Les LED lumineuses pourraient signifier la fin des cieux sombres

Les projets d'éclairage extérieur à LED peuvent économiser de l'énergie, mais ils peuvent également aggraver la pollution lumineuse.

Tard dans la soirée de juin 2016, John Barentine se tenait seul à Mather Point, un belvédère emblématique et rarement vide du parc national du Grand Canyon. La lune s'est éloignée, laissant l'obscurité d'un ciel clair et net. Les étoiles qui composent notre galaxie semblaient s'aligner au-dessus de nos têtes. Le gouffre d'encre de l'ancien canyon s'étendait en contrebas, et il s'émerveilla d'avoir l'impression d'être détaché dans le temps et dans l'espace.

Astronome qui travaillait pour l'International Dark-Sky Association (IDA), Barentine avait une raison particulière de se délecter de la scène. Avec son aide, le parc avait récemment reçu le statut provisoire de parc international du ciel étoilé, une désignation donnée à un terrain public qui présente des nuits étoilées "exceptionnelles". Peu d'endroits accessibles au public sur Terre connaissent ce genre d'obscurité immaculée. En effet, la vue est bien différente à 200 milles à Tucson. Là, les photons des lumières de la ville se dispersent dans le ciel, formant un dôme de lumière obscurcissant appelé sky glow, une caractéristique désormais commune aux grandes villes.

Les scientifiques savent depuis des années qu'une telle pollution lumineuse augmente et peut nuire à la fois aux humains et à la faune. Chez les humains, une exposition accrue à la lumière la nuit perturbe les cycles du sommeil et a été liée au cancer et aux maladies cardiovasculaires, selon un rapport de 2016 de l'American Medical Association. Pendant ce temps, les impacts écologiques de la pollution lumineuse couvrent le monde entier. Cela peut affecter les schémas de reproduction des grillons mâles, les faisant gazouiller pendant la journée plutôt que la nuit, lorsqu'ils appellent généralement des partenaires. Les bébés tortues de mer, qui ont évolué pour échapper aux prédateurs en se précipitant vers l'océan lors de l'éclosion, peuvent être désorientés par les lumières près du rivage. Les hiboux perdent leur avantage furtif sur leurs proies. Même les arbres peuvent avoir du mal à s'accrocher aux feuilles plus longtemps et à bourgeonner plus tôt qu'ils ne le devraient, car la luminosité de leur environnement leur donne des informations incorrectes sur la période de l'année.

Les astronomes, les décideurs et les professionnels de l'éclairage s'efforcent tous de trouver des moyens de réduire la pollution lumineuse. Beaucoup d'entre eux préconisent l'installation de diodes électroluminescentes, ou LED, dans les luminaires extérieurs tels que les lampadaires urbains. Watt pour watt, les lampadaires à LED sont maintenant comparables en efficacité aux lampadaires à vapeur de sodium traditionnels et sont dans certains cas plus efficaces. Mais la différence cruciale est qu'ils dirigent mieux la lumière vers une zone ciblée, ce qui signifie que moins de lumière et d'énergie sont globalement nécessaires pour obtenir l'éclairage souhaité.

Plusieurs grandes villes du monde, dont Paris, New York et Shanghai, ont déjà largement adopté les LED pour économiser de l'énergie et de l'argent. Mais un nombre croissant de recherches suggèrent que le passage aux LED n'est pas la panacée simple à laquelle certains pourraient s'attendre. Dans de nombreux cas, les installations LED ont aggravé la pollution lumineuse. Pour s'orienter vers la réduction du problème, il ne suffit pas d'acheter des appareils éconergétiques. Les villes doivent développer des politiques respectueuses du ciel étoilé, et les professionnels de l'éclairage doivent concevoir et fabriquer des produits qui permettent à ces politiques de réussir. Et ils doivent commencer à le faire maintenant, disent de nombreux experts en pollution lumineuse, dont Karolina Zielinska-Dabkowska, professeure adjointe d'architecture à l'Université de technologie de Gdańsk en Pologne. Les LED représentent déjà plus de la moitié des ventes mondiales d'éclairage, selon l'Agence internationale de l'énergie. L'investissement initial élevé et la durabilité des LED modernes signifient que les villes doivent réussir la transition du premier coup ou faire face à des décennies de conséquences.

