cравнение источников света в аквариуме с растениями Ivo Busko

Перевод этой статьи я разместил в контексте того тезиса,
что для успешного выращивания водных растений
ИНТЕНСИВНОСТЬ освещения важнее чем Спектр,
и использовать специальные лампы с повышенным PAR
не имеет никакого смысла.
Мои выводы по данной статье - Какой PAR у обычных T5 HO 5200-6700K?

"A Comparison Between Light Sources Used in Planted Aquaria" by Ivo Busko.
Впервые на русском языке опубликована на Укроп.
Аналогичное тестирование проводилсоь в Швеции в августе 2004г. - defblog.se (выдержка из данных).

Сравнение источников света в аквариуме с растениями

© Ivo Busko
© Перевод Андрей Каминский, Дмитрий Румянцев, 2001

Данный материал может распространяться свободно полностью без изменений и удалений, как единое целое, включая данный параграф. Запрещено использование документа в коммерческих целях без разрешения автора. Информация в данном документе представлена "as is" и автор не несет ответственности, прямой или косвенной, за ее использование.

• Как сравнивать лампы
• Люмен, люкс, PAR ..., что это такое?
• Методика
• Данные
• Результаты
• Нормализованные спектральные кривые
• Приложение
• Источники данных
• Шаги, чтобы вычислить сведенные в таблицу показатели
• Источники ошибок
• Пример

Как сравнивать лампы

Критерии для сравнения ламп, которые нужно использовать в пресноводном аквариуме с растениями всегда включают некоторую долю персонального вкуса. Мы делаем не только то, что нужно растениям для хорошего роста, мы также хотим, чтобы аквариум выглядел хорошо. Конечно, мы должны попытаться обеспечить во-первых "сильное" или "яркое" освещение (безотносительно значения терминов), в большинстве случаев, руководствуясь правилом типа " ватты на галлон". Однако это - не предмет этой статьи. Мы интересуемся здесь эффективностью вместо этого. То есть имея фиксированное количество электроэнергии (Ватты), как мы можем получить максимальный возможный "свет", одновременно сохраняя симпатичный вид нашего аквариума?
Если у кого то есть много места на вершине аквариума, не имеется никаких беспокойств с экономией электроэнергии, и имеется тугой кошелек, первичные критерии выбора для ламп должны быть основаны на их визуально значимых параметрах типа количества люменов, цветовой температуре и индексе цветопередачи (CRI). Если растениям не нравится это, только добавляют дополнительные лампы, пока не понравится. Если однако имеются пространственные ограничения (например вследствии экзотической геометрии аквариума, что является моим случаем!) и-или забота о бюджете во время начальной установки и долгосрочного обслуживания (мой случай также!), нужно попытаться спроектировать эффективную осветительную установку. В этом случае и эффективность (КПД) и характеристика производительности каждой потенциальной лампы должна быть принята во внимание в большей подробности. В частности большее количество соответствующих параметров чем только выход люменов должно быть рассмотрено. Но что это за параметры, и какие значения мы должны искать?
Моя цель при написании этой статьи состоит в том, чтобы предоставить эту дополнительную информацию относительно используемых ламп (или пригодных для использования) в аквариуме с растениями, с численными результатами, выраженными в стандартных физических единицах. Это - не моя цель рекомендовать специфические типы или марки ламп; информация приводится здесь с единственной целью предоставления возможности читателю принимать более информированные решения при проектировании системы освещения.
Следующий раздел вводит некоторую терминологию, используемую в работе. Вы можете пропустить ее, если Вы знакомы с предметом. Последующие разделы кратко обсуждают методику и используемые данные, и представляют результаты. Имеется приложение с указателями на первичные источники данных, детальное описание порядка расчетов и ошибок и пример использования данных, представленных здесь.

^
Люмен, люкс, PAR ..., что это такое?

