Без кейворду

Частина I: Що таке світло?

Вибір освітлення – одне з найважливіших рішень при створенні рифового акваріума. Освітлювальні прилади та супутнє обладнання є одними з найдорожчих частин обладнання як при початковому налаштуванні, так і в плані щоденних експлуатаційних витрат. Окрім того, що світло необхідне для фотосинтезуючих організмів, яких ми утримуємо в наших акваріумах, воно також забезпечує візуальний елемент кольору. Спілкуючись з акваріумістами та переглядаючи різні дошки оголошень, пов’язані з рифами, я переконався, що освітлення та колір часто є дуже неправильно зрозумілим аспектом утримання акваріумів. Враховуючи, що освітлення та колір є важливими у функціональних та естетичних елементах утримання рифів, я вважаю важливим, щоб любителі добре розуміли світло та колір. Метою цієї серії статей є надання початківцям та середнім рифовим акваріумістам всебічного розуміння концепцій освітлення та термінології, а також здатності розуміти та осмислювати дискусії та дані, пов’язані з освітленням. Інформація буде представлена в серії коротких колонок, що зосереджуватимуться на кількох концепціях одночасно і сприятимуть всебічному розумінню світла, особливо в тому, що стосується рифових акваріумів.

Світло – це форма енергії, і щоб зрозуміти світло, ми починаємо з електромагнітного спектру (Рисунок 1: . /EMSpec2.html), який, по суті, є групуванням всього електромагнітного випромінювання, розташованого відповідно до кількості енергії, що міститься в випромінюванні. Видиме світло є частиною цього електромагнітного спектру, що створює відчуття світла, коли воно потрапляє на людське око.

Малюнок 1. Електромагнітний спектр.

Властивості всього електромагнітного випромінювання можна описати трьома взаємопов’язаними термінами. Це довжина хвилі, частота і енергія. Оскільки світло є частиною цього спектру, то його теж можна описати цими термінами. Отже, важливо зрозуміти ці терміни як перший крок до розуміння світла.

Імпліцитно, ми можемо уявити, що світло поширюється у вигляді хвилі. Типова форма хвилі (наприклад, брижі на поверхні води) має гребені (або піки) і западини (або долини). Відстань між двома послідовними піками (або западинами) називається довжиною хвилі і позначається грецькою літерою λ (лямбда). Оскільки довжина хвилі є мірою відстані, її вимірюють в одиницях довжини (метрах). Оскільки ці довжини хвиль видимого світла можуть бути досить малими, вони вимірюються в нанометрах (нм), де 1 нм = 1 мільярдній частині метра (10 – 9 метрів). Довжина хвилі видимого світла знаходиться в межах 400-700 нм. До речі, це також більшість довжин хвиль світла, які мають відношення до фотосинтезу. Сукупна дія всього діапазону випромінювання в діапазоні 400-700 нм сприймається людським оком як біле світло. Випромінювання з довжиною хвилі 400 нм викликає в людському оці реакцію, яка робить його сприйнятливим як фіолетове, в той час як випромінювання з довжиною хвилі 700 нм здається червоним. Різні кольори веселки (ROYGBV – червоний, оранжевий, жовтий, зелений, синій і фіолетовий) розташовані в порядку зменшення їх довжини хвилі. Приблизно, ми можемо розбити різні кольори на діапазони довжин хвиль наступним чином:

	Фіолетовий – від 400 до 440 нм
	Синій – від 440 до 490 нм
	Зелений – від 490 до 540 нм
	Жовтий – від 540 до 590 нм
	Помаранчевий – від 600 до 650 нм
	Червоний – від 650 до 700 нм

Випромінювання з довжиною хвилі нижче 400 нм називається ультрафіолетовим (УФ) випромінюванням і зазвичай поділяється на три сегменти: UV-A (400-315 нм), UV-B (315-280 нм) і UV-C (280-100 нм). Ультрафіолетове випромінювання не видиме для людського ока, але воно може мати шкідливий вплив на людину (а також на корали). Найпоширеніший у сонячному світлі сегмент УФ-А злегка перекривається найкоротшими довжинами хвиль у видимій частині спектра. УФ-В є фактично найбільш руйнівним УФ-випромінюванням сонця, оскільки воно проникає в атмосферу і може пошкоджувати біологічні тканини. УФ-С випромінювання Сонця завдало б ще більше шкоди, але воно поглинається атмосферою, тому майже ніколи не досягає поверхні Землі.

