Специализирани LED източници за фотосинтеза
18.06.2013
В акваристиката, в миналото, най-често източниците на светлина са флуоресцентни или метал-халидни лампи. Всяка от тях има предимства и недостатъци, но и при двата вида има проблем с качеството на светлината - нличие на неравномерна емисия при различните дължини на вълната, понякога изразяващи се в невъобразимо неприятни пикове (това е характерно за всички методи получаващи светлина при токов разряд в газова среда).
Лабораторните изследвания, свързани с нуждата от светлина на растенията са показали, че растенията използват два диапазона от светлинния спектър - син 410nm - 560nm и червен 630nm - 670nm.
Примерно, вижте емисионните диаграми, за два типа светлинни източници:
Първата диаграма (фиг.1) е на флуоресцентната "SERA Natural", а втората диаграма е на метал-халидната "SolisTek Double Ended 1000W Metal Halide 6K". После вижте абсорбционната диаграма (фиг.2), за това коя част от светлината при фотосинтеза, хлорофила ползва реално.
Нали, ужас?
(фиг.1)
Около 2013 година, няколко фирми производители, заемат нова ниша за осветителните тела, свързана специално и само с областта на отглеждане на растения, използващи хлорофил. Тези фирми създават технология за производство на диоди, излъчващи с точно определена дължина на вълната, специално за нуждите на фотосинтезиращите растения. По техните стъпки тръгват и други производители и ето днес, пазара е пълен с предложения за нови LED светлинни източници, специално за отглеждане на растения.
Развитието на технологии не спира и се появяват диодни осветителни тела, със спектрално излъчване в различни варианти, с различно отношение между излъчваната синя и червена светлина. Днес може да се купи диодно тяло излъчващо точно и само в диапазона за фотосинтеза син 410nm - 560nm и червен 630nm - 670nm, но има още вариации..
Ефект от спектралния диапазон върху физиологията на расенията:
- 280 nm ~ 315 nm Влиянието на върху морфологичните и физиологичните процеси е минимално
- 315 nm ~ 420 nm хлорофилът абсорбира по-малко ударен фотопериодичен ефект, предотвратява удължаването на стъблото
- 420 nm ~ 500 nm (синьо) хлорофилът и каротеноидите абсорбират най-голямата част, най-голямото въздействие върху фотосинтезата
- 500 nm ~ 620 nm степен на абсорбция на багрилото не е висока
- 620 nm ~ 750 nm (червено) степен на абсорбция на хлорофил "висока", има значително влияние върху фотосинтезата и ефекта на фотопериода
- 750 nm ~ 1000 nm скорост на абсорбция, стимулира удължаването на клетките, въздействието на цъфтежа и покълването на семената
Осветителните тела с диоди се разпространяват във всички варианти на присъединяване, като най-често използвания цокъл е Е27.
или
(фиг.3)
Изключително важно е да се подчертае, че в разбирането качеството на светлинните източници, трябва да се прави разлика между емисионен спектър и цветна температура. Ако потребителите и ползвателите на специфична светлина, за своите оранжерии или аквариуми, не разбират това. няма никакъв смисъл да се занимават с такава материя от познанието.
За оценка на качеството, на светлината се използва PAR диаграма на LED телата:
(фиг.4)
Вариантите по отношение на мощност също варират, като те са от 4W до 250.
Правенето на избор за аквариумно осветление, само по Келвини и Лумени не е добра идея,
защото липсва точност и съществува вероятност за допускане на голями грешки.
Склата по Келвин има значение повече за субективното възприятие на човешкото око.. , как ще изглежда аквариума ви, дали ще ви бъде 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 него 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 я използвате за показател определящ, необходимия ви диапазон на дължини на вълните, които трябва да се съдържат в светлината за фотосинтеза.
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.
При
осветяване на 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
по-горе е случая, когато някои стайни растения след, като се изнесат на
балкон, под въздействие на слънчевите лъчи, те 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 крушка 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!
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), преди да решим дали тя е "добър източник на светлина за растения". В допълнение на казаното за PAR, може да се каже, че има и 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. Няма лампа, която да предлага правилно цветно излъчване и да изглежда естествено освен, ако тя не отговаря напълно на стандарта за цветопредаване (CRI) и тя да има висок CRI индекс. Когато CRI е над 90, цветовете винаги ще изглеждат по един и същ начин, без да зависят от цветната температура по Келвин.
