Без кейворда

Частина II: Фотони

Як обговорювалося в частині I, нам потрібно думати про світло в термінах фотонів. Фотон – це найменша дискретна частинка енергії, яка рухається вздовж хвилі, що визначається її довжиною, і кількість енергії, що міститься у фотоні, може бути визначена математично. Для цілей збереження рифів і людського зору нас цікавлять фотони, які мають довжину хвилі в діапазоні 400-700 нм. У цій статті ми розглянемо, як фотони генеруються джерелами світла, визначимо, як вони розподіляються за довжиною хвилі, як цей розподіл представляється у вигляді спектрального графіка, а також правильну термінологію, що використовується для характеристики фотонів.

Як генеруються фотони?

Будь-яке джерело світла є, по суті, джерелом фотонів. Атоми випромінюють світло як вивільнення енергії у вигляді фотонів. За нормальних умов атоми знаходяться в основному стані, коли їх електрони (негативно заряджені частинки) рухаються навколо ядра атома (яке має чистий позитивний заряд). Електрони атома мають різні рівні енергії, які залежать від декількох факторів, включаючи їх швидкість і відстань від ядра. Електрони з різними енергетичними рівнями займають різні позиції в атомі. Електрони з більшою енергією рухаються по більш віддаленій від ядра орбіті. Коли атоми збуджуються (при додаванні енергії), електрони переходять на більш високий енергетичний рівень. Це нестабільний стан, і електрон швидко повертається до більш низького енергетичного стану, випускаючи цю енергію у вигляді фотона. Оскільки стрибок з одного енергетичного рівня на інший є дискретним, фотони несуть дискретну кількість енергії. Якщо цей випущений фотон має довжину хвилі, яка знаходиться у видимому діапазоні електромагнітного спектру, він виглядає як світло. Довжина хвилі світла залежить від того, скільки енергії було випущено, що, в свою чергу, залежить від положення електрона. Атоми різних матеріалів мають електрони на різних енергетичних рівнях і тому випромінюють різні “кольорові” фотони. Це і є основний механізм генерації всього світла.

Наступний малюнок (рис. 1), взятий з книги “Як влаштовані речі”, допомагає пояснити цей процес.

[…] […]

Різниця в різних джерелах світла полягає в механізмі, за допомогою якого збуджуються електрони, і в складі матеріалів, що використовуються для забезпечення атомів. У лампі розжарювання атоми збуджуються теплом, що створюється електричним опором нитки розжарення. У люмінесцентній лампі вільні електрони створюються між катодом і анодом, і ці вільні електрони використовуються для заряджання атомів ртуті, які випромінюють фотони в ультрафіолетовому діапазоні. Ці ультрафіолетові фотони потім вражають люмінофорне покриття лампи, підштовхуючи його електрони до більш високого енергетичного рівня і випромінюючи видиме світло з різною довжиною хвилі, в залежності від суміші використовуваних люмінофорів. Металогалогенні лампи використовують інший підхід, в якому атоми галогеніду металу використовуються разом з ртуттю, і отримують енергію від плазмової дуги між електродами.

Тут важливо відзначити, що фотон є фотоном незалежно від того, яке джерело використовується для його генерації. Іншими словами, жовтий фотон від світла свічки – це те ж саме, що і жовтий фотон від металогалогенної лампи. Єдина відмінність полягає в тому, що металогалогенна лампа генерує набагато більше фотонів в секунду, ніж світло свічки.

Характеристика фотонів

Джерело світла – це, по суті, безперервне джерело фотонів, в нашому випадку – перетворення електричної енергії у видимі фотони. Тому, коли ми характеризуємо джерело світла, ми зацікавлені у визначенні того, скільки фотонів воно генерує за одиницю часу. Це називається його фотонним потоком. Ці фотони генеруються і поширюються в усіх напрямках, і в кінцевому підсумку потрапляють на якийсь об’єкт, що нас цікавить (часто в нашому випадку це корали). Джерело світла генерує фотони з постійною швидкістю, і в міру віддалення від джерела фотони будуть поширюватися на більшу площу, отже, чим далі ми віддаляємося від джерела світла, тим менше фотонів потрапляє на цільову область. Нас цікавить, скільки фотонів потрапляє на задану площу, зазвичай 1 метр квадратний, і це число називається щільністю фотонів. Крім того, нас цікавлять фотони, які доступні для фотосинтезу, а це фотони в діапазоні 400-700 нм (той самий, що і видиме світло). Вони називаються фотосинтетичними фотонами. Ці три об’єкти, що представляють інтерес, об’єднуються, щоб скласти щільність потоку фотосинтетичних фотонів (PPFD), яка є мірою кількості фотонів в діапазоні 400-700 нм, що падають на 1 метр квадратний в секунду. PPFD є мірою фотосинтетично доступної радіації, скорочено PAR. Згадаймо з частини 1, що для генерації 1 вата потужності нам потрібно 25,15 × 10 17 фотонів/сек при довжині хвилі 500 нм. Це дуже багато фотонів. Оскільки ми маємо справу з великою кількістю фотонів, кількість фотонів вимірюється в одиницях, які називаються мікромолями (1 моль = число Авогадро = 6,022 × 10 23 , звідси 1 мікромоль = 6,022 × 10 17 ). Звідси одиницями вимірювання ППФД є мікромоль/м 2 /сек, тобто ППФД 1 відповідає 6,022 × 10 17 фотонів, що падають на 1 метр квадратний в секунду. В акваріумістиці ми часто посилаємося на світловіддачу в термінах PAR. Технічно це неправильно. PAR зазвичай вимірюється як PPFD.

