Pollution lumineuse

Voici un fléau des temps modernes. Cet article retrace les origines de la pollution lumineuse, comment la mesurer, et comment elle affecte les images astronomiques. La pollution lumineuse est l’effet de la lumière générée par l’activité humaine (éclairage public, éclairages privatifs, notamment des industries et des parkings, enseignes lumineuses, vitrines, torchères…). Elle va de pair avec les évolutions technologiques sur l’éclairage.

Histoire de l’éclairage public

L’éclairage à la chandelle

À l’origine, les rues n’étaient pas éclairées et les personnes se déplaçaient à la lueur de flambeaux ou lanternes, soit tenus à la main, soit disposés sur les façades des établissements les plus fréquentés. Des pillards profitaient de l’obscurité pour détrousser les passants téméraires.

Un décret publié en 1524 ordonne à tous les bourgeois de Paris de mettre et d’entretenir des lanternes à leurs portes. C’est le début de l’éclairage des voies publiques.

Cela ne suffisant pas, un nouveau décret publié en 1558 ordonne la mise en place de falots au coin de chaque rue (ou plus si la rue était longue) de 10 heures du soir jusqu’à 4 heure du matin les mois d’hiver. Un falot était une lanterne suspendue à une potence, remplie de suif ou de toute autre corps gras inflammable. En 1562 la durée d’éclairage est allongée du 20 octobre au 31 mars.

L’organisation de ces éclairages laissés à la responsabilité des habitants des quartiers était compliquée et a fini par être de moins en moins respectée, à tel point que des « porte lanterne » ou « porte flambeau » étaient rétribuées pour accompagner les personnes devant se déplacer de nuit dans la ville.

En 1667, Louis XIV institue la police de Paris et l’éclairage devient une obligation d’utilité publique confiée aux habitants des rues, ce qu’ils n’appréciaient pas trop. En 1697, l’éclairage public est élargi à l’ensemble des grandes villes du royaume, chaque lanterne se trouvant espacée de l’autre d’au plus 6 toises (soit 10 à 12 m). En 1758, l’éclairage est généralisé à toutes les banlieues de Paris et des grandes villes et devant couvrir l’ensemble des rues. Mais la charge est désormais transférée à l’état, au lieu des habitants. L’éclairage est permanent pendant tout l’hiver, même les nuits de pleine Lune (contrairement à Londres où les réverbères restent éteints chaque semaine qui précède et suit la pleine Lune).

La lampe à huile

La lanterne est améliorée en 1765 par l’adjonction d’un réservoir à huile et d’un réflecteur métallique. C’est le premier réverbère parisien.

L’éclairage des villes du milieu du XIXe siècle était faible, tellement que la lumière de la Lune suffisait à le surpasser. Thomas Mayne-Reid écrivait en 1854 :

Pendant que nous sommes absorbés dans cette contemplation, la lune disparaît derrière un nuage, et les lumières de la ville, jusqu’alors éclipsées par son éclat, brillent maintenant et illuminent les murs.
Thomas Mayne-Reid, The rifle rangers, 1854

Les becs à gaz

De multiples perfectionnements sont apportés à la lampe à huile. Les premiers becs à gaz en 1803 sont utilisés dans une usine de Soho à l’ouest de Londres. Cependant la complexité de l’approvisionnement en gaz et de nombreux accidents ralentissent l’installation de ces éclairages. Les premiers éclairages publics à gaz furent installés en 1819 place du Caroussel, puis rue de Rivoli à Paris. Ils étaient placés au milieu des réverbères à huile et leur intense lumière a suffi à convaincre les parisiens de la supériorité de ce type d’éclairage.

La quasi-totalité de la ville de Paris est éclairée au gaz en 1855 quand toutes les diverses compagnies d’éclairages sont regroupées en une seule, la Compagnie parisienne. Puis les grandes zones urbaine françaises s’équipent progressivement d’éclairage au gaz.

