Les cartes d'émission ou de pollution lumineuse : quelles différences, quels usages ?


Ce billet vise à recenser les cartes d'émission ou de pollution lumineuse et à en donner des exemples d'utilisation.

1) Cartes d'émission ou de pollution lumineuse : quelles différences ?

L'essor des outils de télédétection permet de disposer de séries d'images satellitaires montrant les sources d'émission lumineuse. Il s'agit d'images satellites composites prises de nuit par temps clair, qui montrent l'émission de lumière vers l'espace. Les sources d'émission nocturne sont nombreuses : ce sont principalement des lumières émises par les éclairages publics et les bâtiments urbains, mais cela concerne aussi l'éclairage des autoroutes, les torchères des sites pétrolifères, les incendies de forêt, les feux déclarés à bord des bateaux ou des plateformes pétrolières...

La notion de « pollution lumineuse » apparaît à la fin des années 1980 pour désigner les nuisances liées aux sources de lumière artificielle. Avec la baisse du coût de revient des ampoules et de l'énergie électriques, la lumière artificielle s'est développée et a entraîné des changements socio-économiques à long terme. On sait aujourd'hui que la lumière artificielle a des conséquences biologiques, non seulement sur les oiseaux, les insectes et les mammifères, mais aussi sur les humains. La pollution lumineuse peut perturber le comportement naturel des animaux et soulève un certain nombre de problèmes de santé humaine. La situation pourrait s’aggraver. Si toutes les lumières de sodium sont remplacées par un éclairage LED, la luminosité artificielle du ciel vu à travers l’Europe pourrait plus que doubler en raison de l’augmentation des émissions de lumière bleue. Mais la pollution lumineuse, contrairement à beaucoup d’autres formes de pollution, est réversible et fait l'objet, depuis le début d'une XXIe siècle, d'efforts importants pour la réduire.

2) Les images et cartes disponibles sur Internet

Radiance Light Trends permet de visualiser l'évolution des émissions lumineuses nocturnes dans le monde depuis 1992. Cette cartographie interactive utilise les données collectées par les satellites pour afficher les émissions lumineuses actuelles et leur évolution au fil du temps.
http://lighttrends.lightpollutionmap.info/#zoom=0&lon=0.00000&lat=33.78523



Pour des éléments plus détaillés, il est conseillé de se reporter à ce deuxième site. Celui-ci fournit les images en infra-rouge visible VIIRS (Visible Infrared Imaging Radiometer Suite) ainsi que les images météorologiques issues du DMSP (Defense Meteorological Satellite Program) :
http://www.lightpollutionmap.info/#zoom=4&lat=5759860&lon=1619364&layers=B0FFFFTFFFF
 

Le site EOGdata fournit les images par mois et par année ainsi qu'un poster en haute résolution des émissions lumineuses avec leurs différentes sources. Les images sont téléchargeables avec ou sans correction des lumières parasites (données dites "vcm" et "vcmsl"). Les comparaisons annuelles directes doivent être évitées car trop de facteurs sont impliqués (lumières des aurores boréales, de feux, de bateaux ou autres sources temporelles). Pour une analyse des modifications de luminance énergétique (VIIRS / DMSP) sur une période donnée, il vaut mieux utiliser l'application Light Trends présentée plus haut.

Le site Urban Radiance permet de comparer des séries de vues satellitaires pour analyser le développement urbain à travers le monde : http://azmar.org/radiance/
 

Le site Urban Radiance indique en orange la pollution lumineuse la plus récente, tandis que la pollution lumineuse plus ancienne est affichée en bleu. De cette manière, il est facile de repérer les zones où la pollution lumineuse a augmenté au fil du temps. En comparant les images satellitaires nocturnes récentes aux vues satellitaires anciennes sur la période 1992-2013, Urban Radiance met en évidence non seulement les changements dans l'urbanisation, mais aussi les éventuels efforts pour réduire la pollution lumineuse.

Urban Radiance a sélectionné des zones importantes dans lesquelles la pollution lumineuse a augmenté. Par exemple, en Amérique du Nord, Urban Radiance montre comment la croissance des gisements de gaz de schistes dans les régions du Dakota et du sud du Texas a entraîné une augmentation de la pollution lumineuse. Au-dessous de chaque carte, les graphiques montrent la croissance totale (ou la chute) de la radiance pour chaque pays.

La carte Black Marble de la NASA enregistre également les niveaux de lumière de nuit dans le monde entier depuis plusieurs années, avec des comparaisons possibles entre 2012 et 2017 :
http://blue-marble.de/nightlights/2012
http://blue-marble.de/nightlights/2017


Digital Geography a créé une carte interactive qui permet de comparer la carte Black Marble de la NASA de 2012 avec la carte de 2016. On peut voir par exemple les effets de la guerre en Syrie sur l'éclairage du pays. D'autres zones du Proche ou du Moyen-Orient sont au contraire plus éclairées.
http://www.digital-geography.com/nasas-black-marble-2016-or-syrian-dark-years/

John Nelson a également comparé les cartes Black Marble de 2012 et 2016 de la NASA pour déterminer où se situaient les sources d'émission de lumière dans le monde. Sa carte Lights On & Lights Out met en évidence les endroits dans le monde où d'importants changements ont été apportés à l'éclairage électrique depuis 2012 :
http://storymaps.esri.com/stories/2017/lights-on-lights-out/index.html

Nelson souligne dans le texte accompagnant la carte qu'il existe de nombreuses raisons pour lesquelles les lieux peuvent connaître une augmentation ou une diminution de l'éclairage électrique (déclin économique, guerre, choix en faveur de l'environnement...). L'augmentation en Inde est due à "l'électrification massive du nord de l'Inde ces dernières années". Ailleurs, la réduction de l'éclairage nocturne peut être due (entre autres) aux tentatives de réduction de la pollution lumineuse.

Le site Night Earth permet de visualiser ces images à travers un globe interactif :
http://www.nightearth.com/?@30,-3.42,3z&data=$bWVsMg==

Fichier KMZ à télécharger pour utilisation dans Google Earth : http://t.co/ftGKUSCAn2

Le Cooperative Institute for Research in Environmental Sciences (CIRES) fournit une carte d'intensité de la lumière émise par différentes sources. La même carte est visible à travers un globe en 3D : http://cires.colorado.edu/artificial-sky

Carte de pollution lumineuse en Europe :
https://www.avex-asso.org/dossiers/wordpress/fr_FR/la-pollution-lumineuse-light-pollution/cartes-de-pollution-europeenne-avex-2016

Vidéo de la NASA montrant les images prises par le satellite Suomi :
https://www.youtube.com/watch?v=FMVN1L-mEDk

Un type de cartographie originale nous est fourni par cette carte 3D de la pollution lumineuse. L'application se dénomme Earth at night. Elle propose, à travers un globe virtuel, de mettre en évidence les lumières nocturnes à partir d'images satellites prises par le programme NASA Earth Data. Les grandes métropoles constituent des sources majeures de pollution lumineuse sur cette image en 3D qui les représente comme des montagnes de lumière.

Lumières nocturnes et pollution lumineuse des villes dans le monde (source : JWasilGeo)


Lien direct pour télécharger l'image en 2 dimensions : NASA Earth Data



Cette vue globale des villes illuminées la nuit résulte d'un assemblage composite d'images enregistrées par le satellite Suomi. Les données ont été acquises en neuf jours au mois d'avril 2012 et en 13 jours au mois d'octobre 2012. Il a fallu 312 orbites pour obtenir une image nette de chaque portion de la Terre et notamment des îles. Ces nouvelles données ont ensuite été cartographiées sur les images existantes Blue Marble afin de fournir une vision réaliste de la planète.