Інфрачервоне (ІЧ) випромінювання має трохи більшу довжину хвиль, ніж видиме світло. ІЧ-область електромагнітного спектра також поділяється на три сегменти: ІЧ-А (780-1400 нм), ІЧ-В (1400-3000 нм) та ІЧ-С (3000-10600 нм). Інфрачервоне випромінювання є тепловим і відчувається як тепло.

Кількість хвиль, які проходять через дану точку простору протягом певного інтервалу часу, є частотою світла; отже, частота є одиницею, що базується на часі. Частота вимірюється в одиницях “в секунду”, але ми використовуємо спеціальний термін для позначення цієї одиниці – Герц (Гц), де 1 Гц відповідає 1 хвилі/секунду, тому 50 Гц означає 50 хвиль/секунду.

Як видно на малюнку вище, довжина хвилі і частота пов’язані один з одним. Якщо ми візьмемо будь-які дві точки на формі хвилі, позначені як “початок” і “кінець”, і підрахуємо кількість хвиль між ними, ми легко побачимо, що ми матимемо більше хвиль, якщо довжина хвилі буде меншою. Більше хвиль означає, що частота буде вищою. Таким чином, довжина хвилі і частота обернено пропорційні: чим коротша довжина хвилі, тим вища частота хвилі.

Оскільки всі хвилі поширюються з однаковою швидкістю – швидкістю світла – зв’язок між довжиною хвилі і частотою визначається наступною формулою:

Довжина хвилі = швидкість світла / частота

У типових позначеннях, які ви побачите в більшості статей і книг:

λ = довжина хвилі ν = частота c = швидкість світла

Швидкість світла становить 299 792 458 метрів в секунду (приблизно 3,0 × 10 8 метрів в секунду). Якщо бути точним, то, що ми зазвичай називаємо “швидкістю світла”, насправді є швидкістю світла у вакуумі (відсутність матерії). Насправді ж швидкість світла зазвичай змінюється в залежності від конкретного середовища, через яке воно проходить. У склі світло рухається повільніше, ніж у повітрі, і в обох випадках швидкість менша, ніж у вакуумі.

Якщо ми подивимося на кольори веселки від синього до червоного, ми можемо зрозуміти, що синє світло (довжина хвилі 400 нм) матиме вищу частоту, ніж червоне світло з довжиною хвилі 700 нм, а інші кольори веселки будуть знаходитися між ними. Фактично, частота синього світла буде на 57% (400/700 × 100 = 57,14%) вищою за частоту червоного світла.

Як згадувалося раніше, світло – це форма енергії. Згідно з квантовою теорією, вся енергія передається і поглинається дискретними частинками, які називаються квантами або фотонами. Таким чином, найменшою кількістю енергії випромінювання, яка може існувати, є один фотон.

Якщо думати про фотон як про маленький пакет або кульку енергії, то це найбільш корисно для розуміння світла, особливо для нашої мети збереження рифів. Для наших цілей, давайте візьмемо спрощений, уніфікований опис, який говорить, що світло рухається як дискретні фотони вздовж хвилі. Видиме світло – це суміш багатьох фотонів з різною довжиною хвилі. Фотони відбиваються і поглинаються різними поверхнями, і коли вони досягають очей, вони створюють відчуття зору і, як наслідок, сприйняття кольору і яскравості. Ці фотони також безпосередньо відповідають за фотосинтез у рослинах і коралах. Енергія фотонів використовується в процесі фотосинтезу для перетворення CO 2 в цукор, який є основним джерелом енергії для фотосинтезуючих ендосимбіотичних зооксантелл, що живуть всередині коралів.