Искусственные источники света обычно оцениваются, основываясь на их световом потоке в люменах. Люмен - единица измерения потока или световой энергии, испускаемой источником света (в единицу времени). Эта величина не включает всю энергию, которую источник испускает, но только энергию с длинами волны, способными к воздействию на человеческий глаз. Следовательно, люмен определен таким способом, чтобы быть взвешенным человеческой глазной спектральной чувствительностью. Если мы начертим эту чувствительность как функцию длины волны света (построим так называемую кривую photopic), мы видим, что она имеет приблизительно форму колокола, подъем контуров изображения вокруг длины волны 550 нанометров (nm), "зеленая" область видимой части спектра, и спад на длинных (красные) и коротких (синие) длинах волн. См. чертеж здесь. Поэтому два источника света, которые испускают ту же самую общую сумму энергии, могут иметь значительно различные значения в люменах, в зависимости от того, сколько этой энергии сконцентрировано вокруг региона 550 nm.
Другая единица измерения, часто цитируемая в разговоре относительно выходного оптического сигнала - люкс(lux). Люкс - мера освещения, не потока (flux). Поток (flux) относится к энергии света, которая излучается источником. Освещение относится к энергии света, которая достигает поверхности приема. Люкс эквивалентен lumens/m2. Люкс не может быть вычислен только от данных источника света. Дополнительная информация относительно геометрии освещения, рефлекторов, расстояний, пройденных сред (стеклянные покрытия, вода) должна быть принята во внимание.
Другие показатели имели обыкновение описывать качество света, связанное с его визуальными характеристиками - цветовая температура и индекс цветопередачи (CRI). Цветовая температура определена как температура, которую совершенный электромагнитный радиатор ("абсолютно черное тело") должен иметь, чтобы испустить свет с тем же самым "цветом" как и рассматриваемый источник света. Более высокая цветовая температура означает более синий цвет, низкая температура, более красный цвет. Цветовая температура выражена в градусах Кельвина. CRI показывает, как близко к их "истинному цвету (true color)" источник света может показывать объекты, освещенные им. "Совершенный" источник света имел бы CRI 100, меньшие значения означают, что цвета сдвинуты от их "истинного" оттенка и насыщения. Много людей знакомы с изменением цвета, который имеет место, когда кто-то купил одежду в магазине с искусственным освещением и затем понимает, что под естественным (солнечным) освещением цвета не совсем те же самые. Если бы магазин использовал лампы с высоким CRI , то искажение цвета было бы намного меньшее или не значимое вообще. (На самом деле это не совсем верно, поскольку, например, лампа накаливания имеет CRI=100, по определению. Более подробно про эти термины можно прочитать здесь - MD)
Легко предположить, исходя из сказанного в предыдущем параграфе, что эти два параметра также строго связаны с характеристиками человеческого зрения. Фактически, определение термина "цвет", используемое выше, непосредственно основано на психофизических экспериментах, выполненных с человеческими особями и стандартизировано CIE (Commission Internationale d'Eclairage) приблизительно 60 лет назад. Другими словами, цветовая температура и CRI - параметры, полностью основанные на характеристиках человеческого зрительного аппарата, и могут не нести абсолютно никакого значения, когда применяются в других контекстах.
Лабораторные испытания показали, что процесс фотосинтеза, который имеет место у растений при интенсивном освещении, имеет очень отличающуюся от человеческого глаза спектральную чувствительность. Фактически, фотосинтез наименее эффективен в области вокруг 550 nm. Большинство света, способного к стимулированию реакции фотосинтеза является или красным или синим. Другими словами, листья растений главным образом отражают зеленый свет, в то время как они поглащают красный и синий с более высокой эффективностью. Экспериментальный факт, который подтверждает это, независимо от любого лабораторного измерения, это факт, что много растений выглядят зелеными! Переносные полевые приборы используемые для определения фотосинтеза на растущих растениях, часто эксплуатируют этот факт, используя как источник света пару красных и синих светодиодов вместо белого источника света.
Кривая, которая получается при изображении эффективности фотосинтеза как функции длины волны, названа "Photosynthesis Action Spectrum". Это - эквивалент кривой photopic для фотосинтеза. Кривая обычно c двумя пиками, с максимумами вокруг 420 (синего) и 670 (красного) nm и "точки минимума" вокруг 550 nm. Кривая резко падает ниже 400 nm и выше 700 nm. Пики широки и не столь явны как центральный пик в кривой чувствительности глаза. Имеется все еще существенный ответ в зеленой области вокруг 550nm. См. типичную кривую здесь. Многие разновидности растений могут показывать cпецифичные action spectra (спектры действия), которые заметно отличаются от этой "усредненной" кривой. В некоторых случаях не имеется никакого пика одной из красных или синих областей. Важный пункт - то, что фотосинтез, имеет намного более широкую область чувствительности от длины волны, чем человеческий глаз, с меньшей зависимостью от специфичных, узких регионов длинн волн. Таким образом, источники света, которые выглядят очень различными для нас, могут "выглядеть" одинаковыми для растений. Наоборот, источники света, которые выглядят одинаковыми для нас, могут "выглядеть" очень отличными для растений, все в зависимости от их специфичных спектральных характеристик.
В некоторых источниках мы также видим ссылки на "plant growth spectrum (спектр роста растения)". Это не должно пониматься как эквивалент action spectrum . Action spectrum имеет точное значение в терминах количества (в moles/sec/площади поверхности листа) углекислоты, использованной растением, подвергнутых измерению. "Рост", с другой стороны, может быть определен многими различными путями (высота? вес? вес сухой массы растения?) который может очень cильно различаться для разных разновидностей, так что это едва ли может быть хорошим стандартом для целей сравнения.
Базируясь на Photosynthesis Action Spectrum, изготовители ламп придумали люминесцентные "plant bulbs (лампы для растений)". Они в основном излучают большинство их света в диапазоне длин волн, которые являются более эффективными для фотосинтеза, а именно на красном и синем концах видимой области спектра. Как и ожидалось, эти источники света выглядят тусклыми для человеческого глаза и, следовательно, имеют недостаточные оценки в люменах. Также, их цветовая температура и оценки CRI немного, если вообще что либо значат. В конце концов, эти лампы не были разработаны для человеческого взгляда.
Стандартная мера, которая определяет количество энергии доступной для фотосинтеза - "Photosynthetic Active Radiation" (aka "Photosynthetic Available Radiation") или PAR. В отличие от люмена, которая принимает во внимание характеристики человеческого восприятия, PAR - невзвешенная мера. Она учитывает с равным весом весь свет, излученный источником света, в диапазоне волн между 400 и 700 nm. PAR также отличается от люмена тем фактом, что это не прямая мера энергии. Она выражается в "числе фотонов в секунду", чьй отношения с "энергия в секунду" (мощность) зависят от спектральной кривой источника света. Один не может быть непосредственно преобразован в другой без спектральной кривой.
Причина для выражения PAR в числе фотонов вместо энергетических единиц - то, что реакция фотосинтеза имеет место, когда фотон поглощен растением, независимо от того какова длина волны фотона (или энергия) (предполагается что она находится в диапазоне между 400 и 700 nm). То есть если данное число синих фотонов поглощено растением, количество фотосинтеза, который имеет место - точно то же самое, как когда то же самое число красных фотонов поглощено. Для удобства, число фотонов обычно приводится в литературе в единицах μmole (микромолях), или μEinsteins (микроэйнштейнах). Один микроэйнштейн эквивалентен 6.02017 фотонов. Другое важное отличие - то что обычно PAR приводится как мера освещения родственная люксу, таким образом связана с поверхностью приема. PAR обычно измеряется в μEinstein/(sec m2).
Таким образом мы видим из вышеприведенного, что для того, чтобы оценить источники света при использовании для растений, мы не можем, в принципе, полностью полагаться на человеко зависимый критерий, оценку в люменах. К сожалению, изготовители приводят мало информации в этом аспекте. Потребляемую мощность в Ваттах и оценки в люменах просто получить, и для многих ламп, спектральные характеристики тоже приводятся. Хотя многие из их не изображены в физически значимых единицах (типа Watt/nanometer), делая трудным сравнение различных изделий. Данные PAR никогда не приводятся, потому что они зависят от детальной геометрии освещения, которая изменяется от установки к установке.
^

Методика

Однако, имея доступ к спектральным характеристикам в относительных единицах, и показателям в люменах и Ваттах для лампы, возможно получить несколько полезных параметров лампы. Например, общий показатель эффективности может быть посчитан, сравнивая теоретический выход в люменах, который лампа должна иметь, с ее фактическим выходом в люменах. Этот кпд не зависит и от спектра лампы и от чувствительности человеческого глаза, вопреки часто используемому показателю люмен/ватт. Кпд, вычисленный таким образом, может использоваться затем, чтобы нормализовать спектр из относительных в абсолютные физические единицы типа Watt/nm. Тогда становится проще вычислить другие параметры в стандартных физических единицах.
Например, можно вычислить общее количество фотонов, сгенерированных за секунду в интервале от 400 до 700 nm, которое связано непосредственно с характеристиками PAR лампы. Если все другие параметры, которые затрагивают световой поток в аквариум (рефлекторы, покровное стекло, глубину воды и ее прозрачность, физические размеры) сохраняются постоянными, эта поток-подобная единица PAR может использоваться непосредственно, чтобы сравнить различные лампы, без конфликтов преобразования показателей к единицам освещения. Другая возможность состоит в том, чтобы взвесить показатели PAR со средним Photosynthesis Action Spectrum, таким образом генерируя кривую качества, родственную оценке в люменах, но для растения, а не для человека. Величина, полученная таким образом, обычно называется в литературе "Photosynthetic Usable Radiation" (Фотосинтетическая Пригодная для использования Радиация)" или PUR. Все эти фигуры, взятые вместе должны сделать выбор конкретной лампы более объективным процессом.