Images en 2 dimensions du programme Earth Observatory de la NASA (au format JPG, TIFF et GEOTIFF) :
- Année 2012 :

http://earthobservatory.nasa.gov/images/79765/night-lights-2012-flat-map
- Année 2016 :
http://earthobservatory.nasa.gov/features/NightLights/page3.php
- Changements entre 2011 et 2016 :
http://svs.gsfc.nasa.gov/30919

Images plus anciennes (1994-2000) du programme Visible Earth de la NASA :
http://visibleearth.nasa.gov/view.php?id=55167

Données d'éclairage public en open data (liste non exhaustive) :
- France : http://www.data.gouv.fr/fr/datasets/eclairage-public/
- Paris : http://opendata.paris.fr/explore/dataset/eclairage-public/
- Bordeaux : http://opendata.bordeaux.fr/content/eclairage-public-points-lumineux
- Lille : http://opendata.lillemetropole.fr/explore/dataset/reseaux-eclairage/information/?flg=fr
- Toulouse : http://data.toulouse-metropole.fr/explore/dataset/points-lumineux/ 
- Montpellier : http://data.montpellier3m.fr/dataset/supports-d%C3%A9clairage-public-de-montpellier 
- La Rochelle : http://opendata.larochelle.fr/dataset/eclairage-public-point-lumineux/
- Poitiers : http://data.grandpoitiers.fr/explore/dataset/espace-public-eclairage-public-grand-poitiers-donnees-metiers


3) Les pistes d'utilisation

Les cartes d'émissions lumineuses sont souvent utilisées pour montrer l'extension de l'occupation humaine et les limites de l'oekoumène (lire cet article : Illuminating human activities using the Night Light). Ces images nocturnes vues du ciel sont souvent spectaculaires, ce qui en fait de bonnes illustrations dans les manuels scolaires (voir par exemple cette image satellitaire de la France vue de nuit proposée par Le livre scolaire). Ces images peuvent servir de documents d'accroche pour sensibiliser à l'inégale répartition du peuplement, au repérage des "pleins" et des "vides" à la surface de la Terre, à l'étude de l'urbanisation ou l'étalement des aires urbaines. Cela permet de mettre évidence les zones tout à la fois densément peuplées et développées.

Le plus souvent, ces images servent à inférer le niveau de développement des pays ou des régions étudiés (voir par exemple l'essor économique et urbain de la Chine à travers cette comparaison 1992-2013). Les comparaisons fonctionnent à l'échelle mondiale, mais révèlent des éléments parfois surprenants. Ainsi Berlin la nuit est encore séparé en deux en raison de l’utilisation d'un type d'éclairage public différent entre l'ex-Berlin ouest (plus blanc) et l'ex-Berlin est (plus jaune) :




Les données de télédétection, en particulier les images montrant des émissions lumineuses la nuit, peuvent être utilisées pour calculer la densité de population. Les données du projet Landscan du Oak Ridge National Laboratory sont couramment utilisées pour ce type d'analyse.

On peut utiliser les images d'émission lumineuse aussi pour mesurer l'impact d'une catastrophe, comme l'a fait la NASA après le passage du cyclone Maria à Porto Rico en septembre 2017.
http://earthobservatory.nasa.gov/images/91044/pinpointing-where-the-lights-went-out-in-puerto-rico




Considérant qu'éclairer la nuit est un luxe réservé aux pays développés, certains chercheurs ont voulu observer la progression de la lumière artificielle pour traduire la capacité à sortir de la pauvreté. C'est l'approche qui a été utilisée par Maxim Pinkovskiy et Xavier Sala-i-Martin qui ont étudié l’évolution de la pauvreté à partir de l’évolution de la lumière nocturne visible sur les images satellites. La comparaison de l'Asie du Sud en 1994 et en 2010 est tirée de leur étude publiée en 2016 dans le Quarterly Journal of Economics (voir la carte en grand format).



