Outil pour gérer l'éclairage: les indices spectraux

Avant-propos

La lumière artificielle a des impacts importants sur tous les processus vivants et plus particulièrement sur l’intégrité nocturne (faune, flore, ciel étoilé) et la santé humaine.

Pour estimer l’impact de la lumière artificielle sur les processus biologiques, il est essentiel de porter une attention particulière au spectre de la lumière émise. En effet, depuis des milliards d’années, les organismes vivants ont évolué sous un cycle de lumière naturelle qui fluctue selon l’emplacement géographique et les saisons. Cette fluctuation a conditionné l’apparition de systèmes photosensibles et d’horloges biologiques chez les organismes vivants. Elle a permis à ces organismes de développer une représentation spatiale de leur environnement et donc de s’y adapter. Par conséquent, la lumière joue un rôle essentiel dans la régulation de plusieurs processus biologiques et chacun d’eux a développé sa propre sensibilité spectrale. À titre d’exemple, la plage de lumière bleue dans le spectre de la lumière naturelle du soleil joue un rôle crucial pour l’éveil dans la synchronisation de l’horloge biologique des organismes vivants.

Par ailleurs, depuis une centaine d’années, les organismes vivants sont perturbés par la lumière artificielle sans cesse grandissante dans notre environnement tant nocturne que diurne. Cette lumière fait partie intégrante de notre environnement sans qu’on s’attarde aux effets bénéfiques ou indésirables. Le choix des ampoules pour s’éclairer est vaste et on ne sait pas trop par où commencer pour faire un choix éclairé. Les choix sont principalement basés sur l’économie énergétique. On se préoccupe peu de l’impact qu’à la lumière émise sur la santé humaine et sur l’environnement.

À titre d’exemple, lors de l’achat d’une ampoule domestique, nous avons les informations suivantes :

Photo-boite-ampoule

Crédit photo : Johanne Roby

  • Watt: puissance consommée
  • Lm/W: efficacité lumineuse
  • CCT (Correlated Color Temperature) : température de couleur en Kelvin (pas suffisant pour connaître le spectre de la lumière émise)
  • CRI (Color renderring Index) : rendu de couleur

Impact de la lumière émise sur la santé humaine et l’environnement = aucune information disponible et il s'avère un facteur très important.

Pour remédier à cette lacune, en 2013, le groupe de recherche sur la pollution lumineuse du Cégep de Sherbrooke a développé trois nouveaux indices spectraux qui permettent d’estimer l’impact potentiel de la lumière émise (distribution spectrale) par un dispositif d’éclairage sur trois processus biologiques : 1- la suppression de la mélatonine, appelé aussi hormone du sommeil, 2- la vision scotopique appelée aussi vision de nuit et 3- la photosynthèse. Ces trois indices sont : 1- MSI : Melatonin Suppression Index, 2- SLI : Star Light Index, 3-IPI : Induced Photosynthesis Index [1]. Ces indices permettent de comparer, de façon objective, les différentes technologies d'éclairage existantes sur le marché. On les retrouve dans la fiche des ampoules sur la LSPDD ou on les obtient à l’aide de la feuille de calcul disponible en ligne sur le site. Ces indices ont fait l'objet d'une publication en 2013 par Aubé et al [1].

Ils prennent des valeurs de 0 à 1; 0 indique peu d’impact et 1 indique que la lampe a autant d’impact qu’un soleil de midi. Certaines lampes vont au-delà de cette valeur, ce qui signifie que son impact est plus grand que celui du soleil de référence.

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Indice de suppression de la mélatonine (MSI)



Cet indice mesure l’impact de l’éclairage artificiel sur la suppression de mélatonine. Il a été développé à partir de la sensibilité spectrale d’un photopigment non-visuel retrouvée dans les cellules ganglionnaires présentes dans la rétine, la mélanopsine (Figure 1). Ce photopigment possède une sensibilité spectrale allant de 425nm à 560nm avec un maximum dans la zone des longueurs d’onde bleue soit à ~480nm [2]. Lorsque ce pigment capte la lumière, il envoie un signal aux noyaux suprachiasmatiques de l’hypothalamus (au cerveau), ce qui inhibe la production de la mélatonine (une hormone indicatrice de la noirceur) et maintient l’état d’éveil. Au contraire, lorsque peu de lumière bleue atteint l’œil, l’hypothalamus sécrète plus de mélatonine, ralentit le métabolisme et prépare le corps au repos. Les organismes vivants ont évolués sous un cycle naturel jour/nuit. Ce dernier a été perturbé par l'apparition de la lumière artificielle. S'il y a une exposition prolongée à la lumière dans le cycle de nuit, l’organisme est à risque d’avoir un déficit de mélatonine. Cette dernière régule nos rythmes biologiques. Elle possède aussi des propriétés anti-oxydantes, anti-tumorales et cardio-protectrices [3]. Des données scientifiques récentes suggèrent qu’un éclairage inadéquat et à des moments inopportuns peuvent modifier les sécrétions de mélatonine, perturber le sommeil et augmenter le risque de développer certaines maladies tel que l’obésité [4] , de diabète [5] et même de certains cancers [6].