Данные

Для выполнения вычислений, я использовал только спектральные кривые и данные ламп, которые я мог получить из сети, также как некоторые опубликованные в сети photosynthesis action spectra (спектры действия фотосинтеза). Я также должен был написать короткую компьютерную программу. Подробности и указатели на исходные данные можно посмотреть в приложении.
Первоначально, я получил данные для большинства normal-output люминесцентных ламп, так как это - тип ламп, в которых я был прежде всего заинтересованный. Но эта методология общая и применима к любому источнику света. Самые последнии результаты включают данные для metal halides (метало-галоидных), power compacts (компактных), HO и VHO люминесцентных ламп, галогенных, двух mercury vapon (ртутных) ламп, high pressure sodium (натриевая высокого давления), а также для солнечного спектра.
Основная проблема при сравнении нормированных спектров света связана со спектральной разрешающей способностью. Грубо говоря, это - количество точек спектральных характеристик, которые имеет график. Чем лучше разрешающая способность, тем больше подробностей и информации спектральный чертеж передает. Опубликованные спектры ламп охватывают относительно большой диапазон спектральных разрешающих способностей, и точное сравнение может быть сделано только между спектрами с одинаковой, или примерно одинаковой, разрешающей способностью. К счастью большая часть этих изданных спектров имеет разрешающие способности в более узком диапазоне от 5 до 10 nm. Это позволяет произвести относительно честное сравнение большинства ламп, приводя к ошибкам в вычисленных параметрах только в несколько процентов. Несколько спектров в выборке, которые имеют меньшее (лучшее) или большее разрешение, были численно приведены (ухудшены) к номиналу c разрешением в 5 nm, чтобы быть непосредственно сравненными с основной частью данных. Несколько спектров с очень плохим разрешением представлены отдельно и не могут быть надежно сравнены с другими.

Результаты

Основные результаты представлены в таблицах, приведенных ниже. Производители лампы Hagen издали спектры, которые ясно показывают систематическое искажение в профилях спектра излучения, не вызванных характеристиками спектрофотометра, но, более вероятно, врачеванием в отделе маркетинга. Такие данные не могут быть сравнены с другими лампами, разве очень приблизительно, так что их данные сообщены в отдельной таблице. Хотя относительное сравнение среди ламп Hagen все еще остается возможным (с долей сомнения).
По той же самой причине, на которую указывалось в предыдущем разделе, очень трудно визуально сравнить спектральные чертежи с очень различным разрешением. В частности узкая, сильная эмиссионная характеристика современных флуоресцентных фосфоров, может выглядеть очень различающейся в чертежах даже с маленькими различиями в разрешающей способности, делая трудным объективное визуальное сравнение. Этот факт должен быть учтен при исследовании библиотеки нормированных спектральных чертежей. Интегральные количества типа тех что приведены в таблицах намного меньше склонные к эффектам различия спектральной разрешающей способности и дают намного лучший объективный критерий. Спектральные чертежи могут быть полезны, хотя, всегда необходимо иметь в виду эффект разрешающей способности.

Колонки в первых двух таблицах означают:

• Мощность: номинальная мощность лампы.
• Максимальный световой поток в люменах (lumen output): эта теоретическая величина зависит только от спектра лампы и номинальной мощности. Это поток в люменах, который лампа имела бы, если вся подводимая к лампе электроэнергия к была бы преобразована в свтовую энергию.
• Rated lumens: начальный поток в люменах, берутся из спецификаций лампы.
• Эффективность (КПД): отношение между номинальными люменами (rated lumens) и максимальными люменами (maximum lumens), или общая эффективность(КПД).
• PAR: излучение лампы в PAR. Единицы - просто μE/sec. В некоторых литературных источниках PAR обычно определяется как мера освещенности (подобно люксу). Таким образом это должно быть вычислено на приемной поверхности в единицах μE/(sec m2) или эквивалентно. Данные PAR в этой статье - мера потока, подобно люмену. Чтобы преобразовывать их к μE/(sec m2), нужно учитывать сложность геометрического объекта и коэффициенты прозрачности, которые являются специфичными в каждом индивидуальном случае. Значения сведены в таблицу, чтобы использовать их для сравнения различных ламп, а также как исходная точка для тех кто хочет рассчитать освещенность, создаваемую конкретным светильником.
• PAReff: коэффициент эффективности PAR/Watt. Этот параметр должен быть первичным критерием для определения эффективности лампы, применительно к растениям. Таким образом, в следующих двух таблицах, лампы расположены в порядке уменьшения их эффективности в единицах PAR.
• PUR: получен, взвешиванием фотонного спектра с "усредненной" photosynthesis action curve (кривой действия фотосинтеза). В колонке Total приводится сумма всех фотонов в диапазоне 400-700nm взвешенная с action spectrum. Так как в этой цифре нет никаких данных об относительном количестве красных и синих фотонов, я также вычислил PUR только в диапазоне 400-500 nm только (синий) и 600-700 nm (красный).
• R/B: отношение между красным и синим PUR. Это некоторым образом, аналог цветовой температуры лампы. Но цветовая температура определена в терминах реакции глаза (глазного ответа) photopic. R/B определен в терминах action spectrum фотосинтеза. Это - показатель "цветовой температуры" которую “видят” растения, а не человеческий глаз.

Bulb	Power Watt	Max. lumens	Rated lumens	Effic.	PAR &muE/s	PAReff μE/(s W)	PUR Total μE/s	PUR Blue μE/s	PUR Red μE/s	R/B
ADV850	32	9700	3100	0.32	46.2	1.44	22.8	11.5	7.2	0.63
HPS Dlx	100	22650	7300	0.32	140	1.40	72.8	10.1	53.8	5.33
MHN	150	34500	11250	0.33	207	1.38	116	45.0	47.7	1.06
Iwasaki65	150	37700	12000	0.32	199	1.33	107	46.6	35.2	0.75
Dulux54	55	16400	4800	0.29	72.2	1.31	36.3	19.6	10.3	0.52
Pentron41 HO	54	17800	5000	0.28	69.5	1.29	32.0	13.7	12.0	0.88
Panasonic67	96	28600	8100	0.28	123	1.28	60.7	30.6	17.3	0.57
Aquarelle	38	8100	2380	0.29	48.2	1.27	29.1	18.8	6.9	0.37
MH	250	82500	23000	0.28	310	1.25	152	67.6	32.2	0.48
TLD950	36	9100	2350	0.26	42.8	1.19	23.4	8.5	10.0	1.18
GE SPX65	40	11600	3050	0.26	46.2	1.15	24.0	13.8	5.1	0.37
PLL950	55	14800	3800	0.26	62.8	1.14	32.8	15.5	10.7	0.69
Triton	40	9000	2200	0.24	43.2	1.08	25.1	14.9	7.2	0.48
GE Fresh & Salt	40	10000	2350	0.24	42.6	1.06	23.2	12.4	7.6	0.62
Cool White	40	12600	3050	0.24	42.4	1.06	20.5	9.3	5.7	0.61
Daylight Dlx	40	10400	2550	0.25	42.3	1.06	23.2	11.9	6.2	0.52
Ott CF	23	5000	1200	0.24	24.0	1.04	14.4	7.5	4.6	0.61
Gro-Lux	40	5100	1200	0.23	41.2	1.03	27.4	9.7	15.5	1.6
VitaLite	40	8200	2340	0.29	41.0	1.02	22.2	8.6	8.7	1.01
Warm White	40	14000	3100	0.22	40.7	1.02	18.1	6.1	6.6	1.08
Cool White Dlx	40	9500	2250	0.24	40.5	1.01	22.4	8.6	9.4	1.09
Warm White Dlx	40	9400	2200	0.23	39.8	1.00	21.4	5.9	11.6	1.97
Perfecto	40	6800	1500	0.22	39.5	0.989	25.3	9.8	12.6	1.28
C50	40	10100	2250	0.22	39.2	0.980	21.2	8.1	8.8	1.09
Osram Biolux	40	10200	2400	0.24	38.1	0.953	20.4	10.2	4.5	0.44
P&A	40	8900	1900	0.21	37.7	0.943	20.9	5.4	12.0	2.22
VHO Cool White	115	36000	7500	0.21	105.	0.916	51.4	23.0	14.2	0.62
AgroLite	40	7800	1600	0.21	33.6	0.841	19.2	5.4	11.1	2.05
GE Freshwater	40	8500	1425	0.17	30.8	0.771	18.4	6.9	9.1	1.33
TL950	32	13000	2000	0.15	22.7	0.709	8.9	2.0	2.4	1.19
MV	100	42300	4300	0.1	46.2	0.46	17.8	7.1	4.3	0.60
Wonderlite	160	31500	3125	0.1	56.9	0.356	32.1	14.3	10.3	0.72
Halogen	60	1100	730	0.65	15.8	0.263	8.7	1.2	6.1	4.69
Sun light	40	9300	2000	0.22	39.9	0.999	22.8	8.6	10.0	1.17

