Сравнение на източниците на светлина в аквариум с растения - Ivo Busko

[evgeni200]

Сравнение на източниците на светлина  в аквариум с растения Ivo Busko

Преводът на тази статия се помества в контекста на тезиса, че за успешно отглеждане на аквариумни растения, ИНТЕНЗИТЕТА на осветеност е по - важен от СПЕКТЪРА и използването на лампи с повишен PAR няма никакъв смисъл!

Сравнение на източници на светлина в аквариум с растения

© Ivo Busko
© Перевод Андрей Каминский, Дмитрий Румянцев, 2001

Следния материал може да се разпространява свободно без изменения, като едно цяло, включвайки следния параграф. Забранено е използването на документи с комерсиална цел без разрешение от автора.Информацията в дадения документ се предоставя за използване, като автора не носи, пряка или коствена отговорност за нейното използване.

- как се сравняват лампи
- лумен, лукс, PAR......, какво е това?
- методика
- резултати
- нормализирани спектрални криви
- приложение
- източници на данни
- стъпки за изчисляване приведените данни от таблици
- източници на грешки
- пример

Как се сравняват лампи

Критериите за сравнение на лампи, които е нужно да се използват в пресноводен аквариум с растения винаги влкючват известен дял и персонален вкус. Това се прави с цел не само според нуждите на растенията, но и така, че аквариума да ни харесва визуално. Естествено сме длъжни да обезпечим първо " силно " или " ярко " осветление ръководейки се от правилото Ват/Литър. Това правило не е предмет на статията. Единственото, което ще бъде разгладено е ефективността, имайки фиксирано количество консумирана енергия (Ват ), как да получим максимално ефективна светлина за растенията запазвайки естетическия вид и на аквариума.

Когато над аквариума има достатъчно място и няма безпокойства относно консумираната ел. енергия, първичните критерии за избора на лампи трябва да бъдат основани на техните визуално значими стойности, а именно Лумени, цветна температура - Келвини и индекс на цветопредаване (CRI). Ако на растенията е недостатъчно първоначално поставеното осветление се добавят допълнително лампи.

Когато има пространствени ограничения ( екзотична форма на аквариум ), което се явява случая на автора,  или ограничен бюджет, тогава е нужно да се проектира осветлението да бъде максимално ефективно. В този случай ефективността (КПД) и характеристиката на всяка лампа трябва да бъде разгледана много подробно. Освен лумени трябва да се разгледат и всички останали параметри.
Целта на статията се състои в предоставянето на тази допълнителна информация за относително често използваните лампи, като резултатите са в числа, преработени в стандартни физични единици. Следващия раздел въвежда определена терминология използвана в работата по статията. Можете да я пропуснете, ако сте запознати с нея.

Лумен, лукс PAR......., какво е това?

Изкуствените източници на светлина обикновено се оценяват на база техния излъчен светлинен поток в лумени. Лумен е единица за измерване на светлинна енергия излъчена от светлинен източник. Тази величина не включва цялата енергия, която източника излъчва, а само и единствено енергията видима от човека. Ако начертаем графиката на чувствителност на човешкото зрение, то тя ще има вид на камбана с пик в зоната с дължина на вълната 550 нм:



Затова два източника на светлина, които консумират една и съща енергия могат да имат голямо различие в излъчените Лумени - в зависимост от светлина концентрирана в зоната 550 nm.

Друга единица за измерване, често цитирана е -  Лукс (lux). В луксове се измерва светлината, която достига до осветения обект ( неговата повърхност). Лукс не може да бъде изчислен единствено от данните за източника на светлина, също така се взема под внимание - рефлектор, разстояние, покривно стъкло, воден стълб........т.н.

Друг показател обикновено описва качеството на светлината, свързаните с него визуални характеристики - цветна температура и индекс на цветопредаване (CRI).  "Цветната" температура е условна температура (в градуси по Келвин – 1°К=-273°С), до която би трябвало да се нагрее едно абсолютно черно тяло, така че да излъчва светлина със съответната дължина на вълната, предизвикваща усещане за съответния цвят. Цветът на телата се дължи на избирателното отразяване/поглъщане на светлината от багрилните вещества (пигменти), които съдържат.  Висока цветна температура означава повече син цвят , ниска цветна температура повече червен цвят.

CRI  - показва доколко е реално цветопредаването  (true color) на източника на светлина. Съвършенният източник би имал - CRI 100 , стойности по - малки от 100 означават, че цветовете са променени спрямо истинския. Някои хора може и да са забелязали, че когато си купуват дрехи от магазин осветен с луминисцентни лампи с ниско CRI излизайки на слънце дрехите имат друг цвят. Всичко това не би се случило ако бъдат използвани лампи с високо - CRI .