Mélanopsine

Figure 1. Sensibilité spectrale de la mélanopsine, un photopigment découvert en 2001 par Brainard. La sensibilité spectrale maximale se situe dans les ondes bleues du spectre à ~480nm [2]. L’œil répond à cette longueur d’onde pour stimuler l’éveil chez plusieurs organismes vivants.

D’autre part, la lumière émise par la plupart des dispositifs d’éclairage que l’on retrouve sur le marché contient une proportion importante de lumière bleue (Figure 2). La technologie des diodes électroluminescentes (DELs) contient un pic important dans la région des longueurs d'onde bleu. Ce pic correspond exactement à la sensibilité maximale de la mélanopsine. Il serait donc approprié d’utiliser des éclairages riches en bleu en début de journée et déficient en bleu en fin de journée (Fig. 3).

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Figure 2. Distribution spectrale de différents types d’éclairage à lumen constant. a. Différentes technologies d’éclairage extérieur, b.Les diodes électroluminescentes dans 3 couleurs de températures différentes (5000K = blanc froid, 4000K = blanc neutre, 2700K = blanc chaud). c. Première technologie d’éclairage à incandescence. On peut voir que les technologies les plus récentes contiennent une grande proportion de lumière bleue. Le CIE D65 est un Iluminant standard de la Commission internationale de l’Éclairage (CIE) utilisé comme référence dans le calcul des indices. Le D65 correspond à un soleil de midi avec un CCT de ∼6500 K. (Figure modifiée de Aube and al (2013) [1])

L’indice MSI permet de déterminer le type d’ampoule à utiliser selon l’usage. À titre d’exemple, une ampoule avec un MSI élevé sera favorisée le matin. En effet, cette ampoule contiendra une grande proportion d’ondes bleues et stimulera l’éveil. À l’inverse, un MSI bas sera favorisé en soirée pour éviter la suppression de la mélatonine et favoriser le sommeil (Figure 3).

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Figure 3. Indice MSI (Melatonin Suppression Index). Un indice qui tend vers 0 favorise l’état de sommeil et suggère l’utilisation d’ampoule dans les teintes de jaune orangé pour éviter de perturber l’horloge biologique en soirée. Un indice qui tend vers 1 favorise l’état d’éveil et suggère l’utilisation d’ampoule dans les teintes blanches et bleutées pour favoriser la suppression de mélatonine en début de journée.



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Indice de visibilité des étoiles (SLI)



Cet indice mesure l’impact des différentes lampes sur la capacité de l’œil humain à voir les étoiles. Il a été développé à partir de la sensibilité spectrale de la vision de nuit, c'est à dire, la vision scotopique.

En effet, la sensibilité spectrale de l’œil humain varie au fur et à mesure du cycle naturel de la lumière jour/nuit, en lien avec la couleur et l’intensité de celle-ci. La figure 4 montre les courbes de sensibilité spectrale de l’œil humain (photopique = de jour, scotopique = nuit, mésopique = intermédiaire) et les intensités lumineuses qui balisent ces phénomènes. On remarque que la vision scotopique se produit lorsque la luminance est inférieure à 0,001 cd / m² [ref]. Pour l’œil humain, ces conditions sont essentielles pour l’observation du ciel étoilé. La plupart des lumières atificielles que l'on retrouvent la nuit dépasse largement cette valeur de luminance. Elle se situe plutôt dans les zones de vison mésopique et photopique. Une autre caractéristique importante sur la courbe scotopique est que la sensibilité maximale est déplacée vers le bleu par rapport à la courbe photopique. Fondamentalement, cela signifie que, pour la même lumière, une lampe avec une plus grande contribution dans la partie bleue du spectre devrait générer plus de perturbations pour l’observation du ciel étoilé et la vision nocturne de l'humain en général. Ainsi, un indice SLI qui tend vers 0 est favorable pour l'observation nocturne et un indice qui tend vers 1 pertubera cette dernière (Fig. 5). De plus, tel que mentionné précédemment, la lumière émise par la plupart des dispositifs d’éclairage que l’on retrouve sur le marché contient une proportion importante de lumière bleue (Figure 2). Si l'installation de lumières artificielles sont nécessaires près des zones d'observation du ciel étoilé, il serait approprié d'utiliser des éclairages déficients en bleu et riche en lumière jaune-orangée pour maximiser l'observation du ciel étoilé.

Il est à noter que les dispositifs d'éclairage doivent respecter quatre paramètres de base pour diminuer la pollution lumineuse (Figure 6) soit: a-la quantité de lumière émise, b-l'orientation de la lumière émise, c-la couleur de la lumière émise, et d- la période d'utilisation de la lumière émise.

Vision de l'oeil humain

Figure 4. A. Courbes de sensibilité spectrale de l’œil humain (photopique = de jour, scotopique = nuit, mésopique = intermédiaire) et B. Intensités lumineuses qui balisent les sensibilités spectrales de l'oeil humain . On remarque que la vision scotopique se produit lorsque la luminance est inférieure à 0,001 cd / m2. Pour l'indice SLI, nous avons retenu la courbe de vision scotopique adoptée par la commission internationale de l'éclairage (CIE) en 1951 [ref].

