Без кейворда

Одним з найбільш заплутаних аспектів рифових акваріумів є питання освітлення. Значна частина проблеми пов’язана з недостатнім розумінням основних властивостей світла. Мета цієї статті – пролити трохи світла, так би мовити, на світло і його властивості в надії поліпшити розуміння акваріумістами цієї, здавалося б, складної теми. Ця стаття призначена лише для ознайомлення з властивостями світла. Більш детальну інформацію можна отримати з хорошого підручника фізики.

У цій першій статті будуть розглянуті деякі фізичні властивості світла, які мають більше відношення до рифових акваріумів.

Світло, особливо сонячне, є одним з найважливіших факторів, що впливають на Землю. Майже все життя на землі прямо чи опосередковано залежить від сонячного світла (і тепла). Але що таке світло?

Світло є формою електромагнітного випромінювання, і включає в себе видиме світло (а за деякими визначеннями – ультрафіолетове та інфрачервоне випромінювання). Інші форми електромагнітного випромінювання включають гамма-промені, рентгенівські промені, мікрохвилі і радіохвилі. Світло має як корпускулярну, так і хвилеподібну поведінку. “Частинки” (хоча насправді вони не є частинками) – це пучки електромагнітної енергії, які називаються фотонами. Фотон визначається як квант електромагнітного випромінювання. Вони мають нульову масу, не мають електричного заряду і нескінченно довгий час життя. Фотони завжди рухаються по прямих лініях, якщо тільки не під дією гравітації. Вплив гравітації настільки малий, що для практичних цілей можна вважати, що світло рухається по прямій лінії.

Нехтуючи амплітудою (висотою), хвилі мають дві важливі характеристики: частоту і довжину хвилі, і вони знаходяться у взаємному зв’язку. Збільшуючи частоту, довжина хвилі зменшується. Зменшуємо частоту – довжина хвилі збільшується. Хвилі на океані також мають цю характеристику. Довжина хвилі – це відстань між піками хвиль, а частота – це кількість піків хвиль, які проходять за певний проміжок часу.

Хоча світло насправді не складається з хвиль, воно може поводитися як хвилі. Світло можна описати як таке, що складається з різних довжин хвиль і частот. Світло з довжиною хвилі 555 нм має частоту 540 х 1012 герц. Енергія фотона залежить від його частоти. Чим менша довжина хвилі, тим вища частота і більша енергія фотона.

Сприйнятий колір світла обумовлений енергією фотонів. Фоторецептори реагують на вузький діапазон енергії. Енергія в межах цього діапазону правильно стимулює рецептор, і ми сприймаємо це як колір. Оскільки рівень енергії фотонів базується на їх частоті та довжині хвилі, колір світла зазвичай обговорюється з використанням його довжини хвилі. Світло з довжиною хвилі від 400 нм (нанометрів) до 700 нм є видимим (для людського ока). Світло з довжиною хвилі близько 400 нм сприймається як синє, а з довжиною хвилі близько 700 нм – як червоне. Нижче 380 нм (приблизно до 100 нм) – це ультрафіолетове випромінювання. Інфрачервоне випромінювання (яке ми сприймаємо як тепло) знаходиться в діапазоні від 750 нм до 2500 нм. Так само, як наші очі реагують на різні довжини хвиль світла, пігменти в рослинах і водоростях реагують на певні частоти інакше, ніж на інші частоти. Хлорофіл-а, наприклад, має піки поглинання при довжині хвилі 440 нм і 650 нм.

Фотони можуть відбиватися і заломлюватися при проходженні під кутами через об’єкти різної щільності. Світло поширюється зі швидкістю 3 x 1010 см.с-1 у вакуумі і майже так само швидко в повітрі, проте його швидкість значно зменшується в щільних середовищах, таких як вода або скло.

Відбивання та заломлення

Коли світло відбивається від дзеркала або подібної поверхні, промені, що відбиваються від поверхні, виходять під тим же кутом з іншого боку лінії, перпендикулярної до поверхні, що і падаючі промені. Це і є закон відображення.

Рисунок 1: Закон відбивання. Кут відбиття дорівнює куту падіння.

Цей тип відбиття, де більшість променів слідують закону відбиття, відомий як дзеркальне відбиття, і це те, що ви зазвичай бачите від полірованих алюмінієвих рефлекторів в лампах. Якщо поверхня є твердими частинками, більшість світлових променів не слідують закону відбиття, а замість цього відбиваються в декількох напрямках. Це називається дифузним відбиттям і характерно для більшості пофарбованих поверхонь. Світло, відбите від таких поверхонь, здається рівномірно яскравим незалежно від кута зору.