Изхождайки от казанато до тук може да се каже, че стойностите са свързани с човешкото възприятие. Цветната температура К и CRI са параметри напълно основани на човешкото зрение и могат да нямат абсолютно никакво значение, когато се използват за други цели.

Лабораторни изследвания са показали, че процеса фотосинтеза, който се извършва при интензивно осветление, има много отличаващо се от човешкото око спектрална чувствителност. Фактически фотосинтезата е най- малко ефективна в областа около 550 нм. Болшинството от светлина за стимулиране на фотосинтезата се явява червената и синята.  Кривата, която се получава при изобразяването ефективността на фотосинтезата се нарича "Photosynthesis Action Spectrum".  Кривата обикновенно е с два пика с максимуми 420 и  670 нм, минимум около  550 nm, кривата рязко пада след  400 nm и над  700 nm. Много видове растения могат да показват специфични спектри на фотосинтеза, които значително да се отличават от усреднената крива. Важен факт е, че фотосинтезата има  доста по - широк спектър на чувствителност отколкото човешкото зрение. Източници на светлина, които може да изглеждат различни за нас могат да изглеждат еднакви за растенията и обратното.

Базирайки се на Photosynthesis Action Spectrum производителите на лампи създават лампи специализирани за отглеждане на растения - plant bulbs. Тези лампи излъчват основно в тази част от спектъра, в която се извършва и самия процес фотосинтеза. Както се и очаква тези лампи изглеждат неестествени за човешкото възприятие и следователно и занижени стойности в Лумени. Също така цветната температура и оценката CRI не бива да се взема под внимание. Тези лампи не са разработени за човешко възприятие и техните стойности не бива да се сравняват с  лампи разработени за осветление, което ще се възприема от човека.

Количеството светлинна енергия, която се използва за фотосинтеза се измерва в PAR -  "Photosynthetic Active Radiation". В отличие от Лумен, която се базира на човешкото възприятие,  PAR  - отчита излъчената светлина в диапазона между 400 и 700 nm.  PAR - измерва количеството погълнати фотони от растението без начение каква е дължината на вълната на фотона ( предполага се, че се намира в интервала 400 и 700 nm). Единицата в която се измерва PAR е μmole или μEinsteins . Един μEinsteins  е еквивалентен на 6.02017 фотони.

Става ясно, че за определяне светлината, която получават растенията не можем да използваме данните дадени за възприемане от човека. Производителите за съжаление привеждат малко данни в този аспект. Стойностите за Ват и Лумен са лесно достъпни, спектралните характеристики също, но много от тях не са приведени във физически измерими единици - Watt/nanometer правещо трудно сравняването на различните лампи. Данни за PAR не се привеждат, защото зависят много от геометрията на осветителното тяло, която може да бъде много различна.

Методика

Имайки достъп до спектралната характеристика в относителни единици, показатели в лумени и ват за дадена лампа е възможно да се получат няколко полезни параметри. Общата ефективност може да бъде изчислена, сравнявайки теоретичния поток в лумени, която лампата е длъжна да има с нейния фактически светлинен поток в лумени. Тази стойност не зависи от спектъра на лампата, а от чувствителността на човешкото око, въпреки често използвания показател лумен/ват. Подобно изчисление може да се използва по начина, като се нормализира спектъра от относителни единици в абсолютни физически от типа  Watt/nm.  Тогава става лесно изчисляването на другите параметри в стандартни физични единици.

Например:
Може да се изчисли общото количество на фотони генерирани за секунда в интервала 400 до 700 nm, което е - PAR. Ако всички други параметри, които намаляват светлинния поток са константа - рефлектор, покривно стъкло, воден стълб и прозрачност на водата.  Тогава PAR може да се използва непосредствено за сравнение на различни типове лампи. Друга възможност е сравнението между PAR и осреднена Photosynthesis Action Spectrum, по този начин се получава стойност наричана "Photosynthetic Usable Radiation" - Фотосинтетична използвана радиация или PUR.

