UNIONE ASTROFILI ITALIANI

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UAI - Commissione Nazionale Inquinamento Luminoso

IMPIANTI DI ILLUMINAZIONE PER ESTERNI

INTRODUZIONE

L'inquinamento luminoso è dovuto principalmente agli impianti di illuminazione per esterni, tipo: torri faro, lampioni, globi luminosi, giostre luminose, insegne, ecc.

La quantità di luce inquinante il cielo si compone di una parte diretta che quantitativamente può oscillare fra il 0,3 % e il 70% di quella emessa, l'altra è dovuta alla riflessione della superficie terrestre (in media 10% circa), le due componenti provocano un effetto devastante sull'ecosistema circostante (come già ampiamente dimostrato nei precedenti numeri di "Astronomia"). Per una città tipo, la radiazione globale diretta verso il cielo oscilla fra il 20 ed il 30% della totale emessa dagli impianti di illuminazione.

La luce diffusa nell'atmosfera limita le magnitudini visibili e fotografabili, in special modo per gli oggetti deboli.

L'articolo è così suddiviso:

I - Illuminotecnica;

II - Lampade;

III - Apparecchi di illuminazione per esterni.

Nella prima parte vengono trattate e definite le grandezze base dell'illuminotecnica; seguono le lampade e gli impianti per esterni. Con ciò ho voluto dare all'astrofilo quella conoscenza di base indispensabile per riconoscere le varie tipologie d'impianto e selezionare le fonti inquinanti da quelle antinquinamento luminoso. Con questo bagaglio, le associazioni potranno instaurare un dialogo con le amministrazioni comunali, ecc. e fornire utili consigli ai competenti uffici tecnici o addirittura elaborare appositi regolamenti studiati ad hoc per il loro territorio.

Tutti dobbiamo essere interessati al problema dell'inquinamento luminoso, anche chi osserva un cielo nero come la pece; ci sono esempi evidenti, di come possa essere inquinato un sito osservativo, ad esempio tramite una giostra luminosa.

ILLUMINOTECNICA

L'illuminotecnica è la scienza dell'illuminazione.

La radiazione visibile dall'uomo è compresa in media fra 0,4 e 0,76 micron (un milionesimo di metro); in astronomia si usa un'altra unità di misura denominata Amstrong (1 Amstrong è uguale a 0,0001 micron). Nella figura 1 è rappresentato lo spettro visibile, si noterà che alle piccole lunghezze d'onda troviamo il violetto e alle grandi lunghezza d'onda il rosso. L'occhio umano è più sensibile alla lunghezza d'onda di circa 5.500 A (giallo - verde). La differenza di lunghezza d'onda percepibile dall'occhio umano va da 10/30 A fra 5.000 e 6.000 A e circa 60 A verso il rosso.

Le pellicole fotografiche sono ben diverse dall'occhio umano e a seconda dei tipi presentano una sensibilità più o meno marcata a certe lunghezze d'onda, in questo campo l'esperienza è d'obbligo.

Le grandezze tipo dell'illuminotecnica sono:

1 - Flusso luminoso

Il flusso luminoso rappresenta la quantità di luce od energia raggiante emessa nell'unità di tempo:

F = quantità di luce/tempo

dalla quale si deduce che il flusso luminoso è una potenza (energia diviso tempo).

Il flusso luminoso si può calcolare anche moltiplicando la potenza per un coefficiente di visibilità variabile con la lunghezza d'onda.

L'unità di misura del flusso luminoso è il Lumen (lm) che corrisponde al flusso luminoso emesso da una sorgente di luce puntiforme di intensità (I) pari ad una candela (cd) ed uscente dalla superficie di un metro quadrato di superficie sferica con raggio pari a un metro (sferaradiante) (fig.2).

2 - Efficienza luminosa

L'efficienza luminosa è pari al rapporto fra il flusso luminoso (lm) emesso da una sorgente luminosa e la potenza elettrica assorbita (Watt, W):

E = F/P

L'efficienza luminosa si misura in lm/W; essa è una funzione variabile con il tipo di lampada, ad esempio per una lampada ad incandescenza è pari a circa 15 lm/W, per le lampade al mercurio: 40- 60 lm/W, per le lampade al sodio ad alta pressione: 70 - 150 lm/W, per le lampade al sodio a bassa pressione: 100 - 180 lm/W, infine per le lampade agli alogenuri: 60 - 100 lm/W.

Le lampade al sodio a bassa pressione sono le più efficienti, seguite da quelle al sodio ad alta pressione, alogenuri, mercurio, ecc.

3 - Intensità luminosa

L'intensità luminosa si calcola con la formula:

I = dF/dw

dove dF è il flusso luminoso in una direzione, emesso dalla sorgente luminosa all'interno di un piccolo cono e dw l'angolo solido del cono stesso.

In pratica l'intensità luminosa non è altro che la densità di flusso in una certa direzione (fig.3).

L'unità di misura dell'intensità luminosa è la candela (cd) e corrisponde all'intensità luminosa emessa da un corpo nero ad una temperatura di 1.766 gradi centigradi (fusione del platino) in direzione perpendicolare ad un foro di uscita con un area pari a 1/600.000 metri quadrati sotto la pressione di 101,325 Pascal (1 Pascal è uguale ad 1 Newton diviso 1 metro quadrato).

Per semplificare la formula dell'intensità luminosa di cui sopra, si può definire l'intensità luminosa media sferica (sfera di raggio pari a 1 metro) Im di una sorgente ideale emettente lo stesso flusso della sorgente considerata, con una intensità identica in tutte le direzioni (isotropa):

Im = F/(4 x 3,14)

infatti la superficie di una sfera è data dalla formula 4 x 3,14 x R x R, da cui si può desumere che se Im è pari ad 1 candela, il flusso luminoso emesso è pari a 12,56 lm.

L'intensità luminosa è importante in quanto costituisce la parte fondamentale della curva fotometrica (la curva fotometrica, come vedremo in seguito, da l'indicazione circa l'applicazione di una lampada).

4 - Illuminamento

L'illuminamento è pari al rapporto fra il flusso luminoso incidente ortogonalmente su una superficie e l'area della superficie che riceve il flusso, quindi una densità di flusso:

L = dF/dA

L'unità di misura dell'illuminamento è il lux (lm/mq).Il lux è definito come il flusso luminoso emesso da una sorgente luminosa (situata al centro di una sfera) con una intensità luminosa di 1 candela che illumina una superficie di 1 mq (si veda la fig.2). L'illuminamento varia con l'inverso del quadrato della distanza dalla sorgente luminosa (fig.4).

5 - Luminanza o brillanza

La luminanza è pari al rapporto fra l'intensità luminosa emessa in una certa direzione e l'area della superficie emittente perpendicolare alla direzione:

U = dI/dA

La luminanza si misura in cd/mq; 1 cd/mq equivale al flusso luminoso emesso per unità di angolo solido (intensità luminosa di 1 candela) entro una area unitaria perpendicolare alla direzione del flusso luminoso. Nel caso che il flusso luminoso non sia perpendicolare alla superficie, allora bisogna dividere U per cosy, dove y è l'angolo fta flusso e ortogonale alla superficie (fig.5).

La luminanza è importante in quanto se supera certi valori per ciascuna lampada abbaglia l'occhio umano.

5 - Luminosità o radianza

La luminosità si calcola dividendo il flusso luminoso emesso e l'area della superficie irraggiante:

U =dF/dA

La luminosità si misura in lm/mq; 1 lm/mq è il flusso luminoso di 1 lumen emesso in un emisfero da una area unitaria della superficie irragiante.

LE LAMPADE

Le lampade sono la parte vitale dell'impianto di illuminazione ed il loro campo di emissione nello spettro visibile, ci indica le zone dove è maggiore l'emissione luminosa (su tutto lo spettro o nel rosso o nel violetto, ecc.).In figura 6 è visibile lo spettro delle lampade che verranno esaminate in seguito.

Va premesso che le lampade ad incandescenza, nostre care amiche casalinghe, sono state del tutto abbandonate nell'uso esterno, a causa della loro bassissima efficienza luminosa.

Le lampade trattate in questo articolo basano il loro funzionamento sul fenomeno fisico della scarica dei gas e sono: agli alogenuri con tipica luce bianca; al sodio ad alta pressione con buona efficienza luminosa e buona resa cromatica; ai vapori di mercurio con luce bianca; al sodio a bassa pressione ad altissima efficienza luminosa.

Si può affermare che, in linea di massima, il campo di applicazione indicato dai costruttori ed installatori (indicato con x) è il seguente:

  ALOGENURI  SODIO A.P. MERCURIO  SODIO B.P.
STRADE VELOCI X X X  
RACCORDI  X X X X
STRADE CITTADINE   X X  
PIAZZE  X X X  
INCROCI STRADALI   X X X
DEPOSITI  X X X X

PARCHI, GIARDINI 

X X X X
IMPIANTI SPORTIVI X X X  
STADI  X      
ZONE INDUSTRIALI X X X X

Sul campo di applicazione indicato dalla tabella si possono muovere le seguenti critiche:

- il campo di applicazione delle lampade agli alogenuri è troppo vasto, deve essere limitato ai soli impianti sportivi e stadi;

- l'impiego delle lampade al sodio ad A.P. va escluso dalle zone industriali, per il resto va bene;

- le lampade al mercurio, oggi applicate quasi ovunque, scompariranno dal mercato in quanto hanno una ridotta efficienza luminosa;

- le lampade al sodio a bassa pressione hanno il massimo utilizzo nelle zone industriali, depositi; il loro impiego dovrebbe essere esteso in manieria massiccia alle strade extraurbane ed autostrade, dove già ci sono degli impianti.

1 -Lampade agli alogenuri

Sono molto usate negli impianti sportivi, presentano una tonalità di luce diurna o bianchissima (oltre i 4.500 gradi Kelvin). Emettono su tutto lo spettro visibile e la loro efficienza luminosa è discreta. Sono il nemico numero uno dell'astrofilo in quanto la loro radiazione non può essere filtrata con i filtri passa/banda (filtri nebulari).

La loro sostituzione con altri tipi di lampade è problematica laddove sono usate per illuminare i campi sportivi; come poi vedremo, bisogna puntare sull'inclinazione dei fari, sull'utilizzo delle ottiche asimmetriche, sulle schermature e sulla riduzione della potenza.

2 -Lampade ai vapori di sodio ad alta pressione

Presentano una tonalità calda ( rosa/arancione) minore di 3.000 K. Sono usate soprattutto nell'illuminazione delle vie cittadine (fig.7) e la loro efficienza luminosa è superiore a quella delle lampade al mercurio e delle lampade agli alogenuri. In genere emettono fra 5.500 e 7.500 A ma con intensità decrescente con la lunghezza d'onda (dal giallo al rosso). I filtri nebulari permettono di filtrare la loro radiazione.

3 -Lampade ai vapori di mercurio

Le lampade al mercurio (fig.8) sono presenti soprattutto nelle strade cittadine. Emettono luce bianca a 4.000 - 3.000 K ed il loro spettro copre tutta la luce visibile con punte dal violetto all'arancione. (4.00 - 6.500 A). Sono il nemico n.2 dell'astrofilo. La tendenza attuale prevede la loro sostituzione con le lampade al sodio ad alta pressione. Tra l'altro, la legislazione le considera rifiuto speciale in quanto contenenti mercurio. In definitiva sono da evitare per 3 motivi: scarsa efficienza luminosa, emissione su tutto lo spettro, rifiuti speciali.

4 -Lampade ai vapori di sodio a bassa pressione

Presentano la più alta efficienza luminosa, emettono luce monocromatica sulla lunghezza d'onda del doppietto del sodio (589 - 589,6 nanometri) e quindi disturbano poco le osservazioni in quanto la luce è bloccata dai filtri nebulari. Sono le lampade migliori per efficienza luminosa ma data la loro emissione monocromatica sono utilizzate per le zone industriali, depositi, alcuni svincoli autostradali, distributori di benzina fuori città.

Qui di seguito, sono riportate le caratteristiche tecniche di alcune lampade da 250 W (180 al sodio a bassa pressione):

  ALOGENURI  SODIO A.P. MERCURIO  SODIO B.P.
FLUSSO LUMINOSO (lm) 20000 33000 14000 33000
EFFICIENZA LUMINOSA (lm/W) 80 132 56 183
LUMINANZA (cd/cm²) 1350 500 10 10
TEMPERAT. DI COLORE (°K)  4200 2000 3000 giallo

 

Analizzando con attenzione i dati in tabella, si desume che: l'efficienza luminosa delle lampade al sodio a bassa pressione è la più elevata, addirittura tripla delle lampade al mercurio, cioè a parità di lumen emessi le lampade al sodio a bassa pressione consumano un terzo dell'energia. Le lampade agli alogenuri hanno la più elevata intensità luminosa per unità di superficie emittente. La luce emessa è bianchissima per le lampade agli alogenuri, bianca per quelle al mercurio, rosa/arancione per le lampade al sodio alta pressione, giallo per le lampade al sodio a bassa pressione. Una lampada al sodio a bassa pressione, pur di potenza ridotta del 30%, ha un flusso luminoso pari ad una lampada al sodio ad A.P. da 250 W ed addirittura un flusso più che doppio rispetto ad una lampada al mercurio.

Riguardo alla durata di vita delle lampade, facciamo notare che gli alimentatori elettronici (premontati nel lampione) hanno allungato la durata della vita delle lampade al sodio, minimizzando la differenza con le lampade al mercurio. Inoltre, gli alimentatori permettono di stabilizzare l'efficienza luminosa delle lampade al sodio, cosa che non succede con le lampade al mercurio che con l'invecchiamento riducono la loro già bassa efficienza luminosa.

Il prezzo di una lampada al sodio ad A.P. è maggiore di circa il 30% rispetto ad una lampada al mercurio ed inoltre, nonostante gli alimentatori, la durata di vita delle lampade al sodio ad A.P. è comunque minore rispetto alle lampade al mercurio. Sembrerebbe che le lampade al sodio, nonostante la loro maggiore efficienza, poi portino ad un maggior costo di acquisto e manutenzione, ma in effetti quest'ultime due voci sono circa pari ad altri costi dovuti alle lampade al mercurio; infatti, quest'ultime danno luogo ad una spesa aggiuntiva dovuta sia alla raccolta, trasporto e successivo smaltimento a discarica controllata sia alla diminuzione di efficienza con l'invecchiamento.

APPARECCHI DI ILLUMINAZIONE PER ESTERNI

L'arredo funzionale dei luoghi di illuminazione costituisce un altro punto fondamentale riguardo all'ottimizzazione dell'emissione luminosa. Quest'ultima si realizza studiando ed armonizzando i seguenti fattori:

- luogo da illuminare;

- tipo, altezza e distanza dei pali;

- tipo, potenza e numero delle lampade;

- tipo di apparecchi illuminanti;

- curve fotometriche;

- intensità luminosa necessaria sulla superficie ricevente.

In questa paragrafo vengono trattati gli apparecchi illuminanti, lasciando a trattati più specializzati l'intero studio di un impianto di illuminazione. Nelle conclusioni, comunque, sono riportate le scelte mirate affinché si possa abbattere l'inquinamento luminoso e di conseguenza si abbia un certo risparmio energetico (lampade con minor potenza a parità di illuminamento).

Qui di seguito, a titolo di esempio, sono illustrate le principali caratteristiche di alcuni corpi illuminanti: globi luminosi, lampioni, fari, fornendo le soluzioni ottimali per limitare l'inquinamento luminoso.

1 - Globi luminosi

I globi luminosi sono delle micidiali palle illuminanti che deturpano il cielo, sinceramente non si riesce a capire come si sia arrivati a progettare un tale corpo illuminante; noi astrofili che non siamo addetti ai lavori notiamo che:

- i globi disperdono verso l'alto il 70 - 75 % del flusso totale emesso;

- consumano energia elettrica in modo dissennato e di riflesso vuotano le casse dei comuni e dei privati;

- l'energia inviata verso il cielo deriva da combustibile bruciato inutilmente che va ad inquinare l'atmosfera (questo vale per tutte le fonti inquinanti, non schermate);

- in genere le lampade installate nei globi luminosi sono al mercurio o comunque a luce bianca, quindi devastanti per l'oscurità del cielo;

- è vero anche che il loro prezzo di vendita è relativamente basso!

I globi sono utilizzati per illuminare aree urbane, giardini, parchi, centri storici e viali.

Il globo tipico  presenta le caratteristiche sopra elencate. Dalla sua curva fotometrica  riportante in ordinata l'intensità luminosa/flusso luminoso (cd/klm) in funzione dell'angolo di illuminazione, si vede chiaramente che i lobi sono 3, di cui 1 rivolto verso l'alto (a 180°); inoltre, a 0°, l'intensità luminosa è uguale a 0. Quest'ultime due caratteristiche stanno a testimoniare che il globo non illumina la parte sottostante dove è situato il palo, mentre illumina la parte sovrastante verso il cielo.

Esistono in commercio globi schermati, ad esempio con una cupola superiore in rame; la particolare costruzione genera una curva fotometrica  meglio distribuita della precedente. Con questo globo si riduce l'inquinamento luminoso, si migliora l'illuminazione e si risparmia energia elettrica (si può usare una lampada con potenza ridotta del 30 - 40%). Se un globo con lampada al mercurio viene sostituito con un globo schermato e lampada al sodio, allora si raggiunge una riduzione della potenza pari al 60% - 70 %.

2 - Lampioni

I lampioni sono prevalentemente utilizzati per l'illuminazione stradale; le lampade usate sono al mercurio, al sodio ad alta pressione ed al sodio a bassa pressione.

Il lampione maggiormente in uso  presenta una coppa in vetro o policarbonato che diffonde la luce; la coppa è pronunciata rispetto al telaio e ciò provoca dispersione di luce verso il cielo (dal 5 al 8%), la dispersione si accentua quando il lampione è inclinato rispetto al piano di calpestio, raggiungendo punte del 10 - 15%. Tra l'altro, il lampione a coppa da luogo all'abbagliamento ottico, pericoloso per gli automobilisti.

Il lampione schermato (cut - off in lingua inglese) ha l'ottica piana incassata, inoltre, questo tipo di lampioni è montato con una inclinazione rispetto al piano di calpestio di zero o pochi gradi. Le due soluzioni fanno in modo che la luce diretta verso il cielo sia minore del 1%. I lampioni schermati possono essere simmetrici od asimmetrici , intendendo con simmetrici quelli che hanno la lampada al centro dello schermo riflettente, il quale a sua volta ha la stessa forma a sinistra e destra della lampada. Gli asimmetrici, come poi si vedrà meglio per i fari (si veda figura relativa), presentano lo schermo riflettente di forma diversa a sinistra ed a destra, imponendo quindi con la loro configurazione la direzione di illuminazione; inoltre, la lampada è posta in una posizione laterale dello schermo riflettente.

La curva fotometrica  del lampione schermato è più "panciuta" di quella relativa al lampione non schermato che presenta due lobi distinti con un vistoso abbassamento delle cd/klm in corrispondenza dell'angolo 0. Inoltre, il lampione schermato presenta un piccolo lobo in direzione ortogonale alla direzione della strada, mentre il lampione normale ha la curva "panciuta" che si estende uniformemente su un angolo di 360° sul piano di calpestio.

In definitiva, un lampione normale con lampada al mercurio da 250 W è equivalente ad un lampione schermato con lampada al sodio ad alta pressione da 100 W; inoltre abbatte vistosamente l'inquinamento luminoso.

3 - Fari e torri faro

L'analisi del faro e della torre faro (comprendente più fari) è l'ultima affrontata in questa sede.

I fari o proiettori sono prevalentemente utilizzati per l'illuminazione degli impianti sportivi, stadi, depositi, scali, stazioni elettriche, piazzali, monumenti, ecc.

In genere i fari montano le lampade agli alogenuri.

Il faro maggiormente in uso è di tipo simmetrico.

Il  faro asimmetrico, già richiamato, presenta il vantaggio che da un lato dirige la luce a terra con un angolo di 70 - 80° fra la direzione della luce ed il piano di calpestio, dall'altro è direzionale con gradualità. Le curve fotometriche dei due tipi, simmetrico ed asimmetrico, sono rispettivamente riportati in figura 19 e 20.

La  curva del faro asimmetrico sul lato lungo del faro  è ripida da un lato per poi degradare dolcemente dall'altro; la curva  del faro normale è simmetrica. Le curve continue sono relative al lato corto del faro e sono ambedue simmetriche.

