Разберете връзката между фотосинтезата и необходимия за нея светлинен диапазон
Фотосинтезата в аквариума не се различава много от тази на сухоземните растения. Ако има разлика то тя е в допълнителното утежняващото обстоятелство, че между светлинния източник и растението е разположен освен въздух и допълнителен слой вода. Тази воден стълб, поглъща различните дължини на светлинната вълна на светлината..
Най-честата грешка, която правят хората, когато създават аквариум с висши водни растения е, че започват да действат, без да имат познания, без да разбират процеса на фотосинтеза. Акваристите, които желаят да се съобразят със специфичната нужда от светлина за растенията в аквариума, правят своя избор на светлинен източник, единствено според параметъра Цветна Температура по Келвин, което е погрешно. Избора направен единствено според този параметър не е правилен, защото ще липсва информация за качеството на светлината, за нейния спектър, за нейния интензитет.
Видимата светлина се измерва по скала в нанометри [nm] (излъчване с дължина на вълната), като започва от 400nm (виолетова) и достига 700nm (червена). Запомнете, най-важното правило свързано с фотосинтезата - растението използва само такава светлина, която то може да абсорбира!
Ярката бяла светлина е от съществено значение за растението, но то използва само част от нея за фотосинтеза. Сините и червените зони от видимия спектър на светлината, са най-полезни за растенията. Повечето растения са със зелен цвят, защото отразяват зелената част от светлината. Колкото едно растение изглежда по-зелено, толкова повече то отразява тази част от спектъра. Еволюцията на човешкото око е направила така, че нашето зрение вижда най-добре при 550nm т.е. зелените цветове, които се намират в средата на видимия светлинен спектър.
Видим спектър на светлината при хората
Осветлението на аквариум, не трябва да бъде избирано само по критерия за Цветна Температура. Наистина, има специализирани крушки "пълен спектър", за които е посочено че осигуряват до 5000К - 6500К (и повече) и се считат едва ли не за най-доброто за аквариумни растения, но дали това наистина е така?
Често за такива светлинни източници няма представени точни спецификации, с подробен диапазон на излъчване на светлина, за дължините на вълната в nm (спектрална емисионна диаграма).
В лабораторни изследвания е установено, че ако искате да оптимизирате (стимулирате) развитието на листата на аквариумните растения, трябва да увеличите присъствието на синя светлина. Ако искате да подпомогнете растежа на стволовете и да увеличите силата на цветовете на растението, трябва да увеличите количеството червена светлина. За да е пълна картината, заради комфорта на човешкото зрение е необходимо да има и достатъчно зелена светлина в аквариума. При вече ясно разгледаните нужди от светлина за аквариума, се стига до извода, че при избор на светлинни източници трябва, да балансираме тяхната светлина в три отделни светлинни поддиапазона.
Ако вашето осветление е изключително силно и растенията изглеждат прекалено зелени, това означава, че имате осветление излъчващо преобладаващо в зеления спектър. Това осветление не е добро за вашите растения, защото зеления спектър не се използва от растенията за фотосинтеза!
Има така наречените, спектрални пикове от дневни слънчеви лъчи, които съдържат синя светлина с дължина 475nm, които са много полезни за растенията. Тези пикове се използват за фотосинтеза, от Висшите Водни Растения, както и от някои Нисши Водорасли (по-рядко). Пиковете в синия спектър, имат по-къса дължина на вълната от тези в червения спектър.
Когато светлината преминава през вода, нейната интензивност намалява. Светлина с по-голяма дължина на вълната, при преминаване през воден слой "затихва" много бързо, като е възможно дори, изцяло да бъде погълната (игубена докато стигне дъното). В една и съща дълбочина на воден стълб, светлина от синия спектър се поглъща много по-малко от светлина в червения спектър.
Хлорофилът, фотосинтезиращия пигмент използван от растенията може, да "работи" със синята и червената светлина, но енергетично по-ефективни резултати се получават с червената светлина 650nm - 675nm.
За зелените растения, най-важни са светлинните пикове в следните диапазони:
Хлорофил-А 430nm - 662nm
Хлорофил-B 453nm - 642nm
Каротеноиди 449nm - 475nm
Трябва да се знае, че червено оцветените растения потребяват още повече синя светлина спрямо зелените!
