Как уже говорилось в первой части, нам нужно думать о свете в терминах фотонов. Фотон – это наименьшая дискретная частица энергии, которая движется вдоль волны, определяемой длиной волны, и количество энергии, содержащейся в фотоне, может быть определено математически. Для целей рифоводства и человеческого зрения нас интересуют фотоны с длиной волны в диапазоне 400-700 нм. В этой статье мы рассмотрим, как фотоны генерируются источниками света, определим, как они распределяются по длине волны, как это распределение представлено в виде спектральной диаграммы, а также правильную терминологию, используемую для характеристики фотонов.
Как генерируются фотоны?
Любой источник света – это, по сути, источник фотонов. Атомы излучают свет как высвобождение энергии в форме фотонов. В нормальных условиях атомы находятся в основном состоянии, когда их электроны (отрицательно заряженные частицы) движутся вокруг ядра атома (которое имеет чистый положительный заряд). Электроны атома имеют различные уровни энергии, зависящие от нескольких факторов, включая их скорость и расстояние от ядра. Электроны с разными уровнями энергии занимают разные позиции в атоме. Электроны с большей энергией движутся по орбите дальше от ядра. Когда атомы возбуждаются (путем добавления энергии), электроны переходят на более высокий энергетический уровень. Это нестабильное состояние, и электрон быстро возвращается в более низкое энергетическое состояние, высвобождая энергию в виде фотона. Поскольку переход с одного энергетического уровня на другой дискретный, фотоны несут дискретное количество энергии. Если высвобожденный фотон имеет длину волны, которая находится в видимом диапазоне электромагнитного спектра, он выглядит как свет. Длина волны света зависит от того, сколько энергии было высвобождено, что, в свою очередь, зависит от положения электрона. Атомы различных материалов имеют электроны на разных энергетических уровнях и, следовательно, испускают различные “цветные” фотоны. Это основной механизм генерации любого света.
Следующий рисунок (Рисунок 1), взятый из книги “Как все устроено”, помогает объяснить этот процесс.
Рисунок 1. Как атомы излучают свет.
Различные источники света отличаются друг от друга механизмом возбуждения электронов и составом материалов, используемых для получения атомов. В лампе накаливания атомы возбуждаются за счет тепла, создаваемого электрическим сопротивлением нити накаливания. В люминесцентной лампе свободные электроны образуются между катодом и анодом, и эти свободные электроны используются для возбуждения атомов ртути, которые испускают фотоны в ультрафиолетовом диапазоне. Эти ультрафиолетовые фотоны затем ударяют по люминофорному покрытию лампы, переводя его электроны на более высокий энергетический уровень и излучая видимый свет с различными длинами волн, в зависимости от состава используемых люминофоров. В металлогалогенных лампах используется другой подход, в котором наряду с ртутью используются атомы металлогалогенного газа, которые получают энергию от плазменной дуги между электродами.
Здесь важно отметить, что фотон есть фотон, независимо от того, какой источник используется для его генерации. Другими словами, желтый фотон от света свечи – это то же самое, что и желтый фотон от металлогалогенной лампы. Разница лишь в том, что металлогалогенная лампа генерирует гораздо больше фотонов в секунду, чем свет свечи.
Характеристика фотонов
Источник света – это, по сути, непрерывный источник фотонов, в нашем случае преобразующий электрическую энергию в видимые фотоны. Поэтому, когда мы характеризуем источник света, нам интересно определить, сколько фотонов он генерирует в единицу времени. Это называется его потоком фотонов. Эти фотоны генерируются, распространяются во всех направлениях и в конечном итоге попадают на какой-либо объект, представляющий интерес (в нашем случае это кораллы). Источник света генерирует фотоны с постоянной скоростью, и по мере удаления от источника фотоны распространяются на большую площадь, следовательно, чем дальше мы удаляемся от источника света, тем меньше фотонов попадает на целевую область. Нас интересует, сколько фотонов попадает на заданную площадь, обычно 1 метр квадратный, и это число называется плотностью фотонов. Кроме того, нас интересуют фотоны, доступные для фотосинтеза, а это фотоны в диапазоне 400-700 нм (то же, что и видимый свет). Эти фотоны называются фотосинтетическими фотонами. Эти три интересующие нас сущности вместе составляют плотность потока фотосинтетических фотонов (PPFD), которая является мерой количества фотонов в диапазоне 400-700 нм, падающих на площадь в 1 метр квадратный в секунду. PPFD – это мера фотосинтетически доступной радиации, сокращенно PAR. Вспомните из части 1, что для выработки 1 ватта энергии нам потребуется 25,15 × 10 17 фотонов/сек при 500 нм. Это очень много фотонов. Поскольку мы имеем дело с большим количеством фотонов, количество фотонов измеряется в единицах, называемых микромолями (1 моль = число Авогадро = 6,022 × 10 23 , следовательно, 1 микромоль = 6,022 × 10 17 ). Следовательно, единицами измерения PPFD являются микромоли/м 2 /сек, поэтому PPFD, равное 1, соответствует 6,022 × 10 17 фотонам, падающим на 1 метр квадратный в секунду. В аквариумном хобби мы часто говорим о световом потоке в терминах PAR. Технически это неверно. PAR обычно измеряется как PPFD.
Различные источники света имеют разное распределение фотонов в диапазоне 400-700 нм. Источник света может быть охарактеризован путем определения этого распределения фотонов, и это делается с помощью прибора, называемого спектрорадиометром. Спектрорадиометр – это прибор, имеющий датчик и соответствующее аппаратное и программное обеспечение для определения распределения энергии (измеряемой как плотность мощности в ваттах/м 2 ) на различных длинах волн электромагнитного спектра. Это обычно отображается в виде графика с длиной волны по оси X и плотностью мощности по оси Y, и называется графиком спектрального распределения мощности (SPD). Один из таких графиков СПД показан на рисунке 2 ниже. Это самая важная информация об источнике света, и на ее основе можно получить все необходимые показатели освещенности.
Рисунок 2. Спектральное распределение мощности для 400-ваттной лампы Ushio на балласте Magnetek (M59) – 18″ от лампы.
Обратите внимание, что для каждой длины волны спектрорадиометр измеряет плотность мощности в ватт/м2 . Это называется спектральной освещенностью. Из части 1 вы можете вспомнить, что существует прямая зависимость между мощностью/энергией на каждой длине волны и количеством фотонов. Например, как видно на графике выше, при длине волны 420 нм лампа производит 0,4 Вт/м 2 мощности или 0,4 джоулей/м 2 /секунду энергии. Используя зависимость между энергией и длиной волны, можно определить, сколько фотонов/м 2 /с при 420 нм потребуется для выработки 0,4 джоуля энергии – 1,46 микромоля. Таким образом, мы можем легко перевести из ватт/м 2 в микромоли/м 2 /сек. Если это сделать для всех длин волн, мы получим график, показывающий распределение количества фотонов на каждой длине волны на метр квадратный в секунду.
Рисунок 3. Распределение фотонов (измеренное как PPFD) для 400-ваттной лампы Ushio на балласте Magnetek (M59) – 18″ от лампы.
Сложение всех фотонов в диапазоне 400-700 нм дает показатель фотосинтетически доступной радиации (PAR), измеряемой в терминах PPFD. Технически, фотосинтетически доступная радиация – это площадь под кривой, показанной на рисунке 3. Эти расчеты часто выполняются с помощью программного обеспечения, которое поставляется вместе со спектрорадиометрами. Поскольку распределение мощности и распределение фотонов математически взаимозаменяемы, любое из них может быть использовано в качестве основы для сравнения светового потока от различных источников света.
На моем сайте www.reeflightinginfo.arvixe.com, где представлены светоотдачи различных металлогалогенных ламп и комбинаций балластов, я использую спектральное распределение мощности для отображения светоотдачи. Используя имеющиеся данные, можно легко проводить сравнения между различными металлогалогенными лампами на основе их спектрального распределения. На графиках показана спектральная освещенность на каждой длине волны. Значения показывают величину плотности мощности (Вт/м 2 ) на каждой длине волны. Таким образом, лампа с большей мощностью на данной длине волны будет иметь и большее количество фотонов на этой длине волны.
Важно отметить следующее:
1) Поскольку энергия каждого фотона различна на разных длинах волн, для производства одного и того же количества энергии на разных длинах волн требуется разное количество фотонов. Для получения одинакового количества общей энергии при 400 нм потребуется на 57% меньше фотонов, чем при 700 нм, поскольку фотоны при 400 нм имеют более высокую энергию.
2) Поскольку PPFD является суммой всех фотонов в диапазоне 400-700 нм, два очень разных спектральных распределения могут иметь одинаковый PPFD. Это означает, что между PPFD и спектральным распределением нет связи один к одному, поэтому знание PPFD источника света ничего не говорит нам о том, как распределены его фотоны. Различные источники света с одинаковыми значениями PPFD могут иметь очень разное спектральное распределение. Как видно на рисунке 4 ниже, две лампы имеют очень похожие значения PPFD, но их спектральные распределения очень разные. Независимость PPFD и спектрального распределения является одной из причин того, что при сравнении источников света мы должны учитывать данные спектрального распределения, а также PPFD.
Рисунок 4. Сравнение спектрального распределения двух ламп с одинаковыми значениями PPFD.
3) Также обратите внимание, что PPFD измеряет количество фотонов, падающих на определенную область; количество фотонов, падающих на эту область, меняется по мере увеличения расстояния от источника света. Следовательно, при сравнении PPFD ламп очень важно знать расстояние, на котором проводились измерения, и сравнивать можно только значения PPFD на одинаковом расстоянии.
Спектральное распределение ламп совершенно иное по сравнению с солнечным светом. На рисунке 4 также показан спектральный график солнечного света на поверхности воды в тропиках в полдень летом. Для более детального сравнения подводного светового поля с естественным светом под водой читатель может обратиться к статье “Подводное световое поле и его сравнение с металлогалогенным освещением”.
Закон обратного квадрата для света
Взаимосвязь между PPFD и расстоянием от источника света подчиняется так называемому закону обратного квадрата, если источник является точечным источником света.
Согласно закону обратного квадрата:
D 1 и D 2 = расстояние, на котором PPFD 1 и PPFD 2 измеряются.
Это правило в основном гласит, что если вы знаете PPFD на заданном расстоянии от лампы, то вы можете вычислить PPFD на любом другом расстоянии. Оно будет изменяться как обратная функция квадрата расстояния.
Например, если PPFD на расстоянии 1 м составляет 100, то на расстоянии 2 м – 25. Если расстояние удвоить, то облученность уменьшится до ¼ от значения на первоначальном расстоянии. Этот эффект можно легко представить, посветив фонариком на стену. При отходе от стены размер светового пятна увеличивается, а его интенсивность уменьшается.
Это правило применимо только к точечным источникам света (или источникам, источник которых можно аппроксимировать точкой). В качестве эмпирического правила часто используется “правило пяти раз”. Если расстояние от источника в пять раз больше размера излучающего источника, мы можем считать его точечным источником света. Для прозрачной металлогалогенной лампы размером точечного источника можно считать внутреннюю оболочку, в которой находятся газы. Если бы мы хотели считать 4′ флуоресцентную лампу точечным источником, она должна была бы находиться на расстоянии не менее 20′! Аналогично, 2′ рефлектор должен находиться на расстоянии не менее 10′, чтобы его можно было приближенно считать точечным источником.
В этой статье я описал, как свет от источника может быть охарактеризован распределением фотонов, которые исходят от него. Два математически эквивалентных графика – один с использованием распределения плотности мощности на каждой длине волны, а другой с использованием количества фотонов – могут быть использованы для отображения распределения в виде спектрального графика. Свет, доступный для фотосинтеза, называется PAR, и обычно измеряется как PPFD (плотность потока фотонов фотосинтеза) в единицах микромоль/м 2 /сек. Использование только числа PPFD дает нам информацию только о количестве фотонов в диапазоне 400-700 нм, но ничего не говорит нам об их спектральном распределении. Две лампы с одинаковым PPFD могут иметь очень разное спектральное распределение. Кроме того, измерения PPFD можно сравнивать только в том случае, если расстояния, на которых проводятся измерения, одинаковы. Однако, учитывая, что свет подчиняется обратному квадратичному закону, мы можем вычислить PPFD на разных расстояниях, если знаем его на одном конкретном расстоянии.
В следующей статье цикла мы обсудим другие измерения света, которые вы, возможно, видели, такие как люкс и люмен, и как они связаны с измерениями света для фотосинтеза.