Iluminação pública e a tecnologia LED: Impactos da “luz azul”!
Este artigo tem como objectivo proporcionar uma melhor compreensão dos impactos do LED, mais especificamente da “luz azul” desta tecnologia, que têm suscitado diversos debates. Nele serão abordados vários elementos e várias vertentes, resultando num artigo de fundo e de grande extensão, que nos leva a fazer uma divisão do mesmo.
Alberto Vanzeller
Diretor-Geral Aura Light Portugal
Introdução | Parte I
Com a introdução da tecnologia LED na iluminação pública, ora substituindo as tradicionais lâmpadas de descarga ora em novas instalações, tem-se assistido a um crescente coro de opiniões negativas tendo como base essa mesma tecnologia. O que há menos de 5 anos era inquestionavelmente uma grande mais valia, quer em qualidade quer em eficiência energética, começa a ser injustamente, ou não, o vilão da IP.
Não há dia em que não seja confrontado ou leia na imprensa criticas de associações profissionais, ambientalistas, astrónomos, médicos, fotógrafos, cidadãos anónimos, políticos, investigadores, entre outros, sobre os mais variados aspetos “perniciosos” ligados à luz branca emitida pela tecnologia LED. Mais concretamente à componente azul do seu espectro e à necessidade de privilegiar LEDs de temperatura de cor TC ≤3000K versus TC ≥4000K.
As queixas são variadas e prendem-se essencialmente com o aumento do esplendor luminoso no céu que os LEDs com TC ≥4000K provocam; com a luz intrusiva para o interior das habitações; com os impactos fotobiológicos; com os impactos nos ecossistemas; com os impactos no ritmo circadiano; com o desconforto visual que provoca; etc.
“O coro cresceu exponencialmentedepois do relatório da Associação Médica Americana (AMA).”(1)
Este debate é transversal a todo o mundo e assistimos a uma intensa troca de argumentos entre os vários intervenientes, onde no meio de algumas verdades, meias verdades e pouco conhecimento, resulta uma série de mal-entendidos e algum alarmismo para a maioria dos utilizadores.
No cerne do debate está, principalmente, a temperatura de cor TC ≥4000K utilizada na maioria das fontes LEDs instaladas na iluminação pública (IP), se bem que em muitos casos estas críticas estendem-se à utilização de qualquer LED. Curioso que, por sua vez, quando se trata de escolher LEDs para interior ou para uso doméstico há até uma adesão fortíssima à tecnologia.
Neste ponto sugiro, para melhor enquadramento, o visionamento das criticas dos moradores em Nova Iorque, depois da instalação das primeiras luminárias LEDs, num total de 250 mil unidades:
Uma simples pesquisa no GOOGLE resulta na figura abaixo.
As criticas têm sentido? Será o LED o vilão que veio para desgraçar a ambiência noturna e o “equilíbrio existente” na iluminação pública artificial? Porque se queixam os cidadãos?
Ponto por ponto procurarei esclarecer estas e outras questões com base no atual estágio da tecnologia, explicando alguns factores-chave essenciais ao entendimento deste debate.
Começo por lembrar que desde o seu aparecimento (com descoberta do LED azul em 1994), a tecnologia LED evolui praticamente todas as semanas, a todos os níveis: chip; pacote lumínico; eletrónica associada; óticas; normas e métricas ligadas à iluminação pública.
A tecnologia garante poupanças importantes através de um rigoroso controlo fotométrico e da elevada eficiência dos LEDs que conjugados com a introdução de novas métricas, com o ajustamento dos níveis à utilização das vias e com a substituição de luminárias obsoletas, podem levar a poupanças superiores a 60%.
É sob este cenário de uma rápida e contínua evolução da tecnologia e de um potencial de poupança e eficiência energética, que Portugal, mantendo a tradição, é um dos mais ativos pioneiros, não faltando projetos de substituição maciça de luminárias convencionais por luminárias de tecnologia LED.
Deste modo, avançou-se há uns anos atrás convictamente, para uma tecnologia pouco madura, com a promessa de durabilidades de dezenas de anos e enormes poupanças.
A percentagem de 70% de poupanças era o número mais apontado nos projetos financeiros e, numa busca desenfreada pelo payback, baixaram-se níveis luminotécnicos, em muitos casos em violação clara das normas e portaria 454, noutros casos com cortes drásticos dos níveis face ao instalado anteriormente, criando-se “ilhas” diferenciadas pela tonalidade e sombreamento no meio do espaço urbano e desenvolvendose muitos projetos de “eficiência” baseados na temperatura de cor (TC) acima dos 5000K.
LED como fonte de luz | Parte II
Para compreender os impactos da tecnologia LED e este debate é importante ter algumas noções básicas de factores-chave, que são de seguida explicadas.
O que é a temperatura de cor (correlacionada) ou TC?
A maioria das fontes de luz branca emite uma gama de comprimentos de onda que combinados produzem a cor da luz percebida pelo olho humano. A temperatura de cor (TC) é uma maneira abreviada de descrever a cor da luz, em termos aparentes de “quente” ou “frio”. A TC é expressa em Kelvin (K) e o valor corresponde à cor da luz emitida por uma massa aquecida (um radiador teórico de corpo negro) a essa temperatura física (embora a fonte de luz não esteja realmente a funcionar a essa temperatura física).
Assim, um LED com uma TC de 3000K parecerá produzir uma cor de luz próxima à de um filamento de tungstênio operado a uma temperatura física de 3000K (o tungstênio é considerado muito próximo de um radiador de corpo negro ideal). Importante referir que duas fontes de luz, de tecnologia diferente, podem ter a mesma TC, mas são diferentes na sua aparência. O que as diferencia é a sua distribuição de energia espectral.
O que é uma distribuição de energia espectral (SPD) de uma fonte de luz?
A distribuição de energia espectral (SPD) de uma fonte de luz é a quantidade de potência radiante que ela emite em diferentes comprimentos de onda, em todo o espectro visível. Uma SPD pode ser representada como uma tabela de valores de energia radiante, ou como um gráfico semelhante aos da Figura 4.
