- IL RENDIMENTO FINALE ILLUMINOTECNICO NELL’ILLUMINAZIONE PER ESTERNI - ANALISI CRITICA DI UN IMPIANTO DI ILLUMINAZIONE
 
Introduzione

 L'inquinamento luminoso è definito come la rottura dell'equilibrio naturale luce/buio o giorno/notte ed è dovuto alla luce artificiale che è diretta verso la volta celeste dagli apparecchi di illuminazione per esterni e dalla riflessione del suolo. L'inquinamento luminoso porta alla riduzione degli oggetti celesti visibili.
L'importanza degli apparecchi di illuminazione per esterni nell'abbattimento dell'inquinamento luminoso è ben conosciuta nel mondo astronomico che desidera la schermatura di tali apparecchi. Un'analisi più approfondita porta alla luce nuovi elementi che in special modo influiscono direttamente sull'energia consumata per illuminare e di riflesso per inquinare.
Il rendimento finale trattato in questa sede è il rapporto fra l’energia assorbita dall’apparecchio di illuminazione e l’energia effettivamente utilizzata per illuminare l’area voluta. In genere sui cataloghi dei costruttori appare il valore del rendimento dell’apparecchio, cioè il rapporto fra l’energia emessa dall’apparecchio e l’energia ricevuta dalla lampada; tale rendimento, in genere,  oscilla fra il 50% - 85%.
Il rendimento finale illuminotecnico, qui introdotto per la prima volta in letteratura, è ben diverso dal rendimento del solo apparecchio; mediamente è minore del 10%. Ciò vuol dire che il 90 - 95% dell’energia assorbita dall’apparecchio viene dissipata sotto varie forme e solo il 5 – 10% è trasdotto in luce utile per illuminare la zona da servire.
L’apparecchio di illuminazione per esterni
Un apparecchio elettrico di illuminazione è un trasduttore che trasforma l’energia elettrica assorbita in energia raggiante. La trasduzione è svolta dalla lampada ma l’apparecchio per lampade a scarica di gas, in genere, è composto dai seguenti componenti (la sequenza proposta è anche quella fisica di funzionamento):
- piastra accessori (reattore, accenditore, morsetteria, condensatore di rifasamento, sezionatore, fusibile, ecc.)
- portalampada
- lampada a scarica di gas (mercurio, alogenuri, sodio alta  e bassa pressione)
- schermo riflettente brillantato
- coppa (in vetro o materiale plastico)
La lampada per accendersi e funzionare ha bisogno dell’accenditore e del reattore.
La lampada tramite la scarica dei gas trasforma parte l’energia elettrica in luce; la luce emessa dall'arco di scarica, viene riflessa, assorbita e rifratta dal bulbo della lampada; la parte rifratta a sua volta si divide in due parti: una che viene riflessa dallo schermo riflettente, l'altra che incide sulla coppa; la luce che arriva sulla coppa viene riflessa, assorbita e rifratta, solo la luce rifratta si diffonde all'esterno.
 Le perdite
 Vediamo nel dettaglio che cosa succede durante il percorso fisico dell’energia:
- piastra accessori: perdite per effetto Joule ed addizionali si verificano nel reattore, nei condensatori, nei contatti, ecc.. Queste perdite sono ridotte e nel caso specifico pari al 10%, cioè 10 W. La potenza rimanente sarà 100 – 10 = 90 W.
- lampada: è il componente dell’apparecchio che provoca la massima caduta del rendimento; in teoria una lampada dovrebbe emettere 621 lumen di flusso luminoso per ogni Watt impiegato, in realtà l’efficienza luminosa delle lampade è ridotta e va da 50 Lm/W per una lampada al mercurio a 180 Lm/W per una lampada al sodio a bassa pressione, rispettivamente circa il 10 e 30% del teorico. Nel nostro esempio, la lampada trasduce il 10% dei 90 W cioè  9 W (è solo un esempio teorico per rendere più facili i calcoli; realmente, una lampada al mercurio non raggiunge un'efficienza luminosa di 62 Lm/W ma si attesta sui 50 Lm/W) che nel tempo determina l'energia assorbita (potenza per tempo); in uscita dalla lampada troviamo il flusso  luminoso che è minore della potenza assorbita in quanto nel passaggio entrata/uscita ci sono le perdite, la formula seguente evidenzia quanto detto:
 
