Как замена белых ламп на янтарные делает ночи безопаснее для насекомых: опыт железных дорог ФРГ

Повсеместное использование искусственного освещения в ночные часы стало одним из основных факторов сокращения численности насекомых по всему миру. Ежегодно площадь освещенных территорий и интенсивность светового загрязнения планеты увеличиваются примерно на 6%. В ночной период искусственный свет нарушает естественные механизмы навигации, размножения и питания у многих видов.

При этом полностью отключить фонари на объектах транспортной инфраструктуры невозможно. Действующие стандарты безопасности требуют постоянного освещения железнодорожных станций, автомобильных дорог и пешеходных зон.

Группа исследователей из Института изучения изменений биоразнообразия имени Лейбница совместно с немецким железнодорожным концерном Deutsche Bahn провела двухлетний эксперимент на действующих железнодорожных платформах. Целью работы было выяснить, можно ли изменить характеристики ламп таким образом, чтобы они продолжали освещать станцию для людей, но перестали привлекать ночных насекомых. Результаты исследования, опубликованные в научном журнале Biological Conservation, показали, что замена стандартных белых светодиодов на специальные янтарные лампы с узким спектром излучения снижает привлечение насекомых почти на 80%.

Восприятие света и физиология ночных насекомых

Чтобы понять причины негативного влияния уличных фонарей на фауну, необходимо рассмотреть особенности устройства зрения насекомых. В процессе эволюции органы зрения большинства ночных летающих видов сформировались таким образом, что они максимально чувствительны к коротковолновому излучению. К этому диапазону относятся ультрафиолетовые, синие и зеленые световые волны, которые в естественной природе преобладают в ночное время от Луны и звезд.

Когда насекомое видит искусственный источник света, в его нервной системе срабатывает реакция под названием положительный фототаксис, то есть врожденное движение по направлению к свету. Насекомое пытается использовать фонарь как ориентир для поддержания направления полета, но из-за близости лампы постоянный угол полета сбивается, и животное начинает непрерывно кружить вокруг источника света. Это приводит к нескольким последовательным проблемам. Насекомые быстро расходуют всю энергию и погибают от истощения. Скопление особей возле фонарей привлекает хищников — пауков, летучих мышей и птиц. Кроме того, вместо поиска партнеров и откладывания яиц насекомые удерживаются возле ламп, а ночные бабочки и жуки перестают выполнять свою роль в опылении растений.

В последние два десятилетия на улицах и транспортных объектах произошел массовый переход на белые светодиоды с цветовой температурой 4000 Кельвинов. Цветовая температура указывает на оттенок свечения: чем выше показатель в Кельвинах, тем более холодным и синим кажется свет человеку. Белые светодиоды с температурой 4000 Кельвинов производят свет за счет сочетания синего светодиода и желтого люминофорного покрытия. В результате такая лампа дает мощный всплеск излучения на длине волны 440 нанометров, что попадает точно в зону максимальной зрительной чувствительности глаз большинства видов насекомых.

Альтернативой выступают янтарные светодиоды с низкой цветовой температурой в 1800 Кельвинов. Их свечение имеет теплый желто-оранжевый оттенок, а конструкция предусматривает полное отсутствие синей компоненты спектра. Основной пик излучения таких ламп смещен в длинноволновую область около 600 нанометров. Для органов зрения большинства насекомых такое излучение находится вне зоны высокой чувствительности, поэтому лампа становится для них практически незаметной.

Организация полевого эксперимента в Бранденбурге

Эксперимент проходил на территории природного парка Вестхафелланд в немецкой земле Бранденбург. Этот регион имеет официальный статус Заповедника темного неба, так как здесь сохраняется минимальный уровень антропогенного светового загрязнения. Для проведения исследований ученые выбрали шесть действующих железнодорожных станций.

На платформах в одинаковых условиях эксплуатировались три типа светильников. Первую группу составили традиционные натриевые лампы высокого давления с цветовой температурой 2000 Кельвинов и характерным оранжевым свечением, которые исторически использовались на железных дорогах. Во вторую группу вошли стандартные белые светодиоды с температурой 4000 Кельвинов, составляющие основу современного освещения немецких железных дорог. Третью группу сформировали экспериментальные янтарные светодиоды с температурой 1800 Кельвинов, созданные по специальному заказу с усеченным синим спектром. Отдельно от освещенных платформ были установлены неосвещенные опорные столбы, которые служили контрольными точками для оценки естественной активности насекомых.

Под каждым типом ламп на высоте 5,5 метра инженеры закрепили автоматические оконные ловушки. Для исключения попадания дневных видов насекомых ловушки оснастили защитными шторками с электроприводом под управлением микроконтроллеров Arduino. Автоматика открывала ловушки строго через 30 минут после заката и закрывала их за 10 минут до рассвета, дополнительно сверяясь с показаниями датчиков дождя.

