- В чем разница между люменом и люксом?
- Что такое ССТ, CRI и цветовые координаты?
- Какая лампа светит ярче?
- Кратко о фотосинтезе
- Какими единицами измеряются лампы для растений?
- Можно ли сравнивать спектры ламп?
Все рассматриваемые ниже понятия не очень нужны для успешного содержания аквариума. Поэтому все это смело можно пропустить. Однако, современные производители ламп указывают эти параметры, причем, к сожалению, многие компании, торгующие аквариумными лампами плохо сами понимают все эти параметры и используют их в рекламных целях. Поэтому я постарался описать кратко (предельно кратко) некоторые понятия, которые используя для описания ламп. Что-то вроде crash-course по фотометрии и цветоведении.
В чем разница между люменом и люксом?
Все мы помним из школьного (или институтского) курса физики, что мощность измеряется в ваттах. В том числе и электрическая, которую потребляют лампы. Часть этой мощности теряется в лампе, часть излучается в виде видимого и невидимого (ультрафиолетового и инфракрасного) излучения. Причем большая часть, в виде теплового, инфракрасного излучения. На долю видимого излучения приходится всего около 5% мощности в лампах накаливания и около 10-15% в люминесцентных лампах. Не густо, прямо скажем. Но пока ничего нового не придумали и всякие источники холодного света (вроде светлячков) недостаточно мощные.
Мрщность светового потока, излучаемого лампой можно измерять несколькими способами, которые можно разделить на две группы. Первый способ - измерять энергию излучаемую лампой. Так измеряютмя обычно спектральные характеристики ламп - т.е. какая энергия приходится на ту или иную длину волны (точнее на узкий диапазон длин волн, но не будеи вдаваться в тонкости). Данные обычно даются в виде спектральной кривой и измеряются в W/nm. Второй способ - это привязаться к какому-либо приемнику света, самый распространненый приемник света - это человеческий глаз. Достаточно логичный выбор. Поскольку глаз имеет разную чувствительность (график приведен в разделе ниже) в разных дипазонах длин волн (максимальная чувствительность в районе 555 nm - желто-зеленый цвет), то очевидно, что одинаковое количество энергии в разных участках спектра будет производить различных эффект на зрительное восприятие. Например, мощный источник излучающий голубой цвет будет казаться нам тусклым (лампа закрытая голубым светофильтром), а источник излучающий мегаватты тепла в инфракрасном диапазоне будет казаться черным. Поэтому вместо энергетических величин используются световых величины в фотометрии. Мощности соответствует световой поток, измеряемый в люменах. Один ватт излучаемый на длине волны 555 нм соответсвует 683 лм. Для остальных длин волн надо просто помножить значение кривой чувствительности глаза на мощность, излучаемую на данной длине волны. Чтобы найти полное количество люменов излучаемое лампой надо просуммировать (или проинтегрировать, для тех кто не боится такого слова) количство люменов для всех длин волн.
К сожалению, в реальности, чувствительность глаза гораздно более сложная штука и источники света с одинаковым световым потоком могут казаться для глаза имеющимим разную яркость. Об этом написано в разделе ниже
Чтобы измерить световой поток лампы используются всякие методы - самый удрбный (но не в домашних условиях) - использование фотометрического шара, еще удобнее - заглянуть в каталог. Для ламп используется понятие светоотдачи (efficacy), характеризующее количество излучаемых люменов на единицу потребляемой (но не излучаемой) мощности - например, для ламп накаливания она равна 17 Лм/Вт (т.е. 100 Вт лампа накаливания излучает световой поток примерно 1700 люменов).
Понятно, что лампы одинаковой мощности, но с разными спектрами излучают разный световой поток в люменах, дяже если излучаемые мощности равны между собой. Наиболее эффективна в этом смысле люминесцентная лампа с цветовой температурой в диапазоне 5600K-6500K (соответствует холодно-белому и дневному цветам). Лампы с широким спектром (wide-spectrum), у которых улучшенный коэффициент цветопередачи, обладают более низкой светоотдачей, поскольку в спектре такой лампы должны более или менее присутствовать все спектральные компоненты, при этом голубые и красные цвета имеют малую "производительность" люменов на ватт.
