Выбор освещения Ч.1
Внимание! Данный материал содержит информацию, написанную жителем Канады для русскоязычных жителей Канады. Данные научные сведения предназначены исключительно для информационных целей и не являются призывом или пропагандой к употреблению наркотических веществ или к нарушению действующего законодательства.
Пожалуйста, читайте данный материал только если культивация Cannabis Sativa не нарушает законодательство государства, на территории которого вы находитесь в данный момент.
Оглавление
Электро-физические значения световых приборов
ФОТОСИНТЕТИЧЕСКИ АКТИВНАЯ ЧАСТЬ СПЕКТРА
Введение
Как мы уже знаем, за процесс выращивания любых видов растений отвечают три основных группы условий: СВЕТ-ВОДА-ВОЗДУХ. В данном цикле рассматривается первый по значимости тип условий (свет), который не только лимитирует все остальные переменные, но и позволяет существовать почти всем живым организмам на нашей планете.
За 4.5 миллиарда лет существования Земли изменилось многое: рождались и погибали виды, сдвигались и расходились континенты, и только Солнце все также продолжало излучать свою энергию в пространство вокруг.
Спустя 700 миллионов лет после формирования нашей планеты, произошло самое феноменальное событие, по значимости сравнимое, разве что, с зарождением вселенной как таковой. На Земле зародилась первая жизнь.
Спутся примерно 1 миллиард лет после зарождения первой жизни произошло второе по важности событие. В процессе эволюции первые организмы научились улавливать и усваивать солнечный свет, благодаря чему, в практически закрытую раньше биосферу земли, с диким темпом начала поступать энергия.
Эта энергетическая революция запустила необратимые механизмы эволюции и видообразования, итогами которых стали все живые организмы, включая нас с вами.
ФИЗИКА СВЕТА
Электро-физические значения световых приборов
Начнем с базовых физических понятий, которые нам понадобятся для дальнейшего разбора принципов работы осветительных приборов.
Джоули - (J)
Базовая единица измерения энергии
Абсолютная величина энергии. Джоуль равняется работе, необходимой для ускорения объекта массой в 1кг до скорости в 1м/с на расстояние в 1м за одну секунду времени.
Пример - средний человек, находясь в состоянии покоя, выделяет около 70 J тепловой энергии в секунду (17 калорий). 1г тротила содержит 4184 J.
Ватты - (W)
Базовая единица измерения мощности (потребления энергии)
Показывает, сколько энергии прибор расходует за 1 секунду времени.
Пример - Лампа мощностью 125Вт использует 125Дж энергии в секунду.
кВт/ч (kW/h)
Бытовые единицы записи потребления энергии
1кВт/ч = Мощность в 1000 ватт, потребляемая на протяжении 1 часа времени.
Популярная в быту измерительная величина, удобная для рассчета потребления электроэнергии.
кВт/ч единицы не соответствуют реальному потреблению Джоулей в час. Для нахождения действительного количества потребляемой в час энергии небходимо умножать кВтч/ч на 3,600,000Дж.
Пример - Лампа мощностью 125W расходует 125 Вт/Ч и, следовательно, 0.125 кВт/ч, Либо 450,000 Джоулей в 1 час времени.
Электромагнитное излучение
ЭМ энергия - это энергия, находящаяся в форме элементарных частиц - фотонов. Фотон представляет из себя кусочек (частицу) чистой энергии, который может излучаться, перемещаться, взаимодействовать с другими фотонами и поглощаться материей. Фотоны не имеют массы.
Мы сталкиваемся с фотонами (энергией) практически в каждом занятии. Слушаем радио, выделяем инфракрасное (тепловое) излучение, используем микроволновое излучение для разогрева еды, освещаем пространство световым излучением, обеззараживаем помещения ультрафиолетовым излучением, лечимся рентгеновским излучением, ищем полезные ископаемые с помощью гамма излучения.
Фотоны, при перемещении в пространстве, производят электрические и магнитные колебания. Упрощая, мы выражаем эти изменения в форме волн.
Любая электромагнитная волна обладает несколькими свойствами:
Скорость распространения волны (км/с)
Скорость перемещения волны в пространстве.
В вакууме скорость света (электромагнитной волны) составляет около 300,000 км в секунду.