Mais cette représentation du monde la nuit ne permet pas de faire apparaître les zones de fortes densités humaines qui ne produisent pas d'éclairages (cas des pays ou des régions moins développés). Il convient donc de croiser ces images de la Terre vue du ciel avec d'autres cartes permettant de les interpréter.



Attention : certaines cartes laissent à penser qu'il s'agit d'images d'émission lumineuse, alors qu'il s'agit simplement de cartes par densité de points qu'on a mis sur fond noir pour faire ressortir l'effet de contraste. Voici par exemple la carte en noir et blanc des villes de plus de 15 000 habitants dans le monde, réalisée à partir de la base de données Geonames.

S'agissant de la cartographie de la pollution lumineuse, Philippe Deverchère et al. font remarquer qu'"on assiste depuis quelques années à une prise de conscience de la part des pouvoirs publics des effets négatifs de la pollution lumineuse, que ce soit d’un point de vue économique (charges de fonctionnement et gaspillage énergétique) ou environnemental (effets délétères sur les espèces et la santé humaine). Cela se traduit par une volonté de mieux adapter les parcs d’éclairage aux besoins des populations et de sensibiliser ces dernières aux enjeux économiques et environnementaux".
http://darkskylab.com/publications/Cartographie%20de%20la%20pollution%20lumineuse%20-%20septembre%202018.pdf

Le nombre d'étoiles visibles en Europe en fonction de la pollution lumineuse des villes :
http://www.reddit.com/r/MapPorn/comments/9jzed0/number_of_visible_stars/?st=JMNYSWRN&sh=3e623c23



La pollution lumineuse affecte tous les citoyens. Un nombre croissant de scientifiques, de défenseurs de l'environnement et de représentants des collectivités territoriales prennent des mesures pour restaurer la nuit naturelle. Chaque citoyen peut mettre en œuvre des solutions pratiques pour lutter contre la pollution lumineuse. Après avoir servi à détecter les sources d'émission lumineuse, ces cartes peuvent être utilisées pour mesurer les réductions d'émission ou pour sensibiliser aux efforts qui restent à faire. 

Voici par exemple une carte d'échouage des pétrels de Barau, une espèce d'oiseau endémique à La Réunion, qui permet de sensibiliser à la réduction des émissions de lumière la nuit. 

Pétrels, économies... éteindre la lumière, ça marche :
http://www.clicanoo.re/Societe/Article/2014/06/24/Petrels-economies-eteindre-la-lumiere-ca-marche_293583



L’Association Nationale pour la Préservation du Ciel et de l'Environnement Nocturne (ANPCEN) a signé des conventions de partenariat avec la Fédération Nationale des Parcs Naturels Régionaux, avec les Parcs nationaux de France et avec la Ligue pour la Protection des Oiseaux, afin d'augmenter la prise en compte de la pollution lumineuse sur le territoire et dans les espaces protégés. 374 communes françaises ont été labellisées « Villes et Villages Étoilés », principalement dans des parcs naturels où la pollution lumineuse est moins importante.
http://www.anpcen.fr/

Plus de huit ans après son vote, la loi de 2010 contre la pollution lumineuse vient finalement de donner lieu à deux arrêtés publiés au Journal officiel du 28 décembre 2018. Le Conseil d'Etat a en effet été sommé par le gouvernement de prendre des mesures concrètes pour limiter les excès en matière d'éclairage public.

L'un des principaux motifs invoqués pour le maintien de l'éclairage public la nuit est la nécessité d'assurer une certaine sécurité en ville et d'éviter les accidents sur les autoroutes. Suite à des vols de câbles en cuivre sur l'autoroute A15 en 2011, l'éclairage n'a plus fonctionné pendant de long mois et l'accidentologie n'a pas été plus importante, ce qui a commencé à remettre en questions nos représentations en matière d'éclairage public. Diverses études ont révélé depuis que des routes non éclairées entraînaient plus d'inconfort et donc plus de vigilance. La nuit noire commence à gagner du terrain. Déjà sans éclairage en rase campagne, les autoroutes commencent à éteindre la lumière aux abords des agglomérations. Cette mesure est loin de faire l'unanimité, notamment parmi les usagers de la route. Mais son adoption pourrait se généraliser pour des raisons plus économiques qu'écologiques, l'Etat et les collectivités territoriales n'ayant plus vraiment les moyens de financer l'éclairage public et de faire face à son entretien.