Além de determinar a cor aparente da luz, a SPD determina como a fonte afeta a aparência de objetos que ilumina, bem como as suas características de dispersão potenciais dentro da atmosfera e os potenciais efeitos associados à saúde. A SPD é a informação fundamental da fonte de luz usada na ciência da cor. O que distingue duas fontes com a mesma TC é a SPD.
Como é obtida a luz branca dos LEDs?
Há duas formas de obter luz branca a partir da tecnologia LED: combinando 3 LEDs de cor diferente (azul, vermelho e verde-RGB) ou utilizando uma camada de fósforo sobre um LED azul, violeta ou UV conseguindo luz branca por conversão. Existe uma nova tecnologia em desenvolvimento, a dos pontos quânticos, mas ainda longe da sua aplicação na iluminação pública.
A maioria dos LEDs “brancos” usados na iluminação são por conversão do fósforo: usam um semicondutor InGaN (Nitreto de Gálio e índio), recoberto com um fósforo YAG (granada de alumínio ítrio) dopado com cério, que emite luz na zona azul do espectro. Deste modo, a maioria dos fotons azuis do LED são absorvidos pelo fósforo e reemitidos na zona amarela do espectro. A densidade e a espessura do fósforo são decididas de modo a transmitir uma fração de luz azul. É esta componente que está por detrás do intenso debate em redor dos LEDs.
A mistura de fosforescência amarela com a eletroluminescência azul resulta em luz branca. Esta combinação de LED e fósforo é uma tecnologia comprovada e com bom desempenho, mas não é perfeita. Uma deficiência notável é a limitação que se prende com o baixo índice de restituição de cores (IRC) em TCs mais elevadas devido à falta da componente vermelha no fluxo luminoso resultante do sistema de conversão.
“Esta combinação de LED e fósforo é uma tecnologia comprovada e com bom desempenho, mas não é perfeita.”
Para melhorar o IRC e baixar a TC (Warm White LEDs) os fabricantes combinam o fósforo YAG com fósforo vermelho, incrementando as emissões na zona vermelha do espectro. Mas isso resulta numa menor eficácia (Lm/W) do sistema devido ao aumento das perdas Stokes (Stoke losses) provocadas pelo fósforo vermelho e um custo mais elevado do LED pela inclusão desse mesmo fósforo vermelho.
Por exemplo, há poucos anos atrás as diferenças de eficácia rondavam os 15–20%. Isto levou a que se optasse inicialmente, em muitos projetos de IP, por LEDs com TC > 5500K e que hoje estão na base do coro de críticas à volta da luz azul emitida pelos LEDs.
No entanto os fabricantes continuam a evoluir a tecnologia em todos os sentidos, como por exemplo, a melhoria da eficácia quântica externa (EQE) e a redução das perdas do package do LED, o que resulta numa aproximação de eficácia e redução de custo entre LEDs com TC mais elevadas (≥4000K) e LEDs com TC menos elevadas (≤4000K) para IRC 70 (ao redor de 6%). Para TC de 3000K e IRC >80 a diferença continua superior a 12%. Pode haver variações de eficiência entre fabricantes LED.
“Luz Azul” emitida pelos LEDs versus restantes fontes de luz
Retomando o debate do impacto da tecnologia LED comparativamente às tecnologias tradicionais, é importante clarificar o que se entende por “luz azul” porque aparentemente, este termo é adotado pelos astrónomos para definirem os comprimentos da onda da luz que dispersa na atmosfera à noite e que resulta na névoa luminosa (sky glow) que interfere com a observação e apreciação do céu noturno, para além dos impactos na biodiversidade.
O facto é que não há consenso sobre os limites dos comprimentos de onda, no diagrama espectral, que resultam na luz azul. Existem pelo menos 4 versões.(2)
Se consideramos o limite inferior e o superior entre todas as versões, podemos afirmar que a gama de comprimentos de onda ligados à luz azul, englobando todas as versões, estão compreendidos entre 424 nm e 500 nm. Portanto o termo “azul” pode-se aplicar a qualquer comprimento de onda dentro daquele intervalo.
A discussão à volta dos impactos da “luz azul” varia de situação para situação e de ser vivo para ser vivo por estarem relacionados com diferentes comprimentos de onda. Podemos aplicando o mesmo termo, calcular a percentagem de “luz azul” para qualquer fonte e veremos que muito poucas fontes de luz não têm componente azul (3).
Como demonstrado no quadro abaixo, para várias fontes de luz verificamos que a componente azul não é um exclusivo da fonte PC white LED. (4)
Por exemplo, a lâmpada incandescente emite 12% de luz azul e a de vapor de sódio alta pressão mais utilizada, emite 10%. É importante lembrar que uma fonte sem a componente azul teria um índice de restituição de cores muito baixo.
No caso concreto dos LEDs (tecnologia fósforo convertido — PC white LEDs), estes têm um pico de “luz azul” nos 450/460 nm que poderá ser maior ou menor de acordo com a sua TC.
Poluição Luminosa | Parte III
Associações de ambientalistas como a Dark Sky Association(5), astrónomos, ambientalistas e parte da classe médica são quem mais alertam para o aumento da poluição luminosa provocada por LEDs com TC≥3000K. A poluição luminosa(6) é provocada pela luz que sai da área que se pretende iluminar e apresenta inconvenientes de várias ordens, que atingem o cidadão nos aspetos mais dramáticos: o bolso, o descanso e a qualidade de vida. É a soma de todos os efeitos adversos da luz artificial.
Os impactos da poluição luminosa não se resumem apenas ao esplendor noturno e ao menor visionamento do céu noturno. Incluem também:
- Desconforto visual, causador de fadiga e insegurança rodoviária;
- Luz intrusiva;
- Repercussões na saúde humana;
- Alteração dos ecossistemas;
- Mais emissões de CO2 na produção da energia elétrica (adicional), desperdiçada por uma deficiente utilização na iluminação artificial.