CRI е индекс на цветопредаване, той е показател за това, колко близо е излъчената светлина на източника, до тази на естествената дневна светлина (пълен спектър). Използва се скала от 0 до 100 по отношение на това, как светлината прави обекта да се вижда. Примерно, за модела лампа Philips PL-L 950, индекса CRI е 92, така че тя има доста добри свойства на цветопредаване. Възможно е, две крушки с еднакви по Келвин температури, но с различни индекси по CRI, да предизвикат много различна цветност на наблюдавания (осветявания) обект. Ако се сравни крушка 5000K, с CR 80I и крушка 5000K с CRI 90 ще се види, че крушката с CRI 80 е много светла, но прави осветявания обект да изглежда в нюанси на зеленото и жълтото. Крушката с CRI 90 видимо изглежда, че излъчва по-слаба светлина, но в действителност тя прави осветявания обек, да изглежда с по-богати и пълни цветове във видимия спектър.
Опитите са показали, че растенията ще растат и с обикновени осветителни крушки или флуоресцентни тръби, купени от масовия пазар, тъй като те също са склонни да излъчват сини и червени емисии. Проблемът е, че те излъчват допълнително в зеления диапазон с дължини на вълните между 500 и 600 nm, който диапазон, нисшите Водорасли също много харесват. Зелените нисши Водорасли и Висшите Водни Растения използват еднакви пигменти за фотосинтеза (Хлорофил-А, Хлорофил-Б и Каротеноиди).
В аквариума има и синьо-зелени водорасли (цианобактерии), който съдържат Фикоцианин. Те силно поглъщат светлината в диапазона под 600 nm (бяло-оранжево-червен), в който за съжаление, излъчват повечето стандартни, флуоресцентни лампи. Практически това означава, че ако използвате такива лампи, вие се доближавате до създаване на идеалната плантация за синьо-зелени водорасли.
В добре засаден, растителен аквариум, изкуствената светлина, в идеалния случай, трябва да има два пика - единия в червената зона на спектъра, а втория в синята зона. За добър външен вид на аквариума може, да се постави и източник на зелена светлина, но той не трябва да доминира над останалите, той трябва да бъде настроен така, че да бъде единствено приятен само за човешкото око. В лабораторни условия е установено, че за правилния растеж на аквариумните растения баланса между цветните емисии на светлина, трябва да бъде 2/3 червени към 1/3 сини светлинни емисии.
Вижте пиковете на поглъщане (абсорбция) на енергия, от различните съединения, участващи в процеса на фотосинтеза:
Тълкуването на тази Абсорбционна Графика е следното..
Пиковете показват, при коя дължина на вълната на светлината, растението (хлорофила) поглъща изцяло светлината (енергията). Местата в низините на графиката означават, че тази светлина не се използва за фотосинтеза. След провеждането на подробни изследвания, учените създават норма и задание към производители на осветителни тела, които биха могли да произведат лампи със светлинна емисия само, в желаните диапазони.
Именно такива лампи са специализираните, за отглеждане на Висши Растения.
Флуоресцентни лампи губят ефективност с течение на времето. Някои губят повече от други. Някои лампи имат спад само 10%, докато други могат да отслабнат и с 30% или повече, за същия период от време. Флуоресцентни лампи, като правило, трябва да се заменят на всеки 6 месеца, а компактните флуоресцентни лампи, на всеки 12 месеца.
Флуоресцентните лампи продавани за аквариуми, често са по-скъпи и не са непременно по-добри от обикновените версии. Много лампи имат добавена спецификация, в опаковката, но тези графики най-често са представени с показания в относителна мощност по оста Y (игрек), а не по абсолютна стойност, изразена чрез ватове на нанометър на 1000 Лумена.
Ето няколко примерни варианта,
как би изглеждал аквариум с дължина 160см, с различни видове светлинни източници - флуоресцентно, метал-халид, LED:
Флуоресцентно осветление:
Метал-Халид осветление:
LED осветление:
