АКВАРИУМНОЕ ОСВЕЩЕНИЕ Помощь в понимании Цветовой температуры в Кельвинах, длины волны в нанометрах, PAR, PAS, PUR

Написанная с профессиональным опытом и исследования с 1979 г. 

Karl Strohmeyer- PAMR 35+ лет опыта работы 

ОБЗОР

При выборе аквариумного освещения, надо учитывать значительно больше параметров, чем простое соотношение в "ваттах на галлон" (WPG). Ранее, когда выбор ламп подсветки ограничивался флуоресцентными холодной белой Т8 и теплой белой Т12 это «правило» было довольно точным и полезным. Как правило это соотношение было в диапазоне от 3 до 5 ватт на галлон. Но сейчас это соотношение абсолютно устарело в связи с разнообразием имеющихся в наличии современных светильников с разной величиной отношения люменов на ватт, с различными длинами волн, с фокусировкой светового потока, и с различными параметрами PAR, PUR, PAS, и RQE.

В качестве примера, высокие значения фотосинтетической активной/полезной радиации PAR / PUR светодиодных источников, позволяет значительно экономить энергозатраты на уровне от 4% до 15% от затрат, производимых при применении типичных аквариумных ламп T8 или T12. 
           Но, строго говоря, мы должны анализировать соотношение полной входной энергии (потребляемой мощности) по сравнению с полезной для растений выходной энергий. Входная энергии в ваттах (джоулей энергии) не соответствовует выходной энергии в диапазоне фотосинтетической активной радиации. Это происходит за счет неиспользуемой тепловой энергии, теряемой в драйверах, контроллерах, вентиляторах и других устройствах .

Если вы действительно заинтересованы в применении лучших вариантов аквариумного освещения,пожалуйста, прочтите эту статью до конца.
           Есть и другие факторы влияющие на выбор освещения для вашего аквариума. 
Например: Вы не можете сравнить выходной световой поток 150 ваттной металлогалогенной лампы и выходным световым потоком 150 ваттного прожектором на открытом воздухе. Или 150 ваттной стандартной лампы накаливания и 85 ваттной галогенной ксеноновой лампой (SHO) со световой температурой 6400 градусов Кельвина (К). 
           Помимо потребляемой мощности для оценки качества аквариумного освещения используются некоторые другие параметры, такие как PAR, PUR, поток в люменах на ватт, размер светового пятна или угол диаграммы освещения. Например применение отражателя обеспечивает значительное увеличение значения всех параметров в зоне полезного освещения.
           Другое соображение — проницаемость толщи воды для света разного спектрального состава.  Более высокая частота "красный" свет энергия быстро отфильтрованы в воде, и многие из световой энергии требующих растений, кораллов и т.д. адаптировались к энергии света, найденных на определенных глубинах воды они, естественно, проживают. Хорошо известно, что уровень убывания света различается в значительной степени в зависимости от длины волны. Красный свет имеет самый высокий уровень убывания. Его количество уменьшается примерно на половину в воде на глубине 30 см. Наоборот, голубой свет убывает в воде лишь на 0,5% на глубине 1 метра. Это означает то, что возможно, водные растения усваивают свет голубого спектра для фотосинтеза под водой.

  НЕМНОГО ИСТОРИИ / КОММЕНТАРИЙ:
Ранее часто использовались приобретенные в магазинах бытовой техники трубчатые лампы Т12, излучающие теплый белый свет с цветовой температурой около 3000 градусов кельвина (К). А для компенсации не лучшего качества света количество этих ламп увеличивалось.

Позже появились более синие лампы Т12. Их цветовая температура достигла 4000 К.
Позже появились светодиодные точечные лампы Trichromatics со спектром дневного света 6500 К.

Сдвиг спектра в синюю область позволило существенно уменьшить мощность и количество ламп в системе освещения аквариума.