Zielinska-Dabkowska peut comprendre le potentiel et les inconvénients de l'utilisation des LED mieux que quiconque. Dans les années 2000, elle a travaillé pour diverses entreprises d'éclairage sur des projets de grande envergure, notamment le mémorial Tribute in Light à New York. L'installation frappante projette deux faisceaux de lumière dans le ciel pour faire écho aux deux tours du World Trade Center perdues le 11 septembre. Peu de temps après son achèvement en 2002, l'hommage s'est avéré piéger les oiseaux migrateurs dans ses faisceaux hypnotisants.

La pièce est maintenant parfois éteinte pour permettre aux oiseaux de se disperser, mais la pollution lumineuse est finalement devenue un problème que Zielinska-Dabkowska ne pouvait ignorer, et elle a intégré la recherche de solutions dans son travail. "Je voulais faire un changement", dit-elle.

Le domaine croissant de l'urbanisme sensoriel change la façon dont nous évaluons les quartiers et les projets.

Il y a quatre principaux éléments de pollution lumineuse, dit Zielinska-Dabkowska. Le plus reconnaissable est la lueur du ciel, qui peut affecter les oiseaux migrateurs à des centaines de kilomètres. Un autre est l'intrusion lumineuse, les photons qui traversent les lignes de démarcation. Ils peuvent s'infiltrer par les fenêtres et affecter le sommeil et les rythmes circadiens. L'éblouissement, quant à lui, est un changement de contraste - le genre qui se produit lorsque vous passez d'une zone très éclairée à une zone plus sombre, forçant vos yeux à s'adapter. Enfin, et le plus important, dit-elle, est la sur-illumination - éclairant les choses beaucoup plus que nécessaire.

Les LED ont le potentiel de combattre ces quatre problèmes. Les ampoules peuvent, par exemple, être installées dans des boîtiers "intelligents" qui peuvent être réglés et programmés à distance. "Vous pouvez contrôler les LED", explique Zielinska-Dabkowska. "Vous pouvez les réduire à 0%."

La ville de Tucson a mis en place des commandes d'éclairage intelligentes dans ses lampadaires en 2016, remplaçant 18 000 lampes au sodium par des LED blindées pour empêcher la lumière de s'échapper vers le haut. Une étude de 2018 dont Barentine était l'auteur principal a révélé que la lueur du ciel de Tucson avait diminué de 7% après la transition. La "température de couleur" de ces lumières - une mesure que l'industrie utilise pour décrire la chaleur ou la fraîcheur de leur tonalité - est modérée de 3 000 K. Mais cette température de couleur dépasse désormais les directives de l'IDA pour l'éclairage extérieur, qui ont été publiées l'année dernière ; les chercheurs conviennent qu'une température plus chaude de 2 200 K est un meilleur seuil. Des lumières plus bleues et plus froides avec des indices Kelvin plus élevés ont montré les preuves les plus claires de perturbation des rythmes circadiens des personnes et des animaux, ce qui provoque une cascade d'impacts sur la santé et l'environnement.

Le passage aux LED a été habituellement salué comme une victoire environnementale, mais les experts disent qu'ils sont souvent utilisés à l'extrême. L'un des problèmes, explique Pete Strasser, résident de Tucson et directeur technique de l'IDA, est l'utilisation excessive de l'éclairage LED blanc brillant dans des villes comme Los Angeles, qui se vante de sa capacité à rendre les rues plus lumineuses. "Nous entendons dire que les gens se sentent beaucoup plus en sécurité avec la lumière blanche", a déclaré Ed Ebrahimian, alors directeur de l'éclairage public de LA, dans une vidéo du ministère de l'Énergie de 2014 sur les lampadaires à LED. Les experts en pollution lumineuse disent que ce sentiment de sécurité semble provenir du fait que l'on peut voir une plus grande gamme de couleurs sous la lumière blanche, ce qui donne la sensation de mieux voir.