Какво е Лукс, Лумен, осветеност, яркост ?
Осветеност (lx) е физична величина, характеризираща отношението между светлинния поток, падащ върху дадена повърхнина и площта на тази повърхнина. В система SI осветеността се означава с лукс (lx).
Осветеността Е се намира по формулата:
E=Φ/S
Където:
E е осветеността, измервана в луксове (lx);
Φ е светлинният поток, измерван в лумени (lm);
S е площта на осветяваната повърхнина, измервана в квадратни метри (m2).
Основни зависимости
Осветеността зависи от няколко ключови фактора, които определят как светлината се разпределя в пространството:
Разстояние от източника: При точков светлинен източник осветеността намалява обратнопропорционално на квадрата на разстоянието r съгласно закона:
E=I/r2
(тук I е интензитетът на светлината в кандели).
Ъгъл на падане: Ако светлинните лъчи падат под ъгъл α спрямо нормалата (перпендикуляра) към повърхнината, формулата се модифицира:
E=(I/r2)*cos(α)
Примери за нива на осветеност:
Пълна луна при ясно небе 0.25 lx
Улично осветление 10 – 20 lx
Офис пространство 300 – 500 lx
Облачен ден 1 000 lx
Пряка слънчева светлина 32 000 – 100 000 lx
Лумен (lm) е единицата за светлинен поток в системата SI. Един лумен е равен на светлинния поток, излъчван от точков източник в пространствен ъгъл 1 стерадиан при интензитет на светлината 1 кандела. Типичната стойност на светлинния поток, получаван от лампа с нажежаема жичка от 100W е 1100 lm. Това означава, че светлинният добив за един Ват от такъв източник е 11 lm/W.
Чрез Лумен се установява връзката между фотометричните величини и консумираната мощност. На базата на Лумен можем да дефинираме ключовия показател за енергийна ефективност:
Светлинен добив (η)
Светлинният добив показва, колко ефективно един светлинен източник преобразува електрическата енергия във видима светлина. Формулата е:
η=Φ/P
Където:
η е светлинният добив (lm/W);
Φ е светлинният поток (lm);
P е електрическата мощност (W).
Сравнение на светлинната ефективност
Примерът за лампа с нажежаема жичка (11 lm/W) може да служи, като отлична отправна точка за сравнение със съвременните технологии:
Лампа с нажежаема жичка (100W) 11 – 15 lm/W
Халогенна лампа 20 – 25 lm/W
Луминесцентна лампа 60 – 90 lm/W
LED (Светодиод) 90 – 150+ lm/W
Пространствен ъгъл и Кандела
Както отбелязахте, дефиницията на лумена е обвързана с интензитета на светлината (I):
Φ=I⋅Ω
I е интензитетът (в кандели, cd);
Ω е пространственият ъгъл (в стерадиани, sr).
Ако един източник излъчва равномерно във всички посоки (сферично), общият пространствен ъгъл е 4π. Тогава общият светлинен поток е:
Φ=I⋅4π
Канде́ла ( cd) е единица за измерване интензитета (силата) на светлината. Тя е една от седемте основни единици за измерване от системата SI и е равна на интензитета на светлината в дадено направление от източник на монохроматично лъчение с честота 540·1012 херца, енергийната сила на светлината, на която в това направление е (1/683) W/sr. Избраната честота съответства на зеления цвят. Човешкото око притежава най-голяма чувствителност в тази област на спектъра. Ако излъчването има друга честота, то за достигане на същата сила на светлината е необходима по-голяма интензивност и съответно енергията. Предишното (старото) определение за Кандела е сила на светлината, излъчвана от черно тяло перпендикулярно на повърхността му с площ 1/60 cm² при температурата на топене на платината (2042,5 К). В днешното определение коефициентът 1/683 е избран така, че новото определение да съответства на старото. Силата на светлината, излъчвана от една свещ примерно, е равна на една кандела (на латински candela е свещ), поради което в миналото тази единица за измерване се е наричала „свещ“. Днес това наименование е остаряло и не се използва.