Для обработки результатов исследователи применили комплекс современных цифровых и генетических методов. Все собранные образцы фотографировались в стандартных условиях, после чего программа компьютерного зрения на базе нейросети YOLOv11x автоматически подсчитывала количество насекомых и определяла их общую биомассу. Видовой состав определялся методом метабаркодирования ДНК. Из собранных биологических проб выделяли генетический материал и секвенировали специфический ген-маркер CO1 на платформе Illumina MiSeq. Это позволило с высокой точностью идентифицировать виды без использования ручной сортировки. Всего за два года проведения эксперимента ученые собрали и обработали 71 010 особей насекомых, принадлежащих к 1555 видам из 24 биологических отрядов.

Результаты измерений и анализ факторов привлечения

Данные двухлетнего мониторинга подтвердили, что изменение спектра света существенно снижает степень привлечения насекомых. В первый год эксперимента янтарные светодиоды привлекли на 44,9% меньше насекомых по сравнению со стандартными белыми светодиодами и на 38,8% меньше по сравнению с натриевыми лампами. Во второй год разница по массе собранных насекомых оказалась еще более выраженной: масса насекомых, прилетевших на янтарные светодиоды, оказалась на 77,4% ниже, чем у белых светодиодов, и на 76,5% ниже, чем у натриевых ламп. Видовое разнообразие насекомых под янтарным светом также сократилось на 21,5-23,2%.

Особое внимание авторы исследования уделили редким и охраняемым видам. Из 1555 обнаруженных видов 48 внесены в Красную книгу Германии как находящиеся под угрозой исчезновения, а 38 видов подпадают под специальную государственную охрану. Доля проб, содержащих хотя бы один защищаемый вид, под натриевыми лампами составила 73%, под белыми светодиодами — 71,3%, а под янтарными светодиодами опустилась до 61,3%. В неосвещенных контрольных точках этот показатель составил 57,8%. Таким образом, янтарный свет снизил привлечение уязвимых видов практически до уровня естественной темноты.

В ходе работы был зафиксирован важный технический результат, касающийся натриевых ламп высокого давления. Несмотря на низкую цветовую температуру в 2000 Кельвинов и желто-оранжевое свечение, эти лампы привлекали насекомых с такой же высокой интенсивностью, как и холодные белые светодиоды с температурой 4000 Кельвинов. Анализ физических параметров показал, что реакция насекомых определяется не только цветовой температурой, но и другими факторами. Натриевые лампы излучают свет в широком диапазоне волн с присутствием пиков в чувствительных для насекомых зонах. Кроме того, корпус натриевой лампы сильно нагревается в процессе работы, и это тепловое излучение дополнительно привлекает кровососущих насекомых, ориентирующихся на тепло. Также старые натриевые светильники рассеивают свет во все стороны, тогда как светодиоды позволяют направить весь световой поток строго на платформу.

Практические и эксплуатационные характеристики для транспорта

При внедрении новых источников света на объектах транспортной инфраструктуры учитываются не только экологические, но и эксплуатационные показатели. Янтарные светодиоды имеют некоторые технические особенности по сравнению с белыми светодиодами. Их световая отдача немного ниже, поэтому для достижения аналогичного уровня освещенности янтарная лампа потребляет чуть больше электроэнергии. Кроме того, янтарный свет имеет более низкий индекс цветопередачи, из-за чего человеческий глаз менее точно воспринимает естественные цвета предметов, и все поверхности получают желтоватый оттенок.

Однако европейский стандарт освещения транспортных объектов EN 12464-2 не предъявляет высоких требований к точности передаваемых цветов на платформах. Главной задачей освещения является обеспечение видимости края перрона, ступеней, информационных табло и отсутствие неосвещенных зон. Янтарные светодиоды полностью выполняют эти нормативные требования. При этом они сохраняют все преимущества светодиодной технологии, включая возможность снижения мощности в периоды отсутствия пассажиров и мгновенное включение по сигналам датчиков движения.

По результатам проведенного исследования немецкий железнодорожный оператор Deutsche Bahn InfraGO AG принял решение не демонтировать экспериментальные светильники. Все шесть железнодорожных станций, участвовавших в эксперименте, были окончательно переведены на постоянное использование янтарных светодиодов с температурой 1800 Кельвинов.

Перспективы применения в городской и транспортной среде

Опыт, полученный на железных дорогах Бранденбурга, показывает путь к решению проблемы светового загрязнения без снижения безопасности человека. Долгое время уличные и промышленные светильники проектировались исключительно с учетом экономии электроэнергии и удобства человеческого зрения, что привело к массовому распространению белых светодиодов с высоким содержанием синего света.

Эксперимент доказал, что корректировка спектра излучения позволяет разделить требования человека и биологические потребности насекомых. Человеческий глаз использует желтую и зеленую части спектра для формирования четкого изображения и нормально ориентируется при янтарном свете. В то же время зрительные рецепторы насекомых не фиксируют узкий янтарный спектр на длине волны 600 нанометров как ориентир, в результате чего они не сбиваются с естественного маршрута полета.

Данный подход может быть успешно применен не только на железных дорогах, но и на других типах объектов. К ним относятся автомобильные магистрали, проходящие через лесные массивы и заповедные территории, городские парки, скверы, территории промышленных предприятий и жилые районы в ночное время. Оптимизация спектра уличных светильников представляет собой доступный инженерный метод, который позволяет защитить популяции ночных насекомых и сохранить устойчивость экосистем без изменения нормативных параметров освещенности.

Источник: Biological Conservation