При переходе из одной среды в другую (к примеру, из воздуха в воду), разные световые диапазоны замедляются (преломляются) в зависимости от энергии своей волны. Более коротковолновые фотоны больше взаимодеюствуют с атомами среды, и, следовательно, замедляются. Так происходит дисперсия (разложение света на спектр), и мы видим радугу. К примеру, более коротковолновый синий свет всегда будет замедляться больше, чем обладающий более длинной волной красный. Таким образом, синий свет, из-за большей разности во входной и выходной скорости, будет иметь больший угол преломления (индекс рефракции).
Длина волны - нм (nm)
Расстояние между двумя одинаковыми положениями (пиками) колеблющейся волны.
Хотя стандартной единицей измерения длин любых волн является метр, длина волны для видимого диапазона практически всегда выражается в нанометрах (nm).
Приставка нано обозначает одну миллиардную часть, таким образом, 1м равен 1,000,000,000 нм.
Частота (hz)
Количество колебаний производимых фотоном за 1 секунду времени.
Частота выражается в герцах (колебания в секунду). Чаще всего используется для более широких ЭМ волн (микроволны и радио). Для фотонов, находящихся в диапазоне фотосинтетически-активной радиации (ФАР), удобнее всего использовать терагерцы (триллион герц).
Так как скорость распространения света постоянна, частота - обратно пропорциональна длине волны (чем больше колеблется волна, тем меньше расстояние между двумя ее пиками). Если 800 нм = 375 ТГц, то 400нм = 750ТГц.
Энергия излучения
Количество энергии, переносимое частицей света.
Так как скорость частицы является постоянной, а массы она не имеет, то единстенным способом увеличения или снижения количества энергии, которое она переносит, остается изменение длины ее волны. Чем больше колебаний частица совершает в секунду и чем короче длина её волны, тем больше энергии она переносит.
Инфракрасный свет (800нм) несет около 150кДж/моль, в то время как синий (400нм) переносит уже 300кДж/моль.
Грубо упрощая, можно сказать, что чем сильнее частица вибрирует, тем меньше расстояния между её пиками, и тем больше энергии она в себе несет.
СПЕКТР СВЕТА
Хотя электромагнитная радиация включает в себя множество разных диапазонов, в данном цикле статей мы будем в основном разговаривать о диапазоне от ультрафиолета до инфракрасного излучения.
Начнем с определения понятия света. Свет - это электромагнитное излучение, находящееся в спектральном диапазоне, улавливаемом человеческим глазом (обычно между 370 и 730нм).
Свет разделяется на несколько основных субкатегорий:
- Ультрафиолет (10 - 400 нм)
- Видимый свет / Фотосинтетически-Активная Радиация (ФАР) (370 - 730 нм)
- Дальний красный (700 - 800 нм)
- Инфракрасный (800 нм - 1 мм)
Рассмотрим эти субкатегории немного подробнее:
Ультрафиолет (10 - 400 нм)
Примерно 7% от всей солнечной радиации, достигающей поверхности Земли, является ультрафиолетом. Так как ультрафиолетовое излучение невероятно широко, его принято делить на 3 основных группы:
UV-C (100-280нм) Ульрафиолет-С полностью блокируется озоновым слоем в атмосфере Земли. Чаще всего используется в качестве средства для дезинфекции (250нм) медицинских инструментов и помещений. Происходит это из-за того, что высокая энергетичность этого диапазона очень эффективно разрушает связи в любых органических молекулах, и, следовательно, убивает любые микроорганизмы.
UV-B (280-315нм) Ульрафиолет-Б частично блокируется озоновым слоем. Лишь малая часть от всего излучаемого Солнцем УФ-Б попадает на землю (всего 0.35% от солнечной радиации). Именно этот спектр вызывает загар на коже, а также используется для профилактики таких грибковых заболеваний каннабиса, как мучнистая роса.
UV-A (315-400нм) Практически весь ультрафиолет, достигающий поверхности Земли, находится в Ульрафиолет-А диапазоне. Не смотря на то, что УФ-А имеет самую слабую энергию волны среди УФ излучений, он все равно вызывает загар на коже и разрушает органические молекулы.
Видимый свет (370 - 730 нм) и Фотосинтетически-Активная Радиация (ФАР) (400 - 700 нм)
Растения, также как и животные, воспринимают схожий электромагнитный (ЭМ) спектр. Произошло это, как можно догадаться, из-за уникального состава нашей атмосферы, которая блокирует некоторые спектры радиации.
Благодаря электромагнитному атмосферному окну, озон и молекулярный кислород в атмосфере почти полностью блокируют всю радиацию ниже 300нм. Вода и углекислый газ частично блокируют радиацию от 700нм. Далее идут важные для климата планеты инфракрасные окна, благодаря которым планета охлаждается и отдает излишки тепла в окружающее пространство.