Pu = P - Pp
 
dove Pu è la potenza luminosa in uscita, cioè il flusso luminoso, P la potenza elettrica assorbita dalla lampada, Pp la potenza perduta e quindi non trasformata  in  energia  raggiante.  La  potenza perduta è dovuta al processo non ideale di trasformazione della  potenza elettrica  in  potenza  raggiante a causa delle seguenti perdite: addizionali (esempio contatti), per effetto Joule (nelle lampade ad incandescenza tale effetto, riguardo al filamento,  non costituisce solo una perdita ma  bensì  la base di funzionamento), per riflessione ed assorbimento della luce emessa da parte del bulbo in vetro che si trasforma in calore disperso dal bulbo stesso per conduzione verso l’esterno, interne per convenzione, per emissione nel campo dell'invisibile (raggi ultravioletti ed infrarossi), per una scarica non ideale dei gas, ecc.).
In pratica la lampada è un "trasduttore" di energia: l'energia  elettrica  in  entrata viene trasformata in energia raggiante, chiaramente con rendimento minore di 1. Una  efficienza  luminosa  elevata  significa  un processo  di trasformazione  "più pulito"  dell'energia elettrica in energia raggiante.
- Coppa ed inclinazione : la coppa prismata diffonde la luce verso l’emisfero superiore esterno ed il fenomeno, in genere, è aggravato dall’inclinazione dell’apparecchio rispetto al piano di calpestio, la potenza perduta è pari al 10% di quella emessa.
- Aria: una ridotta parte di luce viene deviata dalle polveri e dalle molecole d’acqua.
- Suolo da non illuminare: una parte della luce che arriva al suolo illumina un’area non destinata all’illuminazione. I fattori che contribuiscono a questa dispersione della luce sono l’errata progettazione o scelta dell’ottica, l’errata progettazione dell’impianto e l’installazione sbagliata.
- Riflessione del suolo: la riflessione del suolo in media si può assumere pari al 10% e quindi anch’essa è luce dispersa verso il cielo, anche se bisogna specificare che in special modo nei centri abitati, la riflessione è minore del 10%. Infatti, parte della luce riflessa, incontrando ostacoli come le superfici di palazzi o alberi, viene assorbita o riflessa contro altre superfici.
In definitiva le perdite totali sono pari al 95% della potenza impegnata. Solo un minuscolo 5% è stato trasdotto in luce utile.
L’energia inviata verso il cielo sarà pari a: (0,68 + 0,06 + 0,6 + k% x 0,6) W ora = circa 2 Wh, dove k% è il valore della riflessione del suolo da non illuminare.
Il 2% della potenza impegnata dall’apparecchio, pari a 2W, si riversa sulla volta celeste.
La luce emessa dall'apparecchio preso in esame, si riversa sulla volta stellata, direttamente ed indirettamente, con un flusso luminoso di circa 1200 Lumen (621 Lm corrispondono a 1 W); siccome la lampada emette circa 6000 lumen (621 Lm/W x 100 W), il flusso luminoso disperso di 1200 Lm corrisponde al 20% del flusso emesso dalla lampada.
 
Conclusioni
 L’illuminazione presa in esame ha un rendimento finale di soli 5 punti percentuali ed inoltre il 20% della luce emessa è inviata verso il cielo. Un rendimento irrisorio e quindi un apporto notevole all'inquinamento luminoso.
In molti casi la situazione è ben peggiore come nei globi luminosi dove il 40 – 50% della luce è inviata direttamente verso la volta celeste.
Nel caso delle torri faro, usate per illuminare gli svincoli autostradali o grandi aree, si arriva ad illuminare zone non dovute con una percentuale di luce “dispersa” del 80%.
In definitiva:
- bisogna puntare sulla ricerca al fine di aumentare il rendimento delle lampade.
- si deve prestare la massima attenzione nell’usare apparecchi con rendimento elevato ( > = del 80 %) e schermati (emissione prossima alle 0 Cd/kLm a 90° ed oltre)
- l'installazione dell'apparecchio deve essere ottimale
- bisogna inviare la luce solo laddove serve
- dopo le 23/24, tramite i riduttori di flusso luminoso, si dovrà ridurre il flusso luminoso emesso, riducendo di conseguenza il flusso luminoso disperso.
 
 Appendice:
 
Unità di misura:
La potenza si misura in watt (W); 1 watt = 1 joule/1 secondo
L'energia si misura in joule (J); 1 joule = 1 newton * metro
Il Kwattora (kWh) è un multiplo del joule; 1 kwattora = 1 watt * 1000 * 1 ora = 3.600.000 joule
Il flusso luminoso è una potenza e si misura in lumen (lm); 
L'efficienza luminosa si misura in lumen/watt (Lm/W)
 
Componenti:
Lampade a scarica di gas: al mercurio, al sodio alta pressione, al sodio bassa pressione
Reattore: apparecchio elettrico di stabilizzazione dell'arco di scarica
Accenditore: apparecchio elettrico per l'innesco della scarica
Condensatore: apparecchio elettrico per il rifasamento
Coppa: rifrattore in vetro o plastica per diffondere la luce all'esterno
Riduttore di flusso luminoso: apparecchio con temporizzatore atto a ridurre il flusso luminoso emesso dalla lampada
 





25 - STIMA DEL FLUSSO LUMINOSO E DEL RAPPORTO MEDIO DI EMISSIONE DELLA CITTÀ' DI CIVITAVECCHIA.


 La grandezza più importante è il rapporto medio di emissione (R%), definito come rapporto fra il flusso emesso verso il cielo ed il flusso totale emesso dalle sorgenti illuminanti. In prima approssimazione si può stimare R% in un intervallo compreso fra 20 -  30%, in queste cifre è compreso il 10% dovuto alla riflessione della luce da parte del suolo. Il 30% è relativo ad una città  molto inquinante, mentre il 20% si riscontra in cittadine medio/piccole non industriali.
L’invito che rivolgiamo nuovamente ai gruppi astrofili riguarda l’impegno continuo e strenuo contro l’inquinamento luminoso, o riusciamo ad abbatterlo o come si dice in gergo “chiuderemo bottega”.