La lumière artificielle a augmenté d'environ 49 % dans le monde entre 1992 et 2017, et jusqu'à 400 % dans certaines régions.

Il est difficile de suivre l'étendue mondiale de la pollution lumineuse. Les chercheurs se sont principalement appuyés sur des capteurs satellites à basse résolution et une suite de radiomètres à bord du satellite Suomi National Polar-orbiting Partnership, explique Alejandro Sánchez de Miguel, postdoctorant en astrophysique à l'Université Complutense de Madrid. L'instrument fournit des images à plus haute résolution, mais ses capteurs infrarouges excluent les longueurs d'onde trouvées dans de nombreuses LED. "Plus une lumière a de lumière bleue, moins les satellites voient de lumière", explique Sánchez de Miguel. "Nous sommes daltoniens et nous pensons que tout est rouge." L'année dernière, lui et ses collègues ont découvert que des études antérieures avaient probablement réduit les émissions de lumière globales. Leur étude a estimé que la lumière artificielle avait augmenté d'au moins 49 % autour de la planète entre 1992 et 2017, et jusqu'à 400 % dans certaines régions.

L'adoption de LED blanc froid, parallèlement à des facteurs tels que l'augmentation de la population et l'électrification, est probablement responsable d'une partie de cette croissance. L'attirance est compréhensible. Elles sont moins chères et plus efficaces que les LED chaudes, explique Zielinska-Dabkowska.

Mais basculer l'interrupteur sur la pollution lumineuse implique plus que de changer les couleurs. Même les LED qui semblent chaudes ont toujours un pic de bleu qui signale la lumière du jour dans notre cerveau, dit Zielinska-Dabkowska. Et différentes espèces affichent des réponses diverses à la lumière, selon une étude publiée en 2021 dans la revue Integrative & Comparative Biology. Par exemple, les photorécepteurs sont plus sensibles au rouge chez les espèces d'eau douce de poissons téléostéens que chez les espèces marines - une distinction qui illustre la complexité des réponses à la lumière même chez des animaux similaires. L'étude a averti que les efforts pour lutter contre la pollution lumineuse "s'accumulent plus rapidement que nos connaissances de base des systèmes sensoriels". Choisir une seule teinte, même plus chaude, et la diffuser dans la nuit aura probablement des répercussions importantes, déclare Valentina Alaasam, doctorante à l'Université du Nevada, Reno, et auteur principal de l'étude. "Tout ce qui affecte les interactions entre les espèces finit par affecter l'évolution et la distribution des espèces", dit-elle. "Les animaux qui peuvent mieux s'adapter à la ville et aux lumières s'installent dans les villes, et les animaux qui ne peuvent pas s'en sortir en sortent." Elle dit que c'est un problème qui est devenu très gros, très vite.

Barentine dit que la couleur ne peut pas être isolée d'autres aspects comme le blindage, la luminosité, la distribution et la synchronisation. Par exemple, dit-il, un éclairage adapté au ciel sombre pourrait avoir une lumière plus froide à une intensité plus faible, ce qui entraînerait toujours moins d'émission de lumière bleue.

Pour les chercheurs en pollution lumineuse, le principal obstacle à surmonter n'est plus la technologie mais la communication. "Le plus grand obstacle que nous avons pour faire plus de progrès dans ce domaine est le manque de sensibilisation et d'éducation de la part des personnes qui font partie du gouvernement municipal", déclare Barentine, qui travaille maintenant sur les politiques du ciel noir en tant que consultant indépendant.