Для поддержания жизни кораллового рифа в аквариуме смешивали свет синего спектра с другими цветами. В этом аквариумистам помогали лампы Т5 и Т6.
Теперь у нас есть компактные энергосберегающие лампы Т2, ксеноновые металогалогенные SHO, и разнообразные светодиоды. Этот набор источников света позволит значительно снизить потребляемую мощность светильника, обеспечив нормальное количество и качество света для поддержания нормальной жизни в аквариуме.

Этот обзор является очень кратким объяснением основных принципов освещения аквариума. И следует учитывать фактор непрерывного развития систем и принципов освещения. То, что описано в статье может быть вчерашним, но хорошо исследованным автором, днем. 
В качестве краткого обобщения, мы в первую очередь концентрируемся на потребляемой мощности (на подводе энергии), а потом на выходной энергии. Это может быть дополнительно упрощенно разбвкой на следующие 6 понятий:

• PAR (выходная энергия) — фотосинтетическая активная радиация.
• PUR/ используемая световая энергия/качество пользовательского освещения - фотосинтетическая используемая радиация. Полезная световая энергия, используемая растениями. Это очень важный фактор, часто упускаемый аквариумистами. 
• Количество люменов на ватт (вход /выход энергии) 
• Фокусировка излучения, а также характеристики поджига (выходная энергия) 
• Потребляемая мощность (входная энергии) 
• Потери энергии в виде тепла за счет вентиляторов, трансформаторов, драйверов , способа управления и т.д. (входная энергия)

И, наконец, стоит отметить, что самое лучшее освещение сделанное человеком, далеко уступает качеству солнечного света. Поэтому, разместить наш аквариум хотя бы на короткое время — это наиболее полезное из того, что мы можем сделать. 

ЗДЕСЬ являются важными факторами в глубину;

1: КЕЛЬВИНА RATING (например, 10,000K дневного света лампа):

Что подразумевается под термином «цветовая температура»?

«,,, цветовая температура (ЦТ) определяется как температура абсолютно чёрного тела, при которой оно испускает излучение того же цветового тона, что и рассматриваемое излучение». Характеризует относительный вклад излучения данного цвета в излучение источника, видимый цвет источника. Измеряется в Кельвинах.

Вот краткое описание Кельвина: 
Кельвин определяется двумя точками: абсолютного ноля, и точкой кипения чистой воды. Абсолютный ноль определяется как 0 К и -273.15 ° C.

При абсолютном нуле, всякое движение в частицах, составляющих материю, прекращается. Вся кинетическая энергия в частицах становится равной нулю, и они находятся в полном покое. При абсолютном нуле никакой тепловой энергии нет (полное отсутствие тепла).

 Вода замерзает при 273,16 градусах Кельвина, а кипит при 100 ° С или 373.1339. 

Истинным определением Кельвина является то,  что оно является единицей измерения температуры на термодинамической (абсолютной) температурной шкале.

Значение в Кельвинах используется в индустрии освещения, чтобы определить значение цветовой температуры излучателей света, например ламп.
Значения цветовой температуры ламп, превышающие 5500 K являются "холодными" (зелено-синими) цветами, а более низкие чем 3000 К "теплыми" (желто-красными) цветами.
Кельвин происходит от фактической температуры нагретого абсолютно черного тела, излучающего свет, с определенным температурой нагрева цветом. Гипотетически, при прекращении всех молекулярного движения , температура описывается как при абсолютном нуле или 0 градусов Кельвина, которая равна минус 273 градусов по Цельсию. 
Смотрите пример картинке ниже:

Нити накала лампы накаливания очень темная, и приближенно ее можно считать абсолютно че6рным телом, поэтому фактическая температура нити накала очень близка к ее цветовой температуре в градусах Кельвина. 
Лампы накаливания , как правило, имеют цветовую температуру около 3200 К, но это верно только для случая  если лампа работает при номинальном напряжении питания. При снижении напряжения питания, спираль разогревается до меньшей температуры. В силу этого снижается яркость свечения лампы и снижается цветовая температура. Снижение яркости на 10% увеличивает долю красного света на 100%. 
Значение цветовой цветовая температура не учитывает спектральное распределение источника видимого света. В тех случаях , когда источник света, такой как флуоресцентная лампа, дуговой разряд, лазер или газоразрядная лампой, не имеют спектральное распределение, аналогичную черного радиатора тела, использовать в чистом виде цветовую температуру не совсем корректно.