Важно е да се подчертае как съвременната дефиниция за Кандела, пренася фокуса от физически обект (платина и черно тяло) към фундаментални константи и човешката физиология.
Ето няколко ключови аспекта в тази връзка:
Спектрална чувствителност и V(λ)
Честотата 540⋅1012 Hz съответства на дължина на вълната приблизително 555 nm във въздух. Изборът на тази конкретна стойност не е случаен, а е свързан с кривата на относителната спектрална светлинна ефективност за дневно зрение, известна като функцията V(λ).
- При 555 nm човешкото око е най-чувствително !
- При всяка друга дължина на вълната (например червено или синьо), окото възприема светлината като "по-слаба", дори енергийната мощност (W/sr) да е същата.
Връзка между енергия и фотометрия
Константата 683 lm/W е мостът между чистата физика (енергия) и фотометрията (възприятие). Тя показва, че:
- Ако имаме източник с мощност 1 W, който излъчва само зелена светлина (555 nm), той ще произведе 683 лумена.
- Ако същият 1 W се излъчва в друга част на спектъра, лумените ще бъдат значително по-малко.
Сравнителна таблица за интензитет (cd)
За да придобием по-добра представа за величината в практиката:
Обикновена восъчна свещ 1 cd
Светодиод (индикаторен) 0.05 – 0.1 cd
Лампа с нажежаема жичка (100W) ~110 cd
Фенерче с насочен лъч 1000 – 10000 cd
Маяк 2000000+ cd
Яркостта (L) е физична величина, характеризираща интензивността на светене на телата. Този термин е взет от фотометрията и е една от най-важните характеристики на цвета, особено в експонометрията. Яркостта се приема, като количествена характеристика на цвета. Няма никакво значение дали тялото свети със собствена или отразена светлина. Повърхностната яркост на тялото, светещо с отразена светлина, е правопропорционална на интензивността на осветлението и на коефициента на отражение. Отликата на яркост от светлост се състои в това, че яркостта е променлива характеристика на цветната повърхност, зависеща от нейната осветеност, а светлостта е постоянна характеристика на повърхността и не се променя от осветлението. Трябва да се подчертае, че понятието яркост се отнася за съответен приемник на светлината, като в практиката има три приемника на светлина: окото, светломера и филмовият материал. Затова, яркостта се дели на визуална, фотометрична и фотографска. Големината на всяка от тези яркости зависи от два фактора - енергийната яркост на цвета и спектралната чувствителност на приемника. Яркостта L изразява интензитета на светлината, която се получава от светеща (отразяваща) повърхност с лице единица, проектирана върху равнина, нормална на посоката, в която се определя яркостта:
L = (ΔI/ΔS)*cosφ
където:
ΔI е интензивността на светлината, получена от площта ΔS;
ΔS е площ на отразяващата (светещата) повърхност;
φ е ъгълът между нормалата на светещата повърхност и разглежданата посока.
Единицата за яркост в SI е кандела на квадратен метър (cd/m2). Яркостта на равномерно светеща повърхност е 1 cd/m2, когато в перпендикулярна посока от 1 m2 се получава интензивност 1 cd. Тази единица се нарича още нит (nt). Използва се и стилб (sb), което е извънсистемна единица (1 sb = 1 cd/cm2 = 104 cd/m2).
Горното изложение прецизно дефинира яркостта, като единствената фотометрична величина, която човешкото око възприема директно. Докато осветеността описва какво „пада“ върху повърхността, яркостта описва какво „излиза“ от нея по посока на наблюдателя!
Ето някои важни допълнения към представената физична картина за Яркост:
1. Закон на Ламбер
За идеално дифузни повърхности (наречени Ламбертови), яркостта е еднаква във всички посоки. Това е така, защото макар интензитетът I да намалява при увеличаване на ъгъла ϕ, видимата площ на източника намалява със същия темп, което поддържа съотношението константно. Примери за такива повърхности са матовата хартия или прясно падналият сняг.
2. Разграничаване на видовете яркост
Отново наблягаме върху разделението според приемника. Това е критично важно при изчисления и професионалната работа със светлина:
Визуална яркост:
Тя е субективна и следва логаритмична зависимост (Закон на Вебер-Фехнер). Окото се адаптира към общото ниво на светлината, затова един екран изглежда заслепяващ в тъмна стая и блед на слънце, въпреки че физическата му яркост е една и съща.