Різні джерела світла мають різний розподіл фотонів в діапазоні 400-700 нм. Джерело світла можна охарактеризувати, визначивши цей розподіл фотонів, і це робиться за допомогою приладу, який називається спектрорадіометр. Спектрорадіометр – це прилад, який має датчик і пов’язане з ним апаратне і програмне забезпечення для визначення розподілу енергії (вимірюваної як щільність потужності у Ваттах/м2) на різних довжинах хвиль електромагнітного спектру. Зазвичай це відображається у вигляді графіка з довжиною хвилі на осі X і щільністю потужності на осі Y, і називається графіком спектрального розподілу потужності (SPD). Один з таких графіків SPD показаний на малюнку 2 нижче. Це найважливіша частина інформації про джерело світла, і всі відповідні світлові міри можуть бути отримані з нього.

Рисунок 2. Спектральний розподіл потужності для 400-ватної лампи Ushio на баласті Magnetek (M59) – 18″ від лампи.

Зверніть увагу, що для кожної довжини хвилі спектрорадіометр вимірює щільність потужності у ватах/м2 . Це називається спектральним випромінюванням. Ви можете пам’ятати з частини 1, що існує пряма залежність між потужністю/енергією на кожній довжині хвилі і кількістю фотонів. Наприклад, як видно на графіку вище, при 420 нм лампа виробляє 0,4 Вт/м2 потужності або 0,4 джоуля/м2 /секунду енергії. Використовуючи взаємозв’язок між енергією і довжиною хвилі, можна визначити, скільки фотонів/м 2 /сек при 420 нм буде потрібно для генерації 0,4 джоуля енергії – 1,46 мікромоля. Таким чином, ми можемо легко перейти від ват/м 2 до мікромоль/м 2 /сек. Якщо це зробити для всіх довжин хвиль, то ми отримаємо графік, який показує розподіл кількості фотонів на кожній довжині хвилі на метр квадратний в секунду.

Рисунок 3. Розподіл фотонів (виміряний як PPFD) для 400-ватної лампи Ushio на баласті Magnetek (M59) – 18″ від лампи.

Додавання всіх фотонів в діапазоні 400-700 нм дасть міру фотосинтетично доступної радіації (ФАР), виміряну в термінах PPFD. Технічно, фотосинтетично доступне випромінювання буде площею під кривою, показаною на рисунку 3. Ці обчислення часто виконуються за допомогою програмного забезпечення, яке постачається разом зі спектрорадіометрами. Оскільки розподіл потужності і розподіл фотонів математично взаємозамінні, будь-який з них може бути використаний як основа для порівняння світлового виходу від різних джерел світла.

На моєму веб-сайті www.reeflightinginfo.arvixe.com, який каталогізує світловіддачу різних металогалогенних ламп і комбінацій баласту, я використовую спектральний розподіл потужності, щоб показати світловіддачу. Використовуючи наявні дані, можна легко провести порівняння між різними металогалогенними лампами на основі їх спектрального розподілу. Зображені графіки показують спектральне випромінювання на кожній довжині хвилі. Значення вказують на величину щільності потужності (Вт/м2) на кожній довжині хвилі. Отже, лампа з більшою потужністю на даній довжині хвилі буде мати і більшу кількість фотонів на цій довжині хвилі.

Важливо відзначити наступне:

1) Оскільки енергія кожного фотона різна на різних довжинах хвиль, для виробництва однакової кількості енергії на різних довжинах хвиль буде потрібно різна кількість фотонів. Для виробництва однакової кількості повної енергії при 400 нм потрібно на 57% менше фотонів, ніж при 700 нм, тому що фотони при 400 нм мають вищу енергію.