STIMA DEL FLUSSO LUMINOSO E DEL RAPPORTO MEDIO DI EMISSIONE DELLA CITTÀ' DI CIVITAVECCHIA.

 Il flusso luminoso emesso da una città può essere determinato per via diretta o indiretta.
E' evidente la difficoltà di misurare direttamente il flusso luminoso emesso da una città; in questa sede vengono esposti due metodi elaborati dallo scrivente, il "metodo della magnitudine" che permette di calcolare per via indiretta il flusso luminoso disperso da una città ed il "metodo del flusso luminoso disperso" mediante il quale si può ricavare sia il flusso luminoso disperso sia il rapporto medio di emissione.

  METODO DELLA MAGNITUDINE

 Questo metodo si basa sulla relazione esistente fra la perdita di magnitudini stellari apparenti (visibili ad occhio nudo) e le due grandezze fotometriche: brillanza e luminosità del cielo.
Il metodo richiede la divisione della città in zone e la rilevazione della magnitudine media visibile ad occhio nudo in ciascuna zona. Ai valori di magnitudine rilevati corrispondono dei valori di brillanza e luminosità teorici del cielo che nel nostro caso sono stati desunti dal libro di Pierantonio Cinzano: "Inquinamento luminoso e protezione del cielo notturno". I dati calcolati dipendono dal tipo di città.
I dati relativi alla città di Civitavecchia sono: 50.000 abitanti circa, 70 chilometri quadrati di superficie, 2 centrali termoelettriche, 2 grandi stazioni elettriche, stazione ferroviaria con svariati snodi e zone di carico/scarico merci, un parco giochi , il porto passeggeri e merci,  la zona industriale con zone parcheggio "containers", mobilifici, trattamento rifiuti speciali, grandi magazzini all'ingrosso, due supercarceri di cui uno di massima sicurezza, svariati impianti militari tra cui un centro di ricerca chimico fisico, snodi autostradali, svariati depositi costieri di combustibili, numerose scuole, quindi una città ad alta densità di sorgenti di illuminazione.
Per calcolare il flusso luminoso disperso (somma del flusso direttamente disperso verso il cielo e del flusso riflesso dal suolo) bisogna conoscere: le magnitudini stellari apparenti visibili ad occhio nudo, l'area in metriquadrati delle zone di rilevamento delle magnitudini, la luminosità del cielo (la brillanza non è necessaria ma fornisce delle indicazioni circa l'intensità luminosa del cielo al metro quadro).
Si raggruppino i dati, ,  poi si moltiplichi la luminosità del cielo per le rispettive aree  (la superficie delle zone è pari a: 1, 12, 32 e 25 kmq; si ricordi che all'area n +1 relativa alla magnitudine n + 1, va sottratta l'area n, se in essa compresa, perché già considerata nel calcolo relativo alla magnitudine n), si otterrà il flusso per ciascuna zona; la somma di tutti i flussi darà il flusso totale.
Dall'analisi dei dati si desume che il flusso luminoso disperso totale, quindi comprensivo del flusso disperso direttamente verso l'alto e del flusso luminoso riflesso dal suolo, pari a 98 milioni di Lumen, è equivalente al flusso emesso direttamente da circa 7.000 lampade al mercurio da 250 W (14.000 Lumen cadauna).
Il flusso luminoso disperso per abitante sarà pari a: 98.000.000/50.000 = 1.960. Lumen/abitante.
Il flusso luminoso disperso per chilometro quadrato sarà pari a: 98.000.000/70 = 1.400.000 Lumen/Kmq
Il metodo della magnitudine fornisce indirettamente il flusso luminoso disperso da una città ma la sua precisione è legata alla determinazione della magnitudine media visibile in una zona (nella stessa zona possono esserci parti a più alta/bassa magnitudine o comunque influenze nelle misurazione a causa delle intense fonti luminose), al numero dei reticoli scelti per la mappatura, specie nel centro città, ai  valori di luminosità del cielo, a loro volta determinate con una certa tolleranza. Inoltre la luminosità del cielo non è dovuta alla luce direttamente "emessa" dal cielo (trascurando la luce propria del cielo), ma alla luce della città riflessa dal cielo.
Si tenga presente che in alcune zone a magnitudine media 4 - 5 - 6, possono esserci insediamenti che provocano limiti di magnitudini ben più evidenti.
Il calcolo può portare ad errori grossolani; per essere precisi, bisogna individuare la magnitudine media corrispondente ad una data superficie; la precisione richiesta è massima nelle zone dove si hanno le maggiori perdite di magnitudine, infatti l'apporto delle zone periferiche è scarso.
Il metodo esposto in questa sede non tiene conto dello spettro di emissione delle lampade e dell’estinsione atmosferica.
Nel caso specifico qui trattato, siccome la mappatura è stata fatta precedentemente al fine di rilevare l’inquinamento luminoso della città (numero di reticoli ridotto) e non per rilevarne il flusso luminoso disperso, la differenza rilevata con il metodo del flusso luminoso disperso è pari a 53 milioni di lumen, 98 milioni con il metodo della magnitudine contro i 45 milioni del metodo del flusso luminoso disperso (circa il doppio). La differenza si può contenere al 20 / 30 % tenendo conto della perdita di magnitudine dovuta all’estinsione atmosferica (minor valori della luminanza nella tabella 1) e con una mappatura ad hoc costituita da più reticoli di rilevazione della magnitudine.
 