Ora, a poluição já era um problema muito antes dos LEDs aparecerem e a principal causa para este fenómeno é uma IP mal selecionada, mal projetada ou mal instalada, em qualquer das suas vertentes, urbana ou viária, mas também a iluminação arquitetural, desportiva, os reclames luminosos, outdoors, canhões laser, montras iluminadas, luz interior derramada pelas janelas, entre outros, provocam este problema.
A CIE publicou em 2003 o “Guia para a limitação dos efeitos negativos da luz procedente das instalações de iluminação em exteriores”. Portanto, em 2003 já era uma preocupação e ainda os LEDs estavam a dar os seus primeiros passos na IP.
Os LEDs de temperatura de cor acima dos 3000K causam maior poluição luminosa!
Fatores como uma pobre fotometria, níveis muito acima dos necessários à utilização, a altura dos pontos de luz, a localização e a distribuição dos mesmos, a inclinação da luminária e composição espectral da fonte, contribuem para a poluição luminosa. No entanto, a maioria das criticas parece apontar apenas para a componente azul dos LEDs/TC≥3000K.
No caso da IP, mesmo que a mesma seja bem projetada, há variáveis que não se conseguem evitar, quanto muito podem-se limitar, como a reflexão do piso, das paredes e objetos. Farei uma comparação entre a lâmpada vapor de sódio alta pressão e a tecnologia LED para os 3 principais impactos relacionados com a poluição luminosa.
Esplendor noturno (Sky Glow)
É um fenómeno que se deve ao atravessamento da luz artificial ou natural pela atmosfera, dispersando-se pela interação tanto com as molécula gasosas, que constituem o ar ”limpo”, como com as partículas grandes em suspensão de natureza sólida ou liquida, referenciadas como aerossóis. Portanto, a luz “esbarra” na atmosfera em milhares de minúsculas partículas que a mesma tem e o resultado é uma espécie de luz refletida ao chocar com essas partículas.
Este fenómeno tem o nome de dispersão de Rayleigh, nas moléculas de ar, e por dispersão de Mie, no caso dos aerossóis. A dispersão de Rayleigh é fortemente dependente do comprimento de onda e é aproximadamente inversamente proporcional à quarta potência do comprimento de onda.
Durante o dia o céu é azul devido à dispersão de Rayleigh: como a partícula onde a luz bate tem uma dimensão compatível com o seu comprimento de onda, parte da energia da luz é absorvida, fazendo as suas cargas vibrar e emitir de novo a radiação. Ora a componente azul da luz solar tem menores comprimentos de onda e, portanto, estes são os únicos compatíveis que absorvem essa luz e a rebatem, espalhando o azul sobre a Terra.
Já ao entardecer, como o Sol passa a iluminar a Terra com um ângulo mais oblíquo, a luz tem de atravessar a atmosfera por uma distância maior. Isso faz com que a fração de azul seja diluída de tal modo que já não conseguimos vê-la, abrindo espaço para vermos apenas os tons mais vermelhos que, por terem um comprimento de onda maior, se dispersam menos.
A dispersão de Mie(7) é independente do comprimento de onda, e é por isso que o céu claro aparece azul pálido ou branco em áreas urbanas muito poluídas. Durante a noite o fenómeno é ao contrário, mas equivalente, agora provocado pela luz artificial de baixo para cima e o resultado é o esplendor luminoso que será tanto maior quanto mais poluída for a cidade ou quanto mais nevoeiro ou humidade tiver o local iluminado.
Por exemplo, uma fonte luz âmbar que emita num comprimento de onda de 590 nm é 3 vezes menos dispersada que uma que emita a 440 nm(8). No caso da luz branca, quanto maior for a percentagem de luz azul maior a dispersão e, consequentemente, maior o esplendor luminoso.
Para concluir esta questão importa alertar para os seguintes pontos:
- A luz branca não é exclusiva da fonte LED;
- Quanto maior quantidade de luz for enviada para cima, maior o esplendor luminoso, mesmo com a lâmpada de vapor de sódio alta pressão, e neste sentido a primeira causa deste fenómeno resulta de um deficiente projeto e não da temperatura de cor da fonte;
- É verdade que em igualdade de circunstâncias, o LED de 5500K contamina mais que o LED de 4000K, este mais que o LED de 2700K e este último mais que o vapor de sódio alta pressão;
- A tecnologia LED aplicada à IP traz muitas vantagens face à tecnologia sódio alta pressão, menores potências, menos CO2 emitido, maior controlo de luz e, portanto, menos luz emitida para o hemisfério superior/menor esplendor luminoso.
O exemplo em baixo foi apresentado na conferência de 2016 da Strategies in Light em Santa Clara, nos Estados Unidos, e é de um piloto em curso na fronteira deste país com o México. Como podem ver a conversão dos projetores equipados com iodetos metálicos para projetores LED permitiu melhorar a iluminação, baixar a altura das colunas, reduzir consumos e diminuir a poluição luminosa.
Numa zona com muito nevoeiro noturno é contraproducente iluminar com luz branca porque conduzirá a uma maior dispersão e consequentemente a um menor nível de iluminação e a uma menor acuidade visual, tanto menores quanto maior for a componente de “luz azul” da fonte. Com isto somos confrontados, quando conduzimos durante a noite sob condições de nevoeiro, com o facto de mais luz resultar num ecrã que limita a visibilidade.
Encandeamento e luz intrusiva | Parte IV
O encandeamento e a luz intrusiva são dois conceitos intrinsecamente ligados à poluição luminosa. São dois fenómenos associados à iluminação artificial e motivo de críticas aos LEDs. Mas serão agravados por fontes de luz com esta tecnologia?
Encandeamento
O fenómeno apelidado de encandeamento há muitos anos que é alvo de discussão e forte interesse na iluminação, muito antes do aparecimento do LED. O encandeamento, em termos grosseiros não é mais que excesso de luz na direção errada (ângulo de visão), encandeamento é luminância, é brilho e tem duas vertentes:
O encandeamento desconfortável, que é definido como a sensação desconfortável ou mesmo dolorosa que pode ser provocada por uma fonte de luz brilhante no campo de visão. Este tipo de encandeamento depende de vários fatores; o brilho e o tamanho da fonte emissora do brilho, a direção deste em relação à linha de visão e a luminância de fundo contra a qual a fonte de brilho é vista. É um tipo de encandeamento muito pouco estudado e difícil de quantificar.