2) Оскільки ППФД є сумою всіх фотонів в діапазоні 400-700 нм, два дуже різних спектральних розподіли можуть мати однаковий ППФД. Це означає, що між ППФД і спектральним розподілом немає прямого зв’язку, тому знання ППФД джерела світла нічого не говорить нам про те, як розподілені його фотони. Різні джерела світла з подібними значеннями PPFD можуть мати дуже різні спектральні розподіли. Як видно на рисунку 4 нижче, дві лампи мають дуже схожі значення PPFD, але їх спектральний розподіл дуже відрізняється. Незалежність PPFD і спектрального розподілу є однією з причин, чому ми повинні враховувати дані спектрального розподілу, а також PPFD при порівнянні джерел світла.

Рисунок 4. Порівняння спектрального розподілу двох ламп зі схожими значеннями PPFD.

3) Також зверніть увагу, що PPFD вимірює фотони, що потрапляють на задану площу; кількість фотонів, що потрапляють на цю площу, змінюється зі збільшенням її віддаленості від джерела світла. Отже, при порівнянні PPFD ламп дуже важливо знати відстань, на якій проводилися вимірювання, і порівнювати можна тільки значення PPFD на одній і тій же відстані.

Спектральний розподіл ламп зовсім інший, якщо порівнювати з сонячним світлом. На рисунку 4 також показаний спектральний графік сонячного світла на поверхні води в тропіках в полуденний час влітку. Для більш детального порівняння підводного світлового поля з природним світлом під водою читач відсилається до статті “Підводне світлове поле і його порівняння з металогалогенним освітленням”.

Обернений квадратичний закон світла

Взаємозв’язок між PPFD і відстанню від джерела світла підпорядковується так званому закону оберненого квадрата, якщо джерело є точковим джерелом світла.

Відповідно до закону зворотного квадрата:

D ₁ і D ₂ = відстань, на якій PPFD ₁ і PPFD ₂ вимірюються.

Це правило в основному говорить, що якщо ви знаєте PPFD на певній відстані від лампи, то ви можете обчислити PPFD на будь-якій іншій відстані. Він буде змінюватися як обернена функція від квадрата відстані.

Наприклад, якщо PPFD дорівнює 100 на відстані 1 метр, то на відстані 2 метри він дорівнює 25. Якщо відстань подвоїти, то опромінення зменшиться до ¼ від значення на початковій відстані. Цей ефект можна легко візуалізувати, посвітивши ліхтариком на стіну. Віддалення від стіни збільшує розмір світлової плями і зменшує її інтенсивність.

Це правило застосовне тільки до точкових джерел світла (або світильників, джерело яких можна апроксимувати точкою). “Правило п’яти разів” часто використовується як емпіричне правило. Якщо відстань від джерела в п’ять разів перевищує розмір випромінюючого джерела, можна вважати, що це точкове джерело світла. Для прозорої металогалогенної лампи розміром точкового джерела можна вважати внутрішню оболонку, яка містить гази. Якби ми хотіли вважати 4′ флуоресцентну лампу точковим джерелом, вона повинна була б знаходитися на відстані щонайменше 20′! Аналогічно, 2′ рефлектор повинен знаходитися на відстані не менше 10′, щоб його можна було вважати точковим джерелом.

У цій статті я описав, як світло від джерела може бути охарактеризоване розподілом фотонів, що виходять з нього. Два математично еквівалентні графіки – один з використанням розподілу густини потужності на кожній довжині хвилі, а інший – з використанням кількості фотонів – можуть бути використані для відображення розподілу у вигляді спектрального графіка. Світло, доступне для фотосинтезу, називається PAR і зазвичай вимірюється як PPFD (фотосинтетична щільність потоку фотонів) з одиницями виміру в мікромолях/м2 /сек. Використання тільки числа PPFD дає нам інформацію тільки про кількість фотонів в діапазоні 400-700 нм, але нічого не говорить нам про їх спектральний розподіл. Дві лампи з однаковим значенням PPFD можуть мати дуже різний спектральний розподіл. Крім того, вимірювання PPFD можна порівнювати тільки в тому випадку, якщо відстані, на яких проводяться вимірювання, однакові. Однак, враховуючи, що світло слідує закону оберненої квадратури, ми можемо обчислити ППФД на різних відстанях, якщо ми знаємо його на одній конкретній відстані.

У наступній статті з цієї серії ми обговоримо інші одиниці вимірювання світла, які ви могли бачити, такі як люкс і люмен, і те, як вони пов’язані з вимірюванням світла для фотосинтезу.

Source: reefkeeping.com