Без кейворда

Одним из самых запутанных аспектов рифовых аквариумов является тема освещения. Во многом проблема возникает из-за недостаточного понимания основных свойств света. Цель этой статьи – пролить свет, так сказать, на свет и его свойства в надежде улучшить понимание аквариумистами этой, казалось бы, сложной темы. Эта статья предназначена только для ознакомления со свойствами света. Более подробную информацию можно получить из хорошего учебника по физике.

В этой первой статье мы рассмотрим некоторые физические свойства света, которые имеют большее отношение к рифовым аквариумам.

Свет, особенно солнечный, является одним из самых важных факторов, влияющих на Землю. Почти все живое на Земле прямо или косвенно зависит от солнечного света (и тепла). Но что такое свет?

Свет – это форма электромагнитного излучения, включающая видимый свет (и, по некоторым определениям, ультрафиолетовое и инфракрасное излучение). Другие формы электромагнитного излучения включают гамма-лучи, рентгеновские лучи, микроволны и радиоволны. Свет проявляет как частицеподобное, так и волнообразное поведение. Частицы” (хотя на самом деле это не частицы) – это пучки электромагнитной энергии, называемые фотонами. Фотон определяется как квант электромагнитного излучения. У них нулевая масса, нет электрического заряда и неопределенно долгое время жизни. Фотоны всегда движутся по прямой линии, если только они не находятся под воздействием гравитации. Влияние гравитации настолько мало, что для практических целей мы можем считать, что свет движется по прямой линии.

Не обращая внимания на амплитуду (высоту), волны имеют две важные характеристики: частоту и длину волны, которые находятся во взаимной зависимости. Увеличивайте частоту, и длина волны станет меньше. При уменьшении частоты длина волны увеличивается. Волны в океане также обладают этой характеристикой. Длина волны – это расстояние между пиками волн, а частота – количество пиков волн, проходящих за определенный период времени.

Хотя свет на самом деле не состоит из волн, он может вести себя так, как будто это волны. Свет можно описать как состоящий из различных длин волн и частот. Свет с длиной волны 555 нм имеет частоту 540 x 1012 герц. Энергия фотона зависит от его частоты. Чем короче длина волны, тем выше частота и тем больше энергия фотона.

Воспринимаемый цвет света обусловлен энергией фотонов. Фоторецепторы реагируют на узкий диапазон энергии. Энергия в этом диапазоне правильно стимулирует рецептор, и мы воспринимаем ее как цвет. Поскольку уровень энергии фотонов зависит от их частоты и длины волны, цвет света обычно обсуждается с использованием длины волны. Свет с длиной волны от 400 нм (нанометров) до 700 нм является видимым (для человеческого глаза). Свет с длиной волны около 400 нм воспринимается как синий, а с длиной волны около 700 нм – как красный. Ниже 380 нм (до 100 нм) находится ультрафиолетовое излучение. Инфракрасное излучение (которое мы воспринимаем как тепло) находится в диапазоне от 750 нм до 2500 нм. Точно так же, как наши глаза реагируют на различные длины волн света, пигменты растений и водорослей реагируют на определенные частоты иначе, чем на другие. Например, хлорофилл-а имеет пики поглощения при длине волны 440 нм и 650 нм.

Фотоны могут отражаться и преломляться, проходя под углом через объекты различной плотности. Свет проходит со скоростью 3 x 1010 см/с-1 через вакуум и почти так же быстро через воздух, однако его скорость значительно снижается в плотных средах, таких как вода или стекло.

Отражение и преломление

Когда свет отражается от зеркала или подобной поверхности, лучи, отразившиеся от поверхности, выходят под тем же углом по другую сторону линии, перпендикулярной поверхности, что и падающие лучи. Это и есть закон отражения.

Рисунок 1: Закон отражения. Угол отражения равен углу падения.

Такой тип отражения, когда большинство лучей следуют закону отражения, известен как зеркальное отражение, и именно его обычно можно наблюдать на отражателях ламп из полированного алюминия. Если поверхность состоит из твердых частиц, большинство лучей не следуют закону отражения, а отражаются в нескольких направлениях. Это называется диффузным отражением и характерно для большинства окрашенных поверхностей. Свет, отраженный от таких поверхностей, выглядит равномерно ярким независимо от угла зрения.

Когда свет проходит через материалы разной плотности, скорость света немного меняется, что приводит к изгибу луча на границе раздела двух материалов. Это явление известно как преломление, оно лежит в основе работы линз, а также именно поэтому предметы кажутся больше, если смотреть на них через маску под водой. Преломление зависит от разницы в плотности двух материалов, также называемой коэффициентом преломления, и угла падения. Перпендикулярные лучи не преломляются, но с увеличением угла падения преломление увеличивается.

Рисунок 2: Преломление. Пример преломления, вызванного тем, что свет, проходящий через воздух, падает на поверхность воды под углом.

Интенсивность света – один из наиболее важных аспектов света для фотосинтезирующих организмов. Чем интенсивнее свет, тем больше энергии доступно для фотосинтеза. По сути, интенсивность – это количество фотонов, попадающих на определенную площадь за определенное время.

Сначала определим некоторые единицы измерения. Не стоит слишком беспокоиться о самих единицах, важны принципы, которые лежат в их основе.

Люмен – это мера силы видимого света. Один люмен определяется как световой поток 1/683 ватта (см. боковую панель) света с длиной волны 555 нм. Однако люмен не измеряет интенсивность. Он обычно используется для измерения светового потока. Например, люминесцентная лампа мощностью 36 Вт излучает всего 3250 люменов, но это общее количество света, излучаемого во всех направлениях.

Люкс – это мера освещенности. Один люкс определяется как интенсивность светового потока, падающего на поверхность с яркостью 1 люмен на квадратный метр. Интенсивность света зависит от общего количества светового потока и площади, на которую он распространяется. Интенсивность – это то, сколько света попадает на поверхность. Освещенность солнца в полдень на экваторе составляет более 100 000 люкс.

Одна из проблем с люменами и люксами заключается в том, что они взвешены, чтобы соответствовать человеческой чувствительности к свету. Поэтому желто-зеленый цвет может быть завышен, а красный и особенно синий – занижен.

Фотоны можно подсчитать (с помощью квантового счетчика) и представить в виде эйнштейнов. Один Эйнштейн – это один моль (см. боковую панель) фотонов. Для измерения интенсивности света измеряется количество эйнштейнов, попадающих на участок за определенное время. Обычно это обозначается как E.m-2.s-1 или uE.m-2.s-1. Фотосинтетически доступная радиация (PAR) измеряет весь видимый свет (от 400 до 700 нм) достаточно равномерно и указывается в эйнштейнах на квадратный метр в секунду (E.m-2.s-1). В тропических широтах около полудня в безоблачный день среднее значение PAR на поверхности моря составляет около 2,5 Е.м-2.с-1 (Tomascik et al 1997).

Важно понимать разницу между световым потоком источника света и интенсивностью света, достигающего объекта. Пришло время привести аналогию. Если купить большой мешок песка и поместить его в аквариум, равномерно распределив по дну, то он окажется на определенной глубине. Общий световой поток лампы эквивалентен объему песка. Интенсивность света равна глубине залегания песка. Поместите тот же объем песка в меньший аквариум, и песок окажется глубже. Используйте больший пакет песка (более яркую лампу), и вы получите большую глубину.

Ряд факторов влияет на то, сколько света, излучаемого источником света, фактически достигает объекта съемки. Самым важным фактором, влияющим на интенсивность света, является расстояние между источником света и объектом съемки. Лучи света от точечного источника света расходятся, поэтому свет распространяется на большую площадь по мере удаления объекта съемки от источника света. Потеря интенсивности из-за расстояния предсказуема и известна как правило обратного квадрата. Правило обратного квадрата гласит, что интенсивность света будет обратно пропорциональна квадрату расстояния от источника света. То есть, если увеличить расстояние до источника света в два раза, интенсивность света уменьшится на 25%. На рисунке 1 показано правило обратного квадрата на практике.

Рисунок 3: Правило обратного квадрата.

На расстоянии 5 единиц от источника света свет распространяется на площадь pi*22. На расстоянии 10 единиц от источника света тот же свет теперь распространяется на площадь пи*42. Интенсивность света в любой точке нижней окружности будет составлять одну четверть интенсивности света в любой точке верхней окружности.

