В прошлой статье мы разбирали теорию фитосвета, и на основе эксперимента убедились, что специализированный лампы красно-синего спектра не дают реальных преимуществ при выращивании рассады редиса.
В этой статье рассмотрим более узкую тему: как понять, подойдет ли стандартный светильник для выращивания растений, если у него не указана такая важная величина, как PPF?
Немного теории: люмены против мкмоль
У обычных светильников в документации приводится такой параметр, как световой поток в люменах. Эта величина показывает общее количество света, которое излучаемого источником и воспринимаемое человеческим глазом. Чем больше световой поток, тем больше яркость светильника и освещенность объектов под ним на одной и той же высоте.
Но для растений есть другой важный параметр – поток фотосинтетических фотонов (PPF), измеряемый в мкмоль/с. По сути, суммарное количество фотонов, которое проходят в определенном количестве вещества ежесекундно. Попадая на лист растения, они передают ему необходимое количество энергии и поддерживают фотосинтез.
Другой важный параметр, важный для понимания – плотность фотосинтетического потока фотонов (PPFD), измеряемый в мкмоль/с/м2. Он показывает, сколько фотонов из общего PPF попадают на каждый квадратный метр листа. Например, светильник излучает большой поток фотонов, но висит высоко – соответственно PPFD будет меньше. Примерно как связь между люксами и люменами.
По логике, чем выше световой поток, тем больше фотонов «упаковывается» в пространстве перед светильником за одно и то же время. Вроде бы связь люменов и мкмоль/с прямая.
Но на самом деле, растения воспринимает фотоны из разных спектров неодинаково. И величина PPF характеризует именно те частицы света, которые приходятся на ФАР-спектр, обычно от 400 до 700 нм – можно сказать, имеющие большую энергетическую ценность для растений. А люмены – это узкая часть светового потока в зоне 550 нм, наибольшего восприятия человеческим глазом, но практически «бесполезной» для растений.
Связь двух параметров: через цветовую температуру и CRI
Связь между световым потоком и PPF очень упрощенно определяется тремя параметрами:
- Световым потоком в люменах – чем значение выше, тем больше общее количество излучаемых фотонов (как в ФАР-спектре, так и вне его).
- Цветовой температурой в К – насколько свет более холодный или теплый.
- Индексом цветопередачи CRI – насколько цвета освещаемых предметов воспринимаются более естественными (максимальное значение CRI 100 – у солнечного света).
Связь представлена в таблице ниже – данные взяты из статьи пользователя iva2000 на Хабре.
Определение PPF и PPFD, в зависимости от цветовой температуры и индекса цветопередачи на каждые 1000 лм или 1000 лк.
| PPF в мкмоль/с (на 1000 люмен) или PPFD в мкмоль/с/м2 (на 1000 лк) | |||
| CCT/CRI | CRI 70 | CRI 80 | CRI 90 |
| 3000 К | 14,1 | 14,5 | 15,7 |
| 4000 К | 13,6 | 14,0 | 15,2 |
| 5000 К | 13,5 | 13,9 | 15,1 |
Другими словами, при равном общем световом потоке более теплый свет с более высокой цветопередачей имеет большую энергетическую ценность для растений: он несет больше полезных для фотосинтеза фотонов.
Посмотрим на примере. Допустим, у нас есть светильник со световым потоком 2000 люмен. Он имеет индекс цветопередачи CRI 80 и цветовую температуру 4000 К. Получаем значение PPF 13,9 мкмоль/с на 1000 люменов.
| PPF в мкмоль/с (на 1000 люмен) или PPFD в мкмоль/с/м2 (на 1000 лк) | |||
| CCT/CRI | CRI 70 | CRI 80 | CRI 90 |
| 3000 К | 14,1 | 14,5 | 15,7 |
| 4000 К | 13,6 | 14,0 | 15,2 |
| 5000 К | 13,5 | 13,9 | 15,1 |
Но так как световой поток светильника вдвое больше, нужно умножить значение из таблицы на два. Получаем итоговый PPF светильника 27,8 мкмоль/с.
Примечание: аналогичные результаты мы получим, если будем оперировать не PPF и люмен, а PPFD и люксы (см. дальше).
Проверяем информацию: эксперимент с тремя светильниками
Мы решили проверить, насколько можно доверять этим данным, и провели серию экспериментов. Для этого взяли три светильника с индексом цветопередачи CRI 85 и цветовыми температурами 3000 К, 4000 К и 5000 К. Измерения проводили при помощи спектрометра HPCS310P.
Светильник 3000 К
Измерения показали:
- Индекс цветопередачи CRI – 85,4 (для упрощения округляем в меньшую сторону CRI 80);
- Цветовая температура CCT – 2868 К (округляем до 3000 К);
- Освещенность E – 4055 лк;
- PPFD 59,5 мкмоль/с/м2.
Проверяем по приведенной выше таблице. При CRI 80 и цветовой температуре 3000 К на 1000 люкс получится PPFD 14,5 мкмоль/с/м2. Или при освещенности 4055 лк имеем расчетную величину 58,8 мкмоль/с/м2.
| PPF в мкмоль/с (на 1000 люмен) или PPFD в мкмоль/с/м2 (на 1000 лк) | |||
| CCT/CRI | CRI 70 | CRI 80 | CRI 90 |
| 3000 К | 14,1 | 14,5 | 15,7 |
| 4000 К | 13,6 | 14,0 | 15,2 |
| 5000 К | 13,5 | 13,9 | 15,1 |
Относительно измеренного спектрометром значения 59,5 мкмоль/с/м2 погрешность составила 1,2%.