O encandeamento incapacitante, normalmente apelidado de incremento limiar (TI), é definido como a redução da visibilidade que causa uma fonte de luz brilhante, devido à dispersão de luz no olho, que reduz o contraste de luminância aparente dos objetos, no campo de visão. A luz dispersa no olho, estabelece um véu luminoso sobre a imagem da retina, reduzindo a acuidade visual. Este tipo de encandeamento está bem estudado e quantificado.
Na IP, o encandeamento nas suas duas vertentes é impossível de anular, mas pode ser minimizado através do design da luminária e das opções do projeto.
Com a tecnologia LED, o encandeamento desconfortável reveste-se de enorme importância pelas seguintes razões:
Experiências no terreno comprovam que a partir de uma luminância de 1500 cd/m2, proveniente de uma fonte de luz e segundo a definição anteriormente descrita, o ser humano começa a sentir encandeamento desconfortável.
Uma lâmpada de vapor de sódio alta pressão, tubular, de 150 W tem uma luminância distribuída em toda uma esfera, que não ultrapassa os 3.000.000 cd/m2 (fonte: Philips), enquanto que um simples chip LED, com uma dimensão que tem entre de 1,2; 1,7 ou 2,1mm, tem uma luminância, distribuída numa semi esfera (distribuição típica dos LEDs), entre 10.000.000 cd/m2 e 35.000.000 cd/m2 (fonte: Tyukhova and Waters 2014). Face ao exposto, uma luminária viária equipada com uma lâmpada de vapor de sódio alta pressão tubular de 150W terá uma luminância que não ultrapassará as 30.000 cd/m2(9). Lembro que a lâmpada tem uma distribuição numa esfera completa, está recolhida num refletor e a sua superfície emissora é maior, logo de menor luminância.
Numa luminária LED viária, difusor vidro transparente ou lente directa, em ângulos entre os 40º e 70º, a luminância ultrapassa os 2.000.000 cd/m2(9)! Trata-se de um conjunto de lentes muito pequenas, de elevado brilho e à vista do observador.
O projetista deverá ter em consideração que o encadeamento para um condutor acontece em ângulos entre 75º e 90º em relação à vertical, pois o condutor é defendido pelo tejadilho do automóvel e tem um ângulo de visão limitado à tarefa de conduzir. Já os peões estão sujeitos ao encandeamento em ângulos compreendidos entre 0º e 75º, em múltiplos ângulos de observação e nas zonas pedonais com luminárias entre os 4 e 6 metros de altura.
Se nas lâmpadas de descarga isso já era um problema, na tecnologia LED, os impactos são preocupantes quando se trabalha com luminárias sem sistemas anti-pixelização ou sem sistemas que resultem numa superfície emissora maior e mais difusa.
Além disso, o impacto do encandeamento nas suas duas vertentes varia de acordo com a idade e a saúde do observador. Vários fatores relacionados à fisiologia do olho humano provocam a degradação progressiva da transparência do cristalino, o aumento de miose senil, casos de cataratas, de degenerescência macular, de glaucomas, entre outros, causando uma menor acuidade visual. O que significa que condutores e peões mais velhos sofrem uma maior dispersão de luz no olho e percebem o encandeamento mais intensamente do que os mais jovens.
A tudo isto acrescem estudos com base em experiências no terreno que parecem comprovar que quanto maior for a percentagem de luz azul emitida pela luminária, maior é a dispersão no olho e menor é a acuidade visual.
Os mesmos estudos indicam também que o desconforto visual percebido aumenta com a subida da temperatura de cor da fonte de luz, sendo que esse desconforto é menor entre os 2700K e os 3000K. Também a velocidade de adaptação ao escuro é mais lenta quanto maior for a temperatura de cor da fonte de luz.
Crianças de tenra idade têm o seu cristalino ainda em formação e sofrem mais os efeitos da luz, especialmente os não visuais relacionados com a componente “azul”. A norma EN13201 aponta para níveis de luminância e encandeamento baseados em experiências de campo de observadores de 23 anos de idade. Pela tabela da Fig. 7 na Parte I verifica-se que uma lâmpada de vapor de sódio alta pressão tem uma percentagem de luz azul de 10%, um LED de 4000K entre 27% e 32% e um LED de 2700K entre 17% e 20%.
Conclui-se, então, que luminárias com tecnologia LED produzem mais encandeamento e que nas temperaturas de cor mais elevadas esse encandeamento é maior, mas isso não é uma inevitabilidade. Os fabricantes e os projetistas têm neste momento formas de reduzir estes efeitos até para valores mais baixos dos atualmente encontrados na iluminação pública e decorativa em Portugal.
Importante lembrar os ganhos de eficiência energética, de visibilidade e de qualidade que se conseguem com a tecnologia LED devido à maior restituição de cores que os mesmos têm, ao maior controlo fotométrico, à menor potência, etc. Não vejo qual o problema de uma via de circulação predominantemente motorizada ser iluminada com LEDs com uma temperatura de cor superior a 5000K.
Infelizmente, desde que tecnologia LED foi introduzida, a excessiva preocupação com a obtenção do maior rácio Lm/W e do menor payback, numa busca pela redução de custos e pela maior “eficiência energética”, obriga-nos a conviver com o encandeamento ou a desvalorizá-lo erradamente.
Enquanto o mercado se focar nestas prioridades, o encandeamento excessivo continuará a ser um sério problema.
Luz intrusiva
Este é também um dos pontos onde surgem diversas reclamações ao uso da tecnologia LED (ver vídeo na Parte I), essencialmente pela sua componente de “luz azul”. Não corroboro da mesma opinião, embora acredite que em muitos casos as criticas têm sentido não pelo uso da tecnologia LED, mas pela má aplicação da mesma.