Коли світло проходить через матеріали різної щільності, швидкість світла дещо змінюється, і це викликає вигин променя на межі розділу між двома матеріалами. Це явище відоме як рефракція і є принципом роботи лінз, а також є причиною того, що об’єкти здаються більшими, якщо дивитися на них через маску під водою. Заломлення залежить від різниці в щільності двох матеріалів, яка також називається показником заломлення, і кута падіння. Перпендикулярні промені не заломлюються, але зі збільшенням кута падіння заломлення збільшується.

Рисунок 2: Заломлення. Приклад заломлення, що виникає, коли світло, яке проходить крізь повітря, падає на поверхню води під кутом.

Інтенсивність світла є одним з найважливіших аспектів світла по відношенню до фотосинтезуючих організмів. Чим інтенсивніше світло, тим більше енергії доступно для фотосинтезу. По суті, інтенсивність – це кількість фотонів, що потрапляють на певну площу за певний проміжок часу.

Для початку давайте визначимося з одиницями виміру. Не дуже переймайтеся самими одиницями, важливі принципи, які за ними стоять.

Люмен – це міра потужності видимого світла. Один люмен визначається як світловий потік 1/683 Вт (див. бічну панель) світла з довжиною хвилі 555 нм. Однак люмен не вимірює інтенсивність. Він, як правило, використовується для вимірювання світлового потоку. Наприклад, люмінесцентна лампа потужністю 36 Вт випромінює в цілому 3250 люменів, але це загальна кількість світла, що випромінюється в усіх напрямках.

Люкс – це міра освітленості. Один люкс визначається як інтенсивність світлового потоку, що падає на поверхню в 1 люмен/квадратний метр. Сила світла залежить від загальної кількості світлового потоку і площі, на яку він поширюється. Інтенсивність – це просто кількість світла, що досягає поверхні. Освітленість сонця опівдні на екваторі становить понад 100 000 люкс.

Однією з проблем як з люменом, так і з люксами є те, що вони зважуються відповідно до людської реакції на світло. Тому жовто-зелений колір може бути завищений, червоний і особливо синій – занижений.

Фотони можуть бути підраховані (за допомогою квантового лічильника) і повідомляються як Ейнштейни. Один Ейнштейн – це один моль (див. бічну панель) фотонів. Для вимірювання інтенсивності світла вимірюється кількість ейнштейнів, що потрапляють на певну площу за певний час. Зазвичай це виражається в Е.м-2.с-1 або уЕ.м-2.с-1. Фотосинтетично доступна радіація (ФАР) вимірює все видиме світло (від 400 до 700 нм) досить рівномірно і повідомляється в Ейнштейнах на квадратний метр в секунду (Е.м-2.с-1). У тропічних широтах близько полудня в безхмарний день середнє значення PAR на поверхні моря становить близько 2,5 E.m-2.s-1 (Tomascik et al 1997).

Важливо розуміти різницю між світловим потоком джерела світла та інтенсивністю світла, що потрапляє на об’єкт. Настав час для аналогії. Якби ви купили великий мішок піску і помістили його в резервуар, рівномірно розподіливши по дну резервуара, то він опинився б на певній глибині. Загальний світловий потік лампи еквівалентний об’єму піску. Інтенсивність світла – це глибина залягання піску. Помістіть той самий об’єм піску в менший резервуар, і пісок буде глибше. Використовуйте більший мішок з піском (яскравішу лампу), і ви отримаєте більшу глибину.

На те, скільки світла, випромінюваного джерелом світла, дійсно досягає об’єкта, впливає ряд факторів. Найважливішим фактором, що впливає на інтенсивність світла, є відстань між джерелом світла і об’єктом зйомки. Промені світла від точкового джерела світла розходяться, і тому світло поширюється на більшу площу, коли об’єкт віддаляється від джерела світла. Втрата інтенсивності через відстань є передбачуваною і відома як правило оберненого квадрата. Правило оберненого квадрата стверджує, що інтенсивність світла буде обернено пропорційна квадрату відстані від джерела світла. Тобто, якщо збільшити відстань від джерела світла вдвічі, то інтенсивність зменшиться на 25%. На рисунку 1 показано правило оберненого квадрата на практиці.

Рисунок 3: Правило зворотного квадрата.