Современное атмосферное окно находится между разрушительным ультрафиолетом и относительно слабым инфракрасным светом, который поглощается всеми поверхностями. Растения и животные сотни миллионов лет формировали свою биохимию в зависимости от доступного спектра, пытаясь найти балланс между максималным улавливанием и защитой от разрушения.
Дальний красный (700 - 800 нм)
Дальний красный называется так из-за того, что он находится на границе между видимым красным и инфракрасным светом. Человеческий глаз очень плохо улавливает фотоны дальше 730нм, поэтому диоды этого спектра кажутся тусклыми.
Достаточно эффективно используется растениями, важен в процессах фотопериодизма и фотоморфогенеза, речь о которых будет идти далее.
Инфракрасный (800 нм - 1,000,000нм)
Чрезвычайно низкий энергией диапазон электромагнитного излучения. По сравнению с остальными спектрами, растения практически не замечают ИК.
В агрономии чаще всего используется для обогрева пространства выращивания. Лампа, вентилятор, любая поверхность, температурой выше -86С, в зависимости от нагрева, выделяют инфракрасное излучение в том или ином диапазоне, отдавая внутреннюю энергию в пространство.
Намного подробнее темы ИК излучения и передачи тепла мы коснемся в следующем цикле про вентиляцию и воздух.
СВЕТ И ЧЕЛОВЕК
Для более глубокого понимания взаимодействия световой энергии и углеродных форм жизни проще всего начать с человека.
Человеческий глаз является сложной структурой, состоящеий из двух основных частей:
1) Фокусировочной части: зрачка, радужки и хрусталика, находящихся в передней области глаза.
2) Усваивающей части: сетчатки, находящейся на внутренней стороне глаза (глазном дне).
Сетчатка способна усваивать свет благодаря сложным структурам - фоторецепторам, которые в свою очередь делятся на два типа:
Палочки
Палочки отвечают за скотопическое (темновое) зрение. Главная функция палочек - улавливание света.
Палочки не имеют специфичности касательно спектра света, им важно лишь общее его количество. В условиях низкой освещенности спектр поступающего в глаз света очень ограничен, именно поэтому ночью все выглядит черно-белым. Из-за низкой энергии волны красного света, палочки плохо распознают красные объекты в темноте. Пиком их восприятия является 507 нм - граница синего и зеленого спектров.
Они распределены по глазу равномернее, чем второй тип фоторецепторов (колбочки). Именно благодаря этому человек хорошо воспринимает пространство вокруг зоны фокуса и реагирует на вещи, происходящие в его перефирии.
Колбочки
Колбочки отвечают за фотопическое (световое) зрение. Главная функция колбочек - распознавание цвета. Они во много раз менее светочувствительны, чем палочки, зато тонко улавливают детали и имеют большую скорость реакции.
Подавляющее большинство колбочек находится в специальной зоне, называемой центральной ямкой или fovea. Fovea составляет всего 0.4мм в диаметре и является центром глазного дна, нужным для четкой фокусировки, а также распознавания деталей и цветов.
Колбочки разделяются на три основных типа:
- Красные. Ответственны за распознавание красно-желтого спектра. Способны улавливать большинство фотонов в диапазоне от 450 до 730 нм, однако имеют пик восприятия около 575 нм. Для компенсации низкой энергетичности красного спектра, красных колбочек в глазу немного больше, чем синих или зеленых (целых 64% всех колбочек являются красными).
- Зелёные. Ответственны за распознавание зелёно-желтого спектра. Способны улавливать фотоны в диапазоне от 410 до 670 нм, однако имеют пик восприятия около 535 нм. Средняя энергетичность зеленого спектра, а также его обилие в солнечном свете, определяет их концентрацию в 32%.
- Синие. Ответственны за распознавание сине-голубого спектра. Способны улавливать фотоны в диапазоне от 370 до 550 нм, однако имеют пик восприятия около 445 нм. Из-за чрезмерной энергетичности синего света, организм человека выработал интересный механиз для компенсации выгорания фоторецепторов. Не смотря на то, что общее количество синих колбочек составляет около 4%, человеческий мозг усиливает их сигналы, позволяя нам видеть синие предметы с такой же яркостью, как красные или зеленые.
Более того, большинство синих колбочек расположено на отдалении от центра fovea. Нужно это для того же - компенсации интенсивности синего света.