Расшифровка названий ламп:
ADV850	Philips Advantage fluorescent, 5000K F32T8/ADV850
HPS Dlx	High Pressure Sodium deluxe Philips Ceramalux Comfort C100S54/C/M
MHN	Philips dense-line emitter metal halide 4100K CRI 80 (MHN150/TD/840)
Iwasaki 65	Iwasaki 6500K metal halide
Dulux 54	Osram Dulux L 5400K 82 CRI compact fluorescent
Pentron 41 HO	Osram/Sylvania T5 HO fluorescent 4100 K (FP54/841/HO)
Panasonic 67	6700K Panasonic compact fluorescent PC96W67K
Aquarelle	Philips Aquarelle 10,000 K fluorescent for freshwater aquaria
MH	Generic, non-coated metal halide 4000K CRI65 (from Philips catalog)
TLD950	Philips full spectrum fluorescent 'TL'D/90 de Luxe 5300 K CRI > 95
GE SPX65	GE SPX65 6500 K fluorescent
PLL950	Philips PL-L/950 5300K high-CRI (91) compact fluorescent
Triton	Interpet Triton
GE Fresh & Salt	GE AquaRays Fresh & Saltwater fluorescent (F40T12/AR/FS)
Cool White	Generic 4100 K cool white fluorescent F40T12CW (average of two spectra)
Daylight Dlx	GE Daylight Deluxe fluorescent
Ott CF	Screw-in full-spectrum compact fluorescent
Gro-Lux	"Original" Sylvania Gro-Lux (not the wide spectrum variety)
VitaLite	Vita-Lite fluorescent
Warm White	Generic 3000 K warm white fluorescent F40T12WW (average of two spectra)
Cool White Dlx.	Generic 4200 K cool white fluorescent deluxe F40T12CWX (average of two spectra)
Warm White Dlx.	Generic 3000 K warm white deluxe fluorescent F40T12WWX (average of two spectra)
Perfecto	Perfecto-A-Lamp (a wide-spectrum grolux)
C50	Full spectrum T12 5000K fluorescent: GE Sunshine (or Chroma 50), Philips Colortone, Sylvania Designer (average of three spectra).
Osram Biolux	Osram Biolux fluorescent
P&A	GE Plant & Aquarium fluorescent
VHO Cool White	Very High Output version of the 4100 K cool white fluorescent (Osram F48T12CW/VHO/LT)
AgroLite	Philips Agro-Lite fluorescent F40T12AGRO
GE Freshwater	GE AquaRays Freshwater fluorescent (F40T12/AR/FR) (a modified, lower efficiency grolux)
TL950	Philips TL950 5000K fluorescent very high CRI (98) F32T8/TL950
MV	Deluxe Mercury Vapor Philips H38MP-100/DX 3700 K, CRI 45
Wonderlite	Self-ballasted screw-in mercury vapor R40 flood ligth with special "plant" spectrum made by Westron
Halogen	Spot halogen Philips Masterline Par 16 (60PAR16/H/NSP) 2950K
Sun light	Theoretical bulb that perfectly reproduces sun light (at 5000 K) with the average efficiency of a full spectrum NO fluorescent.
PowerGlo	Hagen PowerGlo fluorescent
SunGlo	Hagen SunGlo fluorescent
AquaGlo	Hagen AquaGlo fluorescent (a wide-spectrum grolux)
FloraGlo	Hagen FloraGlo fluorescent

^
Мы можем сделать несколько заключений из этих данных:

• Наиболее важное заключение, по моему мнению - то, что эффективность (КПД) преобразования электроэнергии в PAR световой энергии, примерно одинакова для различных ламп и технологий, включенных в выборку. Большая часть ламп в выборке производит приблизительно (в пределах 20 % диапазона) одинаковое количество μE/(s W) в диапазоне 400-700 nm, примерно 1 μE/(s W). Дуговые лампы высокой интенсивности и высококачественные флюоресцентные имеют тенденцию быть более эффективными, но не очень сильно. С другой стороны, эффективность преобразования электроэнергии в видимую энергию света может быть очень различна среди нескольких типов. Другими словами, эффективность в люмен/ватт может находится в очень широких пределах, приблизительно 200% для этой выборки. Этот эффект может быть выражен количественно коэффициентом корреляции между этими двумя показателями, 0.56 для данной выборки. Это показывает нам, что никакой корреляции не существует между выходом в люмен и PAR, или, другими словами, эффективность в люменах - очень недостаточный критерий для выбора ламп. Вместо этого мы должны бороться за простую мощность (Ватт), так как соотношение PAR/W в первом приближении одинаково для всех ламп. Причина этой недостаточной корреляции – естественно, широкий диапазонный ответа растений на освещение, в противоположность узкому диапазону ответа человеческого глаза. Некоторые лампы несколько лучше чем другие в преобразовании Ваттов в фотоны, хотя, когда эффективность - главный конструктивный фактор, нужно использовать лампы с более высоким PAReff. Все это может быть обьяснено достаточно просто - PAR - это количество фотонов. Все лампы используют пары ртути, поэтому количество фотонов, будет примерно одинаковым для одинаковой мощности разряда. "Люмены" образуются при люминесценции светоизлучающих фосфоров на поверхности лампы, поэтому они зависят от комбинации галофосфатов различных типов - MD.
• Упорядочение по уменьшению эффективности в PAR почти идентично с упорядочением в уменьшении общей эффективности. Этот эффект ожидаем, так как оба параметра в конечном счете измеряют эффективность преобразования электроэнергии в энергию электромагнитного поля, в широкой полосе спектра и безотносительно к спектральной форме. Если мы проигнорируем галогенные лампы, оба параметра охватывают относительно узкий диапазон коэффициента 2. Это - также следствие факта, что оба параметра фактически зависят только от основных физических процессов, используемых для преобразования электричества в свет. Мы можем заключить, что наиболее популярные существующие осветительные технологии не способны к преобразованиям с эффективностью больше чем приблизительно 30 %.
• Несколько ламп не следуют за тенеденциями описанными выше. Это с широким спектром: Vita-Lite, Biolux, Wonderlite, halophosphor "Deluxe" лампы, и наиболее заметно, галогенные. Причина в том, что эти лампы излучают существенную часть их общего электромагнитного излучения вне диапазона 400-700 nm. Для ламп с широким спектром (т.е. присутствуют более или менее все спектральные цвета) флуоресцентных и MH ламп эта доля приблизительно 8-15 %, для галогенных - больше чем 90 %! В результате они имеют значительно худшую PAR эмиссию. Другими словами, они тратят большее количество электричества, чтобы создать свет, который и человеческий глаз и процесс фотосинтеза не могут видеть. Конечно, могут быть другие процессы, которые извлекают пользу из этой ультрафиолетовой и инфракрасной энергии, но для перспективы оптимизации излучения PAR и излучения в люменах, эти лампы не лучший выбор. Нужно отметить, что галогенные лампы не могут быть сопоставимы с флуоресцентными и газоразрядными лампами в этом отношении, так как основные физические процессы получения света различны в каждом случае. Таким образом их высокая общая эффектиность следствие определения этого, достаточного искуственного, параметра.
  