METODO DEL FLUSSO LUMINOSO DISPERSO
 
Il metodo del flusso luminoso disperso si basa su dati più certi in quanto richiede le caratteristiche tecniche delle sorgenti emittenti. Esso permette di determinare sia il flusso luminoso emesso dalla città ed il flusso disperso  sia il rapporto medio di emissione (R%),definito come rapporto fra il flusso emesso verso il cielo ed il flusso totale emesso dalle sorgenti illuminanti.
La stima è stata effettuata in base ai seguenti dati :
- mappatura del 80% (ottanta) circa dei punti luce (*) della città determinando:
- numero lampade ;
- tipo lampade;
- conformazione del corpo illuminante;
- inclinazione del corpo illuminante;
- potenza delle lampade in Watt;
- efficienza luminosa delle lampade in Lumen su Watt;
- flusso luminoso emesso dalla lampada in Lumen ;
- coefficiente di trasmissione della parabola;
-         rapporto medio di emissione; i valori di R% assunti per le singole fonti illuminanti sono:
- globi luminosi: 70%;
- globi luminosi rivolti verso terra: 50%;
- lampioni schermati su palo diritto con vetro di protezione piano (cut/off): 0,3%;
- lampioni inclinati su pali dritti con vetro di protezione piano: 3%;
- lampioni con parabola a coppa sporgente inclinati: 10%;
- lampioni a coppa sporgente su pali dritti: 3%;
- torri faro/fari simmetrici con l'asse ottico a 90° con l'ortogonale al piano di calpestio: 50%;
- torri faro/fari simmetrici con l'asse ottico a 75° con l'ortogonale al piano di calpestio: 25 %;
- torri faro/fari simmetrici con l'asse ottico a 60° con l'ortogonale al piano di calpestio: 20%;
- torri faro/fari simmetrici con l'asse ottico a 45° con l'ortogonale al piano di calpestio: 15%;
- torri faro/fari simmetrici con l'asse ottico a 30° con l'ortogonale al piano di calpestio: 5%;     
- fari simmetrici con l'asse ottico rivolto verso l’alto a 45° con l’ortogonale al piano di calpestio: 70%;
- flusso luminoso emesso dalla sorgente illuminante  (- ? - in tabella, pari al 80% del flusso della lampada);
- flusso luminoso disperso  (- ? - in tabella);
Inoltre sono stati presi in considerazione i seguenti dati:
- numero proiettori delle torri faro.;
- flusso riflesso dal terreno pari al 10% del flusso incidente (il 7 - 10 % è un valore medio misurato dagli illuminotecnici, in realtà la quantità di flusso riflesso dipende dal colore della superficie riflettente);
- per le insegne e vetrine, data la grande varietà, non si è proceduto ad una stima per singola sorgente, ma si è posto pari a  1.000 lumen il flusso emesso per ogni insegna per una potenza di circa 110 W/insegna. ed R% pari a 15%. Per le vetrine si è assunto un flusso disperso verso l'alto pari a 200 lumen/vetrina ed R% uguale al 3%. Si è trascurato il flusso luminoso emesso dalle finestre, perché di difficile stima.

Il flusso totale luminoso rilevato, sia esso emesso o disperso, è stato calcolato sommando i contributi derivanti dalle strade, edifici industriali e scuole (questa suddivisione è stata adoperata nel caso specifico, nulla toglie che in altre campagne di rilevamento si possano operare altre suddivisioni). Dividendo il flusso totale rilevato per 0,8 si ottiene il flusso totale stimato ( i punti luce rilevati sono pari a circa l'ottanta percento).
Il flusso disperso totale, comprendente anche il flusso riflesso dal suolo, è risultato pari a 47.000.000 di lumen (904 lumen/abitante, 645.000 lumen/Kmq); il flusso luminoso disperso direttamente emesso verso il cielo è risultato pari a 30.000.000 di lumen (604 lumen/abitante, 431.000 lumen/Kmq);
L'energia "dispersa" totale pari a 2.357.0000 Kwh (1.576.000 Kwh diretta) è equivalente rispettivamente a 471 milioni e 315 milioni di lire all'anno.
Il coefficiente di dispersione "R%" è risultato essere pari al 17% (rapporto fra flusso luminoso emesso e flusso luminoso disperso); la percentuale totale del flusso luminoso disperso (diretto più il riflesso dal suolo) è risultata pari al 25%.
Per una più attenta valutazione, bisogna tenere presente che il 17 % è un valore piuttosto alto (tipico di città industriali), che nel caso specifico è dovuto principalmente all'alta densità di fari e torri faro non schermate. Una cittadina, in media,  presenta un valore di R % fra il 10 ed il 12 %.
Riguardo al risparmio economico, si può affermare che nel caso di una drastica riduzione del coefficiente "R%" dal 17 % al 1 %, si risparmierebbero circa 300 milioni di lire all'anno a cui bisogna aggiungere la parte dovuta al minor flusso luminoso riflesso dal suolo (nel caso di riduzione della potenza delle sorgenti emittenti). Il risparmio di 300 milioni di lire all'anno è un dato importante, infatti extrapolandolo alla popolazione italiana di 60 milioni di persone, si ha un risparmio annuo per l'intera Italia di 480 miliardi di lire.
Il metodo del flusso disperso, se applicato con oculatezza, porta ad un errore massimo del +/- 10 % circa; quindi il coefficiente R% di riflessione rientra fra il 18,4 % e 15,3 %.
L'errore è dovuto alle incertezze nel rilevamento dei seguenti fattori: n. punti luce, inclinazione sorgenti emittenti, potenza lampada, efficienza luminosa, perdita di flusso luminoso dovuto all'invecchiamento della lampada, coefficiente di trasmissione della sorgente luminosa, rapporto medio di emissione.
Il metodo del flusso disperso non tiene conto dello spettro di emissione delle lampade.
Si ricordi che il calcolo riguarda il flusso massimo “tutto acceso” con impianti sportivi in funzione ed insegne luminose accese.
 