Hoje, a tecnologia LED permite uma infinidade de fotometrias, de menores potências, de sistemas de “backshield”, de sistemas de orientação negativa para os casos de braços existentes com inclinação, e de temperaturas de cor mais baixas com rendimentos muito próximos dos 4000K.
Parece-me que o problema estará não só no uso de temperaturas de cor elevadas (nas primeiras vagas de LEDs), mas também na substituição de uma luminária por outra, ignorando a precisão fotométrica do LED em zonas residenciais. Contudo, volto a insistir que esses problemas não são exclusivos da luz branca associada aos LEDs. Na minha opinião, estamos perante um problema do projeto ou da ausência de um especialista de iluminação ligado ao projeto.
LED e os impactos na biodiversidade | Parte V
Tal como o ser humano, os restantes seres vivos, aves, peixes, insetos, plantas, etc. têm um ritmo circadiano, mas com uma diferença: contrariamente aos humanos, estes não têm mecanismos de defesa. Quando submetidos a um sistema de iluminação pública artificial, o dia e a noite confundem-se.
Os impactos nos animais são ao nível da alimentação, procriação, de desequilíbrios na relação predador/presa, da destruição do seu habitat, nos fluxos migratórios das aves, etc. Mesmo os que fazem a sua vida durante o dia são afetados.
Esta é uma preocupação muito antes da tecnologia LED existir e é consequência de um excesso de iluminação artificial, mal dirigida e sem controlo. O próprio esplendor luminoso tem consequências na Biodiversidade a muitos quilómetros de distância.
Centrando-nos no LED, como anteriormente escrevi, resulta que quanto mais elevada for a temperatura de cor deste, maior o esplendor luminoso.
Por outro lado, grande parte dos insetos são sensíveis a comprimentos de onda entre os 360 nm e os 550 nm(10) e a maioria dos animais, tal como os humanos, mas de maneiras diferentes, têm o seu ritmo circadiano alterado quando na presença da “luz azul”.
Ora, o que eu não entendo é o porquê de o LED, que não emite abaixo dos 400nm, ser o vilão e a lâmpada de vapor de mercúrio, que emite abaixo dos 400 nm e que no nosso país ainda existe na ordem das centenas de milhar, não ter sido alvo do mesmo tipo de campanha, estando o seu phase out essencialmente e apenas ligado à baixa eficácia da luminária.
Na questão das aves, há estudos para tudo. Existe um piloto na ilha de Ameland, no mar do Norte/Holanda, no qual instalaram luminárias com luz azul esverdeada porque se entende que estes comprimentos de onda impactam menos o sistema biológico das aves migratórias. (11)
Como se comprova pela tabela da Fig.7 (ver parte II), são várias as fontes de luz que têm uma percentagem de “luz azul” e, para limitar os impactos na biodiversidade, é preferível trabalhar com fontes de temperatura de cor mais baixas, ter um controlo rigoroso de luz para fora da área a iluminar, evitar o excesso de luz e nestas zonas aplicar o “toque de queda” a partir de certa hora. O toque de queda também deve ser previsto em iluminação de pontes sobre rios com fluxos migratórios de peixes.
No caso das plantas, a luz artificial sem controlo, independentemente fotoperiodismo das mesmas — sempre o problema do ritmo circadiano envolvido. No entanto, na iluminação pública o maior problema para as plantas não é a componente de “luz azul” de uma qualquer fonte, mas sim a componente de “luz vermelha”.
As plantas desenvolvem-se através da fotossíntese usando um fotopigmento a que se dá o nome de clorofila, mas isso é apenas um dos muitos fotopigmentos diferentes que as plantas usam para colher e detectar a luz.(12) Igualmente importante é o fitocromo que regula uma longa lista de funções da planta, incluindo:
- Germinação e desenvolvimento de sementes
- Alongamento do caule
- Expansão e abscisão das folhas
- Desenvolvimento da fotossíntese
- Floração
- Amadurecimento
- Dormência
Em conjunto, essas funções descrevem basicamente o ciclo de vida da planta, desde a semente até à planta adulta. A soma dessas mudanças induzidas pela luz é chamada de fotomorfogênese.
Resumindo, o fitocromo é o fotopigmento que domina o crescimento e o desenvolvimento da planta, e é fortemente sensível à luz vermelha.
Como se pode ver na fig.21, o LED, nas temperaturas de cor usadas na iluminação pública, tem uma componente vermelha no espectro maior que a lâmpada vapor de sódio alta pressão e assim, quanto menor a temperatura de cor deste, maior o impacto no fitocromo.
O leitor perguntará então porque é que em estufas se utiliza a iluminação de propagação, nomeadamente o vermelho para aumentar a sua produção?
Isso é verdade, mas estes produtores são profissionais e usam com precisão a luz, em intensidade e tempos de exposição diferentes para cada cultura, de modo a manipularem o fotoperiodismo da mesma e conseguirem ganhos na floração.
Portanto, pode concluir-se que neste caso um LED de TC 2700K tem mais impacto que um LED com 4000K (sendo menor a diferença se os LEDs tiverem ambos IRC70) e que este tem mais impacto que uma lâmpada de vapor de sódio alta pressão!!!
É verdade. O LED impacta mais que o vapor de sódio alta pressão, mas não nos esqueçamos que a tecnologia LED permite controlos fotométricos mais precisos, com menos luz para fora da área a iluminar e com regulação de fluxo.
LED e os impactos fotobiológicos nos humanos — Parte I | Parte VI
Neste ponto irei debruçar-me mais sobre os impactos da “luz azul” dos LEDs na disrupção do ritmo circadiano dos humanos. Impactos ao nível da retina também existem, mas sobre estes existem diretrizes e normas internacionais que as luminárias devem cumprir e que são enumeradas em baixo. (13)
- CIE S009–2002: Segurança fotobiológica de lâmpadas e sistemas de lâmpadas;
- ANSI/IES RP27: Prática recomendada para segurança fotobiológica para lâmpadas e sistemas de lâmpadas;
- IEC/EN 62471: Segurança fotobiológica de lâmpadas e luminárias. A orientação de suporte é fornecida na IEC/TR 62471–2 (2009) e na IEC/TR 62778 (2012).