  
• Некоторые из ламп с самой плохой эффективностью:
  
  
• Галогенная лампа накаливания, приблизительно в четыре раза менее эффективна чем средняя флуоресцентная, в создании фотонов PAR. 60и ваттная галогеная лампа производит приблизительно 0.01 Wt/(s nm) в зелено - желтой спектральной области, по сравнению, скажем, с 40 ватной Cool White флуоресцентной, которая производит приблизительно 0.04-0.05 Watt/(s nm) в той же самой области. Обратите внимание однако, что для этого специфического типа лампы точечного света, которая имеет встроенный параболический рефлектор, очень узкий луч частично компенсирует эту низкую эффективность. Окончательное сравнение должно было бы быть между освещенностью в освещенном пятне, и освещенностью, созданном другими лампами под очень эффективным рефлектором. Однако пятно, созданное галогенным источником, очень маленькое, и ограниченного использования (возможно как акцентированный свет).
• Ртутные лампы, примерно на полпути между галогенными и самыми плохими флюоресцентными. Deluxe MV слоедует избегать, помимо их низкой эффективности, они обладают очень неприятным светом (слишком низкий CRI, слишком желтые). Обычные (не - Deluxe) MV даже хуже, так как практически отсутствует любое красное излучение. Хотя, кажется, Wonderlite преодолела цветовые проблемы. Свет, как сообщается, белый и с хорошей цветопередачей. Эту лампу можно использовать в нестандартных приложениях, так как ее встроенный рефлектор должен частично сбалансировать ее более низкую эффективность.
• Флуоресцентные TL950 с очень высоким CRI, приблизительно на 30% менее эффективны (в единицах PAR) чем средние флуоресцентные. Хотя обратите внимание, что их эффективность люмен/ватт - не так плоха, даже превосходит в этом отношении некоторые из старых ламп с высоким CRI. Эта лампа - tri-phosphor, которая, кажется, использует специальные фосфоры, которые излучают свет на других длинах волн чем "нормальные" tri-фосфоры, используемые в других лампах. Излучение сильно сконцентрированна вокруг области 550 nm, с минимальным излучением на синем и красном концах спектра. Вероятно, эти фосфоры были специально приспособлены, чтобы достичь чрезвычайно высокого CRI, за счет других показателей эффективности. Высокие оценки CRI обычно связываются с низкой эффективностью, но более новые TLD/950, и PL-L/950 лампы (обе европейские ...) кажется, ломают эту тенденцию. Они обеспечивают, и относительно высокую производительность и высокий CRI.
• Philips Agro-Lite и GE Aqua Rays Freshwater (пресноводные) лампы.
• Версия VHO Cool White лампы. Низкая эффективность, кажется, нормальная характеристика ламп VHO.
   
• Наиболее эффективные лампы в выборке - metal halides, high pressure sodium (натриевая лампа высокого давления), и tri-фосфорные ADV850, Dulux, Panasonic, Pentron HO, и Aquarelle, приблизительно на 20-30 % более эффективны чем усредненные флуоресцентные. Достаточно интересно, что обычная metal halide лампа выглядит очень хорошо в сравнении с более развитыми типами, такими как MHN и Iwasaki65. HPS deluxe была включена в выборку только для законченности, так как она имеет слишком низкую цветовую температуру (2200 K), чтобы использовать ее как основной источник света в аквариуме с растениями. Хотя она может быть использована как замена для галогенных ламп и ламп накаливания, используемых для акцентированного света. Обычные лампы HPS не были проанализированы из-за их низкого CRI (около 20).
• Высокоэффективные люминесцентные лампы способны к производству такого же, или даже слегка большего, потока в ваттах чем лампа MH. В особенности Philips ADV850, работающий в стандартных условиях, даже превосходит MH лампы. Приняв во внимание, что эти недорогие T8 лампы могут быть использованы совместно электронными балластами с высокими коэффициентами (ballast factors > 1), излучая таким образом, даже большее количество света, они - возможно лучший выбор, для освещения аквариума с растениями в терминах производительность/стоимость.
• Как интересный пример, мы могли упорядочить лампы согласно их коэффициенту PUR.
   ^

Лампа	PUReff (μE/s/Watt)
MHN	0.77
Aquarelle	0.76
HPS Dlx	0.73
Iwasaki65	0.71
ADV850	0.70
Gro-Lux	0.69
Dulux54	0.66
TLD950	0.65
Panasonic67	0.63
Perfecto	0.63
Triton	0.63
Ott CF	0.62
MH	0.61
GE SPX65	0.60
PLL950	0.60
Pentron41 HO	0.59
GE Fresh & Salt	0.58
Daylight Dlx	0.57
Cool White Dlx	0.56
VitaLite	0.55
Warm White Dlx	0.54
C50	0.53
P&A	0.52
Cool White	0.51
Osram Biolux	0.50
AgroLite	0.48
GE Freshwater	0.46
Warm White	0.45
VHO Cool White	0.44
TL950	0.28
Wonderlite	0.20
MV	0.18
Halogen	0.15

• Упорядочение по PUR грубо повторяет тенденцию, наблюдаемую с упорядочением по эффективности PAR: те же самые лампы с высокой производительностью в терминах PAR/Watt занимают высокое место в списке PUR/Watt. Другими словами, эти два параметра хорошо коррелируют. Исключение - обобщенная MH, чей спектр хорошо соответствует кривой чувствительности глаза. Основной эффект использования PUR в упорядочении ламп - ожидаемые лучшие показатели ламп для растений ("plant bulbs”), которые были специально разработаны с учетом Photosynthesis Action Spectrum. Снова ADV850 лампа имеет экстраординарные показатели, с эффективностью PUR, подобной "лучшей" лампе для растений - оригинальной GE Gro-Lux.
• Другое интересное упражнение - упорядочить лампы по их соотношению люмен к PAR:
   

Лампа	lumen/PAR (lumen/μE/s)
MV	93.1
TL950	88.2
Warm White	76.5
MH	73.6
Pentron41 HO	71.9
Cool White	71.8
ADV850	67.1
Dulux54	66.5
GE SPX65	66.1
Panasonic67	65.9
Osram Biolux	62.9
PLL950	60.5
Daylight Dlx	60.3
Iwasaki65	60.3
C50	57.4
VitaLite	57.1
Cool White Dlx	55.6
Warm White Dlx	55.3
GE Fresh & Salt	55.2
Wonderlite	54.9
TLD950	54.9
MHN	54.4
HPS Dlx	52.1
Triton	50.9
P&A.	50.4
Sun light	50.0
Ott CF	50.0
Aquarelle	49.4
AgroLite	47.6
GE Freshwater	46.3
Halogen	46.2
Perfecto	37.9
Gro-Lux	29.1