CONCLUSIONI
Il metodo della magnitudine è più semplice del metodo del flusso disperso, infatti, nella pratica,  richiede una campagna di rilevamento delle magnitudini stellari  visibili ad occhio nudo in determinate zone della città;  poi, con delle formule, si può calcolare il flusso disperso verso l'alto.
Il metodo non permette il calcolo del coefficiente R% in quanto presume che non si conosca il flusso emesso dalle sorgenti luminose. In definitiva esso è alla portata degli astrofili che hanno più dimestichezza con le magnitudini stellari che con le grandezze fotometriche.
La precisione raggiungibile dipende da molti fattori, tipo: stima delle magnitudini stellari, estensione dei reticoli di mappatura  (più sono, specie nella zona della città dove esiste un alto inquinamento luminoso, tanto maggiore è la precisione), esperienza nell'individuazione del punto di rilevamento all'interno del reticolo (evitare di andare sotto un lampione!), calcolo della superficie del reticolo da mettere in relazione con la magnitudine visibile.
Lavorando seriamente si possono commettere errori di sottostima / sovrastima (più probabile) del   20 / 30 %; se non si presta attenzione, si può arrivare ad errori del 100% (doppio).
Il metodo del flusso luminoso disperso è più preciso, ma implica un lavoro massiccio di rilevamento delle caratteristiche di tutti i punti luce della città (in genere, gli uffici tecnici dei Comuni non posseggono tali dati), inoltre richiede una conoscenza specifica nel campo dell'illuminotecnica.
Il limite del metodo del flusso disperso risiede nella diminuita applicabiltà con l'aumentare dell'estensione della città; è evidente che il rilevamento può essere fatto per città limite di 50 - 100.000 abitanti, è impensabile di rilevare i punti luce di città come Roma,  Palermo, Milano, Napoli, Firenze, ecc.
Nel caso di città di provincia di 100 - 200.000 abitanti si possono rilevare meno punti luce, ad esempio un 30 - 50%, avendo cura di rilevare tutte le tipologie in maniera proporzionale, per poi estrapolare al 100%, chiaramente in questo caso l'errore avrà oscillazioni più ampie.
In prima approssimazione e solo per avere un numero di riferimento (non si pensi di ottenere dati certi con questa semplice moltiplicazione), per città similari dal punto di vista delle sorgenti luminose,  si può calcolare il flusso disperso direttamente verso l'alto, moltiplicando il numero degli abitanti per 604 Lm/abitante od i Kmq della superficie della città per 431.000 lm/Kmq.  Dal flusso, così calcolato, si possono stimare le altre grandezze. Lo stesso calcolo si può ripetere per il flusso totale disperso (diretto più riflesso dal suolo), applicando i coefficienti 904 Lm/abitante e 645.000 Lm/Kmq. Quest’ultimi valori possono sembrare esagerati ma nel caso specifico trattato sono “reali” in quanto la città di Civitavecchia, già con una piccola estensione territoriale e 50.000 abitanti, risente dell’alta densità delle torri faro dovuti al porto ed alla zona industriale ed inoltre il calcolo dei flussi è stato fatto presupponendo che gli impianti siano tutti accesi (aggiunta delle torri faro degli impianti sportivi).
E' interessante confrontare i dati ottenuti con i due metodi, al fine di verificare l'errore di calcolo del metodo della magnitudine.
Questo lavoro è sperimentale in quanto riguarda un campo quasi inesplorato, quindi i lettori non prendano lo studio per "oro colato"; d'altronde in assenza di dati, quelli forniti possono essere presi come riferimento.
Si invitano le associazioni alla sperimentazione dei metodi.
Chi fosse interessato allo studio completo di tutte le tabelle, può richiederlo agli indirizzi sottoelencati.
Si ringraziano i soci dell'Associazione Astrofili Monti della Tolfa che con le loro rilevazioni hanno permesso di raccogliere la grande massa dei dati, poi integrati ed elaborati dall'autore.
 

 
 
(*) Dati rilevati dai soci dell'Associazione Astrofili Monti della Tolfa


 
STIMA DEL FLUSSO LUMINOSO E DEL RAPPORTO MEDIO DI EMISSIONE DELLA CITTÀ' DI CIVITAVECCHIA.
 La grandezza più importante è il rapporto medio di emissione (R%), definito come rapporto fra il flusso emesso verso il cielo ed il flusso totale emesso dalle sorgenti illuminanti. In prima approssimazione si può stimare R% in un intervallo compreso fra 20 -  30%, in queste cifre è compreso il 10% dovuto alla riflessione della luce da parte del suolo. Il 30% è relativo ad una città  molto inquinante, mentre il 20% si riscontra in cittadine medio/piccole non industriali.
L’invito che rivolgiamo nuovamente ai gruppi astrofili riguarda l’impegno continuo e strenuo contro l’inquinamento luminoso, o riusciamo ad abbatterlo o come si dice in gergo “chiuderemo bottega”.