Фотометрична яркост (Нитова яркост): Обективната стойност, измервана с уреди (яркомери).
Фотографска яркост: Тя се определя от експозицията. За разлика от окото, сензорът или филмът имат линеен или специфичен химичен отговор към светлинната енергия.
Фотографска яркост:
Тя се определя от експозицията. За разлика от окото, сензорът или филмът имат линеен или специфичен химичен отговор към светлинната енергия.
3. Яркост при отражение
За повърхности, които не светят със собствена светлина, яркостта зависи от осветеността (E) и коефициента на отражение (ρ):
L=(E⋅ρ)*π
(Тази формула е валидна за идеално дифузна повърхност)
Сравнителни нива на яркост (в или ):
Повърхност на Слънцето ~1600000000 nt
Нишка на лампа с нажежаема жичка ~7000000 nt
Луминесцентна лампа ~7000 – 15000 nt
Монитор (стандартен) 250 – 500 nt
Повърхност на Луната ~2500 ntЗапомнете!
Интензитетът на светлината се мери в кандели (cd), светлинният поток – в лумени (lm), а осветеността – в луксове (lx)!
Още за светлината от гледна точка на човешкото око!
Изкуствените светлинни източници, обикновено се оценяват въз основа на тяхния светлинен поток (lm). Мярката Лумен, не включва цялата енергия, която светлинния източник излъчва. Лумена оценява само диапазона във видимия човешки спектър, като по този начин се получава средно претеглена стойност по отношение чувствителността на човешкото око:
Използването на лумени за оценяване на осветление е широко разпространено, но когато ги използвате за фотосинтеза трябва, да знаете добре, какво точно означават те. Лампа А може да бъде по-силна от Лампа Б, по отношение на лумените, но е възможно Лампа Б да отдава по-полезен диапазон светлина, необходима за фотосинтеза. Добър пример за това е сравнението на 40W обикновена крушка за студено-бяла светлина и широко известната крушка GroLux със същата мощност. Обикновената крушка има светлинен поток 3050 лумена, а GroLux има едва 1200 лумена. Голямата разлика идва от това, че GroLux излъчва много малко светлина в зеления диапазон, а обикновената крушка прекалено много в зеления диапазон. Знаейки тези подробности, аквариста може да вземе решение за подбор на светлинен източник, дали да наблегне на GroLux (визуално светлината в аквариума, заради нея, ще бъде по-сивозелена) или да сложи повече източници с широк спектър. Добри резултати може да се получат при комбиниране, на тясно спектърната крушка GroLux и широкоспектърната крушка GroLux 89 CRI (89 Color Rendering Index). Чрез допълнително, програмирано управление на светенето, може да се постигнат ефектите на зазоряване, пладне и здрачаване, в аквариума (накрая ще бъде обяснена ползата от такава симулация).
Ето пример, как да използваме приложените спецификации и диаграми, при закупуване на специална лампа..
В тази диаграма са показани характерни пикове на светлинна емисия, като е дадено и отношението на синя към червена светлина (гледайте пиковете, максималния в синия диапазон се приема за 100%), получаваме 100 / 70 = 1.42
Това отношение, позволява да видите кой цвят светлина преобладава в източника и така може да направите извод, за необходимата ви комбинация от крушки.
Примера с GroLux крушките е даден не за да ви убеждавам, да ползвате точно тях,
а за да стане по-ясно, когато се избира светлинен източник, какво трябва да се гледа и преценява!
Както се вижда до тук, правенето на избор за аквариумно осветление, само по Келвини и Лумени не е добра идея, защото липсва точност и съществува вероятност за допускане на грешки.
Склата по Келвин има значение повече за субективното възприятие на човешкото око - как ще изглежда аквариума ви визуално приятен. Вярно е, че осветление 3000К ще има повече червено в него, както и че осветление 10000К ще има повече синьо в него, но въобще не е ясно колко полезна енергия има в осветлението и дали то ще бъде достатъчно за растенията.. , защото в крайна сметка преценката ви е била визуална, според ненужната зелена светлина, излъчена от източника.