С лампами, предназначенными для выращивания растений дело обстоит еще хуже, поскольку в их спектре присутствую синяя и красная компоненты и практически отсцтствует зеленая (поэтому они имеют розовато-фиолетовый цвет). Например, стандартная лампа мощностью 20Вт излучает примерно 1300 Лм, в то время как лампа для растений такой же мощности - только 700-750 Лм.
Надо помнить, что если вы используете лампу для подсветки рыб, что вам их было виднее, то лампа с наибольшим количеством люменов наиболее оптимальна, однако если вас интересует выращивание растений, то люмены отходят на второй план, поскольку растения чувствительнее к другим участкам спектра, нежели человеческий глаз и понятие люмен может для них использоваться достаточно условно. Более правильным является понятие PAR, но измерить излучение оампы в этих единицах - практически нереально из-за отсуствия аппаратуры.
Вторым широко используемым фотометрическим понятием является освещенность, измеряемая в люксах. С этой величиной знакомы все, занимающиеся фотографией - именно она определяет экспозицию и ее меряет экспонометр. Освещенность равна отношению величини светового потока, проходящего через плоскую площпдку, к площади этой площадки, подразумевая, что поток параллельный и постоянный по площадке. Отсюда и единица измерения освещенности - люкс, равный одному люмену деленному на один квадратный метр. Иногда , в англоязычной литературе встречается единица footcandle (fc), она равна одному люмену на квадратный фут (примерно 10 люкс).
К освещенности применимы несколько практических законов.
Правило косинусов - освещенность площадки, наклонненой на определенный угол между перпендикуляром к поверхности и направлением параллельного потока, равна освещенности площадки, находящейся под углом 90 градусов к направлению потока, умноженному на косинус этого угла. Достаточно просто, например, если повернуть площадку так, что она будет параллельная лучам света, то освещенность на ней будет равна нулю.
Правило обратных квадратов - освещенность площадки обратно пропорциональная квадрату расстояния между источником и площадкой. Это верно только для точеченых источников света, например при удалении настольной лампы от стола на вдвое дальнее расстояние, освещенность на столе уменьшится в 4 раза.
Об этих правилах надо помнить, когда вы проектируете системы освещения для аквариума.
Остальные фотометрические величины (сила света, ярокость и т.д.) можно найти в любом справочнике по фотометрии.
| к началу страницы
назад к оглавлению
|
Что такое CCT, CRI и цветовые координаты?
Эти два значения можно встретить во многих каталогах ламп, но далеко не все понимают, что они обозначают.
CCT (Correlated Color Temperature, цветовая температура) и CRI (Color Rendering Index, коэффициент цветопередачи) - два параметра, используемые для характеристики цвета источников света.
 |
Здесь изображен спектр видимого диапазона (длина волны в нанометрах). |
|
Цвет источника света можно выразить с помощью двух цветовых координат - x,y. На рисунке изображен цветовой треугольник в системе координат МКО (CIE). Поскольку монитор компьютера (как и телевизор) не может передать все цвета на этом треугольнике, то некоторые цвета выглядят неверно. Например, точка (0.3, 0.33) примерно соответствует белому цвету, точка (0.2, 0.15) - синему и т.д. На границе фигуры изображены цвета, соответствующие длинам волн - чистым тонам Черная линая на диаграмме цветов - black body locus - линия, вдоль которой меняется цвет абсолютно черного цвета при его нагревании. Точками отмечены некоторые люминесцентные лампы. Температура черного тела измеряется в градусах Кельвина (K) . |
 |
ССT лампы - это температура абсолютно черного тела, которое имеет "ближайший" цвет к данной лампе. Она ничего не говорит о том как нагрето тело накала или дуга лампы, а характеризует цвет только лишь. Достаточно просто, но данное понятие ничего не говорит о том, насколько близки цвета лампы и абсолютно черного тела. Поэтому его можно использовать только для определения цвета лампы в общем, например лампы с CCT - 2880-3200K имеют желтоватый оттенок ("теплый", "warm" цвет), лампы с CCT 3500K - "нейтральный" белый цвет, лампы с CCT 4100K - "холодный", "cool" белый цвет, лампы с CCT - 6500-10000 - голубоватый оттенок. Сравнение цветов для различных значений ССТ дано в таблице. Цвет и цвет лампы - приблизительный, поскольку они отличаются у разных изготовителей.