Этот параметр зависит от формы спектральной кривой лампы. Он показыает насколько хорошо согласуется эта кривая с кривой чувствительности глаза, и как далека она - от совершенно ровного (в единицах фотонов) спектра. Снова, большое различие в значениях люмен/PAR в вышеупомянутой таблице - прямое cледствие недостаточной корреляции между этими двумя параметрами.
Показатель люмен/PAR был бы полезен, например, помогая выбрать лампы, которые и выглядят ярко для наших глаз, и излучают достаточное количество света на красном и синем концах спектра. Лампы высоко расположенные в таблице имеют спетр хорошо соответствующий кривой чувствительности глаза, таким образом c недостаточным красным и синим излучением. Расположенные в конце таблицы лампы, напротив, выглядят тусклыми для наших глаз, но производят большую часть их излучения на красном и синем концах спектра. Лампы с плоским спектром, как и ожидалось, являются теми, что показывая лучшее равновесие, занимают место близко к центру списка.
Другой показатель спектрального равновесия может быть получен вычислением, насколько близок коэффициент R/B к истинному солнечному свету. Как ожидалось, лампы с высоким показателем CRI TL950 и TLD950 очень близки к солнечному свету. Недорогие C50 и часть halophosphors расположены за ними, вместе с более дорогим Vita-Lite. Лампы для растений имеют тенденцию производить излишек красного света, и более эффективные лампы имеют тенденцию быть более синими. Чрезвычайный случай среди флуоресцентных ламп - лампа Aquarelle, которая занимает место как наиболее эффективная флуоресцентная в PUR/Watt и самая синяя также. Исключение в этом "правиле" - HPS Deluxe лампа, которая создает много красного света, несмотря на ее высокую производительность. Если вы верите, как делают много людей, что красные и синие области спектра управляют ростом растения различными путями, нужно брать параметр R/B во внимание при выборе лампы. Обратите внимание, что не имеется никаких прямых отношений с цветовой температурой, которая является критерием основанным на восприятии человеческим глазом - и бессмысленна в этом контексте (так как она определена в очень узком диапазоне длин волны).
Достаточно просто, используя данные из таблицы, вычислить показатели для смешанных/многоламповых конфигураций, просто складывая показатели отдельных ламп, взвешенные числом ламп каждого типа, масштабируя вклады фактической мощностью лампы. Поэтому должно быть достаточно несложно создать оптимальную смесь ламп, удовлетворяющую заданным конструктивным ограничением. Конечно, эти ограничения могут оказывать существенное влияние на конечный результа. Например, T5 лампа типа Pentron HO может выиграть при ее использовании с оптимизированными зеркальными рефлекторами, и более высокой рабочей температуры чем компактные лампы, T8 и T12 лампы, давая более высокоий общий КПД световой арматуры. См. пример. Также, дополнительная ошибка может появляться при масштабировании номинальной мощности ламп. И флуоресцентные, и MH (metal halide - меалло-галоидные) лампы различных размеров / мощностей могут иметь слегка различную эффективность преобразования электроэнергии в свет.
Все вычисленные результаты точны настолько, насколько позволяют опубликованные производителем спектральные кривые, данные о люменах и ваттах. Я оцениваю, что ошибки в вычисленных параметрах должны быть, самое большее, в несколько процентов для лучших данных, и до 10-15% для самых плохих. См. приложение.
^

Нормализованные спектральные кривые

Процедура расчета, описанная в статье, вычисляет, как производный продукт, спектральные графики, нормализованные к любому нужному набору физических единиц. Я выбрал представление по горизонтальной оси в нанометрах (nm), и по вертикальной оси в (μE/s)/(Watt/nm). Таким образом, графики эффективно показывают, как показатель PAReff на единицу длины волны изменяется как функция от длины волны.
При использовании такого выбора единиц для осей координат лампы могут напрямую сравниваться в терминах эффективности. Помните, что могут быть небольшие различия в эффективности когда сравниваете лампы одного вида, но разной мощности. Например, 250 ваттная MH может быть более эффективной, чем 150 ваттная MH того же производителя/типа. Графики не берут во внимание подобные эффекты.
Использование на графиках в качестве единиц фотонов вместо обычных энергетических единиц делает возможным прямое сравнение ламп величинах, которые "видит" процесс фотосинтеза. Насколько мне известно, представление спектра ламп в таких единицах еще не публиковалось.
Помните, что масштаб по вертикали охватывает разный диапазон на каждом графике. Чтобы облегчить сравнение кривых на различных графиках, Cool White флуоресцентная лампа используется для справки, и приведена на всех графиках черным цветом. Таким образом возможно сравнить спектр на различных графиках, основываясь на его сравнении с Cool White.
Спектры, нарисованные на этих фигурах не были пересчитаны к каким либо стандартам, общему спектральному разрешению. Они показанны точно так, как были опубликованы, за исключением единиц по вертикальной оси. Это необходимо принять во внимание когда сравниваете острые спектральные характеристики спектров с разным разрешением. Например, the GE Fresh & Saltwater лампа представляется имеющей более интенсивную эмиссию в диапазоне 600-620 nm чем Triton. Однако это только артефакт, созданный меньшим разрешением с которым спектр Triton был опубликован. Что должно сравниваться - так это интеграл под кривой, это и есть то как сведенные в таблицу данные в этой статье были расчитаны.
Горизонтальный масштаб охватывает один и тот же диапазон длин волн на всех графиках. Этто же самый диапазон использовался для определения PAR. Лампы были сгруппированны на каждом графике приблизительно в соответствии с их эффективностью. Графики достаточно хорошо детализированы и не выводятся хорошо в web бровсере. Приведены ссылки для доступа и к JPEG и PostScript версии диаграмм. PS формат более предпочтителен, так как графики могут быть увеличены без потери информации.
Первый график(JPEG, PS) иллюстрирует газоразрядные лампы высокой интенсивности (HID). Заметьте насколько несходны могут быть спектры с различной степенью "полноты". Низкая эффективность mercury vapor ламп очевидна, так как они едва производят какое либо излучение за пределами нескольких узких регионов. Спектр Wonderlite MV выглядит гораздо лучше, но все еще страдает от низкой эффективности. Также для заметки чрезвычайно большое количество красного света произведенное HPS лампами.
Этот график (JPEG, PS) иллюстрирует пять наиболее эффективных флуоресцентных ламп, включенных в выборку, плюс Pentron HO лампу. Как примечание - факт, что у них очень похожий спектр, типичный для tri-phosphor или редкоземельных ламп. Заметьте что несмотря на пиковую природу этих спектров, они настолько эффективны, что даже в большинстве "долин" (диапазонов длинн волн с минимальной эмиссией) еще достаточно излучения, чтобы конкурировать с лампами с широкимспектром (full-spectrum).
Этот график (JPEG, PS) иллюстрирует спектр слегка в меньшей степени эффективных флуоресцентных ламп, которые еще во власти отличительных черт(показателей) tri-phosphor ламп. Заметьте что Daylight Deluxe также может быть включена в семейство полноспектральных ламп. Заметьте также большое количество синего, производимое лампой Triton, обыгрываемой в этом отношении только лампой Aquarelle.
Этот график (JPEG, PS) иллюстрирует спектр ламп для растений ("plant" bulbs). Это лампы, созданные для того, чтобы соответствовать Photosynthesis Action Spectrum. Основное свойство этого спектра - сильное красное излучение с пиком вокруг 650 nm. Вокруг этого пика и в сторону красных длин волн, эти лампы более эффективны чем любые другие лампы в этом примере, за исключением HPS. Лампа, которая показывает несомненно лучшее соответствие с action spectrum, это оригинальная GroLux. Лампа Agrolite также претендует на звание plant bulb, но ее спектр - типичен для Warm White Deluxe halophosphor fluorescent.
Этот график (JPEG, PS) иллюстрирует флуоресцентные лампы с полным спектром, а следующий (JPEG, PS) иллюстрирует halophosphor fluorescents. GE Plant & Aquarium лампа была включена сюда, так как она выглядит, в основном, как слегка модифицированная версия обобщенной Warm White Deluxe fluorescent.
Этот график (JPEG, PS) иллюстрирует низкоэффективные флуоресцентные Philips TL950, вкручивающиеся в стандартный патрон, Ott компактные флуоресцентные, и галогенные лампы. Обратите внимание насколько галогенные лампы плохи в сравнении со всем остальным в этой выборке. Ott компактные флуоресцентные лампы имеют спектр который выглядит достаточно хорошо при сравнении с остальными из этой выборки, делая их возможной заменой для крышек с лампами накаливания.
Что касается ламп Hagen (JPEG, PS), вопреки неопределенности оригинального спектра, возможно сделать некоторые интересные заключения из нормализованных спектральных графиков. Первое, любой может увидеть, что PowerGlo лампа это просто не полностью нагруженная (используемая при уменьшем токе и/или напряжении) версия лампы Triton. Такая же кривая люминесценции фосфора (несмотря на сдвинутые длины волн) но меньшая эффективность. Лампа SunGlo - это просто перепакованная Cool White (говорите о завышенной цене!) и AquaGlo - это типа GroLux лампы, аналогичной Perfecto. FloraGlo сочетает низкую эффективность со спектром, почти полностью лишенным синего и зеленого, что означает что ее CRI невысок.
^