Несколько замечаний по поводу Кельвина:

 Хлорофилл растений поглощает свет с длинами волн от 300 нм до 700 нм. градусов Цветовая температура (К) около 6400 К создает хороший баланс в этом диапазоне длин волн. В следствии этого именно эта цветовая температура является лучшей для выращивания пресноводных растений (и симбиотических зооксантелл в кораллах в мелководных, идеальных условиях).

 Более желтый, а за ним красный свет появляется при снижении "К".

 Более голубой цвет появляется при повышении "К".

 Чем выше цветовая температура Кельвина тем глубже свет проникает в толщу воды, особенно в соленой воде.

 Человеческий глаз видит главным образом свет вокруг 5500К.

 Пламя свечи = 1850 - 1900 K

 Солнечный свет (1 час после рассвета) = 3500 K

 Типичный летний свет (солнце + небо) = 6500 K

 Холодный белый флуоресцентный = 4200-5500 K

 Комбинация излучений различных длин волн могут быть использованы для достижения той же температуры Кельвина. Так же как обе суммы 4 + 5 и 1 + 8 обе равны 9, так же излучения с различными длинами волн можно использовать для создания нужной цветовой температуры. Именно поэтому сравнивая одну лампу 6500K с другой часто можно не получить результата. А сравнение надо производить по параметру фотосинтетической полезной радиации (PUR), необходимой для растений или кораллов. 
В качестве примера возьмем теплые белые и синюю флуоресцентную лампу или светодиодные излучатели. Если собрать светильник из одиннадцати ламп теплого белого света (3000K) и одной синего света (50000К), то в результате простого расчета получим цветовую температуру светильника 6916К. (11 х 3000 + 1 х 50000 = 83000 ÷ 12 (всего света или излучатели) = 6916k). Другими словами, с этой комбинацией можно получить общую оценку цветовой температуры 6900 Кельвин. Откровенно говоря это обеспечило бы очень неэффективный, плохой способ достичь цветовой температуры хорошего дневного света,  так как светильники будут очень мощными в теплых желтых, красных, и некоторых зеленых участка спектра. Результирующий спектр будет иметь очень малый параметр фотосинтетической активности спектра (PAS). ЦТ в Кельвинах не связана с длинами волн в нанометрах. Так что будьте осторожными в сравнении светоотдачи исключительно по Кельвину.

Рейтинг цветовых температур для аквариумных растений и кораллов.
Вот некоторые замечания, сделанные мной и другими специалистами по профессиональному обслуживании аквариумов. Некоторые из замечаний представляют собой простые наблюдения, в то время как другие были основаны на более подготовленных испытаниях. Пожалуйста , обратите внимание , что они все еще обобщения!

 Теплый белый ЦТ = (2700-3500K) и холодный белый ЦТ = (4200-5500K) являются типичными в рейтинге цветовых температур.  Светильники с такими спектральными характеристиками используемые в домашнем освещении массово продаются в магазинах. Несколько лет назад эти источники света были использованы для освещения простых, и даже коралловых, аквариумов — это было сделано по необходимости, поскольку не было других вариантов).
Если вы ищете самый высокий выход в полезную энергию света для ватта потребляемой энергии, этих ламп следует избегать.

 ЦТ = 6500 К стимулирует рост наземных растений и пресноводных подводных.
 Это баланс ,который вы должны искать.
Излучение этой ЦТ может стимулировать развитие кораллов SPS и LPS.
В морских коралловых аквариумах к этому излучению нужно добавить излучение синего актинического светодиода.
Соленая вода поглощает больше энергии , чем пресная за счет более высокой плотности, поэтому свет с ЦТ = 6500K не проникает глубоко и не являются хорошим выбором для глубин более 12 дюймов.