Les fonctionnaires de carrière comme les administrateurs municipaux ou les ingénieurs, dit-il, sont le plus souvent les personnes qui prennent les décisions ou les recommandations au jour le jour dans les gouvernements municipaux, plutôt que les élus. "Ma perception est qu'une grande partie de leurs informations proviennent de l'industrie de l'éclairage, pour le meilleur ou pour le pire", déclare Barentine. Jusqu'à récemment, ces entreprises étaient en désaccord avec les chercheurs en pollution lumineuse, dit Barentine. "Il y avait un énorme scepticisme au sein de l'industrie de la fabrication d'éclairage", dit-il, ajoutant qu'il pense qu'il y avait une croyance intrinsèque que le problème était simple : la lumière est bonne et l'obscurité est mauvaise.

Barentine dit qu'il s'assure de communiquer à l'industrie de l'éclairage que son travail concerne le "ciel sombre", et non le "sol sombre". L'IDA travaille avec l'industrie depuis les années 1980, déclare-t-il : « Notre message, en tant de mots, était : « Si vous suivez nos principes qui réduisent la pollution lumineuse, vous ne vendrez pas moins d'éclairage que vous n'en vendez actuellement ; vous vendrez un éclairage différent.

Pourtant, l'avènement des LED blanches qui promettaient un éclairage parfait et le boom qui a suivi ont conduit à un désalignement des objectifs, qu'ils soient réels ou perçus. Les professionnels de l'éclairage et les chercheurs ont continué à parler de la lumière de manière fondamentalement différente.

Pour illustrer et quantifier le déficit de communication, Catherine Pérez Vega, doctorante à l'Institut Leibniz d'écologie des eaux douces et des pêches intérieures à Berlin qui travaille avec Zielinska-Dabkowska, a mené une revue systématique de plus de 200 études sur la lumière artificielle la nuit. Les résultats, publiés dans la revue Sustainability plus tôt cette année, ont révélé une déconnexion entre les chercheurs et les professionnels tels que les architectes d'éclairage, les concepteurs d'éclairage urbain et les ingénieurs d'éclairage électrique. Dans certains cas, les deux groupes parlaient essentiellement des langues différentes. Par exemple, ceux qui étudient la lumière artificielle utilisent une métrique appelée "irradiance" pour parler de luminosité, tandis que ceux de l'industrie de l'éclairage utilisent une mesure différente, appelée "éclairement". Dans une liste de 19 mesures physiques de la lumière, un seul terme a le même niveau d'utilisation - et il est rarement utilisé par l'un ou l'autre groupe.

"Je pense que [l'examen] a stimulé une conversation dans ce domaine qui tarde à venir", a déclaré Barentine. "Nous commençons à réaliser que même si nous avons des objectifs similaires - et je pense que nous en avons - nous nous parlons souvent les uns des autres."

L'Arizona, avec ses dizaines d'observatoires et son ciel désertique aride, est une plaque tournante majeure pour la recherche en astronomie. En conséquence, Tucson a relativement bien réussi ses efforts dans le ciel noir. Mais les priorités sont différentes dans d'autres villes. Pittsburgh, par exemple, a également des observatoires à proximité, mais pour certaines personnes, la pollution lumineuse peut sembler une préoccupation insignifiante par rapport à d'autres problèmes auxquels la ville s'attaque, tels que la pollution de l'air, les déserts alimentaires et l'entretien des routes. Même ainsi, Diane Turnshek, maître de conférences en physique et professeure adjointe à l'Université Carnegie Mellon (CMU), pense que cela ne devrait pas être difficile à résoudre.

Turnshek a passé de nombreuses nuits sous les étoiles alors qu'il étudiait l'astronomie à l'Université de l'Arizona dans les années 1970. Des décennies plus tard, elle est brièvement revenue pour rejoindre la Mars Desert Research Station, un laboratoire de la NASA pour apprendre à vivre dans un environnement hostile et isolé, semblable à celui de Mars.