Приложение

Источники данных:

Спектры ламп:

• https://www.voicenet.com/~dietsch/fishpics/lightspc.jpg
• https://www.hagenpet.com/Eng/bulbspec.html
• https://www.rt66.com/~rgrmill/philips/spectra.html
• https://www.lighting.philips.com/nam/prodinfo/fluorescent/p5037_04.shtml
• https://www.lighting.philips.com/nam/prodinfo/halogen/p3254.shtml
• https://www.durotest.com/fluoresc.htm
• https://www.jade-mtn.com/fullspectrumlt.html
• https://www.osram.com/
• https://www.petswarehouse.com/Aqualitchart.htm
• https://192.68.45.131/servlets/PhilipsSelect?select=_SP4&java=on&choice=9
• https://192.68.45.131/servlets/PhilipsSelect?java=on&select=_SP4.1&index=2
• https://192.68.45.131/servlets/PhilipsSelect?java=on&select=_SP4.0&index=2
• https://www.customsealife.com/products/pc72496_frameset.html

Световой поток:

• https://www.thekrib.com/Lights/fluorescent-table.html
• https://www.gesupplylight.com/fluorescents-linear-t8--1--diameter--all-lengths-.html

Photosynthesis action spectra:

• https://gened.emc.maricopa.edu/bio/bio181/BIOBK/BioBookPS.html
• https://mint.biol.andrews.edu/fb/fall/ch10.htm
• https://dekalb.dc.peachnet.edu/~vmicheli/biol107/107photo.htm
• https://www.geocities.com/NapaValley/5010/lighting.htm
• https://bio33.pharm.utah.edu/BELReport1a.html
• https://tidepool.st.usm.edu/crswr/pagesf/absorpspect.html

Кривая чувствительности глаза:
Первая зарегистрированная версия была сделана с кривой, оцифрованой от https://www.reefnet.on.ca/gearbag/wwwlux.html. Текущая таблица использует таблицу 1988 CIE'S (благодарность Роджеру Миллеру)

Определение люмена:
https://www.cs.indiana.edu/hyplan/kuzimmer/IES/section3.2.html

Шаги, для вычисления сведенных в таблицу показателей:

• Оцифруйте изданный спектр в подходящих значениях длины волны и пересчитайте к маленькому шагу длины волны (1 nm).
• (Необязательный) численно ухудшите к разрешающей способности 5 nm.
• Численно интегрируйте цифровой спектр по его полному диапазону волн, получив общую мощность S в относительных единицах.
• Зная общую потребляемую мощность лампы P в Ваттах, нормализуйте цифровой спектр по масштабу ординаты, умножая относительные значения на P/S. Это дает спектр лампы в W/nm, принимая, что коэффициент преобразования из электрической в электромагнитную энергию является 100%.
• Умножте W/nm спектр на кривую photopic глаза (нормированную к единице). Проинтегрируйте результат по тому же самому диапазону волн, использованому выше, и умножите результирующий интеграл на 683 люмен/ватт. Это дает теоретический максимальный выход лампы в люменах.
• Разделите номинальный выпуск лампы в люменах на теоретический. Это даст коэффициент общей эффективности(КПД).
• Умножите спектр в W/nm, полученный выше, на коэффициент эффективности. Это даст спектр в истинных W/nm.
• Преобразуйте спектр из W/nm к μE/(sec nm), используя соответствующее физическое отношение и постоянные (μE/sec = мощность в ваттах X длину волны в nm X 8.36 10^-3).
• Проинтегрируйте спектр μE/(sec nm) в диапазоне 400-700 nm, результат - показатель PAR лампы в единицах μE/sec.
• Умножите спектр μE/(sec nm) на подходящую цифровую версию photosynthesis action spectrum (нормированный к единице).
• Проинтегрируйте этот спектр в диапазоне 400-700 nm, чтобы получить показатель PUR.
• Пронтегрируйте этот спектр в диапазонах волн 400-500, и 600-700 nm, чтобы получить синие и красные показатели PUR, соответственно.