На відстані 5 одиниць від джерела світла світло поширюється на площу pi*22. На відстані 10 одиниць від джерела світла те ж саме світло тепер поширюється на площу пі*42. Інтенсивність світла в будь-якій точці нижнього кола становитиме чверть інтенсивності світла в будь-якій точці верхнього кола

Правило оберненого квадрата справедливе для будь-якого джерела світла, яке наближається до точки, і буде справедливим, коли відстань від джерела світла перевищує в 5 разів найбільший діаметр джерела світла. Su n наближається до точкового джерела світла. Оскільки воно має діаметр близько 1,4 мільйона кілометрів і знаходиться на відстані 150 мільйонів кілометрів, застосовується правило оберненого квадрата. Звичайно, розмір Землі не дозволяє нам переміщатися на відстані ближче або далі від Сонця, щоб побачити правило оберненої квадратури в дії. Лампи розжарювання і металогалогенні лампи наближаються до точкових джерел світла, як і деякі компактні флуоресцентні лампи. Звичайні флуоресцентні лампи не наближаються до точкових джерел світла на тих відстанях, на яких ми використовуємо їх в наших акваріумах.

Колір світла

Як пояснювалося вище, сприйняття кольору базується на енергетичному рівні фотонів, що досягають фоторецепторів у нашій сітківці. Рівень енергії пов’язаний з довжиною хвилі світла, тому для опису кольору світла використовується довжина хвилі (в нанометрах). Це приблизні діапазони довжин хвиль для кольорів, які ми сприймаємо:

Те, що ми бачимо як “біле” світло, насправді є комбінацією цих довжин хвиль. Якщо “біле” світло проектується через призму, то складові довжини хвиль розщеплюються через невелику різницю у швидкості різних довжин хвиль, коли вони проходять через більш щільну призму. Це також є причиною виникнення веселки. Сонячне світло має так званий безперервний спектр. Він містить безперервний діапазон довжин хвиль від 400 нм до 700 нм.

Сприйнятий колір штучного світла базується на відносній інтенсивності складових довжин хвиль. Багато виробників ламп публікують спектри свого світла. Більшість джерел штучного світла виробляють світло з переривчастим спектром. Світло складається з ряду різних довжин хвиль, але не всі довжини хвиль представлені.

Поглинання світла

Вода поглинає світло, і навіть у прозорій воді близько 60 відсотків загального випромінювання, що потрапляє у воду, поглинається на першому метрі, і близько 80 відсотків поглинається на перших 10 метрах (Гросс, 1977). Крім того, від 3 до 50 відсотків падаючого світла відбивається від поверхні води в залежності від кута падіння (Tait 1972). Опівдні кут падіння невеликий, і відбиття незначне, але на початку і наприкінці дня кут набагато більший, і більша частина світла відбивається. Каламутна вода поглинає і відбиває більше падаючого світла, що призводить до ще більшого ослаблення світла.

Вода поглинає різні довжини хвиль з різною швидкістю. Червоне світло поглинається водою дуже швидко і навіть на глибині 3 м спостерігається значна втрата червоних хвиль. Синє світло, однак, поглинається набагато повільніше, і більша частина синього світла, що потрапляє на поверхню води, проникає на глибину 40 м і більше. Аналогічно, було показано, що ультрафіолетове випромінювання проникає на глибину 20 м і більше.

Диференційоване поглинання довжин хвиль суттєво впливає на колір світла, що досягає всіх глибин, окрім невеликих. Океанська вода далеко від узбережжя зазвичай дуже чиста і має мало кольорових частинок або розчинених речовин. Ця вода виглядає темно-синьою в результаті розсіювання світлових променів у воді (Гросс, 1977).

Наступні дві властивості, колірна температура та індекс кольоропередачі, є скоріше методами опису світла, зокрема штучних джерел світла, ніж власне фізичними властивостями світла.

Якщо ви увімкнете елемент електричної плити, то помітите, що він випромінює як тепло, так і світло – світиться. Чим гарячіший елемент, тим яскравіше він світиться. У тому діапазоні температур, який ви можете отримати від плити, колір випромінюваного світла – червоний. Якби ви змогли нагріти елемент ще більше, колір змінився б, ставши спочатку помаранчевим, потім більш жовтим і, врешті-решт, тим, що ми бачимо як “біле” світло. Цей принцип лежить в основі колірної температури.

Колірна температура базується на випромінюванні теоретичного чорного тіла, а не елемента плити. Коли чорне тіло (теоретично) нагрівається, колір випромінюваного світла зміщується від червоного кінця (більша довжина хвилі, менше енергії) до синього кінця спектра (менша довжина хвилі, більше енергії). Колірна температура світла, випромінюваного чорним тілом, фактично є температурою тіла в Кельвінах (див. бічну панель).