Светильник 4000 К
Результаты измерений:
- Индекс цветопередачи CRI – 83,4 (округляем до CRI 80);
- Цветовая температура CCT – 3836 К (округляем до 4000 К);
- Освещенность E – 3606,9 лк;
- PPFD 50,3 мкмоль/с/м2.
Проверяем по таблице. При CRI 80 и цветовой температуре 4000 К на 1000 люкс получится PPFD 14 мкмоль/с/м2. Освещенность 3606,9 лк, поэтому получаем PPFD 50,5 мкмоль/с/м2.
| PPF в мкмоль/с (на 1000 люмен) или PPFD в мкмоль/с/м2 (на 1000 лк) | |||
| CCT/CRI | CRI 70 | CRI 80 | CRI 90 |
| 3000 К | 14,1 | 14,5 | 15,7 |
| 4000 К | 13,6 | 14,0 | 15,2 |
| 5000 К | 13,5 | 13,9 | 15,1 |
Относительно измеренного спектрометром значения 50,3 мкмоль/с/м2 получаем погрешность 0,3%.
Светильник 5000 К
Результаты измерений:
- Индекс цветопередачи CRI – 85,0 (округляем до CRI 80);
- Цветовая температура CCT – 4795 К (округляем до 5000 К);
- Освещенность E – 3891,9 лк;
- PPFD 54,7 мкмоль/с/м2.
Проверяем по таблице. При CRI 80 и цветовой температуре 5000 К на 1000 люкс получится PPFD 13,9 мкмоль/с/м2. Освещенность 3891,9 лк, поэтому получаем PPFD 54,1 мкмоль/с/м2.
| PPF в мкмоль/с (на 1000 люмен) или PPFD в мкмоль/с/м2 (на 1000 лк) | |||
| CCT/CRI | CRI 70 | CRI 80 | CRI 90 |
| 3000 К | 14,1 | 14,5 | 15,7 |
| 4000 К | 13,6 | 14,0 | 15,2 |
| 5000 К | 13,5 | 13,9 | 15,1 |
Относительно измеренного спектрометром значения 54,7 мкмоль/с/м2 получаем погрешность 1,1%.
Выводы
В ходе эксперимента расчетные значения совпали с экспериментальными данными с погрешностью порядка 1%. Что при подборе светильника для освещения растений вполне приемлемо.
Выбор светильника: для чего вообще нужно знать мкмоль
В прошлой статье мы рассматривали такой параметр, как суточный интеграл освещенности (DLI). Величина показывает, сколько фотонов поглощается растением в течение своего светового дня – моль/м2/сут. Показатель зависит как от самой культуры, так и от фазы развития, а также температуры и влажности. Подробнее можно прочитать здесь.
Но какой же PPF светильника выбрать, ориентируясь на эти данные? Разберемся на примере.
Дано
Допустим, нашему растению необходимо в среднем 10 моль/м2 световой энергии в сутки. А оптимальная продолжительность досветки – 15 часов.
Расчет
Шаг 1. Для начала нужно понять, сколько светильник должен давать света каждую секунду в течение светового дня, чтобы этого хватало для нормального развития растения.
Для этого значение DLI 10 моль/м2/сут:
- Переводим в мкмоль – получаем 10 000 000 мкмоль/м2/сут.
- Делим на продолжительность светового дня 15 часов – 666 666 мкмоль/м2/ч.
- Делим на 3600 (количество секунд в часе) – получаем 185 мкмоль/м2/с.
Это и есть требуемые PPFD, которые должен обеспечить светильник.
Шаг 2. Ориентируясь на таблицу, находим требуемую освещенность. Например, при CRI 90 и цветовой температуре 3000 К (идеально для растений на этапе цветения и плодоношения) на каждые 1000 люкс должно приходиться 15,1 мкмоль/м2/с.
Шаг 3. Рассчитаем, какая нужна освещенность в итоге. В нашем примере, чтобы получить 185 мкмоль, нужно поделить это значение на расчетное значение, полученное на предыдущем шаге, и умножить на 1000.
185/15,1*1000 = 12 250 люкс.
Шаг 4. Чтобы перейти к световому потоку в люмен и выбрать конкретную модель светильника, осталось умножить полученное значение освещенности на площадь засветки.
Скажем, если вы выращиваете кусты рассады на подоконнике площадью 0,2 м2, то требуемый световой поток составит 12 250 * 0,2 = 2 450 люмен. Его обеспечит светодиодный светильник мощностью всего 24 Вт, при светоотдаче 100 лм/Вт (подробнее с нюансами разбирались в этой статье).
Ну а какую площадь освещения даст светильник при разной высоте, зависит от его кривой силы света. Но об этом мы поговорим в другом материале.
Выбор светильника: для чего вообще нужно знать мкмоль
Мы уже разбирались, почему специализированный красно-синий спектр никак положительно не влияет на рост и развитие растений. По сути, для досветки вполне подойдут стандартные светодиодные светильники дневного света.
И хотя производители обычно не приводят данных по PPF, а только по световому потоку в люменах, перевести одно в другое не составляет особого труда.