 ЦТ = 9000-10,000 К также позволяют достичь хороших темпов роста,
10,000K может быть хорошим выбором для достижения значительного PAR и для лучшего проникновения в глубины, чем 6500K лампа (например для 12-20 дюймового, или даже более глубокого аквариума).

 ЦТ = 14,000K Этот свет , будет проникать в толщу воды даже больше, чем проникает свет с ЦТ = 10,000 K, обеспечивая при этом хороший полезный PAR .Превосходный цвет дневного света для аквариума глубиной от 15 до 30 дюймов.

 ЦТ = 20000 K Более синий свет выводит все флуоресцентные пигменты во многих кораллах и делает для очень красивыми. Однако многие испытания и наблюдения показывают , что при использовании в одиночку скорость роста кораллов SPS можно даже остановить рост.  Это происходит аквариумах глубиной менее 24 дюймов.

http://www.americanaquariumproducts.com/Aquarium_Lighting.html (часть 2)

Нанометоровая шкала световых длин волн.

Все, что населяет планету Земля, живет в океане электромагнитнных волн. И этого огромного океана есть небольшой диапазон видимого светового излучения. (Visible Spectrum)

Для измерения длины волны спектрального диапазона видимого света принято использовать нанометровую (нм) шкалу (один нанометр это одна миллиардная часть метра). Для примера можно кратко описать обобщенные спектры некоторых типов ламп:

 Ультрафиолетовая лампа имеет пик излучения в районе 265 нм.

 Актиническая (сине-фиолетовая) лампа в районе 420 нм.

 Люминесцентные лампы дневного света имеют несколько пиков во всем видимом диапазоне. Причем, у ламп «теплого» спектра уровень красных составляющих относительно синих выше, чем у ламп «холодного» спектра.

 Лампы накаливания имеют непрерывный спектр светового диапазона в видимой области спектра.

              Излучение с разными длинами волн по разному взаимодействуют с окружающей средой. Например коротковолновое рентгеновское излучение пройти сквозь стены, в то время, как у излучения видимого спектра это не получится. Коротковолновое ультрафиолетовое и рентгеновское излучение может разрушить ДНК в живых микроорганизмов и вызвать распад органического материала , в то время как видимый свет безусловно полезен подавляющему большинству форм жизни.

Все это относится и к аспектам ведения аквариумного хозяйства. Освещение аквариумов имеет ряд особенностей. Главная из них — различное затухание различных цветов видимого спектра в толще воды. Причем, различается затухание в пресной и морской воде. Красный свет в толще воды затухает первым, а синий, проникая на самую большую глубину - последним.

Большинству высших растений необходим сбалансированный PAR спектр света, который включает в себя синий и два красных пика, необходимых для фотосинтеза (смотри раздел настоящей статьи о PAR, PAS и PUR).

А кораллы нуждаются в интенсивном актиническом фиолетовом излучении, а также в других составляющих PAR.

В качестве оптимального светового излучателя можно рассматривать солнце в ясный, безоблачный день.

Цветовая температура (ЦТ) солнечного света в ясный день регистрируется на уровне 5500- 6500 градусов Кельвина (К). Снижение ЦТ ниже 5500 К делает свет  более красным и желтым, а повышение выше 6500 К более синим.

Большинство фотосинтезирующих морских беспозвоночных должны освещаться лампами дневного света с ЦТ от 6400-14,000 K. Лампы дневного света 20,000 K также могут быть использованы для более глубоких аквариумов (более 22 дюймов).
Фотосинтезирующим беспозвоночным (многим кораллам, актинии, двустворчатым моллюскам, голожаберным и т. д.) необходимо более синий спектр освещения (400-490nm) по сравнению с «высшими» растениями. Особенно это важно если аквариум имеет большую глубину. Мало того, что актиническое освещение полезно для фотосинтезирующих беспозвоночных, оно также эстетически приятно для глаз. При таком освещении выявляются цвета многих кораллов и моллюсков.

              Компания Osram Oslon теперь имеет в ассортименте производмой продукции патентованный светодиодный излучатель "Osram Olson NP Blue", который является первым «синим» излучателем , специально предназначенным для реализации полного спектра PAR требуемого морским фотосинтезирующим беспозвоночным.