Top 10 de l’éclairage des villes françaises vues de l’espace par Thomas Pesquet (avec de superbes images en haute résolution) : http://eclairagepublic.eu/site/top-10-de-leclairage-des-villes-francaises-vues-de-lespace-par-thomas-pesquet/

De superbes images prises à partir de la station ISS envoyées sur Twitter et rassemblées sur un globe en 3D (avec certaines vues de nuit) : http://isspix.com/DareToExplore. A compléter par : http://isspix.com/MapTourHowTo.

Les impacts de foudre ne sont pas pris en compte dans la cartographie des émissions lumineuses à la surface du globe. La foudre n'entre pas dans la luminance énergétique ou radiance émise depuis la Terre.
http://geology.com/articles/lightning-map.shtml

On sait que a répartition de la foudre est très inégale à la surface de la Terre. Le phénomène se produit plus souvent sur terre que sur mer, et plus souvent dans les zones proches de l'équateur que sous des latitudes moyennes ou élevées. Une recherche conduite par Joël Thornton et son équipe montre que les impacts d'éclair ou de foudre sont liés en partie à l'activité humaine : ils se produisent davantage dans les zones océaniques sillonnées par de gros navires qui rejettent des particules de gaz d'échappement
http://earthobservatory.nasa.gov/images/91384/theres-something-in-the-air

Si les plantes émettaient de la lumière autant que les villes, voici ce que cela donnerait (source : Map Porn) : http://www.reddit.com/r/MapPorn/comments/8xq251/if_plants_made_light_instead_of_cities/


Comment les technologies géospatiales sont utilisées pour étudier la pollution lumineuse :

Certaines représentations sont obtenues non pas par images satellitaires, mais à partir des données concernant l'éclairage public (accessibles en open data pour certaines grandes villes). C'est le cas ici avec cette cartographie de l'éclairage à Paris à partir des données du site Paris Data. A visualiser sur le site Data pour Paris.




Les images satellitaires de la NASA enregistrées entre 2012 et 2019 font apparaître 767 nouvelles villes africaines prises pour la première fois à partir de leurs lumières la nuit. La carte superpose ces images à la carte des 7600 agglomérations urbaines recensées par Africapolis.
http://africapolis.org/download/Nightlight.jpeg


  



Fabio Falchi & al. (2016). The new world atlas of artificial night sky brightness, Science Advances 10 June 2016.
L'atlas planétaire de la pollution lumineuse, publié le 10 juin 2016 dans Science Advances par des chercheurs italiens, américains, allemands et israéliens, conduits par Fabio Falchi, de l'institut Istil, croise les images du satellite Suomi NPP, en orbite polaire, avec des données récoltées au sol par 30.000 volontaires. Les auteurs concluent que 99% de la population en Europe et aux États-Unis vit sous un ciel où la Voie lactée n'est plus visible. À l'échelle du globe, la pollution lumineuse affecte 83% de l'humanité.


Le site Datastro consacrée à l'astronomie permet de consulter et de télécharger des cartes de pollution lumineuse.

Le site Clear Night Sky a pris 27 photos de grandes villes la nuit et a cherché à montrer à quoi ressemblerait leur ciel étoilé si elles étaient exemptes de pollution lumineuse.

Carte de tous les phares du monde recensés par OpenStreetMap et WikiData :



Alors que la pollution lumineuse s'amplifie à travers le monde, une petite île du Pacifique fait tout pour préserver ses magnifiques nuits étoilées. Bienvenue à Niue :
https://twitter.com/brutnaturefr/status/1326851160712617985
 







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