Estes três documentos fornecem definições harmonizadas de riscos de radiação ótica, limites de exposição, técnicas de medição adequadas e um sistema de classificação de risco.
Quatro grupos de risco são usados para categorizar a exposição baseada em características humanas:
- O grupo isento, RG0, é estabelecido pelo princípio de que a lâmpada não apresenta perigo fotobiológico, com exposição máxima tempos superiores a 10.000 segundos (cerca de 2,8 horas). Não há requisitos de rotulagem.
- A classificação RG1 baseia-se em limitações comportamentais para a exposição — ou seja, os humanos não costumam olhar para as luzes por longos períodos de tempo. Os tempos máximos de exposição são entre 100 e 10.000 segundos. Não há requisitos de rotulagem.
- A classificação RG2 é para tempos de exposição máximos entre 0,25 segundos e 100 segundos. A radiação ótica a este nível não é perigosa devido à resposta de aversão natural dos seres humanos. No entanto, para cumprirem as normas aplicáveis, os produtos neste grupo devem incluir um rótulo que afirma: “CUIDADO. Não olhe para a luz exposta em funcionamento. Pode ser prejudicial aos olhos”.
- As luminárias classificadas como RG3 podem representar um risco mesmo com exposição momentânea (<0,25 segundos). Para cumprir as normas, devem incluir uma etiqueta que indique “AVISO. Não olhe a lâmpada exposta em funcionamento. Pode resultar em lesões oculares.” O risco da “luz azul” na classificação de RG3, para fontes de luz branca é muito improvável, exigindo uma luminância acima de 4 Gcd/ m2 e uma iluminância maior superior a 400,000 lux.
Esclarecido este ponto sobre os riscos fotobiológicos da iluminação artificial, avançamos para os riscos e impactos específicos da “luz azul” na disrupção do ritmo circadiano.
Sabe-se que todas as espécies que habitam o planeta terra estão sujeitas a ciclos biológicos que se repetem aproximadamente a cada 24 horas. Estes ciclos são apelidados de Ritmos Circadianos. São fortemente dependentes do ciclo diurno/noturno e variam de ser vivo para ser vivo.
Os humanos estão ativos durante o dia e dormem quando cai a noite, num equilíbrio perfeito, conhecido por relógio biológico. O sono é estimulado pela produção de melatonina, conhecida pela hormona do sono que é produzida quando o sol se começa a pôr.
Quando sujeitos a luz artificial durante a noite estamos a interferir com a produção dessa hormona, inibindo-a e contribuindo assim para a disrupção do ritmo circadiano.
Sabemos que nos humanos, o sistema visual e o sistema circadiano são ambos sensíveis a comprimentos de onda entre os 400–500 nm (“luz azul”). No entanto, o sistema circadiano é quase insensível a comprimentos de onda superiores a 600 nm, o que não acontece com o sistema visual que continua a ser sensível.
Como a luz branca artificial tem uma percentagem de “luz azul” no seu espectro, que pode ser maior ou menor consoante a fonte de luz, facilmente se partiu para a conclusão que quando sujeitos a uma luz artificial branca, estaremos mais expostos a uma disrupção do ritmo circadiano.
Com o aparecimento dos LEDs outra conclusão óbvia: como estes têm um pico de “luz azul” entre os 435 e os 465 nm, e o mesmo será tanto maior quanto maior for a temperatura de cor (TC) do LED, maior poderá ser a inibição da produção de melatonina, e, portanto, devem ser utilizados LEDs de TC inferior a 3000K.
É esta bomba que o ano passado caiu no mercado, quando a Associação Médica Americana (AMA) publicou o Relatório 2-A-16 (24) o qual reforçou o que há muito vinha defendendo a Associação Dark Sky em relação a todos os seres vivos.
O Relatório da AMA é mais vasto e aborda praticamente todas as questões que tenho abordado neste artigo, mas numa das passagens escreve: “Estima-se que uma fonte com LED “branco” afeta pelo menos 5 vezes mais a psicologia circadiana através da supressão da melatonina, do que uma fonte de vapor de sódio alta pressão.”
Ora a supressão de melatonina conduz à disrupção do ritmo circadiano. Experiências em animais parecem indicar que a disrupção do ritmo circadiano contribui para altas taxas de cancro, problemas cardiovasculares, diabetes e obesidade. (estudos prosseguem).
Sobre este relatório, várias organizações ligadas a profissionais de iluminação, como a IESNA, o LRC e o próprio Departamento de Estado de Energia Americana (DOE), apressaram-se a contestá-lo. O que parece evidente é que a partir da publicação da AMA, o debate e contestação a LEDs com temperatura de cor superior a 3000K “explodiram” em todo o mundo.
Como atrás referi, são poucos os dias em que não sou confrontado com questões sobre os impactos dos LEDs usados na IP, na saúde humana. E, não são só por profissionais ligados ao setor, mas também por amigos, vizinhos, políticos, normais utilizadores que estão de certa forma alarmados.
Tentarei na próxima parte deste artigo, e dentro do possível com base no conhecimento adquirido e em estudos publicados internacionalmente, esclarecer o que são factos, mitos e meias verdades.
Melanopsina: fotopigmento encontrado em foto-receptores da retina que estão envolvidos na regulação dos ritmos circadianos, do reflexo da pupila, e outros respostas não-visuais à luz.
LED e os impactos fotobiológicos nos humanos — Parte II | Parte VII
A luz tem um papel fundamental no ritmo circadiano e atua através de 5 variáveis: Intensidade, Duração Distribuição, Período e Espectro da Exposição.
Falemos do impacto da composição espectral da fonte de luz no processo visual e circadiano do ser humano.
Existem 3 fotorrecetores no olho: os bastonetes, responsáveis pela sensibilidade à luz e associados à visão escotópica; os Cones (de 3 tipos: longos, médios e curtos), responsáveis pelo detalhe e pelas cores quando sob visão mesópica/fotópica; e um terceiro fotorrecetor, descoberto em 1998, associado a células ganglionares retinianas intrinsecamente fotossensíveis (ipRGCs) e que desempenham um papel fundamental no ritmo circadiano, na dilatação da pupila e noutros efeitos não-visuais. Os ipRGCs contêm melanopsina, um fotopigmento com um pico de fotossensibilidade aos 480 nm.
Por uma variedade de razões, a resposta máxima dos ipRGCs, in vivo, parece ser de cerca de 490 nm, embora esse valor esteja ainda a ser melhor apurado.
Lembramos que o pico de “luz azul” nos LEDs brancos (fósforo convertido), está compreendido entre os 445 nm e 465 nm, portanto, algo desviado dos 480/490 nm da curva melanópica.
As respostas dos fotorreceptores não são estáticas, mas mudam com base na intensidade e na duração da luz a que são submetidos, como já atrás referido. O papel dos ipRGCs sob vários níveis de luz ainda está em investigação. Por outro lado, a resposta dos ipRGCs é geralmente referida como a resposta melanópica e esta traduz-se na curva do gráfico indicado na Fig.27.
Os efeitos biológicos da luz em seres humanos podem ser medidos em Lux Melanópico Equivalente (EML), uma métrica alternativa proposta que é ponderada para os ipRGCs em vez dos Cones, o que é o caso do lux tradicional. No gráfico podemos verificar que tanto os cones como os bastonetes contribuem para a resposta melanópica.
Ora, a temperatura de cor está relacionada com o espectro da fonte de luz, mas como sabemos diversas fontes podem ter a mesma TC e, no entanto, espectros diferentes.
Na tabela da Fig. 7 da Parte I, são apresentados, para vários tipos de fontes, valores de resposta melanópica relativa a uma lâmpada de vapor de sódio alta pressão.
Daqui se pode concluir que:
- Várias fontes de LED com a mesma temperatura de cor, mas de composição espectral diferente, podem suscitar diferentes respostas melanópicas.
- Uma lâmpada incandescente pode contribuir mais para uma redução de melatonina do que um LED de 6500K se a mesma for mais intensa e/ou concentrante, e/ou com maior duração, e/ ou num período crítico de produção de melatonina.
Na referida tabela também se indicam percentagens de “luz azul” para as diversas fontes de luz e podemos ver que a resposta melanópica de uma lâmpada incandescente pode ser maior que a de um LED de 4000K. Apesar de a sua percentagem de “luz azul” ser bem menor, vai depender da intensidade, período de exposição e duração. Portanto, o problema não é a temperatura de cor dos LEDs, no caso dos impactos para a saúde humana, mas sim um conjunto de variáveis, atrás referidas, ainda por quantificar e a carecer de mais estudos!
Em complemento, importa referir que ao trocarmos uma lâmpada de vapor de sódio alta pressão por tecnologia LED, estamos a aumentar o coeficiente de utilização da instalação, baixando na maioria dos casos, níveis e potência, e com a possibilidade de uma redução de nível superior a 50% a partir de certa hora. Isto permite-me afirmar, em teoria, que uma luminária LED de 5700K poderá ter menos impacto na disrupção do ritmo circadiano do que uma luminária com sódio alta pressão.
Sobre esta questão, os investigadores Dr. Mark S. Rea e a Drª Mariana G. Figueiro do LRC(14) produziram um estudo com base em experiências de campo e que consistiu na criação de 3 cenários:
Cenário de referência, no qual um observador, colocado a uma distância de 1,5 m de uma coluna de 8,2 m com uma luminária viária equipada com uma lâmpada de sódio alta pressão com 150 W, olha diretamente para a mesma durante uma hora, com uma iluminância fotópica na córnea de 95 Lux.
- Cenário 1, no qual o observador está a uma distância de 3 m, a olhar para a coluna e na direção normal de marcha, durante 1 hora, com uma iluminância fotópica na córnea de 27 Lux.
- Cenário 2, no qual o observador está a uma distância de 10 m, a olhar diretamente para a luminária, durante 1 hora, com uma iluminância fotópica na córnea de 18 Lux.
Eram vários os observadores, com uma média de idade de 20 anos e com, aproximadamente, a mesma área de pupila.
Em cada cenário os observadores foram submetidos a uma fonte de luz VSAP, LED de 5200K, LED de 6900K e iodetos metálicos, com a mesma iluminância fotópica, ao nível da córnea, e para a mesma área de pupila.
Antes do teste foram feitas análises ao observador e detetados os níveis de melatonina no sangue. Após os testes foram novamente analisados os níveis de melatonina, para os diversos cenários.
Os resultados foram os seguintes:
- No cenário de referência, VSAP conduziu a reduções de melatonina de 15%, LED de 5200K reduções de 21%, LED de 6900K reduções de 30% e iodetos metálicos reduções de 14%.
- Nos dois cenários mais realísticos não foi possível detetar nenhum nível de redução de melatonina nos observadores, com VSAP, iodetos metálicos e LED de 5200K. Contudo com o LED de 6900K foi possível verificar uma redução de 12% no cenário 1 e de 15% no cenário 2.
Nota: No caso de observadores de maior idade são espectáveis reduções menores devido à maior densidade do cristalino e menor abertura da pupila. Do mesmo modo haverá menores reduções para tempos de exposição menores que uma hora.
Na Fig. 30 apresentam-se, com base em módulo de previsão, reduções de 25% e de 50% da melatonina versus diferentes níveis/fontes e área de pupila 2,3 mm.
A tudo o que aqui escrevi, adiciono uma primeira opinião, de 6/7/2017 do Comité Científico de Saúde, Riscos Ambientais e Emergentes, SCHEER, que avaliou, a pedido da Comissão Europeia “Possíveis riscos para a saúde humana de LEDs“.
“O Comité conclui que não há evidências de efeitos adversos diretos sobre a saúde no uso normal de LEDs (iluminação e exibição) pela população geral saudável”. Fonte: https://ec.europa.eu/health/sites/health/files/scientific_committees/scheer/docs/scheer_o_011.pdf
Mas vamos supor que num futuro próprio se viria a concluir que a iluminação pública com LEDs tem impactos sobre a saúde humana, para além de tudo a que me referi sobre a poluição luminosa. Nós vemos através dos nossos olhos, que por sua vez são os portais para o cérebro. Estes estão na face e numa posição vertical, portanto, o mais impactante será a iluminância vertical, contudo, na iluminação pública privilegiamos a iluminância horizontal.
Com isto em mente, peço-lhe que analise e reflita acerca das próximas imagens.
Conclusão | Parte VIII
A conclusão a retirar da orientação da AMA é a importância de combinar adequadamente os equipamentos de iluminação para cada situação, independentemente da tecnologia utilizada. Mais do que qualquer outra tecnologia, os LEDs oferecem a capacidade de fornecer para cada aplicação a quantidade certa de luz, com o espectro certo, onde se precisa e quando se precisa.
No entanto não obsta que se tenha em atenção algumas certezas:
- É verdade que a maioria dos utilizadores prefere a utilização de LEDs com temperatura de cor (TC) < 3000K por a considerarem mais confortável. Os utilizadores, de um modo geral, não gostam do “branco lunar”, também apelidado de “prision light”, dos LEDs >4000K.
- Estou convencido que as criticas que se centram na luz branca neutra dos LED se devem essencialmente ao encandeamento e às más fotometrias.
- Lembro que pelo efeito Purking e devido ao fator escotópico/fotópico aplicado em zonas pedonais ou de velocidade abaixo dos 30 Kms/h, de baixos níveis, quanto mais elevada for a TC do LED, melhor a sensação de luz em ângulos de visão periféricos e, portanto, maior eficiência, mas menor conforto visual.
- As luminárias com tecnologia LED utilizadas na IP são mais encandeantes e em zonas pedonais é importante reduzir brilhos excessivos e limitar ou anular a pixelização dos LEDs.
- É verdade que quanto maior for a TC do LED mais encadeamento este provoca.
- Do mesmo modo, quanto maior for a TC do LED maior interferência este tem no sistema circadiano, reprodutor, migratório, etc. da grande maioria dos seres vivos, e também, maior é o esplendor luminoso por ele causado.
- Os fabricantes e os investigadores não estão parados e, cientes destes problemas, procuram constantemente a melhoria da tecnologia. Vêm aí os FLEDs.
- Quando a prioridade é a economia e/ou a segurança, os atuais 6% em média de menos fluxo de um LED < 3000K pesam, mas quando o conforto visual dos cidadãos, o impacto no esplendor luminoso e na biodiversidade são prioritários, os atuais 6% a menos são facilmente recuperados face aos ganhos sociais e ambientais.
Face a tudo o que foi exposto, e com base no que se conhece hoje, é no projeto que se faz a diferença e se encontra a sustentabilidade caso a caso. O LED está longe de constituir um problema e quando bem aplicado é solução, com todas as mais valias que se lhe atribuem e onde cabem todas as temperaturas de cor.
Não obstante, a maioria dos artigos publicados acerca das preocupações com a luz artificial à noite, com os problemas da poluição luminosa, sobre a “luz azul” e os seus impactos, apontam o dedo aos LEDs e têm razão, mas não pelos motivos muitas vezes referidos.
É importante lembrar que essas questões existem há décadas, muito antes do surgimento da tecnologia LED.
Referências
- (1) American Medical Association — Human and Environmental Effects of Light Emitting Diode (LED) Community Lighting
https://www.darksky.org/wp-content/uploads/bsk-pdf-manager/8_IDA-BLUE-RICH-LIGHT-WHITE-PAPER.PDF
NPR24 — Bright, Bluish-White LED Streetlamps Disrupt Sleep Cycles, AMA Says
Lighting Research Center — Response to the 2016AMAReport on LED Lighting
IES Board Position on AMA CSAPH Report 2-A-16, Human and Environmental Effectsof Light Emitting Diode (LED) Community Lighting
- (2) http://physics.info/color/
- (3) Light Spectral Power Distribution Database ( http://galileo.graphycs.cegepsherbrooke.qc.CA/app/en/home )
- (4) http://energy.gov/eere/ssl/downloads/light-post-july-2016
- (5) http://www.darksky.org/category/outdoor-lighting/
- (6) Manual de Poluição Luminosa/CPI
- (7) https://pt.wikipedia.org/wiki/Teoria_de_Mie
- (8) The impact of light source spectral power distribution on sky glow — Christian B. Luginbuhl, Paul A. Boley , Donald R. Davi
- (9) Improving Street Lighting — Peter Hiscocks, P. Eng — October 2016
- (10) Departamento do meio ambiente da Catalunha — La problemática de la Contaminación lumínica en la conservación de la Biodiversidad
- (11)http://www.ledsmagazine.com/articles/2017/03/the-led-streetlights-on-this-north-sea-island-are-for-the-birds.html
- (12) All Things Lighting — Botanical Light Pollution
- (13) Optical Safety of LEDs — US, Department of Energy
- (14) ASSIST-TechnicalPaper-OutdoorLightingCircadianAnalysis
Outras referências
- http://www.lrc.rpi.edu/programs/solidstate/assist/pdf/AR-DiscomfortGlare.pdf
- LRC’s ASSIST Recommendations Provide New Methods for Evaluating Street and Roadway Lighting, Estimating Discomfort Glare
- ILLUMINA project: Heterogeneous modeling of artificial sky radiance — Martin Aubé, Ph.D
- Improving Street Lighting — Peter Hiscocks, P. Eng phiscock@ee.ryerson.ca October 2016
- Pedestrian friendly outdoor lighting — Gateway demonstrations — US, Department of Energy
- IEEE Photonics Journal — Research on the Lighting Performance of LED Street Lights With Different Color Temperatures
- US Department Energy — Pedestrian Friendly Outdoor lighting
- Is LED Street Lighting Bad for Your Health? | Lam Partners | Architectural Lighting Design
Artigo técnico da autoria do Eng. Alberto Vanzeller, publicado em dezembro de 2017 no site Aura Light Portugal
