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Poluição Luminosa e o Risco das Lâmpadas de LED
Uma tendência recente na iluminação exterior tem sido a mudança na direção do uso generalizado de fontes de luz brancas. Embora exista uma série de tendências diferentes e por vezes opostas em técnicas de iluminação externa, esta é conduzida por uma sinergia de estética, melhorias na eficiência das lâmpadas, redução dos custos operacionais e a evolução emergente do conhecimento em visão humana.
Contudo, é importante reconhecer que todas as fontes de luz brancas não são iguais: algumas irradiam mais energia do que outros na porção azul do espectro. Simultaneamente, com o desenvolvimento da pesquisa em visão humana, há crescentes evidências para impactos adversos associados com os comprimentos de onda mais curto, abaixo de 500 nm.
Enquanto a maior parte das pesquisas, demonstrando as vantagens de visibilidade de luz branca foi gerada pelas empresas fabricantes, outras pesquisas relatadas na literatura evidenciando seus efeitos adversos começam a aparecer nas mais diversas áreas do conhecimento. Impactos ambientais na reprodução de espécies animais e vegetais, na observação astrônomica e na própria saúde do ser humano são um fato cada vez mais presente na literatura científica.
A saída espectral das fontes de luz branca contrasta fortemente com as fontes de descarga de alta intensidade usadas por décadas para iluminação de áreas externas e rodovias: a lâmpada de sódio de alta pressão (High Pressure Sodium – HPS). Assim, estas fontes representam uma mudança substancial na iluminação externa porque elas produzem quantidades elevadas de radiação na parte mais azul do espectro comparativamente as lâmpadas HPS (Figura 1).
Figura 1. Viaduto do Chá, São Paulo, Brasil. Esquerda, iluminação anterior com as lâmpadas de vapor de sódio; direita, iluminação atual após substituição por lâmpadas de luz branca. Crédito Imagem: Jornal Folha de São Paulo.
A emissão das lâmpadas HPS situa-se na região de 550 nm e 650 nm; a proporção de energia radiante emitida abaixo de 500nm em relação ao espectro luminoso total, considerando este de 400 a 650 nm, é de apenas 7 %. As lâmpadas fluorescentes (incluindo as de indução fluorescente) e as haleto metálico (MH) respondem por 20 a 30 % de emissão na mesma faixa espectral; enquanto que para as fontes de LED branca, esta proporção atinge 20 a 50 %. Fabricantes esperam que a emissão seja menor com a evolução da tecnologia e alguns já tem anunciado lâmpadas de LED com azul reduzido. Entretanto, se mais lâmpadas de luz branca, não considerando o tipo de fonte de luz, é utilizada na iluminação externa, a quantidade de luz branca rica em luz azul emitida no meio ambiente aumenta substancialmente (Figura 2).
As lâmpadas de estado sólido, ou díodos emissores de luz, LED, necessitam de um exame cuidadoso devido a sua elevada emissão de energia abaixo de 500 nm, com picos máximos entre 450 a 460 nm. LED tem muitas vantagens, incluindo a sua grande utilidade na redução do consumo de energia. Sua tecnologia não é inerentemente perigosa. Entretanto, sua aplicação na iluminação externa gera um problema de grande complexidade que necessita de cuidadosa avaliação dos impactos sobre o meio ambiente e sua biota.
Figura 2. Distribuição típica da energia das lâmpadas de vapor de sódio HPS (luz laranja); haleto metálico - lâmpadas de mercúrio - (luz ciano) e das lâmpadas de LED branco (azul). Crédito: International Dark-Sky Association.
Processos Físicos
A física básica descrevendo a interação entre a luz com moléculas e aerosóis foi descrita no século XIX, início do século XX. A dispersão molecuiar foi descrito pela primeira vez por John William Strutt, Barão Rayleigh (Strutt, 1871), e desde então ficou conhecido como dispersão de Rayleigh. A dispersão Rayleigh tem forte dependência do comprimento de onda e da secção cruzada da molécula (ou aerosol), sendo proporcional ao inverso da quarta potência do comprimento de onda:
A dispersão de Rayleigh da luz solar em nossa atmosfera é a razão porque o céu é azul. Se o tamanho da partícula ou molécula for maior do que o comprimento de onda, não ocorre a decomposição da luz branca em seus componentes cromáticos, uma vez que todos são igualmente dispersados. Para que a dispersão de Rayleigh ocorra, é necessário que o tamanho da partícula seja similar ou menor que o comprimento de onda.
A consequência para as fontes de luz artificial com elevada emissão de luz azul é maior dispersão pelas moléculas comparadas com a dispersão de fontes com comprimento de onda mais longo. Garstang (1986, 1989) usou os seguintes valores para representar a dispersão por molécula de regiões do espectro representadas pelo bandas de passagem V e B astronômicas centradas em 550 nm e 440 nm:
A razão entre estas duas secções cruzadas, mostra que a luz em 440 nm é dispersada pelas moléculas mais de 2.5 vezes a luz em 550 nm. A dispersão relativa efetiva de diferentes fontes luminosas, denominado de Índice de Dispersão de Rayleigh (RSI - Rayleigh Scattering Index), pode ser determinado. Este valores para uma amostra de espectros, dividido pelo RSI para lâmpadas HPS, são mostrados na figura 3.
Figura 3. Índice de Dispersão de Rayleigh relativo a lâmpadas HPS e efetivo RSI para algums comprimento de onda tipicos de algumas lâmpadas versus sua razão escotópica/fotópica (S/P). Crédito: IDA
O gráfico na figura 3 mostra que a dispersão da luz branca de LED's é 1.2 a 2 vezes maior que a luz emitida pela lâmpada de vapor de sódio de alta pressão (HPS); enquanto que a luz de lâmpadas fluorescentes é dispersa 1.5 a 1.7 vezes e a luz de lâmpadas de haleto metálico atinge valores de 1.5 a 1.8 vezes.
A atmosfera não é composta inteiramente de moléculas gasosas; principalmente, em sua camada inferior, aerosóis e particulados são componentes importantes. A teoria descrevendo a interação entre a luz e aerosóis foi desenvolvida por Mie (Mie, 1908). Apesar de ser complexa e dependente do tamanho da partícula e sua composição, para as partículas mais importantes na baixa atmosfera, a dispersão por aerosóis exibe uma maior tendência para os comprimentos de onda mais curto.
Em uma atmosfera real, composta por moléculas e aerosóis, a forte dependência da dispersão de Rayleigh em função do comprimento de ondaé diluído mas não eliminado. Isto significa que, em atmosferas mais pesadas, por exemplo, áreas urbanas poluídas, o céu tende a ser menos azul e mais branco. Neste cenário, fontes de luz ricas em luz azul quando comparadas com fontes HPS possuem um fator impactante ainda mais elevado.
Finalmente, a dispersão de todos os tipos leva a uma consequência importante. Quando a luz viaja através da atmosfera para grandes distâncias, mais e mais luz é removido de qualquer feixe luminoso, como consequência da dependência do comprimento de onda, a luz azulada é removida em maior intensidade do que a luz amarela ou vermelha. Este efeito é mais forte em atmosferas mais pesadas. A conseqüência deste efeito é a cor vermelha das nuvens no por do sol ou o sol vermelho perto do horizonte. Para a iluminação artificial, a conseqüência é que o impacto da maior dispersão sofrido pela luz azul será maior quando mais próximo das fontes de luz, tais como dentro ou perto de cidades, mas reduzindo com o distanciamento das fontes luminosas (Luginbuhl et al. 2010). A maior dispersão e absorção deve ser interpretada com cuidado. Embora o impacto da luz rica em azul diminua com a distância mais rapidamente do que a de as fontes luminosas rica em amarelo, esta redução do impacto surge do espalhamento de luz de comprimento de onda curto fora do feixe de luz nas áreas mais próximas as cidades. Em outras palavras, o impacto diminuiu em distâncias maiores é às custas do aumento do impacto nas proximidades. Para atmosferas claras, menos luz é dispersa, mas a o impacto da dispersão se espalha por uma área maior; em atmosferas mais pesadas, mais luz é espalhada, assim, o impacto global no SkyGlow são maiores e mais fortemente concentrado próximos as fontes emissoras.