Данни

За проведените изчисления са използвани спектралните графики и данните от лампите получени от интернет, също така и някои публикувани - photosynthesis action spectra . Изчисленията са направени чрез програма написана от автора.
Първоначално са получини данни за болшинството нормални луминисцентни лампи, но методологията е обща и може да бъде използвана за всеки един източник на светлина. Последните резултати са за метал халоген, компактни луминисцентни, халогенни, натриеви лампи и също за слънчевия спектър.
Основният проблем е свързан със спектралната разширителна способност. Количеството точки, която има графиката на картинката. Публикуваните графики обхващат широк диапазон от спектъра и точно сравнение може да се направи единствено между графики с еднаква разширителна способност. Болшинството графики имат разширителна способност в диапазона 5 до 10 nm. - позволяващо  допустимата грешка да бъде само няколко процента.

Резултати

Основните резултати са представени в таблицата по - долу. Лампите Hagen имат графика, която едва ли отговаря с данните от спектрометъра, вероятно са били начертани в отдела маркетинг. Подобни данни не могат да се сравнят с другите производители и са в отделна таблица.
Колонките в първите две таблици означават

- мощност
- максимален поток в Лумени
- начален поток в лумени
- ефективност КПД
- излъчването в PAR - μE/sec.
- PAReff: коефициент на ефективност PAR/Watt
- PUR: всички фотони използвани за фотосинтеза в диапазона 400-700nm
- R/B: съотношението червен и син PUR.

Таблица 1.



Лампи HAgen:



Подробно описание на лампите:



Заключения от тези данни

Най - важното заключение по - мнение на автора е , че ефективността КПД - преобразуването на електроенергията в PAR е почти еднаква за различните типове лампи.
Голяма част от лампите произвеждат приблизително в границите на 20% еднакво количество μE/(s W) в диапазона 400-700 nm. Дъговите лампи с висока интензивност и висококачествените луминисцентни са по - високоефективни. От друга страна преобразуването на електроенергия във видимата част на спектъра може да бъде различна за различните видове лампи. Казано разбираемо ефективността лумен/ват може да се намира в пределите приблизително  200%. Това показва, че не съществува никаква връзка между изходен лумен и PAR, или ефектевност в лумени е недостатъчно за избор на лампа. Вместо това трявба да се стремим да използваме единицата  PAR/W . Причината е в широкия спектър, които използват растенията за фотосинтеза и голяма разлика в тесния диапазон на видимо излъчване на човешкото зрение - като единицата лумен е пряко свързана с човешкото зрение. Някои лампи са ефективно по - добри от други в преобразуването на Ват/фотони, когато ефективност - главен конструктивен фактор трябва да се използват лампи с висок PAReff.

Няколко лампи не следват горното правило. Това са широкоспектърните Vita-Lite, Biolux, Wonderlite, halophosphor "Deluxe". Причината е, че голяма част от тяхното излъчване е в диапазона 400-700 nm.

Лампи с лоша ефективност

- Халоген - приблизително 4 пъти по - ниска ефективност от средна луминисцентна лампа
- Луминисцентни TL950 с много висок - CRI, приблизително с 30% по - неефективни от средните флуорисцентни. Обърнете внимание на ефективността лумен/ват, която не е толко лоша. Излъчването на лампата е силно концентрирано в областта 550 нм и минимално в червената и сини зони, но тук при лампата е търсено максимално CRI - видимо от човека.
Новите TLD/950, и PL-L/950 - обезпечават и висока ефективност за аквариум и висок CRI.
- Philips Agro-Lite и GE Aqua Rays Freshwater
- VHO Cool White

Най - ефективни лампи :
Метал халоген, ADV850, Dulux, Panasonic, Pentron HO, и Aquarelle, приблизително с 20 - 30 % по - висока ефективност от останалите.

Коефициент PUR




Подреждането на лампите по PUR повтаря ефективността им по PAR. Тези с висока производителност PAR/Watt са първи и в таблицата PUR/Watt.
Таблица лумен към PAR



Стойността лумен/PAR би била полезна за избор на лампа, която изглежда нормално за човешкото зрение. Лампите в началото на таблицата изглеждат нормално за човешкото зрение, но имат занижена червена и синя светлина. Лампите в дъното на таблицата имат завишени червени и сини зони на излъчване, но много лошо цветопредаване. Лампите в центъра на таблицата са подходящ избор за аквариум.

Източници на данни:

Спектри на лампи:

http://www.voicenet.com/~dietsch/fishpics/lightspc.jpg
http://www.hagenpet.com/Eng/bulbspec.html
http://www.rt66.com/~rgrmill/philips/spectra.html
http://www.lighting.philips.com/nam/prodinfo/fluorescent/p5037_04.shtml
http://www.lighting.philips.com/nam/prodinfo/halogen/p3254.shtml
http://www.durotest.com/fluoresc.htm
http://www.jade-mtn.com/fullspectrumlt.html
http://www.osram.com/
http://www.petswarehouse.com/Aqualitchart.htm
http://192.68.45.131/servlets/PhilipsSelect?select=_SP4&java=on&choice=9
http://192.68.45.131/servlets/PhilipsSelect?java=on&select=_SP4.1&index=2
http://192.68.45.131/servlets/PhilipsSelect?java=on&select=_SP4.0&index=2
http://www.customsealife.com/products/pc72496_frameset.html
Светлинен поток:

http://www.thekrib.com/Lights/fluorescent-table.html
http://www.gesupplylight.com/fluorescents-linear-t8--1--diameter--all-lengths-.html
Photosynthesis action spectra:

http://gened.emc.maricopa.edu/bio/bio181/BIOBK/BioBookPS.html
http://mint.biol.andrews.edu/fb/fall/ch10.htm
http://dekalb.dc.peachnet.edu/~vmicheli/biol107/107photo.htm
http://www.geocities.com/NapaValley/5010/lighting.htm
http://bio33.pharm.utah.edu/BELReport1a.html
http://tidepool.st.usm.edu/crswr/pagesf/absorpspect.html

Източници на грешки

Основният източник за грешки е самия спектър. Изглежда че производителите използват спектрофотометри с ниска разделителна способност, или изглаждат кривите преднамерено. Tri-phosphor - лампи  излъчват светлинна енергия в няколко области от дължината на вълната и ако тези области нямат достатъчно точки (разделителна способност)- то резултатите в лумен и PAR могат да имат значителни грешки. Спектрите на лампи Hagen са прекалено изгладени и затова са разгледани отделно.

Пример

Нека се опитаме да използваме данните в реална ситуация. Аквариум 46 галона с огънато челно стъкло. Осветление с два рефлектора и две лампи 55 вата - PC - power compact, трета лампа 30 вата T-12.
Пълното PAR излъчване на двете PC ( Dulux54 и  PLL950), съгласно таблиците 72.2 + 62.8 = 135 μE/s. За 30 вата AquaGlo 35.8/40 X 30 = 26.9 μE/s.
Трябва да обърнем внимание, че всички данни са изчислени на база предполагаемия светлинен поток в лумени. Използва се коригиращ коефициент от 10% за загуба на светлина, около средата от живота на лампата. Двете лампи PC ще произведат 122 μE/s, а 30 вата 24.2 μE/s.
Да предположим, че рефлектора на компактната лампа насочва приблизително 50% от светлината и втория рефлектор насочва 30%. Имайте предвид, че тези коефициенти са груби и се използват за примера.
Получава се  PC -  122 X 0.25 + (122 X 0.75) X 0.50 = 76.3 μE/s. За луминисцентната 24.2 X 0.25 + (24.2 X 0.75) X 0.30 = 11.5 μE/s.

0,75 в уравнението или 75% е загубата при луминисцентна лампа, частично отразяване от повърхността на водата, когато не се използва рефлектор и когато лампата не е максимално близо до повърхността.

Нека включим и покривното стъкло - съгласно даните от Krib - около 10% загуби.

Може да се изчисли общото количество PAR, което достига водата  (76.3 + 11.5) X 0.90 = 79.0 μE/s.

Светлината, която достига субстрата - 79.0 X 0.50 = 39.5 μE/s.

Аквариума е със следните размери 36" дължина X 14" ширина или 0.32 квадратни метра.
Получава се окончателна стойност за  PAR: 39.5 / 0.32 = 123 μE/(s m2).

Според данните регистрирани от Aquatic Plant Maillist - точката на компенсация на фотосинтезата варира от 15 до 80 μE/(s m2) и стойност под 100 μE/(s m2), трябва да се разглежда като ниско осветено. Следователно изчисленото осветление трябва да е способно да способства фотосинтеза над точката на компенсация, но не много. Трябва да се очаква резултат на отделяне на кислород дори и около грунда и именно това се наблюдава в посочения аквариум.

Послепис - naman:
Следното изчисление на PAR дава стойности единствено на повърхността и дъното и показва достатъчната интензивност за насищане на фотосинтезата. Общият прираст на биомаса се определя от сумарния поток фотони за целия период на осветяване, а не просто от интензивността в кратък период от време.

Източник - amania.ru - равнение источников света в аквариуме с растениями Ivo Busko
Превод - evgeni200

[nadji6]

Благодаря много за положения труд и интересното четиво 

[M14iro]

  Евгени !

[evgeni200]

up