Как видно на графике человеческого цветовосприятия снизу, зелёный цвет воспринимается сильнее фиолетового или красного. Центром и пиком человеческого цветовосприятия является точка, находящаяся в зеленой части спектра (около 555нм).
Феномен наибольшего распознавания зелёного спектра определен тем, что спектр солнечного света, после прохождения через атмосферу, обретает пик в тех же самых 550нм, являющихся частью зеленого света. За миллионы лет эволюции глаза научились усваивать главный источник освещенности с максимальной эффективностью.
Яркость и Освещенность
Переходя к анализу света, нужно начать с двух основных типов измерения освещения.
Яркость/интенсивность источника
Сумма фотонов, излучаемых в определенном спектре.
Данный показатель измеряется с помощью "сферы". Источник света помещают в закрытый шарообразный прибор с внутренней отражающей поверхностью и считают общее количество излучаемых ей фотонов, либо общее количество света, задействующее человеческое цветовосприятие.
Освещенность пространства
Общее количество фотонов определенного спектра, попадающих на поверхность определенной площади.
В зависимости от спектра измеряется с помощью спектрорадиометра, квантум метра или люксометра. Показывает, сколько фотонов света, либо люменов/канделл, попадает на определенную площадь.
Человеческое цветовосприятие
Техника измерений и сравнений бытовых источников света состоит в том, чтобы считать свет, откалиброваный на 555нм, охапками в один люмен.
Люмены (Lumens)
1 люмен = 1 канделла (яркость одной свечи)
Показатель количества света, излучаемого любым осветительным прибором.
Пример - световой поток Солнца составляет около 36 октиллионов люмен, это число имеет 27 нолей. Бытовая светодиодная лампочка мощностью 15Вт в среднем выдает 1500лм.
Люксы (LUX)
1 люкс = свещенность площади в 1 кв.м источником света в 1 люмен.
Значение, чаще всего используемое инженерами для расчета расположения осветительных приборов при проектировке любых помещений.
Пример - Канадские строительные стандарты предписывают минимальную освещенность рабочих помещений в 500 люкс. Прямой солнечный свет в безоблачый день дает около 100,000-130,000 lux.
Индекс цветопередачи (CRI)
Способность осветительного прибора передавать цвета.
Рассчитываемый в единицах Color Rendering Index (CRI), индекс показывает, насколько точно лампа передает цвета освещенных предметов. Это может играть важную роль в растениеводстве, так как низкий CRI маскирует симптомы стресса у растений.
Современные диоды обладают средним CRI в 80%.
Световая температура (К)
Если мы начнем нагревать условный предмет, сделанный из идеально-поглощающего энергию материала, то при определенной температуре этот предмет начнет излучать энергию (в окружающую среду) в видимом нашими глазами диапазоне (этот феномен называется радиацией идеально черного тела).
Температуру данного нагрева принято выражать в Кельвинах. Это температурные единицы, отсчитывающиеся от отметки абсолютного ноля (который в единицах цельсия находится на отметке в -273 градуса). Для перевода К в С просто вычитаем разницу, таким образом 3000K − 273 = 2727С.
Современные лампы имеют маркировку в соответствии с человеческим восприятием теплоты или холодности источаемого ими света. Так, мы простраиваем цветовую теплоту аналогичную той, которую бы излучала звезда, имеющая сходную температуру.
К примеру, температура Солнца равняется 5,778K (5,505C). Главными показателями, которые определяют температуру любой звезды, являются её масса и возраст. Чем массивнее звезда, тем больше давление в её ядре, и тем выше её температура. Чем моложе звезда, тем больше в ней водорода и тем она горячее.
ФОТОСИНТЕТИЧЕСКИ-АКТИВНАЯ ЧАСТЬ СПЕКТРА
В то время, как человек считает яркость света условной "охапкой" (люменами), попадающей в его восприятие, растениям жизненно необходим каждый отдельный фотон, попавший на поверхность их листьев.
Именно поэтому, для четкого понимания воздействия света на растения, мы используем сумму фотонов, излучаемых в диапазоне, используемом для фотосинтеза.
ФАР (PAR - Photosynthetically Active Radiation) [400-700нм]
Фотосинтетически Активная Радиация. Иногда обозначается как ПАР.
Общепринятый и устоявшийся диапазон излучения, который используется растениями во время фотосинтеза. Подробно о том, как и почему он формируется будет написано далее.
