien son claros y conocidos los medios para realizarla.

La reducción del nivel de iluminación no parece viable de no mediar un cambio en los criterios de visibilidad nocturna hacia el discernimiento por destello de bandas reflectantes angostas sobre pavimentos oscuros y objetos, incluida la vestimenta de los peatones en rutas y zonas suburbanas, y hacia el discernimiento por visión directa en las aceras de las ciudades y sendas peatonales, con un bajo nivel de iluminación de las calzadas, en ambos casos con pavimentos y solados oscuros. Estos cambios requieren adoptar medidas suplementarias de seguridad en carreteras (en lo relativo a la presencia de por ejemplo, animales) y un elevado nivel de educación vial de la población. Más inmediata puede ser la intervención en la mejora de los niveles de deslumbramiento, siendo la principal limitación en este caso de tipo económico, ya que se requeriría emplear de cuatro a seis veces más luminarias que las usuales, equipadas con proyectores de irradiación vertical y pantallas que impidan la visión directa del foco, instalados a menor altura y dotados de lámparas de menor luminosidad, sin disminuir los niveles de iluminación recomendados.

Por supuesto que todas las consideraciones aquí hechas con respecto a las condiciones del alumbrado pueden resultar irrelevantes ante el desarrollo y vulgarización del uso de tecnologías existentes en el campo de los equipos personales de intensificación de luz para la visión nocturna, siendo probablemente ésta vía la que aporte los avances más significativos en el tema que nos ocupa. No es descabellado imaginar a la población provista de anteojos intensificadores de luz así como hoy están difundidas las gafas ahumadas para el Sol, bastando quitárselas para disfrutar de una negrísima y estrellada noche urbana.

*Esto sería válido para una fuente superficial de área infinita; también lo es, con limitaciones, cuando la distancia a la que ilumina esta fuente es del orden de algunos diámetros de la misma (suponiendo una superficie iluminante mas o menos circular); superados los diez diámetros de distancia, la iluminación equivale a la emitida por una fuente puntual. Considerando la extensión de las ciudades y conglomerados urbanos y la altura hasta donde tiene mayor incidencia la contaminación del aire (la de la troposfera, alrededor de 16 km) estamos ante una propagación como la mencionada en el texto.

Glosario

Candela: Unidad de intensidad luminosa; el patrón es una fuente que emite una radiación monocromática de frecuencia hertzios, de intensidad energética 1/683 Wats por estéreorradian. (cd).

Lumen: Unidad de flujo luminoso; es el flujo emitido, por unidad de ángulo sólido, por una fuente puntual de intensidad igual a una candela. (lm).

Lux: Unidad de intensidad de iluminación; corresponde a la iluminación de una superficie de 1m2 sobre la cual inside un flujo luminoso de 1 lumen.(lx).

Sltilb: Unidad de luminancia; es la de un foco no puntual que emite la intensidad luminosa de una candela por cm2. (sb).

Apostilb: Unidad secundaria de luminancia para el cálculo del brillo reflejado. Equivale a sb. (asb).

Angstrom (Å): Unidad de longitud utilizada en espectroscopía, equivalente a metros.

Nebula: Unidad de medida de turbidez. Se define especificando que una lámina que reduce la luz que la atraviesa a 1/1000 del valor inicial tiene una turbidez de 100 nébulas. Se mide por comparación con un patrón.

Radiaciones monocromáticas:

Violeta 3.600 a 4.300 Å ; Añil 4.300 a 4550 Å; Azul 4.550 a 4.920 Å; Verde 4.920 a 5.500 Å; Amarillo 5.500 a 5.880 Å; Anaranjado 5.880 a 6.470 Å; Rojo 6.470 a 7.600 Å.

Opalina: Vidrio traslúcido con capacidad difusora de la luz por contener adicionadas partículas de 0,2 a 20 micrones de fosfato de calcio o fluoruros cálcico y sódico. En el texto, por analogía con este material, se habla de "medio opalescente" al tratar la capacidad difusora del aire poluto.

Volúmen radiante: Cuerpo luminoso, primario o secundario (brilla con luz prestada), en el cual las capas más profundas también concurren a la radiación.

Luz difusa: La que se propaga desde una zona con igual intensidad en todas direcciones.

Coloide: Sistema de particulas finamente divididas en suspensión en un medio. Las partículas dispersas denominadas miselas, tienen dimensiones comprendidas entre mm. Generalmente se trata del agregado de moléculas y aún de átomos, aunque en ocasiones son macromoléculas. Tanto el medio dispersivo como las partículas pueden ser sólidos, líquidos o gases. Algunas de las propiedades características del estado coloidal son el efecto Tyndall, el movimiento browniano, la turbidez, la dispersión y difusión de la luz, los fenómenos eléctricos si poseen cargas.

Bibliografía:

Botly, C.B: "El Aire y sus Misterios" Ed. Argonauta, Buenos Aires.

Weigel, R.G.; "Luminotecnia, sus principios y aplicaciones" Ed. Gustavo Gili, Barcelona.

Barrows, W.E.: "Luz, fotometría y Luminotecnia" Ed. Hasa, Buenos Aires.

Sintes Olives: "Iluminación y Alumbrado" Ed. Espasa Calpe, Madrid.

Harrison And Weitz: "Illumination Design Data" General Electric Co. Bulletin.

Ketch, J. M.: "Three A's of Store Lighting" General Electric Co. Bulletin.

Philips: "Catálogo de productos 1998" Lighting Application Center, Philips Argnetina S. A.

Enciclopedias: "Gran Enciclopedia Espasa", Espasa Calpe S. A., Barcelona.

Ilustraciones: "Combi Visual", Combi InTernational AB, Estocolmo y Förlagshuset Norden Ab, Malmö.

 

 
 
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