Efeitos sobre a Saúde Humana
O ritmo circadiano humano é mediado por fotoreceptores não visuais na retina, com um pico de resposta próximo a 460 nm na porção azul do espectro visível (Figura 4). Exposição luminosa a noite, particularmente a luz rica em luz azul, suprime a produção de melatonina (Brainard et al., 2001)
Figura 4. Curva de sensibilidade fotópica e ciclo circadiano plotadas junto a uma típica curva espectral de luz LED branca rica em comprimento de onda azul. Crédito: IDA.
A biosíntese da melatonina (Figura 5), inicia-se pela ingesta do amino ácido essencial L-triptofano. L-triptofano é um dos amino ácidos menos abundante na dieta normal estando presente nos produtos lácteos, peixes, carnes e outros; entretanto, devido a competição pela absorção com outros amino ácidos, o triptofano é pouco absorvido. No interior das células da glândula pineal, o L-triptofano é convertido a outro amino ácido, o L-5-hidroxitriptofano, por ação da enzima triptofano hidroxilase (Figura 5, 1). A seguir, por ação da enzima amino ácido descarboxilase aromática, o L-5-hidroxitriptofano é convertido em Serotonina (Figura 5, 2). A concentração de Serotonina é mais elevada na glândula pineal do que em qualquer outra região do cérebro ou orgão do corpo humano.
A conversão da Serotonina a Melatonina envolve a ação de duas enzimas:
- SNAT - Serotonina Acetil Transferase, a qual converte a Serotonina para N-acetil serotonina e;
- HIOMT - HidroxiIndol-O-Metil Transferase, que transfere um grupo metila da S-adenosilmetionina para a 5-hidroxila da N-acetil serotonina.
Figura 5. Biosíntese da Melatonina.
A atividade destas duas enzimas - SNAT e HIOMT - é mais elevada na ausência de luz, decaindo rapidamente em ambientes iluminados ou mesmo em penumbras até sua inativação.
Na literatura existe uma revisão (Stevens, 2009) correlacionando 100 publicações sobre a pesquisa dos efeitos da luz à noite (LAN) sobre a ruptura do ciclo circadiano humano, produção de melatonina e câncer de mama. Muitos estudos epidemiológicos e de laboratório revelam que a supressão da produção de melatonina pode levar ao aumento da incidência ou elevar a taxa de reprodução das células malignas do câncer de mama. Além disso, a evidência indica que as pessoas morando em áreas urbanas iluminadassofrem um aumento do câncer de mama quando comparadas com as taxas de casos de câncer de pulmão, que não esta correlacionado com os níveis melatonina.
Todos os fatores potenciais ainda não foram devidamente estudados, mas os efeitos da luz branca rica em luz azul sobre a produção de melatonina e seus efeitos sobre o crescimento de células tumorais em experimentos de laboratório são reconhecidos. Em seu artigo, Stevens conclui:
“The level of impact [of lighting] on life on the planet… is only now beginning to be appreciated. Of the many potential adverse effects from LAN and circadian disruption on human health, the most evidence to date is on breast cancer. No single study can prove cause and effect, as neither can a group of studies of only one of the factors cited above. However, taken together, the epidemiologic and basic science evidence may lead to a ‘proof’ of causality (i.e. a consensus of experts). If so, then there would be an opportunity for the architectural and lighting communities, working with the scientific community, to develop new lighting technologies that better accommodate the circadian system both at night and during the day inside buildings.”
Enquanto um vínculo não é estabelecido e reconhecido entre a iluminação externa e o câncer, é inegável que o componente azul da iluminação moderna é um grande fator de risco.
Sky Glow, Astronomia e a Noite Natural
Todos os sítios próximos a fontes de luz, tais como os dentro ou próximos de áreas urbanas, possuem dispersão elevada das fontes luminosas ricas em luz azul, aumentando assim o SkY Glow (Luginbuhl et al, 2010; Figura 6). As fontes de luz mais azul produzem de 15 a 20 % mais Sky Glow do que as fontes HPS ou as lâmpadas de baixa pressão de vapor de sódio (LPS).
Este efeito é amplificado por observação visual, tal como praticada por stargazers casuais e astrônomos amadores, pela mudança de visão vez na direção do aumento da sensibilidade para os comprimentos de onda mais curtos. Em uma área suburbana ou rural relativamente escura, onde os olhos podem tornar-se completamente ou quase completamente adaptados ao escuro (escotópica), o brilho do céu produzido por iluminação artificial pode aparecer 3 – 5 vezes mais brilhante para fontes de luz rico em azul em comparação com HPS e até 15 vezes tão brilhante, em comparação a LPS.
Figura 6. a) radiante e b) relação de brilho visual do céu (escotópica) em função da distância para fontes de luz com emissão igual em comprimentos de onda de 500nm (ciano), 480nm (azul), e 520nm (verde), todas em relação a emissão HPS (amarelo).
Em locais distantes deste tipo de iluminação, como nos observatórios profissionais espalhados pelo mundo, a dispersão e maior absorção dos comprimentos de onda mais curto destas fontes luminosas se traduz por menor Sky Glow (Figura 6 a). Todavia, para o olho humano adaptado ao escuro, o brilho produzido por estas fontes permanece maior quando comparado com as fontes HPS em longas distâncias, ao menos 200 km de atmosfera entre o observador e a fonte (Figura 6 b).
Figura 7. Insetos atraídos pela luz emitida por uma luminária de LED.
É importante reconhecer que, embora o Sky Glow produzido pela fontes de luz rica em azul decaia mais rapidamente com a distância do que o produzido por HPS, luz rica em comprimento de onda azul esta sendo adicionada ao Sky Glow, que na maioria dos lugares sofre relativamente pouco com o Sky Glow artificial oriundo das práticas atuais de iluminação.
As fontes de luz HPS, tecnologia de iluminação ainda dominante a nestas áreas, contribui muito pouco com comprimentos de onda mais curto ao espectro do céu noturno. Nessas comunidades, utilizando-se lâmpadas de sódio de baixa pressão (LPS), a parte azul do espectro noturno do céu é ainda menos afetado (Luginbuhl, 1999).
O impacto nas observações astronômicas cientificas são grande; estas são afetadas pelo aumento do Sky Glow natural a porções elevadas do céu (cerca de 70 graus do zênite). Para o observador, o impacto resultante do aumento de brilho do céu noturno esta correlacionado com a sensibilidade espectral da visão humana, o espectro de emissão destas fontes luminosas artificiais e as ilhas de luz sobre as grandes cidades que atuam sobre muitas áreas rurais e naturais pelo uso de iluminação artificial rica em comprimentos de onda curto (azul) afetando regiões a 100 km de distância ou mais (Luginbuhl et al., 2010).
O impacto cultural da perda do céu noturno estrelado é difícil de quantificar. Entretanto, este impacto afeta uma percentagem significativa da população que comumente discutia o valor de uma noite estrelada.
Figura 7. Escala de Bortle é uma escala numérica de nove níveis para medir o brilho do céu noturno variando de 1 (o céu mais escuro possível na Terra) a 9 (o céu observado dentro das cidades). A precisão e a utilidade da escala é questionada em diversas pesquisas. Entretanto, dá uma idéia do nível de poluição luminosa em diversas áreas.
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