El origen de la luz artificial

Vista de La Calahorra (Granada). Por el color se puede deducir la presencia de lámparas de vapor de sodio a alta presión (naranja), alguna de vapor de mercurio (verdosa) y LED (3000 o 4000 K). Incluso alguno de los puntos más azulados pueden ser focos de haluros metálicos. Detrás del pueblo se ve la central solar térmica Andasol, la infraestructura privada que más contaminación lumínica produce en el norte de Granada, lo que es una gran incoherencia para una industria que se autodenomina "verde". 

Lámparas

Para controlar cualquier contaminante es necesario conocer su origen y fuentes, y actuar sobre ellas. En el caso de la luz artificial la fuente es el alumbrado exterior (ya sea público o privado), que de un modo u otro envía fotones más allá del lugar que se pretende iluminar (la vía pública, unas instalaciones privadas o una fachada singular). Este alumbrado se compone de puntos de luz o luminarias donde se aloja la lámpara, que en última instancia es donde se produce la luz por diversos procesos que implican la excitación de gases o determinados elementos químicos. La luz emitida tiene un espectro característico según el tipo de lámpara, y el diseño de la luminaria determina la cantidad de luz que es emitida fuera del lugar a iluminar. En general se entiende que toda luz emitida por encima o en el plano horizontal contribuye a la contaminación lumínica, pues es dirigida al espacio o dispersada por la atmósfera, y por eso el Flujo Hemisférico Superior (FHS) es un parámetro fundamental a tener en cuenta en el diseño e instalación de las luminarias. La otra característica más importante se refiere a las lámparas y está relacionada con su espectro de emisión: la temperatura de color, medida en Kelvins. A mayor valor de temperatura de color, más fría es la luz, y por tanto más componente azul tendrá. La luz azul sufre más dispersión por la atmósfera y por tanto llega más lejos de la fuente, de modo que es más contaminante.

Las primeras lámparas que aparecieron en la historia fueron las de aceite, aunque el alumbrado exterior no comenzó a extenderse en algunas ciudades hasta la invención de la lámparas de gas. La primera revolución en la forma de iluminar vino con la electricidad y la lámpara incandescente, que más adelante fue sustituida por las lámparas de descarga. Estas últimas son las que aún dominan el alumbrado exterior en muchas ciudades, aunque pronto se verán completamente desplazadas por el LED. El camino de la lámpara incandescente al LED es el de la mejora de la eficiencia energética, es decir, emitir más luz aprovechable (en el espectro visible) con el menor gasto energético posible para producirla. El problema es que esto ha permitido incrementar (hasta niveles absurdos en muchos casos) la intensidad luminosa, y con el LED se ha dado además un cambio hacia la luz blanca que hace que el medio nocturno urbano se parezca cada vez más al diurno. Por eso, aunque cada vez las luminarias modernas están mejor diseñadas con FHS prácticamente nulo, la luz que emiten -con creciente componente azul- es dispersada mejor por la atmósfera cientos de kilómetros a la redonda, teniendo como resultado un incremento del brillo del cielo en zonas antes oscuras. 

Las lámparas más utilizadas hasta hace poco han sido las de descarga. En ellas la luz se produce por la circulación de una corriente eléctrica a través de un gas, que puede estar a baja o a alta presión. Este gas puede ser de mercurio, de sodio o de sales metálicas (haluros), y determina el espectro de la luz producida.

Las lámparas de vapor de mercurio a baja presión son las conocidas con el nombre genérico de "fluorescentes", más usadas en ámbito doméstico. Para el alumbrado público se ha venido utilizando el vapor de mercurio a alta presión (VM). Son muy contaminantes y poco eficientes, emitiendo mucha luz azul. Además se degradan con el tiempo, produciendo una luz mortecina blanco-verdosa, por lo que prácticamente han sido sustituidas en su totalidad y actualmente su uso en el alumbrado exterior está prohibido. Aún quedan lámparas de este tipo en pueblos y núcleos pequeños, fácilmente distinguibles por por su luz verdosa (especialmente en fotografías).

Espectro de una lámpara de vapor de mercurio. Fuente: http://guaix.fis.ucm.es/lamps_spectra

Por otro lado están las lámparas de vapor de sodio, que pueden ser a baja o a alta presión. El vapor de sodio a alta presión (VSAP) produce una luz cálida anaranjada característica, pues su emisión se produce mayormente del verde al rojo con pequeños picos en el azul. Ha sido la lámpara por excelencia del alumbrado público y sigue estando presente en nuestros pueblos y ciudades, aunque cada vez menos.

Espectro de una lámpara de vapor de sodio a alta presión. Fuente: http://guaix.fis.ucm.es/lamps_spectra

El vapor de sodio a baja presión (VSBP) es la mejor lámpara desde el punto de vista ambiental y de la eficiencia, pues emite una luz prácticamente monocromática amarillo-anaranjada. No en vano ha sido la utilizada en los lugares cercanos a observatorios astronómicos internacionales con el máximo grado de protección del cielo nocturno, pero desgraciadamente no ha sido frecuente verla en el alumbrado público de nuestros pueblos y ciudades por su baja reproducción cromática.