| ССТ (K) | Цвет лампы | Тип лампы | Цвет | Сравнительный источник света |
|---|---|---|---|---|
| 10000 | Специализированные аквариумные лампы | Синий | Ясное небо | |
| 9500 | ||||
| 9000 | ||||
| 8500 | Very cool | |||
| 8000 | Ясное небо и солнце | |||
| 7500 | Голубой | |||
| 7000 | Облачное небо | |||
| 6500 | Daylight | Ртутная лампа, CRI=15 Металло-галоидная лампа, CRI=70 |
||
| 6000 | ||||
| 5500 | ||||
| 5000 | Ртутная лампа с покрытием, CRI=30-50 | Светло-голубой | Полуденный свет | |
| 4500 | Cool | Cool White Fluorescent, CRI=65 Clear Metal-Halide, CRI=65 |
||
| 4000 | 4000K Fluorescent Lamp, CRI=70-80 | |||
| 3500 | Neutral |
Warm White Fluorescent Lamp, CRI=70-80 |
Белый | |
| 3000 | Warm | Warm White Fluorescent Lamp, CRI=70-80 Лампа накаливания, CRI=99+ Incandescent quality HPS, CRI=80 |
||
| 2500 | HPS, CRI=22 | Желтый | ||
| 2000 | Low Pressure Sodiem (LPS), CRI<10 | Оранжевый | Восход/заход солнца | |
| 1500 | Красный | Свеча |
Не надо путать CCT с цветовой температурой, используемой широко в курсах физике, которая определяется как температура абсолютно черного тела, спектральная кривая которого наиболее близка к кривой данного источника. Такое определение хорошо работает для источников, где рабочим тело является нить накал и спектр непрерывный. Для люминесцентных ламп с линейчатым спектром данное определение не имеет никакого смысла
Второе значение - CRI, коэффициент цветопередачи, характеризует насколько близки к "истинным" будут видны цвета объектов, при рассматривании их при свете лампы. Под "истинными" понимаются цвета при рассматривании с использованием тестового источника. Для определения CRI вычисляется среднее значение отклонения цветовых координат x,y при рассматривании набора тест цветов. CRI принимает значения от 0 до 100. CRI, равный нулю, соответствует свету, который не передает цветов вообще, например, черно-белому телевидению. CRI, равный 100, соответствует источнику, который передает цвета также как и тестовый источник - лампа накаливания (для источников с CCT<5000K) или "daylight" (для ламп с CCT>5000K).
Сравнивать значения CRI можно только для ламп с одинаковым значением CCT, иначе такое сравнение теряет смысл.
| к началу страницы
назад к оглавлению
|
Какая лампа светит ярче?
Выше, в разделе про люмены, было сказано, что люмены привязаны к чувствительности человеческого глаза. Поэтому, по идее, они должны абсолютно точно характеризовать кажущуюся яркость источника света при рассматривании его глазом. Однако это не так. если взять две лампы с одинаковым световым потоком, но с разной цветовой температурой (CCT), то окажется, что лампа с более высоким значением ССТ кажется более яркой для глаза. Если взять люксметр и померить освещенность от этих ламп, то окажется, что она абсолютно одинакова. В чем проблема?
|
Как многие помнят, светочувствительным элементами в глазу являются палочки и колбочки. Как учат обычно, палочки отвечают за ночное (scotopic) зрение, колбочки - за дневное (photopic). На графике слева показаны относительные кривые чувствительности этих двух фоторецепторов. Как видно, максимум чувствительности палочек сдвинут в область синего цвета - эффект Пуркинье (на этом основаны всякие опыты с рассматриванием синего и красного квадратов при сильном освещении, когда красный кажется более ярким и при слабом освещении, когда более ярким кажется синий квадрат). На графике даны относительные кривые. Абсолютный максимум чувствительности палочек больше значения для колбочек примерно в 2.5 раза. Колбочки находятся, в основном, в центре сетчатки глаза, в пределах очень небольшой области, палочки распределены в остальной области сетчатки (за счет этого периферическое зрение в сумерках лучше) и их количество примерно в десять раз превышает число колбочек. Палочки не различают цветов, поэтому в темноте все кошки одного цвета.