STIMA DEL FLUSSO LUMINOSO E DEL RAPPORTO MEDIO DI EMISSIONE DELLA CITTÀ' DI CIVITAVECCHIA.
 Il flusso luminoso emesso da una città può essere determinato per via diretta o indiretta.
E' evidente la difficoltà di misurare direttamente il flusso luminoso emesso da una città; in questa sede vengono esposti due metodi elaborati dallo scrivente, il "metodo della magnitudine" che permette di calcolare per via indiretta il flusso luminoso disperso da una città ed il "metodo del flusso luminoso disperso" mediante il quale si può ricavare sia il flusso luminoso disperso sia il rapporto medio di emissione.
  METODO DELLA MAGNITUDINE
 Questo metodo si basa sulla relazione esistente fra la perdita di magnitudini stellari apparenti (visibili ad occhio nudo) e le due grandezze fotometriche: brillanza e luminosità del cielo.
Il metodo richiede la divisione della città in zone e la rilevazione della magnitudine media visibile ad occhio nudo in ciascuna zona. Ai valori di magnitudine rilevati corrispondono dei valori di brillanza e luminosità teorici del cielo che nel nostro caso sono stati desunti dal libro di Pierantonio Cinzano: "Inquinamento luminoso e protezione del cielo notturno". I dati calcolati dipendono dal tipo di città.
I dati relativi alla città di Civitavecchia sono: 50.000 abitanti circa, 70 chilometri quadrati di superficie, 2 centrali termoelettriche, 2 grandi stazioni elettriche, stazione ferroviaria con svariati snodi e zone di carico/scarico merci, un parco giochi , il porto passeggeri e merci,  la zona industriale con zone parcheggio "containers", mobilifici, trattamento rifiuti speciali, grandi magazzini all'ingrosso, due supercarceri di cui uno di massima sicurezza, svariati impianti militari tra cui un centro di ricerca chimico fisico, snodi autostradali, svariati depositi costieri di combustibili, numerose scuole, quindi una città ad alta densità di sorgenti di illuminazione.
Per calcolare il flusso luminoso disperso (somma del flusso direttamente disperso verso il cielo e del flusso riflesso dal suolo) bisogna conoscere: le magnitudini stellari apparenti visibili ad occhio nudo, l'area in metriquadrati delle zone di rilevamento delle magnitudini, la luminosità del cielo (la brillanza non è necessaria ma fornisce delle indicazioni circa l'intensità luminosa del cielo al metro quadro).
Si raggruppino i dati, ,  poi si moltiplichi la luminosità del cielo per le rispettive aree  (la superficie delle zone è pari a: 1, 12, 32 e 25 kmq; si ricordi che all'area n +1 relativa alla magnitudine n + 1, va sottratta l'area n, se in essa compresa, perché già considerata nel calcolo relativo alla magnitudine n), si otterrà il flusso per ciascuna zona; la somma di tutti i flussi darà il flusso totale.
Dall'analisi dei dati si desume che il flusso luminoso disperso totale, quindi comprensivo del flusso disperso direttamente verso l'alto e del flusso luminoso riflesso dal suolo, pari a 98 milioni di Lumen, è equivalente al flusso emesso direttamente da circa 7.000 lampade al mercurio da 250 W (14.000 Lumen cadauna).
Il flusso luminoso disperso per abitante sarà pari a: 98.000.000/50.000 = 1.960. Lumen/abitante.
Il flusso luminoso disperso per chilometro quadrato sarà pari a: 98.000.000/70 = 1.400.000 Lumen/Kmq
Il metodo della magnitudine fornisce indirettamente il flusso luminoso disperso da una città ma la sua precisione è legata alla determinazione della magnitudine media visibile in una zona (nella stessa zona possono esserci parti a più alta/bassa magnitudine o comunque influenze nelle misurazione a causa delle intense fonti luminose), al numero dei reticoli scelti per la mappatura, specie nel centro città, ai  valori di luminosità del cielo, a loro volta determinate con una certa tolleranza. Inoltre la luminosità del cielo non è dovuta alla luce direttamente "emessa" dal cielo (trascurando la luce propria del cielo), ma alla luce della città riflessa dal cielo.
Si tenga presente che in alcune zone a magnitudine media 4 - 5 - 6, possono esserci insediamenti che provocano limiti di magnitudini ben più evidenti.
Il calcolo può portare ad errori grossolani; per essere precisi, bisogna individuare la magnitudine media corrispondente ad una data superficie; la precisione richiesta è massima nelle zone dove si hanno le maggiori perdite di magnitudine, infatti l'apporto delle zone periferiche è scarso.
Il metodo esposto in questa sede non tiene conto dello spettro di emissione delle lampade e dell’estinsione atmosferica.
Nel caso specifico qui trattato, siccome la mappatura è stata fatta precedentemente al fine di rilevare l’inquinamento luminoso della città (numero di reticoli ridotto) e non per rilevarne il flusso luminoso disperso, la differenza rilevata con il metodo del flusso luminoso disperso è pari a 53 milioni di lumen, 98 milioni con il metodo della magnitudine contro i 45 milioni del metodo del flusso luminoso disperso (circa il doppio). La differenza si può contenere al 20 / 30 % tenendo conto della perdita di magnitudine dovuta all’estinsione atmosferica (minor valori della luminanza nella tabella 1) e con una mappatura ad hoc costituita da più reticoli di rilevazione della magnitudine.
 