рФАР (ePAR - extended Photosynthetically Active Radiation) [400-750нм]
Расширенная Фотосинтетически Активная Радиация.
Осовремененный диапазон, уравновешивающий ограниченность стандартного ФАР за счет включения 700-750нм участка для компенсации эффекта Эммерсона.
ФБАР (PBAR - Photo-Biologically Active Radiation) [270-800нм]
Фото-Биологически Активная Радиация.
Кроме фотосинтеза, свет регулирует многие жизненные процессы растений. Таким образом, ФБАР - это вся радиация, имеющая прямое влияние на биологические процессы растения.
О том, как именно проиходит эта регуляция, и как работают процессы фотоморфогенеза, фотопериодизма и фототропизма, будет подробно рассказано в главе "Спектральная Фотобиология".
Единицы измерения ФБАР
Моль (mol)
Стандартная единица измерения частиц (атомов, электронов, ионов или фотонов).
В одном моле содержится 6.022x10^23 (602.2 секстиллиона) частиц. Это значение называется числом (или константой) Авогадро. К примеру, в химии мы используем моли для рассчета атомов. Что же касается света, для упрощения записи мы используем моли фотонов. Вместо чисел с десятками нулей мы просто умножаем фотоны на уже знакомую нам константу Авогадро. Один моль света содержит 602,200,000,000,000,000,000,000 фотонов.
Фотосинтетически активные микромоли (μmol)
Миллионные части молей света в диапазоне (400-700нм).
Микромоль является миллионной частью стандартного моля. Таким образом, микромоль содержит 600 квадриллионов (600,000,000,000,000,000) фотонов света. Используются микромоли по причине излишней массивности молей для рассчета освещенности растений. К примеру, стандартный диапазон освещенности для растений каннабиса находится между 0.0001 и 0.0020 моль. В микромолях эти же значения будут обозначаться как уже знакомые нам 100 и 2000 μmol.
PPF (Photosynthetic Photon Flux - Фотосинтетический Фотонный Поток) [μmol/s]
Яркость излучателя, рассчитанная в ФАР/рФАР диапазоне.
Суммарное количество фотосинтетически-активных микромоль света, производимых источником освещения за 1 секунду времени.
PPE (Photosynthetic Photon Efficacy - Фотосинтетическая Фотонная Эффективность) [μmol/J]
Показатель эффективности диода.
Обозначает количество излучаемых фотоактивных моль на каждый затрачиваемый джоуль (потребленный ватт). Чем выше этот показатель, тем лампа эффективнее. Современные борды имеют средний показатель около 2.7 μmol/J. Некоторые производители уже добились 3.1.
Данный показатель напрямую зависит от излучаемого спектра, так как некоторые диапазоны излучать сложнее, чем другие. К примеру, красные диоды с пиком в 660нм имеют эффективность в целых 4.5 μmol/J.
PPFD (Photosynthetic Photon Flux Density - Плотность Фотосинтетического Фотонного Потока) [μmol*m2*day]
Освещенность площади, рассчитанная в ФАР/рФАР диапазоне.
Обозначает сумму фотосинтетических фотонов, попадающих на площадь в 1 квадратный метр за 1 секунду времени.
Само использование PPFD гроверами-любителями является своего рода костылем, так как значение PPFD измеряется в м2 и подразумевает высокую однородность ФАР. Квантум метр рассчитывает PPFD с предположением того, что освещенность конкретной точки равняется ОБЩЕЙ ДЛЯ ВСЕГО окружающего пространства. Гроверы же используют данный показатель для локальных измерений, чаще всего не привышающих площадь листвы растения.
При использовании искусственных источников света на малых площадях, однородность недостижима, поэтому мы и используем ПАР карты (схемы распределения света лампы по площади). Для того, чтобы узнать примерное значение реального количества фотонов, попадающих на используемый метр, нужно узнать средний PPFD лампы.
Daily Light Integral (Плотность Фотосинтетического Фотонного Потока в день [mol*m2*s])
Интеграл светового дня - более точный, чем PPFD, показатель света, получаемого растением. Дело в том, что в отличие от PPFD, замеряемого в 1 секунду времени, DLI умножает показатель среднего получаемого PPFD на количество часов света для того, чтобы узнать объем света, получаемое растением в день.
- Умножить PPFD на количество секунд в часе.
- Умножить получившийся показатель на количество часов в световом дне.
- Разделить результат на 1,000,000 для перевода значения из мкмоль в стандартные моли.