Вышеупомянутая процедура вычисляет PAR в единицах μE/s, а не в μE/(s m2). Это потому, что расчеты начаты со светового потока в люменах в противоположность освещенности (люкс = lumen/m2), чтобы не принимать во внимание среду, в которой распространяется свет... Другими словами, расчет произведен для источника света, в то время как PAR обычно определяется для приемника света.
^

Источники ошибок:

Основной источник погрешности - сам спектр. Кажется, что изготовители либо используют спектрофотометры с очень низкой разрешающей способностью, либо сглаживают кривые преднамеренно (чтобы скрыть частную информацию?). Хотя несколько спектров имеют очень хорошее спектральное разрешение, но большинство показывает шире чем ожидаемая эмиссия. Tri-phosphor лампы, в особенности, излучают большую часть энергии в нескольких узких областях длины волны, и если эти области не имеют достаточное число точек, то результат в люменах и PAR имеет существенные ошибки. Спектры для "Glo" ламп (Hagen) очень сглажены и показывают подозрительные изменения в длинах волны основного излучения, поэтому ожидайте значительных ошибок в них. Я делал некоторые численные эксперименты, немного изменяя линии спектра, и по ширине и по интенсивности. Я также численно ухудшал спектральную разрешающую способность лучших спектров в выборке на известные значения, чтобы проверить, насколько этот эффект воздействует на измеренные количества. Базируясь на этих экспериментах, я оценивю, что теоретически световой поток в люменах может быть определн с погрешностью 5-8 % в самых плохих случаях и, вероятно, 1-2 % в лучших случаях.
Второй источник погрешности - опубликованный световой поток в люменах. Для некоторых ламп изготовитель предоставляет и начальные и design (после определенного срока службы) люмены. Для большинства ламп приведена только единственное значение, которое в большинстве случаев предполагается начальным световым потоком. Но никогда нельзя быть уверенным, и сравнение точно, только если используется одно и тоже определение. Результаты - также зависят от условия, что опубликованные потребляемые мощности ламп - фактически потребляемые лампами мощности, а не номинальные значения.
Менее важный источник погрешности воздействует только на измерения PUR, и это следствие факта, что не имеется единственного photosynthesis action spectrum, который может применяться ко всем разновидностям растений. Некоторые разновидности показывают очень интенсивный ответ в синей области и почти никакой в красной, другие показывают более сбалансированный ответ. Кривая, которую я выбрал, имеет красные и синие пики с одинаковыми значениями.
^

Пример

Давайте попытаемся использовать данные, представленные здесь, в реальной ситуации. Я возьму конфигурацию освещения, используемого в настоящее время на моем аквариуме (46гал) с выгнутым передним стеклом и попробую оценить, каков должен быть уровень света на грунте. Освещение представляет из себя 2 рефлектора, расположенных вдоль аквариума. В одном установлено две 55 ваттных компактных флуоресцентных лампы (PC - power compact), в другом одна 30 ваттная T-12 люминесцентная лампа.
Полное PAR излучение двух ламп PC (одна Dulux54 и одна PLL950), согласно таблице, составляет 72.2 + от 62.8 = 135 μE/s. Для 30 ваттной лампы (AquaGlo) мы масштабируем коэффициентом мощности: 35.8/40 X 30 = 26.9 μE/s.
Мы должны принять во внимание факт, что все данные в таблице были вычислены, предполагая начальный световой поток в люменах. Мы применим поправочный коэффициент, чтобы оценить потери светоотдачи в середине срока жизни лампы, скажем 10%. Поэтому две лампы PC "среднего возраста" будут производить 122 μE/s, а 30 ваттная лампа произведет 24.2 μE/s.
Каждый из рефлекторов различен, поэтому их вклады в фактическое количество света, направляемого в воду, должны быть посчитаны отдельно.
Исходные начения PAR представленные в основной таблице определяют количество полного излучения каждой лампы во всех направлениях в пространстве. Простая лампа помещенная выше водной поверхности из-за отсутствия рефлектора будет излучать большую часть света вне направления воды. Свет также теряется за счет частичного отражения от поверхности воды и т.д. Для люминесцентной лампы, помещенной параллельно и недалеко от водной поверхности, мы можем оценить что потери из-за этих факторов будут порядка 75%. То есть приблизительно только 25% света, который покидает лампу, попадает на воду. Добавление рефлектора значительно увеличивает эту эффективность. Предположим, что рефлектор компактной лампы направляет приблизительно 50% выходящего света назад в воду и второй рефлектор для отдельной флуоресцентной лампы направляет назад 30%. Имейте в виду, что все эти коэффициенты - очень грубое приближение реальной ситуации.
Поэтому общая сумма света, испускаемого арматурой для PC в воду была бы 122 X 0.25 + (122 X 0.75) X 0.50 = 76.3 μE/s. Для отдельной флуоресцентной арматуры, 24.2 X 0.25 + (24.2 X 0.75) X 0.30 = 11.5 μE/s.
Давайте не забывать покровное стекло. Примем (согласно данным имеющимся на Krib), что 10 % будет потеряно из-за грязного стекла. Теперь мы можем сложить общее количество света PAR, который попадет в воду: (76.3 + 11.5) X 0.90 = 79.0 μE/s.
Что касается света, который фактически достигает субстрата, мы должны только принять во внимание поглощение и рассеивание света водой. Из-за полного внутреннего отражения на внутренней поверхности раздела стекло/вода, поведение аквариума очень похоже на волновод (волоконный световод - другой пример). То есть никакого эффекта ослабления по закону обратной пропорциональности квадрату расстояния. Согласно данным Aquatic Plant Maillist, слой пресной водны глубиной 16 дюймов, должен поглощать приблизительно 50% света. Таким образом общая сумма света PAR, который достигает нашего субстрата - 79.0 X 0.50 = 39.5 μE/s.
Теперь давайте вспомним, что наши данные PAR - для суммарного потока, а не освещенности. Предположим в качестве первого приближения, что световой поток внутри воды освещает весь субстрат равномерно. Это не такая уж плохое приближение в случае длинных люминесцентных ламп, которые охватывают полную длину аквариума. Некоторые области получат несколько меньшее количество света, некоторые области - большее, но среднее число не будет слишком различаться. Для моего 36" длиной X 14" шириной (средней) аквариума, поверхность - 0.32 квадратных метра. Так что наше заключительное число для освещения PAR: 39.5 / 0.32 = 123 μE/(s m2).
Теперь мы можем наконец сравнивать этот уровень освещения с тем, что фактически требуют растения. Данные, зарегистрированные на Aquatic Plant Maillist, говорят, что точка компенсации для фотосинтеза у водных растений - между 15 и 80 μE/(s m2), и значение ниже 100 μE/(s m2) должно рассматриваться как низкая освещенность. Если это имеет место, мы видим, что моя установка должна быть способна "поднимать" фотосинтезом выше компенсационной точки для большинства растений, но не намного. Я не должен ожидать, например, увидеть пузырьки кислорода внизу аквариума, около грунта. И это – именно то, что я наблюдаю.
Можно идти от обратного и, начиная с предопределенного требования освещенности, идти к верху водяного столба, чтобы найти, какой поток PAR нужно обеспечить осветительными арматурами, и таким образом, какая комбинация ламп / рефлекторов и т.п. должна использоваться.
Публикуется с разрешения автора - Ivo Busko.
^

Прим. naman: данный раcчет PAR дает только освещенность на поверхности воды/дна и показывает достаточность интенсивности освещения для насыщения фотосинтеза растений. Но общий прирост биомассы растений за световой день определяет суммарный поток фотонов достигших листьев растений в течение всего светового дня, а не просто интенсивность света в какой-то момент времени. В природе растения освещаются светом Солнца спектральный состав которого, и соответственно, количество фотонов PAR падающих на листья растений сильно меняются в течение дня. То есть постоянный поток света со стабильным спектром от искусственного источника света в аквариуме дает постоянный поток PAR фотонов, а в природе свет постоянно менятся в течение дня, давая совершенно другой суммарный дневной поток фотонов даже при равном и достаточном уровне освещенности (PPF). Это служит причиной массы заблуждений при сравнении освещенности растений в аквариуме и в природе.