Колірна температура дійсно описує спектр світла і відносні кількості різних довжин хвиль. Ось спектри випромінювання чорного тіла для ряду різних температур (люб’язно надані Далласом Уорреном):

Рисунки 4-9. Випромінювання чорного тіла. Приклади спектрів випромінювання чорного тіла при 4000К, 5000К, 6000К, 7000К, 10000К і 20000К.

Не всі джерела світла обов’язково відповідають характеристикам теоретичного чорного тіла. Наше Сонце, однак, досить добре відповідає. Саме Сонце виробляє світло з колірною температурою близько 5800 К, однак, оскільки світло від Сонця відбивається і заломлюється земною атмосферою, фактична колірна температура Сонця буде змінюватися в залежності від різних умов. Опівдні, в ясний день, пряме сонячне світло становить близько 5500 К, але з урахуванням світла з неба – близько 6500 К. З цієї причини “денне світло” зазвичай визначається як 6500 К. Опівдні, в ясний день, в тіні (тобто без прямого сонячного світла), колірна температура може бути вищою за 20000 К.

Стандартні лампи розжарювання також досить близько відповідають теоретичному чорному тілу, і це в основному пов’язано з тим, що лампи розжарювання виробляють своє світло шляхом нагрівання нитки розжарювання. Лампа розжарювання має колірну температуру близько 2300 К.

Флуоресцентні та газорозрядні (наприклад, металогалогенні) лампи не відповідають теоретичному чорному тілу, і номінальна колірна температура є лише наближенням до кольору світла, що виробляється. Це значною мірою пов’язано з тим, що ці лампи виробляють переривчастий спектр з піками на деяких довжинах хвиль, в той час як деякі довжини хвиль не випромінюються взагалі. Тим не менш, виробники ламп все одно публікують інформацію про колірну температуру для своїх ламп, яку правильніше було б назвати “видимою колірною температурою”.

Зверніть увагу, що колірна температура може бути застосована тільки до “білого” світла, тобто світла, яке має суміш усіх довжин хвиль. Актинічне світло, наприклад, не має колірної температури як такої.

Індекс передачі кольору (CRI)

Штучні джерела світла також оцінюються за допомогою індексу передачі кольору. Це показник того, наскільки добре будуть передаватися кольори під цим джерелом світла. CRI 100 означає, що кольори будуть передаватися так само добре, як і під сонячним світлом опівдні. Менші значення означають, що кольори будуть передані неточно. Чим ближче індекс до 100, тим точніше будуть передані кольори.

У наступній статті я розповім про біологічні аспекти світла.

Гросс, М. Г. 1977. Океанографія: Погляд на Землю. Prentice-Hall Inc. Englewood Cliffs, New Jersey. 497pp.

Тейт, Р. В. 1972. Елементи морської екології: Вступний курс. Butterworth and Co, London. 314 с.

Томашик, Т., А. Я. Мах, А. Нонтджі та М. К. Мооса 1997. Екологія індонезійських морів. Periplus Editions, Гонконг. 1388pp,

Райер А. 1997. Посібник з вимірювання освітленості. (www.intl-light.com/handbook)

СІ (від фр. Le Système International d’Unités) – міжнародна система одиниць.

Герц – похідна одиниця СІ для частоти і становить цикли в секунду.

Ват – похідна одиниця СІ для потужності та променевого потоку. Визначається як один джоуль в секунду, або в основних одиницях СІ – один м2-кг-с-3. Не плутайте вати електричної потужності з ватами променевого потоку, хоча фактично вони обидва вимірюють “потужність”, ефективність ламп означає, що багато енергії втрачається (в основному у вигляді тепла) при перетворенні.

Моль – основна одиниця СІ для вимірювання кількості речовини і визначається як кількість атомів в 0,012 кг (12 г) вуглецю 12. Число атомів дорівнює 6,0225 × 1023 (число Авогадро).

Кельвін є основною одиницею СІ для термодинамічної температури і є абсолютною мірою температури. Зауважимо, що оскільки Кельвін є абсолютною величиною, то замість градусів Кельвіна (символ К) слід використовувати одиницю Кельвін (символ °К). Це було прийнято 13-ю сесією КПГМ у 1967 році. 0 К відповідає абсолютному нулю, тобто точці відсутності термодинамічної енергії, 273,16 К – точці замерзання чистої води при 1 атмосфері і 373,16 К – точці кипіння чистої води при 1 атмосфері. Кельвін (різниця між двома точками) дорівнює градусу Цельсія (або Цельсія), тобто 273,16 К = 0°;С і 373,16 К = 100°С.

Source: reefkeeping.com