|
Обычно полагается, что колбочки видят днем, а палочки в сумерках. Все, точка. Однако это не так. Палочки тоже принимают активное участие в деятельности глаза при нормальном осевещении. Когда измеряется кривая чувствительности глаза, то используется так называемый "стандартный наблюдатель", который рассматривает источник света под маленьким углом. Это делается для того, чтобы получить кривую светочувствительности колбочек, которые находятся в центре сетчаткии (т.е. воспринимают свет в малом угле). Соответственно, все фотометрические приборы, градуированные с учетом этой чувствительности, измеряют свет так, как если бы он был бы сосредоточен в малом угле. Но рассматриваем-то мы предметы используя всю сетчатку, т.е. угол гораздно больше. При этом палочки тоже принимают участие, а они более чувствительны к более коротким длинам волн. Если бы мы рассматривали лампы в малом угле, например, удаленную от нас или через маленькое отверстие, то все было в точности, как у показывает люксметр - лампа, спектр которой ближе к кривой светочувствительности колбочек, будет казаться более яркой (такие эксперименты впечатляют - когда лампа, которая кажется менее яркой из двух при рассматривании через маленькое отверстие в экране, становится более яркой, когда экран убирается).
Поэтому понятно, что для протяженного источника света наличие "синих" компонент в спектре делает его более ярким для глаза. Согласно исследованием, проведенным Берманом (Sam Berman), кажущаяся яркость лампы определяется значением: P (S/P)0.78 Где P - световой поток лампы в люменах (photopics lumens), S - величина, аналогичная люменам, но вычисленная с учетом кривой чувствительности сумеречного зрения (так же, как и описано выше для люменов, необходимо просуммировать энергию лампы с учетом спектральной кривой сумеречного зрения). В таблице приведены значения фактора (S/P)0.78 для различных ламп, которое мало меняется в зависимости от мощности лампы.
| Лампа | S/P | Фактор L=(S/P)0.78 |
| Натриевая лампа низкого давления (LPS) | 0.23 | 0.49 |
| Натриевая лампа высокого давления, 50W (HPS, ДНаТ) | 0.62 | 0.69 |
| Ртутная лампа без покрытия на колбе | 0.80 | 0.84 |
| Люминесцентная лампа тепло-белого света (WW) | 1.00 | 1.00 |
| Натриевая лампа высокого даления с покрытием на колбе, 150W | 1.14 | 1.11 |
| Лампа накаливания | 1.41 | 1.31 |
| Люминесцентная лампа холодного света (CW) | 1.46 | 1.34 |
| Металло-галоидная с парами натрия и скандия (ДРИ-5) | 1.49 | 1.36 |
| Галогенная | 1.50 | 1.37 |
| 4100K люминесцентная /741 | 1.54 | 1.40 |
| 4100K люминесцентная /841 | 1.62 | 1.46 |
| 5000K люминесцентная /850 | 1.96 | 1.69 |
| Металло-галоидная с парами таллия (ДРИ) | 2.10 | 1.78 |
| Лампа Vita-Lite (специальная лампа с широким спектром), 5500K | 2.14 | 1.81 |
| Люминесцентная лампа дневного света (D, DL, ЛД) | 2.22 | 1.86 |
| Солнце (стандартный источник света D55) | 2.28 | 1.90 |
| Fusion Lighting Sulfur Lamp | 2.32 | 1.93 |
| Солнце в облачный день (стандартный источник D65) | 2.47 | 2.02 |
| 7500K люминесцентная лампа (актиничная лампа) | 2.47 | 2.02 |
Для чего это все может оказаться полезным. Если вы делаете "рыбный" аквариум без растений или с теми растениями, которым не нужно много света, то вам выгоднее использовать лампы, при которых аквариум кажется глазу более ярко освещенным. Если использовать лампы более высокой цветовой температуры, то можно сэкономить на электроэнергии и иметь меньше проблем с водорослями, поскольку световой энергии (водоросли не имеют палочек и колбочек, а для фотосинтеза важны не люмены, а фотоны, как рассказано ниже).