Як обговорювалося раніше, енергія, що переноситься електромагнітним випромінюванням, міститься у фотонах, які поширюються у вигляді хвилі. Згідно з квантовою теорією, енергія у фотоні змінюється з його частотою , відповідно до рівняння:

Енергія = Постійна Планка × Частота E = hν = hc/λ Де h = Постійна Планка дорівнює 6,626 × 1 0-34 джоуля в секунду

Енергія вимірюється в одиницях, які називаються джоулями.

Зі збільшенням частоти випромінювання (довжина хвилі стає коротшою) кількість енергії в кожному фотоні збільшується. Тепер ми можемо почати розуміти, чому червоне світло швидко поглинається у воді в залежності від глибини.

Ці основні рівняння дають нам взаємозв’язок між довжиною хвилі, частотою, енергією і фотонами, і можуть бути використані для руху вперед і назад, як показано в наступних прикладах.

Приклад: Яка енергія одного фотона світла з довжиною хвилі 500 нм?

E = 6,626 × 1 0-34 × 3,0 × 10 8 /(500 × 1 0-9 ) E = 0,039756 × 1 0-17 ДЖ

Приклад: Скільки фотонів на джоуль існує для світла з довжиною хвилі λ = 500 нм?

E = енергія/фотон, тому для створення 1 Дж енергії нам знадобиться N фотонів. N × E = 1 джоуль, звідси N = 1/E N = λ /hc = 25,15 × 10 17 фотонів

Як видно з вищесказаного, для отримання 1 Дж енергії світлом з довжиною хвилі 500 нм потрібна дуже велика кількість фотонів. Щоб уникнути необхідності мати справу з такими великими числами, ми можемо виміряти кількість фотонів в “молях”, де 1 моль = число Авагадро = 6,02 × 10 23 . Отже, 25,15 × 10 17 фотонів відповідали б 0,000004177 молям. Це число занадто мале, тому замість нього ми будемо вимірювати в “мікромолях”, де 1 мікромоль (позначається як мкмоль) дорівнює 1 0-6 моль, що дає нам 4,177 мікромоля фотонів.

А як щодо ватів? Енергія вимірюється в джоулях, а “ват” – це одиниця, яка використовується як міра потужності. Потужність визначається як швидкість потоку енергії. За визначенням, 1 ват = 1 джоуль/секунду. Отже, один ват потужності від світла з довжиною хвилі 500 нм повинен був би забезпечити 25,15 × 10 17 фотонів в секунду або 4,1769 мікромолей/сек. На малюнку нижче показано співвідношення між ватами і мікромолями фотонів для генерації 1 вата потужності.

У цій колонці ми зосередилися на наданні основної термінології, необхідної для розуміння світла. Світло – це форма енергії, і його можна просто описати як потік фотонів, що рухаються вздовж хвилі. Фотони – це дискретні частинки енергії. Характеристики світла і фотонів визначаються трьома термінами: довжина хвилі, частота і енергія, які математично пов’язані між собою. Фотони з довжиною хвилі 400 нм несуть більше енергії, ніж фотони з більшою довжиною хвилі, і для людського ока будуть виглядати фіолетовими, а фотони з довжиною хвилі 700 нм несуть менше енергії і будуть виглядати червоними. Біле світло – це суміш фотонів у діапазоні довжин хвиль 400-700 нм. Цей діапазон є тим, що може бачити око, а також корисний для фотосинтезу. Фотони переносять енергію, а кількість фотонів вимірюється в одиницях “мікромоль”.

У наступній колонці буде обговорено, як джерела світла генерують фотони, розподіл фотонів у джерелі світла і як цей розподіл представлений у вигляді спектрального графіка.

Source: reefkeeping.com