METODO DEL FLUSSO LUMINOSO DISPERSO
 
Il metodo del flusso luminoso disperso si basa su dati più certi in quanto richiede le caratteristiche tecniche delle sorgenti emittenti. Esso permette di determinare sia il flusso luminoso emesso dalla città ed il flusso disperso  sia il rapporto medio di emissione (R%),definito come rapporto fra il flusso emesso verso il cielo ed il flusso totale emesso dalle sorgenti illuminanti.
La stima è stata effettuata in base ai seguenti dati :
- mappatura del 80% (ottanta) circa dei punti luce (*) della città determinando:
- numero lampade ;
- tipo lampade;
- conformazione del corpo illuminante;
- inclinazione del corpo illuminante;
- potenza delle lampade in Watt;
- efficienza luminosa delle lampade in Lumen su Watt;
- flusso luminoso emesso dalla lampada in Lumen ;
- coefficiente di trasmissione della parabola;
-         rapporto medio di emissione; i valori di R% assunti per le singole fonti illuminanti sono:
- globi luminosi: 70%;
- globi luminosi rivolti verso terra: 50%;
- lampioni schermati su palo diritto con vetro di protezione piano (cut/off): 0,3%;
- lampioni inclinati su pali dritti con vetro di protezione piano: 3%;
- lampioni con parabola a coppa sporgente inclinati: 10%;
- lampioni a coppa sporgente su pali dritti: 3%;
- torri faro/fari simmetrici con l'asse ottico a 90° con l'ortogonale al piano di calpestio: 50%;
- torri faro/fari simmetrici con l'asse ottico a 75° con l'ortogonale al piano di calpestio: 25 %;
- torri faro/fari simmetrici con l'asse ottico a 60° con l'ortogonale al piano di calpestio: 20%;
- torri faro/fari simmetrici con l'asse ottico a 45° con l'ortogonale al piano di calpestio: 15%;
- torri faro/fari simmetrici con l'asse ottico a 30° con l'ortogonale al piano di calpestio: 5%;     
- fari simmetrici con l'asse ottico rivolto verso l’alto a 45° con l’ortogonale al piano di calpestio: 70%;
- flusso luminoso emesso dalla sorgente illuminante  (- ? - in tabella, pari al 80% del flusso della lampada);
- flusso luminoso disperso  (- ? - in tabella);
Inoltre sono stati presi in considerazione i seguenti dati:
- numero proiettori delle torri faro.;
- flusso riflesso dal terreno pari al 10% del flusso incidente (il 7 - 10 % è un valore medio misurato dagli illuminotecnici, in realtà la quantità di flusso riflesso dipende dal colore della superficie riflettente);
- per le insegne e vetrine, data la grande varietà, non si è proceduto ad una stima per singola sorgente, ma si è posto pari a  1.000 lumen il flusso emesso per ogni insegna per una potenza di circa 110 W/insegna. ed R% pari a 15%. Per le vetrine si è assunto un flusso disperso verso l'alto pari a 200 lumen/vetrina ed R% uguale al 3%. Si è trascurato il flusso luminoso emesso dalle finestre, perché di difficile stima.

Il flusso totale luminoso rilevato, sia esso emesso o disperso, è stato calcolato sommando i contributi derivanti dalle strade, edifici industriali e scuole (questa suddivisione è stata adoperata nel caso specifico, nulla toglie che in altre campagne di rilevamento si possano operare altre suddivisioni). Dividendo il flusso totale rilevato per 0,8 si ottiene il flusso totale stimato ( i punti luce rilevati sono pari a circa l'ottanta percento).
Il flusso disperso totale, comprendente anche il flusso riflesso dal suolo, è risultato pari a 47.000.000 di lumen (904 lumen/abitante, 645.000 lumen/Kmq); il flusso luminoso disperso direttamente emesso verso il cielo è risultato pari a 30.000.000 di lumen (604 lumen/abitante, 431.000 lumen/Kmq);
L'energia "dispersa" totale pari a 2.357.0000 Kwh (1.576.000 Kwh diretta) è equivalente rispettivamente a 471 milioni e 315 milioni di lire all'anno.
Il coefficiente di dispersione "R%" è risultato essere pari al 17% (rapporto fra flusso luminoso emesso e flusso luminoso disperso); la percentuale totale del flusso luminoso disperso (diretto più il riflesso dal suolo) è risultata pari al 25%.
Per una più attenta valutazione, bisogna tenere presente che il 17 % è un valore piuttosto alto (tipico di città industriali), che nel caso specifico è dovuto principalmente all'alta densità di fari e torri faro non schermate. Una cittadina, in media,  presenta un valore di R % fra il 10 ed il 12 %.
Riguardo al risparmio economico, si può affermare che nel caso di una drastica riduzione del coefficiente "R%" dal 17 % al 1 %, si risparmierebbero circa 300 milioni di lire all'anno a cui bisogna aggiungere la parte dovuta al minor flusso luminoso riflesso dal suolo (nel caso di riduzione della potenza delle sorgenti emittenti). Il risparmio di 300 milioni di lire all'anno è un dato importante, infatti extrapolandolo alla popolazione italiana di 60 milioni di persone, si ha un risparmio annuo per l'intera Italia di 480 miliardi di lire Il metodo del flusso disperso, se applicato con oculatezza, porta ad un errore massimo del +/- 10 % circa; quindi il coefficiente R% di riflessione rientra fra il 18,4 % e 15,3 %.
L'errore è dovuto alle incertezze nel rilevamento dei seguenti fattori: n. punti luce, inclinazione sorgenti emittenti, potenza lampada, efficienza luminosa, perdita di flusso luminoso dovuto all'invecchiamento della lampada, coefficiente di trasmissione della sorgente luminosa, rapporto medio di emissione.
Il metodo del flusso disperso non tiene conto dello spettro di emissione delle lampade.
Si ricordi che il calcolo riguarda il flusso massimo “tutto acceso” con impianti sportivi in funzione ed insegne luminose accese.
 
