前沿拓展：

光害

天空中的人造光就是所謂的光害，來自城市的燈火、鄉間的路燈及車燈是光害的主要來源。這些光不止在其制造點會被察覺，還會因大氣中的分子、水氣、及塵埃的散射，擴散到相當遙遠的距離。大型城市的光害，甚至可以影響百公里的天空亮度。我們只能盡量尋找遠離大城市的地點進行攝影。

圖1是于美國Kitt Peak（基特峰）與Mt. Hopkins兩個天文臺所測量到的天空背景光光譜，我們把重點放到譜線：有標示Atm的譜線即是前面提到的天光，如OH、O、N等原子或分子所發出的譜線，其中以氧原子（OⅠ）的三條譜線對天文攝影的影響最大，OH的眾多譜線則對近紅外光的天文觀測有影響。沒有標示Atm的譜線是光害，主要來自鈉（Na）與汞（Hg）。鈉的眾多譜線與譜帶來自高壓鈉燈（圖1中的HPS）與低壓鈉燈，一般城市與鄉間的呈現微黃色的路燈便屬于此類，只有少量天光的貢獻；汞譜線來自汞燈，室內的日光燈即屬于此類。

圖1 于Kitt Peak與Mt. Hopkins兩個天文臺測量的天空背景光譜（天頂）

圖1中，最強的一條譜線是天光在5577?的OⅠ譜線。但這是Kitt Peak天文臺，它離Arizona的城鎮Tuscon約80公里，為了保護這個天文臺，臨近地區有相對嚴格的室外照明法規，以限制室外光的使用（注1）。中國沒有室外照明法規，中國重度光害區的天空光譜比Kitt Peak精彩得多，典型大城市附近的光譜如圖2所示。其中可以看到，天光的OⅠ完全被各種人造光源比下去，除了圖1里很弱的鈉與汞的譜線變得極強外，還加入了各類鹵素燈的譜線與譜帶，如In與Tl等。

圖2 典型大城市附近的光譜

從圖1與圖2的比較可知，光害的光譜形態在不同地區可以有極大的差異。一般來說，小城鎮周邊看到的光害還是以鈉燈與少量汞燈為主。到了室外廣告猖獗的大型城市，鹵素燈的比重就會開始增加。此外，另一項值得注意的事是，2010年前后全球從歐盟開始逐步淘汰傳統燈泡，節能型照明裝置漸漸成為主流。現在，不論是室內還是室外照明，LED燈所占的比重都在持續增加，而LED燈的光譜是偏藍的連續譜，不像鈉燈與汞燈那樣只發出特定譜線。這意味著，我們將無法用光害濾鏡避開LED燈的影響。目前為止，光害最大的來源——道路照明仍以鈉燈居多，何時LED照明的比重會增加到讓光害濾鏡失去效力，是值得我們持續關注的事。

在全無光害的地區，天空的亮度主要由天光主宰，尤其是5577?的譜線，以及深紅色的眾多OH譜線。因為這些譜線，天空的顏色是棕色的。在弱光害地區（如高山），因鈉燈與汞燈的譜線主要分布在黃綠色光，即波長約5000?到6000?之間，藍光相對較弱而幾乎沒有紅光，這使得天空呈現渾濁的橙色，視地區的不同，有可能偏黃或偏紅。但未來顏色偏藍的LED增加后，我們照片中看到的天空顏色勢必會因此改變。

在天空的總合亮度方面，圖1中所示的低光害地區的光譜在V波段（也就是綠色光）所對應的天空亮度是每平方角秒約21.4等。在有月光時，天空當然會更亮，如果是上、下弦月，遠離月亮天空的亮度，在紅綠、與藍光，分別約是無月亮時的1.3與2倍，這種天空亮度其實不算太糟，曝光時間不需要增加兩倍，就可以得到相當于無月光時的結果。但如果是滿月的話，天空亮度的紅、綠、藍光會增加為無月光時的3、4、與10倍，這時靠長時間曝光補償的難度就會變很高。

以上是天頂的天空亮度，而天空亮度會大概隨著sec(z)增加，其中z是天頂角，在天頂時sec(z)是1.0，仰角60°、45°、30°時分別是1.15、1.41、與2.0。也就是，仰角30°的天空亮度會約是天頂的兩倍。

可從從網頁版光污染地圖查看當地的光污染情況，或尋找周邊光害較低的區域（俗稱“灰區”）、無光害的區域（俗稱“黑區”）。如圖3所示，石家莊西北部觀星條件較優，那里就是觀星勝地——門河線。

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

一些軟件提供觀星指數，如SKY LIVE（圖4），以及莉景天氣（圖5），石家莊最近陰云密布，觀星指數非常低。

圖4 SKY LIVE觀星指數

圖5 莉景天氣觀星指數界面

大氣消光

最后，天空除了會發光，也會吸收光線，天文學上稱之為大氣消光。大氣的吸收讓星體的亮度看起來比實際暗k×sec(z)等，其中，k是所謂的消光系數。在V波段，臺灣省鹿林天文臺測量到k介于0.11到0.16之間。如果取0.15，表示在天頂、與仰角30°時，天體看起來的亮度會比實際暗0.15與0.3等，或者，相當于實際亮度的92%或84%。

圖6和圖7分別用stellarium軟件模擬了有大氣層和無大氣層的情況，可直觀感受到大氣層對觀星的影響。

圖6 擁有大氣層的觀星效果

圖7 去除大氣層的觀星效果

以上知識乍看之下與天文攝影無關，但在后續章節中，各位將會看到關于天光與光害的光譜分布、以及總亮度的資訊其實對我們非常有用，包括在濾鏡的選用、曝光時間與極限星等的決定等方面，都會用到這些資訊。作為一位優秀的星野攝影者，不能不把這些知識放在心上（或至少放在書架上）。

注1：在夏威夷的Maunakea天文臺，其所坐落的島上更是立法禁止一切汞燈及高壓鈉燈與戶外的使用，其光害只有一條微弱的來自低壓鈉燈的譜線而已。在LED開始取代低壓鈉燈之后，該島則在LED路燈上覆蓋了一片黃綠色濾鏡，用以抑制LED的藍光，因為藍光最容易被散射形成光害。在中國大眾認知到星空是與山林及水一樣重要的天然資源前，這樣的光害控制，或者即使是為了交通或住宅安全而設的室外照明規范，短時間內仍然難以普及，目前只有在特定山區開始小范圍實施光害控制。

拓展知識：