Правило обратного квадрата действует для любого источника света, приближающегося к точке, и будет действовать всегда, когда расстояние до источника света больше, чем в 5 раз превышает наибольший диаметр источника света. Солнце приближается к точечному источнику света. Поскольку его диаметр составляет около 1,4 миллиона километров, а находится оно на расстоянии 150 миллионов километров, действует правило обратного квадрата. Конечно, размеры Земли не позволяют нам перемещаться на расстояния ближе или дальше от Солнца, чтобы увидеть правило обратного квадрата в действии. Лампы накаливания и металлогалогенные лампы приближаются к точечным источникам света, как и некоторые компактные люминесцентные лампы. Обычные люминесцентные лампы не приближаются к точечному источнику света на тех расстояниях, на которых мы используем их в наших аквариумах.

Цвет света

Как объяснялось выше, восприятие цвета основано на уровне энергии фотонов, достигающих фоторецепторов в нашей сетчатке. Уровень энергии связан с длиной волны света, поэтому для описания цвета света используются длины волн (в нанометрах). Это приблизительные диапазоны длин волн для цветов, которые мы воспринимаем:

То, что мы видим как “белый” свет, на самом деле является комбинацией этих длин волн. Если “белый” свет проецируется через призму, составляющие его длины волн разделяются из-за небольшого изменения скорости различных длин волн при прохождении через более плотную призму. Это также является причиной появления радуги. Солнечный свет имеет так называемый непрерывный спектр. Он содержит непрерывный диапазон длин волн от менее 400 нм до более 700 нм.

Воспринимаемый цвет искусственного света основан на относительной интенсивности составляющих его длин волн. Многие производители ламп публикуют спектры своих ламп. Большинство источников искусственного света производят свет с прерывистым спектром. Свет состоит из нескольких различных длин волн, но не все длины волн представлены.

Поглощение света

Вода поглощает свет, и даже в прозрачной воде около 60 процентов всего излучения, попадающего в воду, поглощается на первом метре, а около 80 процентов – на первых 10 метрах (Gross 1977). Кроме того, от 3 до 50 процентов падающего света отражается от поверхности воды в зависимости от угла падения (Tait 1972). В полдень угол падения мал и отражение незначительно, но в начале и конце дня угол намного больше и большая часть света отражается. Мутная вода поглощает и отражает больше падающего света, что приводит к еще большему ослаблению света.

Вода поглощает различные длины волн с разной скоростью. Красный свет поглощается водой очень быстро, и даже на глубине 3 м наблюдается значительная потеря красных волн. Синий свет, однако, поглощается гораздо медленнее, и большая часть синего света, попадающего на поверхность воды, проникает на глубину 40 м и более. Аналогичным образом, было доказано, что УФ-А излучение проникает в воду на 20 м и более.

Различное поглощение длин волн существенно влияет на цвет света, достигающего всех глубин, кроме малой. Океанская вода вдали от побережья обычно очень чистая, в ней мало цветных частиц и растворенных веществ. Такая вода кажется темно-синей в результате рассеивания световых лучей в воде (Gross, 1977).

Следующие два свойства, цветовая температура и индекс цветопередачи, являются скорее методами описания света, особенно искусственных источников света, чем реальными физическими свойствами света.

Если вы включите элемент электроплиты, то заметите, что он излучает и тепло, и свет – он светится. Чем горячее элемент, тем ярче он светится. В том диапазоне температур, который можно получить от плиты, цвет излучаемого света – красный. Если бы вы смогли нагреть элемент еще больше, цвет изменился бы, став сначала оранжевым, затем более желтым и, в конце концов, тем, что мы видим как “белый” свет. Именно этот принцип лежит в основе цветовой температуры.

Цветовая температура основана на излучении теоретического черного тела, а не элемента печи. Когда черное тело (теоретически) нагревается, цвет излучаемого света смещается от красного конца (большая длина волны, меньше энергии) к синему концу спектра (более короткая длина волны, больше энергии). Цветовая температура света, излучаемого черным телом, фактически является температурой тела в Кельвинах (см. боковую панель).

Цветовая температура действительно описывает спектр света и относительное количество различных длин волн. Вот спектры излучения черного тела для ряда различных температур (любезно предоставлено Далласом Уорреном):

Рис. 4-9. Излучение черного тела. Примеры спектров излучения черного тела при 4000K, 5000K, 6000K, 7000K, 10000K и 20000K.

Не все источники света обязательно следуют характеристикам теоретического черного тела. Наше Солнце, однако, вполне соответствует. Само Солнце излучает свет с цветовой температурой около 5800 К, однако, поскольку свет от Солнца отражается и преломляется земной атмосферой, фактическая цветовая температура Солнца меняется в зависимости от условий. В полдень, в ясный день, прямой свет только от Солнца составляет около 5500 К, а с учетом света от неба – около 6500 К. По этой причине “дневной свет” обычно определяется как 6500 К. В полдень, в ясный день, в тени (так что прямого света от Солнца нет) цветовая температура может быть выше 20000 К.

Стандартные лампы накаливания также довольно близко соответствуют теоретическому черному телу, и это связано в основном с тем, что лампы накаливания производят свой свет путем нагревания нити накаливания. Лампа накаливания имеет цветовую температуру около 2300 К.

Люминесцентные и газоразрядные (например, металлогалогенные) лампы не соответствуют теоретическому черному телу, и номинальная цветовая температура является лишь приближением к цвету производимого света. Это происходит в основном потому, что эти лампы дают прерывистый спектр с пиками в некоторых длинах волн, в то время как некоторые длины волн вообще не излучаются. Однако производители ламп все равно публикуют информацию о цветовой температуре своих ламп, которую точнее было бы назвать “кажущейся цветовой температурой”.

Обратите внимание, что цветовая температура может быть применена только к “белому” свету, то есть свету, который имеет смесь всех длин волн. Например, актинический свет не имеет цветовой температуры как таковой.

Индекс цветопередачи (CRI)

Искусственные источники света также оцениваются по индексу цветопередачи. Это показатель того, насколько хорошо будут передаваться цвета под данным источником света. CRI, равный 100, означает, что цвета будут передаваться так же хорошо, как при солнечном свете в полдень. Меньшие цифры означают, что цвета будут передаваться неточно. Чем ближе индекс к 100, тем точнее будут передаваться цвета.

В следующей статье я расскажу о биологических аспектах света.

Гросс, М. Г. 1977. Океанография: A View of the Earth. Prentice-Hall Inc. Englewood Cliffs, New Jersey. 497pp.

Tait, R. V. 1972. Elements of Marine Ecology: An Introductory Course. Butterworth and Co, London. 314 стр.

Tomascik, T, A. J. Mah, A. Nontji and M. K. Moosa 1997. Экология индонезийских морей. Periplus Editions, Hong Kong. 1388 стр,

Райер А. 1997. Справочник по измерению света. (www.intl-light.com/handbook)

СИ (от французского Le Système International d’Unités) – международная система единиц.

герц – производная единица СИ для частоты, равная циклам в секунду.

Ватт – производная единица СИ для мощности и лучистого потока. Он определяется как один джоуль в секунду, или, в базовых единицах СИ, один м2-кг-с-3. Не путайте ватты электрической мощности с ваттами лучистого потока, хотя фактически они оба измеряют “мощность”, эффективность ламп означает, что при преобразовании теряется много энергии (в основном в виде тепла).

моль – базовая единица СИ для количества вещества, определяется как число атомов в 0,012 кг (12 г) углерода 12. Число атомов равно 6,0225 × 1023 (число Авогадро).

Кельвин является базовой единицей СИ для термодинамической температуры и является абсолютной мерой температуры. Обратите внимание, что поскольку Кельвин является абсолютной величиной, вместо градусов Кельвина (символ °K) следует использовать единицу Кельвин (символ K). Это было принято 13-й КПГМ в 1967 году. 0 К соответствует абсолютному нулю, который является точкой отсутствия термодинамической энергии, 273,16 К – точке замерзания чистой воды при 1 атмосфере, а 373,16 К – точке кипения чистой воды при 1 атмосфере. Градус Кельвина (разница между двумя точками) равен градусу Цельсия (или Цельсия), поэтому 273,16 K = 0°;C и 373,16 K = 100°C.

Source: reefkeeping.com