Inspirée une fois de plus par le ciel étoilé du désert, Turnshek est devenue une fervente partisane du ciel noir lorsqu'elle est revenue à Pittsburgh. Mais elle a eu du mal à se faire entendre. Les professionnels de l'éclairage, d'après son expérience, ont l'idée "zéro" que la pollution lumineuse est même un domaine de recherche. "Nous ne parlons même pas dans les mêmes unités", dit-elle en désignant l'étude de Pérez Vega. "Il n'y a pas de chevauchement."

Plus tôt cette année, Pittsburgh devait commencer à travailler sur une mise à niveau des lampadaires. Mais Turnshek dit que le processus a été opaque. Une description antérieure du projet indiquait que la ville avait l'intention d'ajouter 15 000 nouvelles LED, ce qui, selon Turnshek, conduirait à un suréclairage.

La dernière estimation de la ville est que 3 000 à 15 000 nouvelles lampes à LED seront nécessaires, déclare Angie Martinez, cadre supérieur au département de la mobilité et des infrastructures de Pittsburgh. Mais la première tâche du consultant gagnant sera un inventaire des lampadaires à l'échelle de la ville qui traite de l'état actuel des lampadaires individuels, ainsi que de leur distribution globale. "Le défi d'entreprendre un projet de cette ampleur est qu'il devient vraiment complexe", déclare Martinez. "Nous ne pouvons pas simplement supposer que chaque lumière de la ville de Pittsburgh se trouve à l'emplacement le plus optimal." Il est possible, dit-elle, qu'il y ait moins de lampadaires au total.

Les spécifications de la proposition actuelle fournissent un point de départ pour la planification, y compris un seuil de température de couleur de 3 000 K conformément à l'ordonnance sur le ciel sombre de Pittsburgh, qui a été adoptée l'automne dernier. Cependant, Martinez dit que c'est le maximum, et pendant qu'ils recherchent des consultants, ils tiendront compte de ceux qui font preuve d'expertise dans le ciel noir. La ville envisage également, si le budget et les infrastructures le permettent, un « système de gestion de l'éclairage réseau », une sorte d'éclairage « intelligent » qui leur permettrait de contrôler les niveaux d'éclairage et de savoir quand il y a une panne.

Martinez dit qu'il y aura un engagement à l'échelle de la ville et des mises à jour sur le statut à mesure que des étapes critiques seront atteintes. "Nous sommes en période d'évaluation en ce moment", dit-elle, ajoutant que la prochaine étape est l'autorisation d'un nouveau contrat. Elle reconnaît qu'il existe un "intérêt passionné pour l'éclairage public" et qu'elle aussi est impatiente de voir le projet se concrétiser : "Ce n'est pas parce que les choses semblent se calmer que le travail n'est pas fait".

Bien qu'ils ne rencontrent pas d'experts en pollution lumineuse pour le moment, Martinez dit que ceux qu'ils ont rencontrés lors de la dernière série de propositions - Stephen Quick et Diane Turnshek de CMU - ont joué un " rôle déterminant " dans l'adoption de l'ordonnance sur le ciel sombre.

Au cours des derniers mois, dit Zielinska-Dabkowska, son "bébé" a été la première conférence Responsible Outdoor Lighting at Night, un rassemblement international de plus de 300 professionnels de l'éclairage et chercheurs en pollution lumineuse qui s'est tenu virtuellement en mai. Barentine était parmi les orateurs. "C'est un signe que tout cela avance vraiment, à la fois comme sujet de recherche mais aussi comme quelque chose qui attire l'intérêt des praticiens de l'éclairage extérieur", dit-il à propos de la conférence.