Оценката Келвин е само индикация за температура на цвета. Известно е, че колкото по-висока е температурата, толкова повече синьо има в общия поток светлина. Ето един пример, за този общ случай:
Не се заблуждавайте, че цветната температура може да се използва за показател определящ, необходимия диапазон на дължини на вълните, които трябва да се съдържат в светлината за фотосинтеза в аквариума !!!
Възможно е дори, необходимата дължина на вълната, да не присъства въобще в спектъра на източника, въпреки че в документацията на източника е отбелязана "подходяща" стойност по Келвин.
Излъчените дължини на вълните на светлината, за две крушки, с една и съща цветна температура, могат да бъдат напълно различни. Ето защо, цветна температура не трябва да се използва, за да се определя полезна светлина, за отглеждане на растенията.
Когато се осветяват растения с бяла светлина, тези които използват хлорофил, ще изглеждат зелени. Това означава, че те поглъщат червения и синия диапазон светлина и отразяват ненужната зелена светлина. Сравнени тези зелени растения, с растенията съдържащи Каротеноид (червени листа), енергитично са в по-изгодна позиция, защото поглъщат енергия от двата спектрални диапазона - червения и синия, докато другите (червените) растения, поглъщат енергия само от синия и много слабо от зеления спектър. Каротеноидните растения отразяват целия светлинен спектър, без синия диапазон.
Съществуват много растения, които могат да трансформират механизма си за поглъщане на светлинна енергия, като в зависимост от условията, ако са били с червен цвят, стават зелени и обратно. Това е защитен механизъм, който сработва, ако са поставени при много силно осветление. От зелени, те се превръщат в червени, като по този начин отразяват излишната енергия от червения диапазон. Добър пример за споменатото е случая, когато някои стайни растения след, като се изнесат на балкон, под въздействие на слънчевите лъчи, обагрят листата си в червени тонове, а когато същите се внесат в помещения на сянка, те отново възвръщат зеления си звят.
Цветната Температура по скала Келвин, на дадена лампа или източник, не винаги е точна, отнесена към Черно Тяло на Lokus съгласно стандарт за цветност CIE хроматичната карта. Поради тази причина, ако човек гледа, някои крушки 5000К ще изглеждат жълти, а други по-бяли, особено пък ако се прави сравнение между линейно флуоресцентните модели източници тип CF или MH (Aquasun T5-HO Double Light Linear Fluorescent Tube). Именно в такива случаи е възможно, да станем жертва на маркетингови трикове и да се сдобием с грешното осветление.
Цветната Температура не е мярка за цветност!
PAR ("Photosynthetic Available Radiation")
Стандартната мярка, с който се изразява достъпната енергия за фотосинтеза е наречена "Радиационна фотосинтетична активност" (известна още като "Радиационна фотосинтетичната наличност") или PAR ("Photosynthetic Available Radiation"). Делът на тази енергия се изчислява с еднаква тежест, за висчки източници на светлина в спектралния диапазон 400nm - 700nm. PAR също се различава и от лумените, поради това, че тя не е директно измерваема величина за енергия, а се изразява в "брой фотони за секунда". Причината за изразяване на PAR в брой фотони вместо енергийни единици, е че реакцията на фотосинтезата се извършва, когато един фотон се абсорбира от растението, без значение, каква е дължината на вълната на фотона (при условие, че се намира в интервала между 400 и 700 нанометра). С други думи, ако даден брой сини фотони се абсорбират от растението, количеството на фотосинтеза, която се получава, ще бъде точно същото, както при абсорбиране на същия брой червени фотони. Ето защо е толкова важно да се знае спектралното излъчване на крушката (ехо разбирачите акваристи), преди да решим дали тя е "добър източник на светлина за растения". В допълнение на казаното за PAR, трябва да се спомене и за още един допълнителен термин, наречен "Радиационна фотосинтетична използваемост" ("Photosynthetic Usable Radiation" или PUR), който включва в профила си само синя и червена светлина.
Няма смислено обяснение, защо има още хора, които продължават да се ръководят в своя избор, въз основа на цветната температура, но вероятно това е така заради не информираност, невежество или дори инат!