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Figure 5. Indice SLI (Star Light Index). Un indice qui tend vers 0 favorise l’observation du ciel nocturne en évitant de saturer les bâtonnets situés dans la rétine de l’œil. À l’inverse, un indice qui tend vers 1 sature les bâtonnets et diminue la capacité de l'oeil pour une vision maximale dans l'obscurité.

Bonne pratique d'éclairage

Crédit image : Astrolab du Mont Mégantic

Figure 6. Les 4 principes d'éclairage de base pour diminuer la pollution lumineuse (X= mauvaise pratique, √= bonne pratique). a-Quantité : éviter de suréclairer en diminuant l’intensité du flux lumineux. b- Orientation : orienter le flux lumineux là où cela est nécessaire. c- Couleur : éviter les sources lumineuses trop blanches. Ces dernières contiennent une proportion importante de lumière bleue qui est nuisible à la santé et à l’environnement. Favoriser des sources lumineuses de couleur jaunâtre ou ambrée. d- Période : éclairer selon les besoins et quand cela est nécessaire. En plus de contribuer à la protection de la santé et l’environnement, ces 4 principes permettent des économies d’argent et de ressources primaires.



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Indice de photosynthèse (IPI)



Cet indice mesure l’impact des différentes lampes sur la capacité des végétaux à produire la photosynthèse. Il a été développé à partir de la sensibilité spectrale de la photosynthèse.

En construction....

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Figure 7. Indice IPI (Induced Photosynthesis Index). Un indice qui tend vers 1 favorise la photosynthèse chez les végétaux tandis qu'un indice qui tend vers 0 la défavorise.





[1] Aubé M, Roby J, Kocifaj M (2013) Evaluating Potential Spectral Impacts of Various Artificial Lights on Melatonin Suppression, Photosynthesis, and Star Visibility. PLoS ONE 8(7): e67798. doi:10.1371/journal.pone.0067798.

[2] Brainard GC, Hanifin JP, Greeson JM, Byrne B, Glickman G, et al. (2001) Action spectrum for melatonin regulation in humans: Evidence for a novel circadian photoreceptor. J Neurosci 21(16): 6405–6412.

[3] Hardeland, R, Cardinali, DP, Srinivasan, V, Spence, DW, Brown, GM, Pandi-Perumal, SR, « Melatonin : a pleiotropic, orchestrating regulator molecule », dans Progress in Neurobiology, 2011, 93, pp. 350–384.

[4] Spiegel K, Tasali E, Penev P, Van Cauter E (2004) Sleep curtailment in healthy young men is associated with decreased leptin levels, elevated ghrelin levels, and increased hunger and appetite. Ann Intern Med 141(11): 846–850. doi: 10.7326/0003-4819-141-11-200412070-00008; Fonken LK, Workman JL, Walton JC, Weil ZM, Morris JS, et al. (2010) Light at night increases body mass by shifting the time of food intake. Proc Natl Acad Sci U S A 107(43): 18664–18669. doi: 10.1073/pnas.1008734107

[5] Spiegel K, Knutson K, Leproult R, Tasali E, Van Cauter E (2005) Sleep loss: A novel risk factor for insulin resistance and Type 2 diabetes. J Appl Physiol 99(5): 2008–2019. doi: 10.1152/japplphysiol.00660.2005

[6] Hansen J (2001) Light at night, shiftwork, and breast cancer risk. J Natl Cancer Inst 93(20): 1513–1515. doi: 10.1093/jnci/93.20.1513; Blask DE, Brainard GC, Dauchy RT, Hanifin JP, Davidson LK, et al. (2005) Melatonin-depleted blood from premenopausal women exposed to light at night stimulates growth of human breast cancer xenografts in nude rats. Cancer Res 65(23): 11174–11184. doi: 10.1158/0008-5472.can-05-1945; Stevens RG (2009) Light at night, circadian disruption and breast cancer: Assessment of existing evidence. Int J Epidemiol 38(4): 963–970. doi: 10.1093/ije/dyp178; Stevens RG (2011) Testing the light at night (LAN) theory for breast cancer causation. Chronobiol Int 28(8): 653–656. doi: 10.3109/07420528.2011.606945; Kloog I, Haim A, Stevens RG, Barchana M, Portnov BA (2008) Light at night co-distributes with incident breast but not lung cancer in the female population of Israel. Chronobiol Int 25(1): 65–81. doi: 10.1080/07420520801921572; Kloog I, Stevens RG, Haim A, Portnoy BA (2010) Nighttime light level co-distributes with breast cancer incidence. Cancer Causes Control 21: 2059–2068. doi: 10.1007/s10552-010-9624-4; Kloog I, Haim A, Stevens RG, Portnov BA (2009) Global co-distribution of light at night (LAN) and cancers of prostate, colon, and lung in men. Chronobiol Int 26(1): 108–125. doi: 10.1080/07420520802694020; Haim A, Yukler A, Harel O, Schwimmer H, Fares F (2010) Effects of chronobiology on prostate cancer cells growth in vivo. Sleep Science 3(1): 32–35.