Il y a plus de travail à faire, cependant. L'IDA a récemment publié un rapport résumant l'état actuel de la recherche sur la pollution lumineuse. Le rapport de 18 pages comprend une liste de lacunes dans les connaissances à combler dans plusieurs domaines, notamment l'efficacité globale des politiques gouvernementales en matière de pollution lumineuse. Un autre est la quantité de pollution lumineuse provenant de sources autres que les lampadaires de la ville, qui, selon une étude de 2020, ne représentaient que 13% de la pollution lumineuse de Tucson. On ne sait pas ce qui compose le reste, mais Barentine soupçonne que la deuxième source la plus importante aux États-Unis et en Europe est l'éclairage commercial, comme les panneaux LED extérieurs flashy et l'éclairage des parkings.

Travailler avec des entreprises pour réduire les émissions de lumière peut être difficile, déclare Clayton Trevillyan, directeur du bâtiment de Tucson. "S'il y a une source de lumière à l'intérieur du bâtiment, techniquement, elle n'est pas réglementée par le code de l'éclairage extérieur, même si elle émet de la lumière à l'extérieur", explique Trevillyan. Dans certains cas, dit-il, afin de contourner les restrictions de la ville, les entreprises ont suspendu les enseignes lumineuses à l'intérieur des bâtiments mais les ont dirigées vers l'extérieur.

Les experts en pollution lumineuse disent généralement qu'il n'y a aucune preuve substantielle que plus de lumière équivaut à une plus grande sécurité.

Pour les villes qui tentent de mettre en œuvre une ordonnance sur l'éclairage, dit Trevillyan, les plus gros obstacles auxquels elles seront confrontées sont des arguments "non pertinents", affirmant en particulier que la réduction de la luminosité de l'éclairage extérieur réduira les revenus publicitaires et rendra la ville plus vulnérable au crime. La clé pour appliquer avec succès les règles du ciel noir, dit-il, est d'éduquer le public et de refuser de céder aux personnes qui cherchent des exceptions ou exploitent des failles.

Les experts en pollution lumineuse disent généralement qu'il n'y a aucune preuve substantielle que plus de lumière équivaut à une plus grande sécurité. À Tucson, par exemple, dit Barentine, ni les accidents de la circulation ni la criminalité n'ont semblé augmenter après que la ville a commencé à atténuer ses lampadaires la nuit et à restreindre l'éclairage extérieur en 2017. L'année dernière, des chercheurs de l'Université de Pennsylvanie ont analysé les taux de criminalité ainsi que 300 000 pannes de lampadaires sur une période de huit ans. Ils ont conclu qu'il y avait "peu de preuves" d'un impact sur les taux de criminalité dans les rues touchées - en fait, les auteurs semblaient rechercher des rues adjacentes mieux éclairées. Barentine dit qu'il existe des preuves que "l'éclairage stratégiquement placé" peut aider à réduire les collisions routières. "Au-delà de cela, les choses deviennent troubles assez rapidement", dit-il.

Pourtant, la perception de la sécurité est un facteur que les villes doivent prendre au sérieux, dit Barentine. Par exemple, une étude publiée dans la revue Remote Sensing plus tôt cette année a révélé que les habitants de divers quartiers de Dalian, en Chine, se sentaient plus en sécurité avec des niveaux constants de lumière chaude, ce qui est facilement réalisable avec un éclairage LED contrôlé.

De nombreux experts en matière de pollution lumineuse affirment que les LED doivent simplement être utilisées à leur plein potentiel pour éviter de trop éclairer le ciel. Un éclairage responsable ne semble désavantager personne, mais il y a un mysticisme à propos de la nuit à surmonter, dit Barentine : "En fin de compte, il y a une vraie peur humaine enracinée de l'obscurité."

Shel Evergreen est journaliste scientifique et professionnelle du multimédia basée à Boulder, Colorado.

Cette histoire a été mise à jour pour corriger le nom de la Conférence sur l'éclairage extérieur responsable la nuit.

Cette histoire faisait partie de notre numéro de septembre/octobre 2022.

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