Espectro de una lámpara de vapor de sodio a baja presión. Fuente: http://guaix.fis.ucm.es/lamps_spectra

Por su parte, las lámparas de haluros metálicos llevan una mezcla de yoduros de diversos metales, de modo que cada uno aporta una emisión en un color característico, generando como resultado una luz blanca generalmente fría, con una emisión importante en el azul. Su buena reproducción cromática ha convertido esta lámpara en la más utilizada para la iluminación de pistas deportivas, instalaciones, elementos singulares, etc., de la aún quedan bastantes ejemplos hoy en día. 

Espectro de una lámpara de haluros metálicos. Fuente: http://guaix.fis.ucm.es/lamps_spectra

Frente a las lámparas de descarga, la lámpara de tecnología LED (basada en diodos emisores de luz) produce una luz de espectro continuo que abarca todo el visible y con un importante pico en el azul. El resultado es una luz blanca azulada muy fría, aunque ya se fabrican LED que incorporan un filtro de fósforo que absorbe parte del azul y le da un aspecto más cálido. Incluso algunos modelos llegan a asemejarse bastante al vapor de sodio, como es el caso los LED PC ámbar o los Ámbar Puro. Sin embargo los que se están instalando masivamente son de luz fría (4000 K) o un mal llamado blanco cálido (3000 K). Además el ahorro energético ha llevado a la mayoría de administraciones locales a incrementar los niveles de iluminación de forma totalmente injustificada, o con argumentos sin base científica como el de la seguridad ciudadana vinculada supuestamente a más iluminación nocturna. Sin embargo, la gran versatilidad de los LED no es aprovechada para diseñar y gestionar una iluminación de forma más racional. A continuación se incluyen algunos espectros de lámparas LED ordenados de mayor a menor emisión de luz azul. Se puede observar que incluso los de 3000 K, muy usados y que son llamados "de luz cálida", tienen un pico de emisión en azul nada despreciable. 

Espectro de una lámpara LED de 4000 K. Fuente: http://guaix.fis.ucm.es/lamps_spectra

Espectro de una lámpara LED de 3000 K. Fuente: http://guaix.fis.ucm.es/lamps_spectra

Espectro de una lámpara LED de 2700 K. Fuente: http://guaix.fis.ucm.es/lamps_spectra

Espectro de una lámpara LED de 1800 K (ámbar). Fuente: http://guaix.fis.ucm.es/lamps_spectra

Todos los espectros han sido obtenidos de la web "Spectra of Lamps" del grupo GUAIX de la Universidad Complutense de Madrid (http://guaix.fis.ucm.es/lamps_spectra), y están basados en los trabajos de Tapia, Sánchez de Miguel y Zamorano (2015).

Entonces ¿qué lámparas son las más respetuosas con el medio ambiente? Evidentemente las que menos luz azul emitan , pues está demostrado que es el tipo de luz que más impacto ecológico genera, incluso sobre nuestra salud; el siguiente criterio sería elegir la lámpara que menos recursos consuma su fabricación y con la gestión de residuos al final de su vida útil más sencilla; en tercer lugar consideraríamos su eficiencia energética. Es importante que al hablar de la huella ecológica sea considerado TODO el ciclo del producto, desde la extracción de los elementos necesarios para su fabricación hasta la gestión de sus residuos, y no quedarse en la tan cacareada "huella de carbono" que se limita generalmente al consumo energético en su vida útil. Así, si ordenamos las lámparas vistas anteriormente de menor a mayor impacto ecológico con estos criterios tenemos:

1. Vapor de sodio a baja presión. La menos impactante y además las más eficiente, pero "obsoleta" por la gracia de los fabricantes, que han decidido dejar de comercializarla. 
2. Vapor de sodio a alta presión. A pesar de tener algo de emisión en azul y no ser la más eficiente, es una lámpara cuyos residuos son más sencillos de gestionar, a la vez que su fabricación no requiere de chips (y por tanto de tierras raras). Con la fiebre LED lleva el mismo camino que la anterior.
3. LED ámbar de 1800 K. Es un LED que apenas emite en azul y con muy buena reproducción cromática, lo que -sumado a la versatilidad de los LED- hace difícil entender que no sea el usado de forma general en el alumbrado público como sustituto del VSAP. ¿Será porque los fabricantes tenían que deshacerse del stock de 4000 K?
4. LED de 2700 y 3000 K. Por muy cálidos que digan ser, tienen un pico de emisión en azul. No es lo peor que hay, pero desde el punto de vista ecológico no son mejores que el VSAP. No se puede pasar por alto que las lámparas LED requieren de electrónica. 
5. LED de 4000 K o incluso más. Podríamos decir que son los LED "por defecto", los primeros en aterrizar en pueblos con ingenuos responsables que se dejaron llevar por el "¡que me lo quitan de las manos, oiga!" de los fabricantes. Esos municipios que fueron pioneros en entonar el mantra de la eficiencia energética y el "dejamos de emitir tantas toneladas de dióxido de carbono" que aún hoy resuena en la prensa de provincias. Esos LED que van enroscando en las farolas conforme van muriendo las lámparas de VSAP, y que iluminan nuestras calles cual tristes quirófanos. 
6. Haluros metálicos. Suelen presentar picos de emisiones intolerables en el azul, y dado que además son utilizados con intensidades cegadoras en instalaciones deportivas e industriales, pueden clasificarse con toda propiedad como aberraciones lumínicas. Están en desuso, sustituyéndose en la mayoría de los casos por proyectores LED aún más cegadores.
   