Следует отметить, что флуоресцентные лампы и лампы накаливания излучают много желтого и зеленого света. Исследования показывают, что эти составляющие спектра с точки зрения потребностей пресноводных растений и SPS кораллов пропадают впустую. С этой точки зрения для аквариумных применений могут лучше подойти металлогалогенные лампы. В их спектре меньше желтой и зеленой составляющей.

На рисунке показан спектр излучения флуоресцентной лампы дневного света T8 с ЦТ 5500, применяемой для аквариумного освещения. Этот рисунок показывает два неиспользуемых аквариумными растениями пика в желто-зеленой и красной части спектра.

Водные растения и кораллы в процессе эволюции приспособились к энергии естественного света, дошедшего на определенную глубину в толще воды. И попытка приспособить для их освещения источники света, предназначенные для наземных растений, к хорошему результату не приводит.

Но поскольку для фотосинтеза все же требуются участки красного спектра, для аквариумных растений целесообразно применение светильников с ЦТ от 10 000 К и выше.

Далее будут вкратце охарактеризованы основные термины и величины, описывающие свойства и параметры систем освещения растений.

 Люмен.

Международная единица светового потока или количества света, используемого в качестве меры общего количества излучаемого видимого света. Чем выше люмены, тем ярче или интенсивее свет выглядит для человеческого глаза. Вы можете вычислить соотношение «люмен на ватт» путем деления количества люменов, на потребляемую мощность. Обе величины должны быть взяты из паспорта лампы.

Ниже приведена таблица световых потоков различных источников света. (по материалам Википедии с сохранением гиперссылок)

Знание соотношения люмен на ватт это еще один маленький кусочек головоломки "освещения аквариума". 
           Например,лампа T12, рассчитаная на 20 Вт, с общей мощностью светового потока 800 лм, имеет соотношение люмен на ватт равное 40. В то время как 13 Вт лампа T2, мощностью 950 люменов, имеет соотношение равное 73 люмен на ватт. Это явный пример того, что правило «ватт на галлон» сильно устарело.
Фокусировка света/ фокусировка люменов.
           Следует также отметить, что при рассмотрении освещения аквариума, даже выход светового потока люмен на ватт может быть обманчивым.
           Лучшие светодиодные светильники являются хорошим примером этого. Линза светодиода фокусирует световую энергию в определенном направлении в соответствии с диаграммой распределения светового потока в пространстве. А с точки зрения энергетики сам принцип работы светодиода обеспечивает относительно с небольшие тепловые потери, в сравнении с другими типами аквариумных светильников.
Надо осторожно использовать люмены в для измерения параметров светового потока:
           В то время как измерения количества люменов является важным и полезным для сравнения стандартных бытовые лампочек накаливания, для светильников новых поколений это только часть уравнения. Разница в цветовых температурах, в спектральном составе излучений, и еще в множестве параметров, является причиной этого.
Люкс.

Люкс — в системе СИ это единица измерения интенсивности света. Один люкс равен одному люмен на квадратный метр. 
Стоит отметить , что люкс характеризует интенсивность света , к которому человеческий глаз наиболее чувствителен (зеленый свет).

Для оценки количественного наполнения единицы Люкс можно привести в качестве примера некоторые соотношения:

0,0003 лк — безлунное звездное небо;

0,027 лк - полнолуние в ясном небе;

1 лк — полнолуние в тропиках;

50 лк — ванные комнаты, санузлы, душевые;

100 лк — очень пасмурный день;

150лк — жилые комнаты, спальни;

400 лк — восход и закат в ясный день;

1000 лк — пасмурный день;

4-5 тыс.лк — полдень в декабре — январе;

10 — 25 тыс.лк — ясный солнечный день (в тени);

32 -130 тыс.лк — под прямым солнечным светом.