CONCLUSIONI
Il metodo della magnitudine è più semplice del metodo del flusso disperso, infatti, nella pratica,  richiede una campagna di rilevamento delle magnitudini stellari  visibili ad occhio nudo in determinate zone della città;  poi, con delle formule, si può calcolare il flusso disperso verso l'alto.
Il metodo non permette il calcolo del coefficiente R% in quanto presume che non si conosca il flusso emesso dalle sorgenti luminose. In definitiva esso è alla portata degli astrofili che hanno più dimestichezza con le magnitudini stellari che con le grandezze fotometriche.
La precisione raggiungibile dipende da molti fattori, tipo: stima delle magnitudini stellari, estensione dei reticoli di mappatura  (più sono, specie nella zona della città dove esiste un alto inquinamento luminoso, tanto maggiore è la precisione), esperienza nell'individuazione del punto di rilevamento all'interno del reticolo (evitare di andare sotto un lampione!), calcolo della superficie del reticolo da mettere in relazione con la magnitudine visibile.
Lavorando seriamente si possono commettere errori di sottostima / sovrastima (più probabile) del   20 / 30 %; se non si presta attenzione, si può arrivare ad errori del 100% (doppio).
Il metodo del flusso luminoso disperso è più preciso, ma implica un lavoro massiccio di rilevamento delle caratteristiche di tutti i punti luce della città (in genere, gli uffici tecnici dei Comuni non posseggono tali dati), inoltre richiede una conoscenza specifica nel campo dell'illuminotecnica.
Il limite del metodo del flusso disperso risiede nella diminuita applicabiltà con l'aumentare dell'estensione della città; è evidente che il rilevamento può essere fatto per città limite di 50 - 100.000 abitanti, è impensabile di rilevare i punti luce di città come Roma,  Palermo, Milano, Napoli, Firenze, ecc.
Nel caso di città di provincia di 100 - 200.000 abitanti si possono rilevare meno punti luce, ad esempio un 30 - 50%, avendo cura di rilevare tutte le tipologie in maniera proporzionale, per poi estrapolare al 100%, chiaramente in questo caso l'errore avrà oscillazioni più ampie.
In prima approssimazione e solo per avere un numero di riferimento (non si pensi di ottenere dati certi con questa semplice moltiplicazione), per città similari dal punto di vista delle sorgenti luminose,  si può calcolare il flusso disperso direttamente verso l'alto, moltiplicando il numero degli abitanti per 604 Lm/abitante od i Kmq della superficie della città per 431.000 lm/Kmq.  Dal flusso, così calcolato, si possono stimare le altre grandezze. Lo stesso calcolo si può ripetere per il flusso totale disperso (diretto più riflesso dal suolo), applicando i coefficienti 904 Lm/abitante e 645.000 Lm/Kmq. Quest’ultimi valori possono sembrare esagerati ma nel caso specifico trattato sono “reali” in quanto la città di Civitavecchia, già con una piccola estensione territoriale e 50.000 abitanti, risente dell’alta densità delle torri faro dovuti al porto ed alla zona industriale ed inoltre il calcolo dei flussi è stato fatto presupponendo che gli impianti siano tutti accesi (aggiunta delle torri faro degli impianti sportivi).
E' interessante confrontare i dati ottenuti con i due metodi, al fine di verificare l'errore di calcolo del metodo della magnitudine.
Questo lavoro è sperimentale in quanto riguarda un campo quasi inesplorato, quindi i lettori non prendano lo studio per "oro colato"; d'altronde in assenza di dati, quelli forniti possono essere presi come riferimento.
Si invitano le associazioni alla sperimentazione dei metodi.
Chi fosse interessato allo studio completo di tutte le tabelle, può richiederlo agli indirizzi sottoelencati.
Si ringraziano i soci dell'Associazione Astrofili Monti della Tolfa che con le loro rilevazioni hanno permesso di raccogliere la grande massa dei dati, poi integrati ed elaborati dall'autore.
 

(*) Dati rilevati dai soci dell'Associazione Astrofili Monti della Tolfa