Допустим, у вас есть выбор трех ламп с одинаковой мощностью (мощность лампы накаливания выбрана так, чтобы получить примерно такой же световой поток, из расчета 17 Lm/W, что и у лампы ЛБ). Световые параметры ламп взяты из каталога Osram
| Лампа | Мощность, W | Световой поток, Lm | CCT, K | L | Визуальный световой поток, Lm |
|---|---|---|---|---|---|
| F20T12/WW | 20 | 1250 | 3000 | 1.00 | 1250 |
| Лампа накаливания | 70 | 1190 | 2900 | 1.31 | 1600 |
| F20T12/CW | 20 | 1175 | 4100 | 1.34 | 1575 |
| F20T12/D | 20 | 1075 | 6500 | 1.84 | 1980 |
Отсюда видно, что лампа дневного света примерно на 25% "ярче" лампы холодного света, несмотря на то, что она имеет меньший световой поток. Лампа тепло-белого света - отпадает. Кстати, по этой же причине не стоит ососбо доверять рекламным обьявлениям, которые помещают на компактные (power compact) лампы, предназначенные для замены ламп накаливания. Да, по световому потоку такая лампа эквивалентна 4-5 лампам накаливания, но попробуйте поставить ее в коридоре. Я уже так попытался сделать. Светит гораздно тусклее чем лампа накаливания.Пришлось вкрутить другую компактную лампу. Да и то мне не понравилось, по причине, описанной ниже.
Также исследования Бермана показывают, что размер зрачка глаза, помимо общего уровня освещения (он больше в темноте, чтобы больше света попадало в глаз и наоборот), зависит от наличия "синих" составляющих в спектре лампы. Поскольку глаз достаточно несовершенная оптическая система, то он обладает значительными аберрациями, которые снижают остроту зрения. Уменьшение димаетра зрачка ведет к уменьшению аберраций (аналогично тому, как дырка, проделенная иголкой в листе бумаге позволит вам видеть гораздно лучше без очков). Поэтому лампы с высоким (S/P) коэффициентом позволят вам быстрее заметить белые точки на хвосте рыбы и поднять тревогу.
Вы уже побежали выкидывать ваши лампы накаливания в аквариуме? Нет, не надо торопиться. Есть еще такой график, называемый графиком Круитхофа (Kruithof), который показывает соотношение освещенности и цветовая температура, наиболее "приятные" для глаза.
|
Этот график используется при проектировании освещения в музеях и т.п., но его можно, вероятно, использовать и для аквариума. Заштрихованная область справа, там где освещение кажется холодным, слева - неестественным. Все это относится к аквариуму, предназначенному для наблюдения. В аквариуме с растениями следует выбирать освещение исходя из требований растений. Из графика видно, что если у вас аквариум с тусклым освещением, то не стоит ставить люминесцентную лампу ЛД с высокой цветовой температурой. Аквариум будет выглядеть неестественно. Аналогично, если у вас ярко освещенный аквариум на витрине, то лучше поставить алмпы с более высокой цветовой температурой, к тому же их нужно меньше, для достижения того же эффекта.
|
И последнее. Необходимо учесть, когда вы делаете снимки, особенно на цифровую камеру, что у нее кривая чувствительности другая и то, что вам кажется приятным розовым цветом, на снимке может быть непонятно каким цветом. Не забывайте менять "белую точку" на цифровой камере. Но это для отдельного раздела и в описании камеры об этом сказано.
| к началу страницы
назад к оглавлению
|
Кратко о фотосинтезе
Фотосинтез - процесс, в результате которого энергия света превращается в энергию, используемую биологическими системами.
6CO2 + 6H2O + фотоны + хлорофилл -> C6H12O2 + 6O2 + хлорофилл
Фотосинтез осуществляют различные организмы - от растений до бактерий (например, сине-зеленые водоросли являются на самом деле циано-бактериями). Большинство организмов (исключая всякие экзотические виды бактерий, которые вряд ли имеют значение в аквариуме) в процессе фотосинтеза поглощает углекислый газ, восстанавливая из него углерод для получения органических соединений. Электроны для такой восстановительной реакции беруться из воды. В результате фотосинтеза образуется кислород. Энергия используется за счет поглощения света различными пигментами - в основном, хлорофилом (поглощающий свет в синем и красном участках спектра) и каротином (поглощает синий и зеленые участки спектра). Некоторые виды бактерий содержат другие пигменты, которые способны поглощать инфракрасный свет. При этом они не выделяют кислород.
|
Спектр поглощения валлинснерии (из W. Adey, "Dynamic Aquaria") |
|
Спектр поглощения листьев сои |
Поскольку растения не очень хорошо поглощают желтые и зеленые участки спектра, то поэтому растения нам кажутся зелеными - они либо отражают, либо пропускают зеленый свет. Различные растения по-разному поглощают различные участки спектра. Например темно-зеленые листья имеют большее поглощение. А "черная борода" поглощает еще лучше (поэтому она темного цвета)
Некоторые водоросли имеют дполнительные пигменты. Например, циано-бактерия и некоторые виды водорослей имеют дополнительные пигменты, которые поглощают свет, не используемый хлорофиллом - например красные водоросли, поэтому они имеют красный цвет. Красный цвет приобретают и многие аквариумные растения, выращиваемые на ярком свету, однако этот цвет образован защитным пигментов, который защищает хлорофилл от переизбытка света.