Это измерение включает в себя только видимый людьми свет. Но оно может быть полезным инструментом и для пресноводных растений и большинства кораллов в морских аквариумных рифах.
Когда не хватает люксов, обитатели коралловых тканей зооксантеллы не вырабатывают достаточное количество кислорода.  
Минимальная интенсивность света в самой глубокой части аквариума должна быть не менее 3000 люкс и не более 120 000 люкс.
В тропических коралловых рифах были измерены следующие значения: 110000 - 120000 лк на поверхности рифа и 20,000-25,000 лк на глубине один метр ниже поверхности воды.

Ватт:

Единица измерения мощности Ватт равна одному джоуль энергии в секунду. Для нас, это измерение того, сколько энергии наш светильник использует для его номинальной светоотдачи.
Вот почему старое правило "3-5 ватт на галлон" может быть обманчивым, и это правило в лучшем случае является лишь отправной точкой. Это архаичное правило было более точным, когда все использовали лампы T12.
В среднем у лампы Т12 соотношение люменов на ватт равно 40, а это означает, что подобрав лампу с соотношением 80 люменов на ватт, для питания этой лампы потребуется в два раза меньшая мощность. Конечно это справедливо если все остальные параметры обоих ламп аналогичны.

Термин "ватт на галлон" становится все более архаичным с новой Т-2, Т-5, CFL, SHO, и особенно новые, коралл - совместимые светодиодные фонари.
Даже внутри светодиодного фонаря, один 30 - ваттный светодиод не эквивалентен другому.

PAR

Фотосинтетическая активная радиация (PAR, ФАР) является важной и общепринятой отправной точкой для оценки параметров световой энергии. но должен не полностью переопределить также важный связанный полезный свет энергии (PUR, который буквально обозначает фотосинтетическое полезное излучение). Мы измеряем PAR в микромолях ( μMolm) на квадратный метр в секунду.
Заметим, что важность параметра PAR часто побуждает его использовать в качестве единственной меры для морских и пресноводных растений выращиваемых в аквариумах. Но не надо забывать о важности и других параметров, таких как PUR / ССА / RQE также имеющих важное значение и подлежащих рассмотрению.

           PAR это аббревиатура для фотосинтетической активной радиации, которая определяется в спектральном диапазоне солнечного света от 400 нм до 700 нм.
Но целый ряд исследований и экспериментов показывают, что на растения оказывает вляние и излучение вне диапазона PAR. Например, при проведении исследований с помощью инфракрасных (ИК) светодиодов 880 нм и 935 нм (излучающих далеко за пределами принятого диапазона PAR), на этиолированных (выращенных при дефиците света) проростках овса отмечено появление листьев, что должно было произойти при освещении проростков светом в диапазоне PAR.

Приведенный выше график предназначен только для демонстрации границ света в диапазоне PAR и относительной квантовой эффективности (RQE) в нем

Ближний ультрафиолетовый диапазон попадает полосу длин волн поглощения хлорофиллов А, С² и пиридинина (светопоглащающего каротиноида, пигмента, связанного с хлорофиллом). Так же, хлорофиллы а и c² поглащают излучение в красном диапазоне от 620 нм до 720 nm.
              Фотоны более коротких длин волнах (UVC) обладают слишком высокой энергией и, за счет этого могут быть вредными для клеток и тканей. К счастью, они в основном отфильтровываются в озоновом слое стратосферы.

           Хлорофилл растений имеет зеленый цвет. Поэтому излучение PAR в зеленом спектральном диапазоне отражается от зеленых зерен хлорофилла, и не оказывает существенного влияния на фотосинтез.

Лампы, излучающие в основном синий актинический свет, имеют низкое значение PAR.

Лампы, излучающие средний спектр длин волн (желтый-зеленый), например, «теплое» белое свечение с ЦТ = (2700-3500 °K), продуцируют малое значение PAR.

Наиболее мощное значение PAR создается лампами, работающими в красном и инфракрасном спектре.

 Однако лишь комплексное использование ламп различного спектра обеспечит совпадение множества пиков графика PAR и, тем самым, произведет эффект улучшения рост у растений и водорослей.

Источник

Читайте также: