skip to Main Content

Характеристики света – основные понятия

ФАР – фотосинтетически активная радиация

Фотосинтетически активной радиацией (ФАР) называют участок спектра света с длиной волны от 400 до 700 нм. Растения используют этот диапазон электромагнитного излучения для фотосинтеза. Эффективнее всего растения усваивают излучение с длиной волны в области 400 нм (синий цвет) и 600 нм (красный цвет).

Увеличение ФАР ускоряет развитие растений и обеспечивает их интенсивный рост. Считается, что интенсивность света даже важнее его спектра. Например,  лампы ДНаТ имеют ярковыраженный пик в области 600 нм или ещё ниже, в темно-оранжевой и желтой части спектральной кривой. Это не очень эффективно для фотосинтеза, но при этом лампы ДНаТ долгие годы считались лучшим гроусветом. В чём же причина? В том, что лампы ДНаТ недостатки спектра света компенсируют его интенсивностью. Поэтому 1000-ваттные ДНаТы всё ещё могут превосходить некоторые светодиодные светильники, которые предлагаются в качестве их замены. Низкая интенсивность излучаемого света свойственна не только ранним, устаревшим светодиодам, но и некоторым низкокачественными светильникам, представленным на рынке сейчас. Но на сегодняшний день высококачественный светодиодный гроусвет уже превосходит лампы ДНаТ.

Очень важным является качество света. Если хочется добиться хороших результатов во время вегетации и цветения – неэффективно и невыгодно просто интенсивно освещать растения, не обращая внимания на спектр.

Одно заблуждение, которое требует некоторого прояснения: термин ФАР – это не количество света, а скорее качество света. Этот термин часто неправильно используется некоторыми производителями и гроверами для обозначения измерения. Например, если кто-то говорит о световом излучении 750 ФАР, что это может означать? Это PPF 750 мкмоль/с или PPFD 750 мкмоль/с/м2? И на каком расстоянии? Величины, о которой идёт речь – это фотонный поток и плотность фотонного потока.

Фотосинтетически активная радиация является единственной характеристикой интенсивности света, действительно важной для ваших растений. Не стоит использовать мощность, чтобы определить интенсивность или выходную мощность гроусвета. Мощность говорит вам только о том, сколько ватт электрической энергии потребляет ваш светильник.

Интенсивность освещения принято измерять в люменах и люксах. Использование этих величин имеет смысл для измерения освещенности в домашних, коммерческих и промышленных помещениях, но они не показательны для любого типа гроусвета.

Люмены – это количество видимого света, испускаемого источником, с максимальной чувствительностью в зеленой части спектра. Чем больше люменов, тем ярче источник света. Проблема в том, что люмен подходит именно для человеческих глаз, которые наиболее чувствительны к зеленому свету (500-550 нм).

Выражение светового потока в люменах применимо для людей, но не для растений, поскольку они наиболее чувствительны к синему и красному свету. Для человека источник света может быть ярким, но это не значит, что для растения он будет таким же. Поэтому люмены не показывают, сколько света доступно для фотосинтеза.

Люкс – это единица измерения освещённости, равная количеству люменов светового потока, падающего на квадратный метр. Один люкс равен одному люмену на квадратный метр.

Не используйте люмены или люксы, чтобы определить интенсивность гроусвета и его потенциал для роста растений. Приборы, которые измеряют освещённость в люменах или люксах, не будут правильно измерять ФАР светодиодной лампы, особенно когда спектр преимущественно синий и красный, с малой интенсивностью зелёного цвета. Чтобы определить, обеспечит ли лампа достаточно света для ваших растений, люмены и люксы настолько же не показательны, как использование потребляемой мощности светильника.

Вместо этого рассмотрим фотонный поток и плотность фотонного потока.

PPF – фотосинтетический фотонный поток

Фотосинтетически активное излучение измеряется фотонным потоком. Фотосинтетический фотоный поток, или PPF, показывает, сколько фотосинтетически активных фотонов испускается источником света каждую секунду. Фотонный поток подобен люменам, но он является скорее мерой интенсивности источника, тогда как люмены – это измерение видимой яркости.

Яркость – не то же самое, что интенсивность. Зеленый свет может выглядеть ярким для людей, но более короткие волны синего и ультрафиолетового излучения несут больше энергии.

Что такое фотон? Фотоном называют частицу (квант) электромагнитного излучения. Типичный источник света испускает огромное множество фотонов, поэтому для их подсчёта используется число Авогадро. Число Авогадро равняется 6,022 x 10 ^ 23, что равно одному молю. Другими словами, в одном моле содержится 6,022 x 10 ^ 23 фотонов. Чтобы при измерении ФАР работать с целыми, а не десятичными числами, пользуются миллионными долями, или микромолями (мкмоль).

PPF измеряется в микромолях в секунду. Как правило, это значение будет выражаться в мкмоль/с (μmol/s), либо просто как «число PPF» (например, 200 PPF) или «PPF: число» (например, PPF: 200). Фотонный поток можно точно измерить только внутри интегрирующей сферы, очень дорогого устройства в виде полой сферы с белыми светоотражающими внутренними стенками. Источник света располагают внутри устройства, а несколько датчиков регистрируют выход фотонов.

Измереный PPF – это общий выход фотонов от источника света, и он не показывает, какое количество света достигнет ваших растений.

Биологически активный радиационный поток (PBAR)

Биологически активный радиационный поток (PBAR) аналогичен PPF, но включает более широкие границы диапазона длин волн: от 350 до 800 нм. Единицей измерения остаётся мкмоль/с. Это величина используется исходя из того, что растения имеют пигменты, чувствительные к свету вне диапазона 400-700 нм.

Величина PBAR немного выше, чем PPF, поскольку в ней учитываются фотоны части ультрафиолетового и инфракрасного спектров, при условии, что источник света испускает эти длины волн.

Измерение PBAR стало важной характеристикой с тех пор, как была выявлена чувствительность растений к длинам волн за пределами диапазона ФАР и многие производители стали включать эти длины волн в спектр своих гроуламп. Однако, величину PBAR по-прежнему редко можно найти в спецификациях светильников, не говоря уже о показаниях PPFD.

PPFD – плотность фотосинтетического фотонного потока

Исследователи и гроверы используют плотность фотосинтетического фотонного потока, более известную как PPFD, для измерения фотонов, которые действительно достигают растения. PPFD определяет количество фотонов, падающих на единицу площади в секунду и измеряется в микромолях на квадратный метр в секунду (мкмоль/м2/с).

Замерить PPFD можно с помощью датчика освещённости. Полученное показание отражает освещённость в конкретной точке пространства. Оно не говорит о распределении PPFD по всей освещаемой площади. Чтобы получить эти измерения, нужно сделать замеры в нескольких точках по всей площади, освещаемой лампой, а также на разных расстояниях от неё.

С увеличением расстояния от светильника, интенсивность света падает согласно закону обратных квадратов. Это значит, что объект, перемещённый на расстояние в 2 раза большее от источника, получает только четверть той мощности, которую он получал в первоначальном положении.

Чем ближе свет к растению, тем больше фотонов попадет на листья. Небольшое отдаление лампы значительно влияет на уровни PPFD, которые достигают ваших растений.

Интересной особенностью светодиодных гроуламп является то, что диоды могут быть оснащены линзами для фокусировки света и увеличения его интенсивности в направлении растений. Линзы, наряду с вкладом потоков света от соседних светодиодов, могут смягчать эффект закона обратных квадратов на определенных расстояниях при использовании одиночного светильника. Таким образом, светодиодные светильники могут поддерживать интенсивность света на небольшом расстоянии от себя, хотя при дальнейшем отдалении она всё равно начинает падать.

Лампы других типов, если они не имеют отражателей, рассеивают свет равномерно во всех направлениях. Другой способ уменьшить эффект падения освещённости – установить несколько светильников.

Поскольку число фотонов может сильно различаться в зависимости от фокусировки лучей, важно, чтобы производители сообщали о среднем PPFD на конкретных расстояниях. Если рекомендуется установка лампы на определённом расстоянии от растения, то средний PPFD должен быть указан для этого расстояния.

К сожалению, некоторые производители по-прежнему указывают светоотдачу только в люменах или люксах, пренебрегая информацией об измерениях ФАР, или не указывают размерность этой величины. Лучшей характеристикой ФАР является указание PPFD в мкмоль/м2/с, с указанием расстояния, на котором оно измерено.

По аналогии с люксами, PPFD измеряется относительно площади. Чтобы преобразовать люксы в PPFD, нужно умножить значение в люксах на коэффициент преобразования, зависящий от типа источника света. Например, для солнечного света коэффициент пересчета равен 0,0185. Лампа ДНаТ имеет коэффициент преобразования 0,0122. Пример: 70000 люкс * 0,0122 = 854 мкмоль/с/м2. Для обратного преобразования, из PPFD в люксы, нужно разделить PPFD на этот же коэффициент.

Эти преобразования всё ещё достаточно приблизительны и не дают точных значений освещенности, но позволяют оценить требования к освещению ваших растений с точки зрения PPF и PPFD, используя люмены и люксы.

Интеграл дневного освещения

PPFD является точечным измерением интенсивности света, но для растений важно именно общее количество фотосинтетически активных фотонов, которые они поглощают в течение дня. Эта величина называется интегралом дневного света, или DLI, и измеряется в молях на квадратный метр в сутки (моль/м2/сутки).

Другими словами, это сумма измерений PPFD, сделанных за 24 часа. Количество фотонов, попадающих на листья растений во время ежедневного фотопериода, является движущим фактором того, насколько быстро и эффективно растение может производить сахара для стимулирования клеточных процессов.

Высокий PPFD в течение короткого периода эквивалентен низкому PPFD в течение более длительного периода. Но увеличение продолжительности дня не обязательно выгодно для всех растений. Растениям все еще нужен темный период для разложения органических соединений, созданных во время фотосинтеза, поэтому 24-часовой световой день будет не увеличивать скорость роста, а наоборот, уменьшать.

Кроме того, растениям требуется в среднем 6 часов темноты во время вегетативной фазы и 12 часов темноты во время цветения для правильного развития и плодоношения. Изменение соотношения свет/темнота может запутать ваши растения и негативно отразиться на их развитии.

Минимальный световой день требуется для выживания любых растений. С другой стороны, слишком большое количество света может привести к обесцвечиванию и ожогу листьев, поскольку внутренние процессы растения не в состоянии угнаться за всем дополнительным поступающим светом.

DLI на поверхности нашей планеты варьируется от 5 до 60 моль/м2/сутки в зависимости от времени года, продолжительности дня, широты и облачности. Солнце при максимальной яркости излучает около 2000 мкмоль/с, но растения, выращиваемые на открытом воздухе, поглощают гораздо меньше. Показатели PPFD утром и вечером намного ниже, поэтому среднее значение PPFD в течение дня может не превышать даже половину этого уровня. Об этом следует помнить при выборе гроусвета. Большее количество света не обязательно будет полезно, поскольку растения могут быть неспособны поглощать столько света.

Большинству гроверов, выращивающих в помещении без естественного освещения, не нужно беспокоиться о DLI. Хотя интенсивность света варьируется в зависимости от выбранного светильника, фотопериод устанавливается на 18 часов для вегетации и 12 часов для цветения. Следовательно, при выращивании в помещении нужно учитывать только PPFD.

При выращивании в теплицах, находящихся в широтах с сезонными колебаниями светового дня, необходимо учитывать DLI при определении дополнительного освещения в период года с малым количеством света, таким как поздняя осень, зима и ранняя весна. DLI в теплицах редко превышает 25 моль/м2/день, поэтому им требуется дополнительное освещение.

Чтобы рассчитать интеграл дневного освещения, необходимо умножить величину PPFD на длительность фотопериода и разделить на 1 000 000.

Измерение ФАР

Фотосинтетически активная радиация измеряется квантовым фотометром, или так называемым ФАР-метром. Этот прибор представляет собой портативное устройство с вынесенным датчиком, удобное для быстрого точечного измерения. В теплицах для измерения PPFD и DLI обычно используется стационарное устройство, подключенное к регистратору данных.

Производители гроусвета и гроверы могут проводить измерения ФАР на разных расстояниях и даже вычислять среднюю величину, но точность даже самых лучших измерений будет ограничена особенностями устройства. Нужно знать ограничения квантового фотометра, прежде чем делать выводы, основываясь на его показаниях.

Первое ограничение квантовых фотометров состоит в том, что они измеряют излучение в диапазоне от 400 до 700 нм. Хотя основная часть фотосинтеза происходит именно в этом диапазоне, фоторецептор хриптохрома чувствителен к ультрафиолетовому излучению вплоть до 320 нм. И хотя УФ-лучи напрямую не учавствуют в фотосинтезе, есть свидетельства того, что они могут увеличить образование смол.

Кроме того, фитохром чувствителен к дальнему красному свету, в области 730 нм, который растения используют для передачи сигналов фитохрома, перехода на цветение, стимуляции эффекта Эмерсона и удлинения стебля в условиях слабого освещения. Эти волны, находящиеся вне диапазона ФАР, очевидно влияют на развитие растений, но не учитываются в показаниях квантового фотометра.

Во-вторых, не все фотометры измеряют ФАР одинаково. При правильных измерениях для 400 и 700 нм, другие длины волн измеряются с завышенной чувствительностью. Кривая чувствительности может отличаться для разных моделей и производителей приборов. Большинство устройств измеряют источники света широкого спектра более точно, чем узкополосные.

Наконец, квантовые фотометры не учитывают энергетический потенциал света, который поглощается растением. Лучшие квантовые фотометры полного спектра измеряют количество фотонов от 400 до 700 нм с почти равной интенсивностью, тогда как различные длины волн вызывают фотосинтетические реакции в разной степени. Квантовые фотометры не учитывают эти коэффициенты поглощения волн растением.

Фотометры переоценивают другие длины волн, которые растения поглощают не так эффективно, и дают завышенные показания. Способ убедиться в этом – измерить очень интенсивный источник зеленого света. Прибор будет регистрировать высокие показания благодаря яркости источника, хотя для выращивания зеленый свет неэффективен. Для эффективного фотосинтеза и правильного развития, растениям необходим красный и синий свет. Кроме того, разные виды или сорта растений поглощают разные соотношения длин волн. Эти различия не учитываются ФАР-метром.

Если измерить PPFD светильников одинаковой мощности, но с разными спектрами, показания будут немного отличаться из-за отличия спектров.

Производители света и гроверы, желающие точно измерить PPFD, должны использовать полноспектровый прибор, такой как квантовый фотометр полного спектра Apogee, либо применять прибор неполного спектра с поправочным коэффициентом.

Марка и модель используемого при измерениях ФАР-метра должны указываться, чтобы при необходимости можно было опираться на данные о его кривой отклика.

Усваиваемый растением фотонный поток YPF

PPFD не учитывает разницу в энергии фотонов света в диапазоне от 400 до 700 нм. Например, 500 красных фотонов, 500 зеленых фотонов и 500 синих фотонов будут иметь очень похожие значения ФАР. Но, как вы поняли, не все фотоны одинаково используются для фотосинтеза.

Это несоответствие учитывает величина, называющаяся усваиваемым растением фотонным потоком (YPF).  Она представляет собой ФАР, взвешенную в соответствии с эффективностью фотосинтеза по каждой длине волны. Величина YPF основана на фотосинтетической активности растений и включает весь диапазон длин волн от 360 до 760 нм.

Хотя YPF учитывает действие спектра фотосинтеза  на растения, он может быть не самым точным показателем количества полезного света. Спектр действия фотосинтеза – это относительная скорость, с которой происходит фотосинтез на данной длине волны. Как и в случае с PPFD, если источник света полностью красный, он будет иметь высокий YPF, хотя и не содержит остальную часть спектра, необходимую для роста и развития.

Кроме того, YPF подразумевает, что кривая фотосинтетической активности света МакКри не содержит ошибок. McCree (1972) исследовал только 22 вида сельскохозяйственных культур и трав, что представляет собой далеко не всё разнообразие сотен тысяч видов растений. Кроме того, МакКри измерял поглощение света листьями лишь в течение нескольких часов, что не отражает их способность поглощать свет в течение всего дня или в разное время своего жизненного цикла.

МакКри измерял поглощение света одним листом, а не всем растением. Красный и синий свет наиболее эффективно поглощаются наружным слоем листвы, но зеленый свет проходит через неё и участвует в фотосинтезе в нижней части растения.

В продаже имеются приборы, которые могут измерять YPF. Тем не менее, они не идеально соответствуют кривой фотосинтетической активности. ФАР-метры могут достаточно точно измерять YPF, если применять поправочный весовой коэффициент. Измерения YPF всегда будут ниже, чем PPFD, поскольку длины волн в этом случае будут взвешены в соответствии с кривой МакКри.

Хотя YPF частично исправляет недостатки измерения PPFD с помощью ФАР-метра, это всё равно не идеально точная величина. Но YPF, по крайней мере, учитывает излучение за пределами диапазона 400-700 нм, говорит о качестве источника света и количестве полезного света.

Это шаг в правильном направлении, однако, при использовании YPF всё ещё требуется уточнение этой величины с учётом особенностей различных растений.

Энергоэффективность PPF

Энергоэффективность гроусвета (измеряется в мкмоль/Дж) – это количество микромоль света в диапазоне ФАР, которое источник испускает на один джоуль затраченной электроэнергии. Энергоэффективность PPF также известна как энергоэффективность ФАР, или просто энергоэффективность.

Чтобы рассчитать энергоэффективность PPF, необходимо знать две величины – PPF (мкмоль/с) и потребляемую мощность (Дж/с). Разделив PPF на мощность, вы получите мкмоль/Дж. Например: 1100 ммоль/с / 500 Дж/с = 2,2 мкмоль/Дж. Кроме того, если вы знаете энергоэффективность PPF и мощность питания, вы можете рассчитать PPF. Для этого умножьте эффективность PPF на мощность. Например: 2,5 мкмоль/Дж х 400 Дж/с = 1000 мкмоль/с.

К 2018 году энергоэффективность светодиодов возросла до 3 мкмоль/Дж для определенных длин волн или спектров. Как правило, это красные или белые светодиоды. Однако, после включения этих светодиодов в гроулампу, энергоэффективность светильника в целом может упасть до 1,5-2,2 мкмоль/Дж в зависимости от других длин волн и КПД драйвера.

Уровень 1,5 мкмоль/Дж считается энергоэффективным. Всё, что выше 2,0 мкмоль/Дж, считается очень эффективным.

Для сравнения, многие имеющиеся на рынке светильники ДНаТ имеют энергоэффективность 1,3 мкмоль/Дж или менее, а самые лучшие – приближаются к 1,7 мкмоль/Дж.

Лучшие металлогалогенные лампы имеют энергоэффективность чуть менее 2,0 мкмоль/Дж. Эффективность натриевых ламп высокого давления и металлогалогенных ламп понемногу увеличивается, но эффективность светодиодов будет расти более быстрыми темпами.

В 2014 году лучший светодиодный гроусвет имел эффективность около 1,7 мкмоль/Дж, а к настоящему времени появились лампы энергоэффективностью 2,2 мкмоль/Дж и выше.

На самом деле, энергоффективность ФАР может быть не такой уж важной характеристикой для некоторых гроверов. Гроверы, выращивающие в больших объёмах, должны больше заботиться об энергоэффективности из-за её существенного влияния на счета за электричество. Для среднего гровера разница в стоимости электроэнергии между лампой невысокой энергоэффективности и самой эффективной может быть не так высока, если нет цели сэкономить на электроэнергии.

Энергоэффективность PBAR

Хотя величина PBAR пока не получила широкого распространения, она является более точным показателем эффективности фотосинтеза, поскольку учитывает длины волн вне диапазона ФАР. Энергоэффективность PBAR определяется аналогично энергоэффективности ФАР и измеряется в мкмоль/Дж. Если источник света излучает волны за пределами диапазона 400…700 нм, энергоэффективность PBAR будет выше, чем PPF.

Энергоэффективность YPF

Подобно эффективности PBAR, производители редко сообщает информацию о энергоэффективности YPF. Она рассчитывается делением YPF на потребляемую мощность светильника, и тоже выражается в мкмоль/Дж. Энергоэффективность YPF будет ниже, чем ФАР из-за весового коэффициента, применяемого ко всем длинам волн измеряемого света.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Back To Top