|
На рисунке выше (из W.Adey, "Dynamic Aquaria") изображены спектры поглощения и спектры активности (показывающие насколько эффективно испольщуется поглощенное излучение в химической реакции фотосинтеза для различных морских водорослей:
А - Ulva (зеленые водоросли)
В - Coilodesme (коричневые водоросли
С - Delesseria (красные водоросли)
D - Chlorella (зеленые водоросли)
Как видно, спектр поглощения можно предсказать по цвету водоросли.
Другой характеристикой фотосинтеза является квантовый выход (quantum yield). Который показывает насколько хорошо или плохо используются поглощенный свет различных длин волн. Растения в этом смысле очень эффективны - практически каждый поглощенный фотон используется в химической реакции. На этом основаны единицы измерения светового потока, принятые в биологии - PAR, которые измеряют свет в количсетве фотонов.
|
На рисунке изображен график квантового выхода, измеряемый в количестве молей (химическая единица измерения количества молекул вещества) поглощенного СО2 на моль фотонов. Видно, что во всем спектре он примерно одинаковый, т.е. длина волны поглощенного фотона не столь важна. |
Что немаловажно, помимо фотосинтеза существуют и другие процессы в растениях, на которые свет различных участков спектра оказывает свое влияние. Подбором спектра, чередованием длительности светлого и темного периодов удается у наземных растений ускорять или замедлять развитие, сокращать вегетационный период и повышать их продуктивность
Например, пигменты, пик чувствительности которых в красной области спектра отвечают за рост корневой системы, созревание плодов, цветение растений (добавьте лампу накаливая, если вам хочется увидеть цветы вашего апоногентона в аквариуме). Поэтому в теплицах, где конечная цель - получить тюлпаны к 8 марта и не раньше и не опзже, используют натриевые лампы, у которых излучение сосредоточено в красной области спектра.
Пигменты, с пиком в синей области, отвечают за развитие листьев, рост растения и т.д. Поэтому растения, выросшие с недостаточным количеством синего света, более высокие - они тянутся вверх, стараясь получить побольше этого синего света (если вы выращиваете розы в теплице на продажу, то вам нужны такие растения, с длинными стеблями). Пигмент, который отвечает за "поворот" растения к свету, также чувствителен к синим лучам.
|
На рисунке изображены спектральные характеристики относительной эффективности физиологических процессов растений. 1 - фотосинтез (с учетом квантового выхода): 2 - развитие растения |
Таблица из Philips Lighting Handbook со ссылкой на опыты, проводившиеся совместно с Noth Carolina State University, показывает влияние спектра на развитие растений
| Средний сухой вес растения (миллиграм) | Редис - корнеплод | Редис - верхняя часть | Салат | Milo (что-то напоминающее кукурузу) |
|---|---|---|---|---|
| Предыдущий наиболее оптимальный источник света | 130 | 340 | 350 | 340 |
| Сочетание холодно-белого и лампы накаливания | 190 | 395 | 375 | 560 |
| Agro-Lite | 240 | 490 | 390 | 665 |
| Сравнение цветения глоксинии | Среднее число цветков на растении | Диаметр цветка (cm) | Число дней до цветения |
|---|---|---|---|
| Предыдущий наиболее оптимальный источник света | 3.6 | 10 | 64 |
| Сочетание холодно-белого и лампы накаливания | 7.8 | 8.8 | 62 |
| Agro-Lite | 9.4 | 9.4 | 62 |
| Средний вес свежих томатов | Созревшие фрукты | Несозревшие фрукты | Общий вес |
|---|---|---|---|
| Предыдущий наиболее оптимальный источник света | 187 | 415 | 601 |
| Сочетание холодно-белого и лампы накаливания | 340 | 519 | 859 |
| к началу страницы
назад к оглавлению
|
Какими единицами измеряются лампы для растений?
В отличие от глаза человека, фотосинтез является процессом, где важно количество фотонов. но не поглощенная энергия. Фотон на длине волны 360 нм, поглощенный хлорофиллом, вызывает такую же химическую реакцию, как и фотон на длине волны 720 нм, хотя первый имеет в два раза большую энергию. Только часть энергии фотона идет на осуществление химической реакции, остальная переходит в тепло или переизлучается. Более того, хлорофилл использует в одинаковой мере все поглощенные фотоны вне зависимости от их направления. Другими словами это можно сказать так: не все фотоны, падающие на растения поглощаются (спектры поглощения даны выше), но все поглощенные фотоны будут использованы (принимается, что квантовый выход, одинаковый для всех участков спектра). Поэтому в биологии количество света не измеряется в люменах, которые являются по своей сути энергетическими величинами. Вместе этого используется понятие фотосинтетической активной радиации (photosynthetically available radiation, PAR), которая измеряется в количестве фотонов. В качестве единицы измерения количества фотонов используются столь любимые химиками моли (только не молекул, а фотонов) фотонов, падающих на единицу площади в секунду - Моль/м 2с. Частенько измеряется энергия, соответсвующая этим фотонам - в эйнштейнах на единицу площади в секунду. На широте экватора, где лето круглый год, поверхность земли получает около 2000 mkE/m 2s (что примерно соответсвует 100000 Lx - аквариумным лампам далековато до таких значений).
В таблице (Gerald Deitzer, University of Maryland) приведены значения измерения количества PAR фотонов для различных участков солнечного спектра. Для сравнения даны аналогичные данные для различных ламп. нормализованные к 100 мкМоль/м 2с. Проценты показывают число фотоново относительно солнечного спектра.
|
Лампа |
Стекло между лампой |
250-350 нм UV) |
350-400 нм (UV) |
400-500 нм (синий) |
500-600 нм (зеленый) |
600-700 нм (красный) |
700-750 нм (IR) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Солнце | 2.88 | 6.21 | 29.16 | 35.20 | 35.64 | 17.00 | |
| Лампа накаливания (100 Вт) | 3 мм оргстекло | 0 | 0.47/7% | 7.52/26% | 28.49/81% | 63.98/180% | 47.00/276% |
| Люминесцентная лампа холодного белого цвета (cool white) | 3 мм оргстекло | 0.03/1% | 1.11/18% | 24.85/85% | 52.59/149% | 22.56/63% | 1.40/8% |
| Vita-Lite (один из типов люминесцентных ламп используемых для подстветки растений и аквариума) | 0.54/19% | 2.32/37% | 26.31/90% | 40.69/116% | 33.0/93% | 7.00/41% | |
| Gro-Lux (один из типов люминесцентных ламп используемых для подстветки растений и аквариума) | 0.16/6% | 3.72/60% | 29.36/101% | 20.22/57% | 50.42/141% | 1.01/6% | |
| Gro-Lux Wide Spectrum (с улучшенным спектром) | 3 мм оргстекло | 0 | 0.83/13% | 19.78/68% | 32.52/92% | 47.70/134% | 10.00/59% |
| Натриевая лампа высокого давления | 0.17/6% | 0.53/9% | 6.52/22% | 56.57/161% | 36.91/104% | 4.00/24% | |
| Металло-галоидная (MH) | 0.66/23% | 6.71/108% | 20.38/70% | 55.52/158% | 24.10/68% | 4.0/24% | |
| Люминесцентная лампа холодного белого цвета (cool white) и лампа накаливания (100 Вт), соотношение мощностей 3:1 | 3 мм оргстекло | 0.02/1% | 1.03/17% | 22.63/78% | 49.22/140% | 28.15/79% | 8.0/47% |
Таблица (Gerald Deitzer, University of Maryland) ниже позволяет перейти от обычных фотометрических единиц к PAR. В таблице дано количество энергии (W/m 2), соответствующее количеству PAR фотонов для каждого источника. Как видно из таблицы, с практической точностью, чтобы узнать плотность энергии для получения определенного числа PAR фотонов, значения PAR надо умножить на 0.2-0.22.
Также, пользуясь данной таблицей, можно поределить овещенность, соответствующую заданному числу PAR фотонов. например, если необходимо получить 300 mkMol/m 2s для лампы холодного-белого цвета, то надо обеспечить освещенность 300*78,8=23700 Lux
|
Лампа
|
Стекло между лампой
и измерителем |
Энергетическая мощность
W/m2 на |
Освещенность
Lux на |
|---|---|---|---|
| Солнце | 0.22 | 55.2 | |
| Лампа накаливания (100 Вт) | 3 мм оргстекло | 0.20 | 49.0 |
| Люминесцентная лампа холодного белого цвета (cool white) | 3 мм оргстекло | 0.22 | 78.8 |
| Vita-Lite | 0.22 | 62.8 | |
| Gro-Lux (один из типов | 0.21 | 37.0 | |
| Gro-Lux Wide Spectrum (с улучшенным спектром) | 3 мм оргстекло | 0.21 | 55.1 |
| Натриевая лампа высокого давления | 0.20 | 83.3 | |
| Металло-галоидная (MH) | 0.22 | 74.5 | |
| Люминесцентная лампа холодного белого цвета (cool white) и лампа накаливания (100 Вт), соотношение мощностей 3:1 | 3 мм оргстекло | 0.21 | 74.5 |
Для тех, кому хочется подсчитать самому количество PAR фотонов в спектре той или иной лампы, то это делается путем вычисления интеграла (кому уже страшно, дальше могут не смотреть)
здесь: h=6.6255e-34 J s - постоянная Планка, c=3.0e17 nm/s - скорость света, E - энергетическая облученность W/(nm m2). После вычисления интеграла вам необходимо пересчитать количество фотонов в моли.
| к началу страницы
назад к оглавлению
|
Можно ли сравнивать спектры ламп?
|
В литературе часто приводятся кривые такого вот вида, где спектральное излучение лампы (A) "идеально" подходит к кривой поглощения хлорофилла. Все кажеться идеальным и аквариумист с радостью бежит покупать эту самую супер-пупер лампу. И не знает он, что в действительности все не так хорошо и красиво. Проблема аналогична той, что была рассмотрена выше, где указывалось, что лампы, излучающие одинаковый световой поток, для глаза кажутся различными по яркости - вроде все верно, на коробке написано, но тем не менее...... |
Проблема заключается в том, что нельзя сравнивать спектральную кривую лампы (плотность энергии излучения, показывающая какая энергия излучается в малом интервале длин волн) с кривой поглощения (просто относительная величина, показывающая долю энергии поглощаемой для той или иной длины волны или другой спектральной координаты)
|
Для сравнения, кривая поглощения с графика выше, нарисована вместе с кривой излучения абсолюьно черного тела (красная кривая) при CCT=4400K в относительных координатах. Верхний график построен в привыхных координатах длин волн. ВИдно, что максимум кривой излучения лампы совпадает с максимумом поглощения хлорофилла. Однако, построив те же кривые не в длинах волн, а в частотах излучения, получим, что максимум излучения лампы сдвинут непонятно куда. И второй, меньший пик поглощения, тоже не покрывается спектральной кривой излучения, как на верхнем графике. И, вообще, эта лампа никуда не годится. Для тех, кто любит формулы, ничего загадочного тут нету. Спектральная кривая излучения представляет собой плотность энергии излучения по спектральной координате - длине волны или частоте: pλ=dP/dλ pν=dP/dν Поскольку λν=c, c-скорость света, то отсюда можно получить известное соотношение: pν=λ2/c pλ Отсюда видно, что длина волны, на которую приходится максимум pλ не соотвествует частоте, на которой находится максимум pν |
Ничего странного нету, поскольку равным интервалам длин не соответствуют равные интервалы частот. Если вместо длины волны или частоту взять другую спектральную координату, то можно получить максимум кривой излучения в любом месте.
Кривая поглощения не зависит от выбора спектральных координат, поскольку она равна доле поглощаемой энергии:
Gλ=dEпоглощенной / dE0
|
Другой пример - кривая чувствительности глаза (зеленая линия), максимум которой совпадает с максимумом излучения солнца (CCT=5000K) - нижний рисунок. На основании этого делается вывод, что глаз "сконструирован" так: чтобы подходить под солнечное излучение. Однако, верхний рисунок, где в качестве спектральной координаты взята частота излучения, показывает, что это не так. Глаз действительно "сконструирован" под Солнце, но это суждение можно выносить только на основании целого ряда критериев. |
Аналогично, и лампы с "плоским", широким, спектром, им не обладают, если изменить спектральную координату. Поэтому, сравнивать спектры ламп и судить об их "пригодности" или "непригодности" в том или ином случае нужно очень осторожно.
| к началу страницы назад к оглавлению |