【能源分析】猜猜哪個城市晚上比較亮:柏林或是芝加哥?

■一個城市晚上的亮度、顏色或是燈火分布的密度關乎一個城市的發展或繁榮。從太空中空拍下的夜景或許能告訴我們一些有趣的事……..

德國柏林空拍圖圖片來源:The Gateway to Astronaut Photography of Earth
德國柏林空拍圖圖片來源:The Gateway to Astronaut Photography of Earth

撰文|方程毅

來自德國Leibniz Institute of Freshwater Ecology and Inland Fisheries的Christopher Kyba博士最近利用來自國際太空站的VIIRS DNB(Visible Infrared Imaging Radiometer Suite Day-Night Band)技術拍攝下歐洲及美國許多城市的夜景包含夜晚燈光的強度及分布的軌跡進行研究,並將結果發表在2015年《remote sensing》期刊上。VIIRS DNB系統簡單來說就是掛在太空站高解析度的相機,可以從外太空拍下城市晚上的樣貌,在2012年這個攝影技術的解析度有顯著的突破,讓科學家有更多的資料能夠進行研究。

雖說VIIRS DNB是個照相機,但卻可以記錄並量化某地區的發光量及分布。舉例來說:正在工業化的都市夜晚的燈光大部分主要集中在市區,但是已經發展成熟的大都市夜晚燈光就會集中在休閒或是娛樂的地點;而都市夜晚的光強度也當然比偏遠地方強。

這些夜晚的燈光都來自哪裏呢?

根據統計,最大的貢獻來自於路燈,佔32%;工業區其次,佔16%;再來是公共設施的10%。

Christopher博士就柏林進行分析,柏林因為在冷戰時期被分為東柏林及西柏林,東西德雖然合併已久,但還是有不小的差異。在空拍圖中,西柏林比較「白」,而東柏林比較「橘」。這個顯著的差異是因為燈泡的使用,東柏林的街燈主要都是鈉燈,也就是我們印象中那種黃黃的路燈;而西柏林主要使用汞燈、日光燈或甚至LED燈。由此可見就算冷戰結束已經超過20年,東西柏林在都市面容上仍然有顯著的差異。

除了德國本身,Christopher博士也比較美國城鎮與德國的差異。我們可能會想,既然都是高度發展國家,規模相當的城鎮亮度應該差不多吧。但是研究卻發現,大部分的美國城鎮都比規模相近的德國城鎮「亮」,而且亮很多。人口在一萬左右的小鎮,美國大約比德國亮了三倍;而人口在十萬左右的城市,美國要比德國亮五倍,也就是說人口越多,差距越大。為了讓比較更具參考價值Christopher博士也比較了不同城鎮間「單位人口的亮度」(也就是說總亮度除以總人口),研究結果顯示,洛杉磯的的單位人口亮度是柏林的3.5倍,而芝加哥更誇張:9倍。不僅數量上如此,趨勢上德國跟美國也呈現完全不同的面貌。以德國來說單位人口的亮度隨人口上升而減少,也就是說越大型的都市,光的使用就越有效率;而美國城市人口越多,單位人口的亮度也就越高。看到這種結果只能說:美國不愧是能源消耗大國啊!

不僅可以比較城鎮或都市間的差異,隨著這項技術解析度的進步,甚至可以比較不同機場、運動場甚至港口間的差異。機場,想當然爾,在夜晚是個巨大的發光體。Christopher博士也就各洲各國不同機場之間做了分析比較,包括:東京、洛杉磯、芝加哥、北京、巴黎、杜拜、雅加達等等。Christopher博士分析的十個機場中,芝加哥機場再度榮登最亮機場寶座;而最黯淡的機場大概出乎你意料:東京。東京機場一年載客人數約在6680萬,芝加哥機場大約6660萬,但芝加哥機場亮度卻是東京機場的4.5倍;北京機場也不惶多讓,年載客量為8190萬比東京高一些,但是總發光量卻高達東京的4.3倍。這可能會讓你覺得很奇怪,東京明明是個進步的城市,機場燈光怎麼可能那麼微弱,這是由於這些照片是太空空拍,因此蒐集到的光都是向「上」的光,也就是射向天際被浪費或是散射掉的光。因此「亮」未必就代表文明或進步,「暗」雖然有可能意味著落後,但也有可能是更有效率使用這些光。

實際上研究上,分析這些照片需要排除的可能誤差非常多,包括燈光的種類、燈光照射的方向或是燈光是否被高樓大廈或是樹木阻擋,因此需要更有系統性的分析工具。但這些研究對於政策制定、都市發展甚至是能源政策都是極具價值的資料。

原始論文:Christopher Kyba, Stefanie Garz, Helga Kuechly, Alejandro de Miguel, Jaime Zamorano, Jürgen Fischer, Franz Hölker. High-Resolution Imagery of Earth at Night: New Sources, Opportunities and Challenges. Remote Sensing, 2014; 7 (1): 1

 

參考資料:
1.American cities are many times brighter than German counterparts.
2.American cities are many times brighter at night than German counterparts. 
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作者:方程毅 科教中心特約寫手,從事科普文章寫作。

 

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