Lamps

Лампы для выращивания растений

Данная статья посвящения обзору различных типов ламп, которые возможно применять для подсветки растений, в том числе кактусов. Статья основывается на цикле статей, посвященных вопросам освещения аквариума.

Часть 1. Немного теории

Эту часть можно смело пропустить, поскольку для выращивания растний она не нужна. Однако, современные производители ламп указывают эти параметры (в основном, в рекламных целях), причем, к сожалению, многие компании, торгующие лампами, плохо сами понимают все эти параметры. Поэтому здесь описаны (предельно кратко) некоторые понятия. Что-то вроде crash-course по фотометрии и цветоведению.

Люмен и люкс.

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.

Мощность светового потока, излучаемого лампой можно измерять несколькими способами, которые можно разделить на две группы. Первый способ - измерять энергию, излучаемую лампой. Так измеряются обычно спектральные характеристики ламп - т.е. какая энергия приходится на ту или иную длину волны (точнее, на узкий диапазон длин волн, но не будем 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 распространенный приемник света - это человеческий глаз. Достаточно логичный выбор. Поскольку глаз имеет разную чувствительность 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 различный 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 в фотометрии используются световые. Мощности соответствует световой поток, измеряемый в люменах. Один ватт, излучаемый на длине волны 555 нм соответствует 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.

Чтобы измерить световой поток лампы, используются разлияные методы, Самый точный (но не предназначенный для домашних условий) - 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). Чем выше эта величина, тем больше света дает эта лампа.

Понятно, что лампы одинаковой мощности, но с разными спектрами, излучают разный световой поток в люменах, даже 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 присутствуют синяя и красная компоненты и практически отсутствует 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 растений, 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 лампы в этих единицах - практически нереально из-за отсуствия аппаратуры.

Другим 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 величины светового потока, проходящего через плоскую площадку, 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 параллельна 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 создаете систему освещения для растений

Остальные фотометрические величины (сила света, яркость и т.д.) можно найти в любом справочнике по фотометрии.

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, 1 nm=0.000 000 001 m)

Цвет источника света можно выразить с помощью двух цветовых координат - x,y (это далеко не единственная система для описания цвета). 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.

На границе фигуры изображены цвета, соответствующие длинам волн - чистым тонам.

Например, точка (0.3, 0.33) примерно соответсnвует белому цвету, точка (0.2, 0.15) - синему и т.д.

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 только лишь цвет. 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 Warm White Metal-Halide, CRI 65 Галогеновая лампа накаливания, CRI=99+	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

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.

Кратко о фотосинтезе для неботаников

Фотосинтез - процесс, в результате которого энергия света превращается в энергию, используемую биологическими системами.

6CO₂ + 6H₂O + фотоны + хлорофилл -> C₆H₁₂O₂ + 6O_{2 + 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) в процессе фотосинтеза поглощает углекислый газ, восстанавливая из него углерод для получения органических соединений. Электроны для такой восстановительной реакции берутся 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 растения имеют и дополнительные пигменты.

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.

На рисунке - спектр поглощения листьев сои

Важной характеристикой фотосинтеза является квантовый выход (quantum yield), который показывает, насколько хорошо или плохо используется 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 количестве 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.

Немаловажно, что 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, есть пигменты, пик чувствительности которых в красной области спектра отвечает за рост корневой системы, созревание плодов, цветение растений. Поэтому в теплицах, где конечная цель - получить тюльпаны к 8 марта - не раньше и не позже - 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
3 - размер листа

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

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, но все поглощенные фотоны будут использованы (принимается, что квантовый выход, рассмотренный выше, - 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/м²с. 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/m²s (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/м²с. Проценты показывают число фотонов относительно солнечного спектра.

Лампа	Стекло между лампой и измерителем	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 ниже (Gerald Deitzer, University of Maryland) позволяет перейти от обычных фотометрических единиц к PAR. В таблице дано количество энергии (W/m²), 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 определить овещенность, соответствующую заданному числу PAR фотонов. Например, если необходимо получить 300 mkMol/m²s для лампы холодного-белого цвета, то надо обеспечить освещенность 300*78.8=23,700 Lux

Лампа	Стекло между лампой и измерителем	Энергетическая мощность W/m² на mkMol/m²s	Освещенность Lux на mkMol/m²s
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

вперед