Краткий курс аквариумной фотометрии

© Michael Dubinovsky a.k.a Миклуха, 1999-2000

Данный документ может распространятся свободно полностью без изменений и удалений, как единое целое, включая данный параграф. Запрещено использование документа в коммерческих целях без разрешения автора. Уважайте мой труд. Информация в данном документе представлена "as is" и автор не несет ответственности, прямой или косвенной, за ее использование All products, names, and logos mentioned herein may be the trademarks of theirs respective owners

Все рассматриваемые ниже понятия не очень нужны для успешного содержания аквариума. Поэтому все это смело можно пропустить. Однако, современные производители ламп указывают эти параметры, причем, к сожалению, многие компании, торгующие аквариумными лампами плохо сами понимают все эти параметры и используют их в рекламных целях. Поэтому я постарался описать кратко (предельно кратко) некоторые понятия, которые используя для описания ламп. Что-то вроде crash-course по фотометрии и цветоведении

В чем разница между люменом и люксом?

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.

Мрщность светового потока, излучаемого лампой можно измерять несколькими способами, которые можно разделить на две группы. Первый способ - измерять энергию излучаемую лампой. Так измеряютмя обычно спектральные характеристики ламп - т.е. какая энергия приходится на ту или иную длину волны (точнее на узкий диапазон длин волн, но не будеи 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 распространненый 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 различных эффект на зрительное восприятие. Например, мощный источник излучающий голубой цвет будет казаться нам тусклым (лампа закрытая голубым светофильтром), а источник излучающий магаватты тепла в инфракрасном диапазоне будет казаться черным. Поэтому вместо энергетических величин используются световых величины в фотометрии. Мощности соответствует световой поток, измеряемый в люменах. Один ватт излучаемый на длине волны 555 нм соответсвует 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 всякие методы - самый удрбный (но не в домашних условиях) - использование фотометрического шара, еще удобнее - заглянуть в каталог. Для ламп используется понятие светоотлачи (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)

Понятно, что лампы одинаковой мощности, но с разными спектрами излучают разный световой поток в люменах, дяже если излучаемые мощности равны между собой. Наиболее еффективна 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 присутствую синяя и красная компоненты и практически отсцтствует 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 рыб, 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 оампы в этих единицах - практически нереально из-за отсуствия аппаратуры.

Вторым 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 величини светового потока, проходящего через плоскую площпдку, 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 параллельная 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 проектируете системы освещения для аквариума.

Остальные фотометрические величины (сила света, ярокость и т.д.) можно найти в любом справочнике по фотометрии
к началу страницы

Что такое CCT и CRI?

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).

Цвет источника света можно выразить с помощью двух координат - x,y. 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.

Черная линая - 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 цвет только лишь. 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

Не надо путать CCT с цветовой температурой, используемой широко в курсах физике, которая определяется как температура абсолютно черного тела, спектральная кривая которого наиболее близка к кривой данного источника. Такое определение хорошо работает для источников, где рабочим тело является нить накал и спектр непрерывный. Для люминесцентных ламп с линейчатым спектром данное определение не имеет никакого смысла

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.
к началу страницы

Кратко о фотосинтезе

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

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, которые вряд ли имеют значение в аквариуме) в процессе фотосинтеза поглощает углекислый газ, восстанавливая из него углерод для получения органических соединений. Электроны для такой восстановительной реакции беруться 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 виды бактерий содержат другие пигменты, которые способны поглощать инфракрасный свет. При этом они не выделяют кислород

Спектр поглощения валлинснерии (из W. Adey, "Dynamic Aquaria")

Спектр поглощения листьев сои