Les lampes à arc électrique

Pendant ce temps, l’éclairage électrique progresse avec les lampes à arc électrique. Les premiers à en profiter sont les chantiers qui ont besoin d’un éclairage puissant pour les travaux de nuit, ainsi que les salles de spectacles.

Ces lampes nécessitent énormément d’électricité pour permettre à l’arc de se créer entre deux électrodes en charbon. Leur durée de vie est courte. En 1875, le russe Jablochkoff invente un système qui permet d’augmenter la durée de vie des charbons, sans résoudre l’autre problème de taille, la puissance lumineuse extrêmement forte de ces éclairages. Des lampes peuvent malgré tout équiper des cours d’hôtels, des châteaux et monuments ou lieux prestigieux, mais impossible d’envisager un éclairage plus conséquent.

Les lampes à incandescence

Ce sont les lampes à incandescence qui apportent la solution. Un filament de métal ou de tissus carbonisé est porté à très haute température par effet Joule dans une ampoule où le vide a été fait. Cela permet de chauffer le filament à des températures assez importantes pour générer de la lumière, tout en consommant moins d’électricité, avec un contrôle de l’intensité lumineuse et en assurant une longévité pouvant atteindre 800 heures.

Il ne manque plus que la construction d’usines de production d’électricité pour permettre la distribution de l’éclairage à grande échelle. Paris commence à être équipé avec ces lampes à la sortie de la 1ère guerre mondiale. L’éclairage électrique mettra plus de 50 ans à supplanter les becs à gaz dans toute la France.

Les lampes à décharge

L’évolution suivante concerne les lampes à décharge. Connues dès 1880, c’est un physicien français qui en peaufine la conception et participe à la commercialisation des tubes à néon sous la marque Paz et Silva. Elles éclairent peu et sont essentiellement utilisés pour des enseignes lumineuses.

Éclairage de nuit à l’angle du Boulevard Poissonnière et de la rue du Faubourg Montmartre, photographie de presse, Agence Rol, 1923, Gallica/BnF

Ce n’est qu’après la seconde guerre mondiale que les lampes à décharge, utilisant d’autres gaz, comme la vapeur de mercure (lumière blanc-bleutée) puis de sodium (lumière orangée), vont se généraliser. La technologie ne cesse de progresser et les lampes à vapeur de sodium haute pression (lumière jaune pâle) voient le jour dans les années 1970. Puis viennent les lampes à iodure métallique dont la couleur varie du blanc froid (bleuté) au blanc chaud (orangé) en fonction des constituants du gaz.

Toutes les lampes à décharge reposent sur le principe de l’excitation d’un gaz soumis à un fort champ électrique. Le ou les gaz ainsi excités vont émettre de la lumière à des longueurs d’ondes bien spécifiques :

Il est donc assez simple de filtrer les bandes d’émission de ces lampes, qui, par chance, sont assez peu représentées dans les objets célestes. C’est à cela que servent les filtres CLS, UHC, au didyme, etc.

Les lampes à leds

La dernière évolution technologique de l’éclairage public vient des diodes électro-luminescentes, aussi appelées leds. Elles font leur apparition dans les années 2000 et leur succès est d’autant plus grandissant qu’elles offrent énormément d’avantages par rapports aux lampes à décharge :

  • Aux créatifs car elles peuvent être adaptées à toutes les formes
  • Aux municipalités car leur coût à l’achat (rapporté à leur durée de vie) et à la maintenance ainsi que leur consommation sont très faibles
  • Aux utilisateurs car le rendu des couleurs est excellent
  • Aux développeurs qui peuvent proposer plein d’applications de pilotage informatique…

Si ces éclairages émettent une lumière sur la quasi-totalité du spectre visible, ils ont une forte prédilection pour le bleu comme on peut le voir sur cette courbe, le pic à gauche à 450 nm est dans le bleu :

Mais cette technologie pose plusieurs problèmes de taille :

  • Peu chère à entretenir et peu consommatrice, on n’hésite pas à en mettre beaucoup plus qu’il n’y en avait avant avec les technologies plus anciennes, en démultipliant la puissance et l’étendue des sources lumineuses, même à des endroits jusqu’alors peu ou pas éclairés, comme des parcs et forêts.
  • Le pic d’émission dans le bleu est très performant pour éclairer les poussières et autres particules contenues dans l’air. À puissance lumineuse égale, une lampe à leds génère un halo quatre fois plus important qu’une lampe à vapeur de sodium.
  • Il n’est plus possible de filtrer la lumière qu’elles émettent dans les longueurs d’ondes intéressantes en astrophotographie. Les filtres CLS, UHC… ne peuvent rien faire contre cet éclairage.

Il est regrettable que les constructeurs d’éclairage à leds ne mettent pas les spectres d’émission de leurs produits dans leurs catalogues (par exemple Philips n’en parle pas du tout). Les seuls critères mis en avant sont le CRI, paramètre qui sert à indiquer la restitution des couleurs, et la température de couleur, un nombre compris entre 2000 K pour un éclairage très chaud (orangé) à 17 000 K pour un éclairage très froid (bleuté).

La pollution lumineuse

Les premiers constats

Jusqu’au milieu du XIXe siècle, les mentions des lumières de la ville se rapportent aux lumières directement visibles de loin, des lumières aux fenêtres des demeures et lampes dans les rues. Il n’est nulle part fait mention de halos lumineux projetés au-dessus des villes.

Les choses changent vers 1860. Les éclairages commencent à illuminer les brumes, nuages et poussières à tel point que certains les appellent « les aurores parisiennes ».

L’une des toutes premières mentions l’impact de la lumière des villes sur l’observation des étoiles remonte à 1864 par Amédée Guillemain dans son livre « Le Ciel ».

L’horizon des grandes villes, éclairé par des milliers de becs de gaz ou d’autres lumières, rend l’observation de la lueur zodiacale très difficile, pour ne pas dire impossible à toute époque.
(…)
Quand l’atmosphère est éclairée par la Lune ou par la lueur crépusculaire, ou, comme il arrive dans les grands centres de population, par l’illumination des maisons et des rues, les dernières grandeurs s’effacent et le nombre d’étoiles visibles est beaucoup plus limité.
Amédée Guillemain, Le Ciel, Hachette – Paris, 1864, p. 101, 383

Cela dit, en comparaison de la situation actuelle, les conditions n’étaient pas si mauvaises que cela, comme on peut le voir sur ces gravures qui illustraient son livre :

De leur côté les astronomes de l’observatoire de Paris constatent aussi la dégradation rapide du ciel nocturne dès 1869 :

C’est sur les circonstances locales que nous devons surtout appeler l’attention de l’Académie. (…) Nous devons signaler (…) l’illumination du ciel, produite par l’éclairage de la ville, et notamment par les nombreux becs de gaz placés dans le voisinage de l’Observatoire. (…) son influence se manifeste dans un grand nombre de recherches (…) quand elle n’empêche pas absolument de telles observations.
Procès-verbaux des séances de la Commission de l’observatoire de l’Institut impérial de France, 1869

La prise de conscience moderne

Le sujet éclate au grand jour 100 ans plus tard lorsqu’en mars 1973 le magazine américain Science publie l’article Light Pollution – Outdoor lighting is a growing threat to astronomy, de Kurt Riegel avec une couverture on ne peut plus explicite.

La conclusion de Kurt Riegel s’achève sur une note optimiste, mais on sait que cet optimisme était vain.

Des millions d’enfants des villes n’ont jamais vu la Voie Lactée. En 1971, un comité de direction du Sierra Club a adopté une décision contre l’éclairage public non nécessaire sous prétexte que ça gaspillait de l’énergie, que ce n’était pas esthétiquement plaisant et que cela interférait avec les recherches astronomiques. Ce point de vue devrait être encouragé.
Science, Kurt Riegel – Light pollution, 30 march 1973, vol 179 n° 4080, AAAS

Cet article fait électrochoc. Il est suivi la même année de plusieurs publications d’astronomes américain et français inquiets de l’augmentation du nombre de lampes à vapeur de sodium et de mercure, de l’impact sur les études faites à l’observatoire de Kitt Peak, et de l’Observatoire de Haute Provence.

On peut craindre que la situation n’évolue rapidement vers une détérioration liée à l’augmentation du rendement des lampes d’éclairage urbain, à celle du nombre de lampadaires par unité de surface en zone urbanisée, par la généralisation des lampes à haut rendement et haute pression (spectre élargis) et à la densité croissante des aérosols atmosphériques qui sont en partie responsables de la diffusion optique observée.
Christophe et Weill, C.R. Acad. Sc. Paris, t. 277, 15 oct. 1973

Depuis cette date, les scientifiques n’ont cessé de mettre en garde les autorités. Même si on savait déjà que les insectes et oiseaux étaient attirés par les lumières artificielles (les phares par exemple), les défenseurs de la nature ont plus tardivement ajouté les arguments de l’impact de la pollution lumineuse sur la faune nocturne, la flore, et la santé chez l’humain. Depuis les années 2000, se sont greffées les considérations de gaspillage énergétique.

Les causes

La pollution lumineuse, pour ce qui concerne les astronomes amateurs, est causée par la diffusion et l’absorption de la lumière issue de l’éclairage urbain, par les aérosols et la vapeur d’eau contenus dans l’air.

Les aérosols

L’air qui nous entoure contient de la vapeur d’eau qui absorbe la lumière, et des petites particules – les aérosols – qui vont diffuser la lumière qui les éclaire. On trouve dans ces aérosols, principalement :

  • Des microgouttelettes d’eau (sous forme de brume ou de glace)
  • Des poussières issues du sol, soit d’origine naturelle, soit d’origine humaine soulevées par le vent ou l’activité humaine
  • Des pollens et spores issus des plantes et champignons
  • Des particules de fumées issues de l’activité humaine, des incendies, des volcans…

La concentration de ces aérosols est mesurée par une grandeur nommée Turbidité de Linke (ou TL) qui est un nombre exprimé dans une échelle ouverte commençant à 1 pour un ciel pur. Plus la turbidité est importante, plus le ciel a une apparence laiteuse, même en l’absence de nuages.

Simulation avec Blender (source Wikipedia)

Dans ces conditions, on voit que l’absence de nuages n’est pas un critère suffisant pour décrire la qualité d’un ciel. En effet, tous les aérosols ainsi que la vapeur d’eau vont absorber et diffuser la lumière. L’impact est d’autant plus important qu’il y a d’aérosols, ou que l’épaisseur d’atmosphère est grande. Le nuit, ces aérosols vont réfléchir et diffuser la lumière en provenance des éclairages publics et de la Lune.

Pour réduire l’impact de la pollution lumineuse, on peut agir sur plusieurs facteurs :

  • En réduisant la profondeur d’atmosphère : donc viser des objets proches du zénith, ou en imageant depuis une haute altitude ;
  • En réduisant la quantité d’aérosols : autrement dit choisir des régions sèches (moins de vapeur) et éloignées des sources de poussières, comme une ile au milieu de l’océan, ou isolé en pleine montagne ;
  • En s’éloignant des sources de lumière artificielle : donc il faut s’éloigner des zones urbanisées.

On retrouve dans cette liste certains des critères de sélection des observatoires scientifiques.

Mais les astronomes amateurs ont rarement la possibilité d’optimiser leurs conditions d’observation. Nous sommes en général cantonnés à notre lieu de résidence et ses alentours.

Les sources lumineuses

Les propriétés de la lumière sont telles que plus la longueur d’onde est courte (donc bleue dans le spectre visible), plus la lumière sera diffusée efficacement par les aérosols. Or les éclairages à leds sont particulièrement riches en bleu ainsi qu’on peut le voir dans les spectres colorés ci-dessous où des leds « cool-white » à 4100 et 5100K très communes dans l’éclairage public montrent une grosse proportion de bleu sur la gauche.

En pratique l’illumination du ciel, à intensité lumineuse perçue équivalente par rapport à une lampe HPS (haute pression de sodium), sera de l’ordre de 3,2 fois plus importante avec des leds 5100K et 2,6 avec des leds 4100K. Sachant que les maires, encouragés par leurs administrés sécuritaires, profitent de l’économie générée par les leds pour éclairer plus, on peut craindre que la situation ne s’améliore avant longtemps…

Les traits pointillés montrent les bandes d’émission classiques des objets célestes. Ils sont peu impactés par les « anciens » éclairages au sodium alors qu’ils sont très impactés par les éclairages à leds. C’est pire avec la couche luminance qui observe l’ensemble du spectre. Mettre un filtre type CLS, UHC… permettait d’effacer très efficacement les pics d’émission du sodium, ce n’est plus possible avec les leds.

Certains fabricants proposent maintenant des leds qui n’émettent presque plus dans le bleu. Malheureusement, ces leds sont peu utilisées dans l’éclairage public car elles sont plus chères, leur indice de restitution des couleurs (le CRI) est médiocre et leur rendement énergétique un peu moins bon.

Choisir un site d’observation

L’astronome amateur doit finalement se résoudre à vivre avec la pollution lumineuse. Il doit pouvoir se déplacer vers les zones les moins affectées de sa région. L’association Avex met en ligne une carte de France de la pollution lumineuse et le site LightPollutionMap celles faites à partir des observations du satellite VIIRS de 2006 à 2020.

Avex

VIIRS

Ces cartes permettent de se faire une assez bonne idée de la quantité de pollution lumineuse qui affecte votre région.

Filtrer la pollution lumineuse

— partie à venir —

Faire bouger les choses

Localement

L’Arrêté du 27 décembre 2018 relatif à la prévention, à la réduction et à la limitation des nuisances lumineuses traite du sujet de la pollution lumineuse. Notez que le titre « Nuisance lumineuse » a été préféré à « Pollution lumineuse » que les industriels de l’éclairage trouvaient trop négatif…

Si vous avez la possibilité de prendre ou d’influencer des décisions dans votre mairie, vous pouvez encourager les actions suivantes :

  • Conserver les lampes à sodium sous pression (HPS) pour les rues passantes qui nécessitent un éclairage permanent toute la nuit. Les lampes HPS sont bien plus efficaces pour la sécurité routière par temps de brouillard ou de pluie et leur lumière est facilement filtrable pour l’astronomie.
  • Installer des lampadaires à leds dans les zones résidentielles et les routes moins passantes, avec une horloge astronomique qui n’allume l’éclairage que pendant un créneau horaire limité (par exemple du coucher du Soleil jusqu’à 23h puis de 6h jusqu’au lever du Soleil), et éventuellement entre ces horaires avec un détecteur de présence pour qu’elles ne s’allument que lorsqu’il le faut.
  • Sélectionner des leds avec très peu d’émission dans le bleu (warm white / blanc chaud) et demander à vérifier le spectre lumineux, pas seulement la température de couleur et le CRI.
  • Éviter d’éclairer les murs et façades clairs qui réfléchissent beaucoup de lumière et orienter correctement les lampes – la plupart sont faites pour être placées à l’horizontal.
  • Demander aux entreprises et aux particuliers de ne pas utiliser de spots surpuissants et vérifier qu’ils sont installés de façon à ne pas éblouir les conducteurs des véhicules ou les voisins. Ils ne doivent éclairer que le terrain de son utilisateur, pas le ciel ni les voisins.
  • Faire respecter l’Arrêté du 27 décembre 2018.

Quelques associations

Il y a peu d’associations actives et abordables facilement en France. L’ANPCEN est plutôt focalisée sur les actions politiques nationales. Elle a toutefois un correspondant local pour la Normandie.