7. Vapor de mercurio. A su emisión en azul y a su baja eficiencia energética hay que sumar el problema del mercurio, un metal pesado muy tóxico y contaminante.
   

Una forma rápida de identificar las lámparas según su espectro es utilizando una red de difracción por delante de la cámara del teléfono. El resultado es similar al que se muestra en la siguiente imagen, donde se pueden distinguir sin lugar a dudas el vapor de mercurio (espectros discontinuos en la parte inferior) del LED (resto). 

Espectros de lámparas de VM y LED tomados con una red de difracción

Luminarias

Se denomina luminaria al conjunto de la lámpara y su soporte físico, lo que vendría a ser comúnmente conocido como farola. La lámpara determina el tipo de luz y su composición espectral, pero según esté dispuesta podrá resultar más o menos impactante en su entorno. Un alumbrado realmente eficiente debería emitir su luz sólo y exclusivamente hacia el objeto que se pretende iluminar (generalmente la superficie de la vía pública), y no fuera ahí. Por desgracia no es lo habitual, produciéndose situaciones de deslumbramiento, intrusión en viviendas y emisiones hacia el cielo. El correcto apantallamiento es una práctica poco común, y frecuentemente encontramos cristales difusores que -aunque mitiguen el deslumbramiento- incrementan aún más la cantidad de luz emitida en direcciones inadecuadas.

Las farolas pueden ser de muchos tipos y formas, pero una de las características principales que debemos conocer es el Flujo Hemisférico Superior, que es el porcentaje de luz que emite por encima de la horizontal. Además hay que distinguir el FHS de fábrica (propio del diseño de la luminaria) del FHS instalado, que dependerá de cómo se disponga. La imagen siguiente muestra una luminaria de pared con cabezal LED cuyo FHS de fábrica es nulo, pero que se ha orientado de tal modo que el FHS instalado puede ser perfectamente del 20% (mirando hacia una zona abierta sin casas, en el límite de una aldea). 

Además, teniendo en cuenta que las nuevas lámparas que se están instalando son LED con emisión de luz azul, no es suficiente con un FHS igual a cero, sino que no deberían emitir en ángulos rasantes cercanos a la horizontal para minimizar su dispersión atmosférica. 

El cambio a lámparas LED se está haciendo de modo heterogéneo, en muchas ocasiones sustituyendo la lámpara antigua de VSAP sin cambiar la luminaria. Esto agrava la situación al combinarse un incremento de emisiones de luz azul (por una elección incorrecta del tipo de LED) con un FHS inadmisible (el mismo que había o incluso superior al quedar la lámpara nueva en una posición más baja por su tamaño). Así, la creciente dispersión de luz artificial por la atmósfera explica la paradoja de que tras el cambio a LED (que supuestamente debería haber contribuido al descenso de la contaminación lumínica) se hayan producido en algunos núcleos incrementos de emisiones al espacio de hasta un orden de magnitud. Aquí también juega un papel fundamental el desvarío de la iluminación privada y ornamental. 

En las imágenes siguientes tenemos dos ejemplos de cambio a LED. La primera es de una farola tipo "villa" ya adaptada para la lámpara LED y que en teoría debería tener un FHS nulo, pero a la que han instalado un filtro difusor que provoca que haya emisiones en ángulos rasantes e incluso un poco por encima de la horizontal. Si no le hubieran puesto ese difusor y la lámpara fuera LED tipo ámbar (1800 K) podríamos ponerla como ejemplo de buenas prácticas. 

Por otro lado tenemos lo peor que se puede hacer, y que es tristemente habitual: una pera LED (y encima de luz blanca-azul) donde antes había vapor de sodio. En este tipo de luminaria (tipo "fernandino" de pared) el FHS era del 30%, y con la disposición de la nueva lámpara muy bien podría llegar al 40%. Y menos mal que no le han puesto difusores. 

(Texto extraído parcialmente de mi tesis fin de máster "Caracterización del alumbrado público de diversos núcleos urbanos a través del análisis cluster de las emisiones lumínicas medidas a partir de imágenes tomadas desde la ISS". )