In definitiva, un faro asimmetrico permette di "tagliare" il fascio di luce da un lato (esempio il lato esterno di uno stadio) e quindi dirige il flusso luminoso verso la zona da illuminare.

Un'altra grandezza fondamentale riguardante i fari è la loro inclinazione rispetto al piano di calpestio. Ad oggi si trovano fari simmetrici con le inclinazioni più svariate non mancando fari paralleli al terreno! In questo caso il 50% del flusso luminoso emesso è diretto verso il cielo ed inoltre si hanno fenomeni di abbagliamento o inquinamento ottico.

L'inclinazione deve essere ottimale per non diffondere la luce nell'ecosistema circostante ma soprattutto verso il cielo. In linea di massima l'inclinazione di un faro simmetrico non deve superare i 30°.

Esistono sul mercato dell'illuminazione delle torri faro schermate.

4 - Conclusioni

Riassumiamo brevemente i punti cardini:

1 - dove è possibile, si installino lampade al sodio a bassa pressione;

2 - per l'illuminazione stradale si adoperino i lampioni schermati con le lampade al sodio a bassa pressione od ad alta pressione di media potenza (70 - 100 W per le lampade a bassa pressione, 100 - 150 W per le lampade ad alta pressione; per le zone riguardanti la sicurezza si può derogare fino a 250 W per le lampade al sodio ad alta pressione e 150 W per lampade al sodio a bassa pressione);

3 - si evitino i globi luminosi o solo in casi particolari si ripieghi su quelli schermati con le lampade al sodio ad alta pressione di potenza inferiore od uguale a 100 -150 W;

4 - si possono installare promiscuamente lampade al sodio a bassa pressione e lampade al sodio ad alta pressione, affidando alle prime il compito di dare l'intensità luminosa di base e alle seconde di rendere la luce più "calda".

5 - si limiti l'inquinamento dovuto alle torri faro, inclinando il più possibile i fari simmetrici od adoperando ottiche asimmetriche; nel caso di sostituzione o nuova installazione, la scelta deve cadere sulle torri faro schermate o se possibile su lampioni schermati in numero maggiore delle torri faro al fine di coprire tutta la superficie da illuminare;

6 - le insegne luminose schermate vengano spente alle 23 - 24;

7 - dopo le 23 - 24 si riduca l'intensità luminosa degli impianti non legati alla sicurezza;.

8 - laddove esistono viali molto ampi dove è richiesta la massima sicurezza, si possono usare lampioni con lampade al sodio ad alta pressione con potenza fino a 400 W; noi riteniamo che in questo caso siano migliori i proiettori asimmetrici con i quali è possibile delimitare al meglio le zone da illuminare e quindi risparmiare ulteriormente in potenza;

9 - è d'obbligo usare lampade con efficienza luminosa maggiore od uguale a 100 lm/w; in questo caso non sussistono problemi per le lampade al sodio, mentre per le lampade agli alogenuri la ricerca di mercato deve essere mirata in quanto siamo al limite massimo.

10 - sia per un minor impatto ambientale sia per un risparmio economico, debbono essere usati pali dritti su unica fila abbandonando i pali curvi a semplice o doppia pastorale a doppia od unica fila (es. Viale Europa a Civitavecchia, unica linea di pali dritti con lampioni schermati e lampade al sodio ad alta pressione).

 

 
SPETTRO LAMPADE DOPPIA PALIFICAZIONE CURVA CON LAMPADE AL SOCIO A.P.
PALI CURVI CON LAMPADE AL MERCURIO GLOBO LUMINOSO
CURVA FOTOMETRICA GLOBO LUMINOSO GLOBO SCHERMATO
CURVA FOTOMETRICA GLOBO SCHERMATO LAMPIONE NON SCHERMATO
LAMPIONE SCHERMATO CURVA FOTOMETRICA LAMPIONE NON SCHERMATO
CURVA FOTOMETRICA LAMPIONE SCHERMATO FARO SIMMETRICO
FARO ASIMMETRICO CURVA FOTOMETRICA FARO SIMMETRICO
CURVA FOTOMETRICA FARO ASIMMETRICO TORRE FARO SCHERMATA
   
PALI DRITTI SU UNICA FILA LAMPIONI SCHERMATI LAMPADE AL SODIO A.P.  

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