Что такое Люмен, PPFD, PPF? Освещение растений

Способы измерения количества и качества света для растений.

Если вы интересовались LED освещением для выращивания растений, то могли заметить, что производители ламп используют различные величины, чтобы показать эффективность или иные характеристики, обеспечиваемые их продуктом.

Скорее всего вы встречались с такими понятиями как «ватт», «люмен», «люкс», «ФАР»(PAR), «PPF», «PPFD», «эффективность светодиода». Не смотря на то, что все эти термины в той или иной степени выражают эффективность или количество света, испускаемое светодиодом или иным источником, только часть из них действительно важна, чтобы оценить осветительное оборудование для выращивания растений.

Цель данной статьи - определить эти термины и сокращения, исправить некоторые распространенные заблуждения и помочь понять, какие показатели применимы к системам освещения для садоводства, а какие нет.

Растения и люди видят свет по разному. Большую часть визуальной информации человек получает, используя дневное зрение. Люмен - это базовая единица измерения, созданная на основе чувствительности человеческого глаза. На рисунке выше показана кривая, обозначающая диапазон и чувствительность к световому излучению человеком. Из рисунка видно, что человеческий глаз намного лучше воспринимает зеленую область спектра, нежели красную или синюю. Люкс (lux) это величина показывающая интенсивность света, используется для определения освещенности в жилых и нежилых помещениях. Размерность – Люмен на метр в квадрате. Люмен/м2.

Человеческий глаз лучше воспринимает зеленую область спектра, а растения лучше воспринимают красную и синюю составляющую света.

Используя люксы или люмены для измерений освещенности растений получаются результаты, которые не будут отражать действительной картины. Если вы берет источник света, например бытовая LED лампа(или любой другой), и вы знаете, что данная лампа выдает 5000 люмен, затем сравниваете ее с лампой, в которой спектрограмма специально подобрана под выращивание растений и она выдает тоже 5000 люмен. Но при такой оценке, будет не правильно считать, что лампы имеют одинаковую эффективность, при условии что спектрограмма второй будет подобрана более верно. Безусловно, имея данные о люменах , можно сделать оценку эффективности лампы в той или иной степени. Но, во первых, необходимо всегда учитывать спектрограмму, а во вторых не забывать, что данная оценка носит приблизительный характер.

Основная проблема при использовании люксов в измерении интенсивности света в системах освещения для садоводства заключается в недостаточном представлении синего (400 - 500 нм) и красного (600 - 700 нм) света в видимом спектре. Человеческий глаз недостаточно чувствителен в данных диапазонах, но растения очень эффективно используют красный и синий свет для фотосинтеза. Поэтому люмены, ЛЮКСы не используется в качестве измерительной величины, когда речь идет об освещении растений.

Фотосинтетически активная радиация(PAR).

PAR – это фотосинтетически активная радиация. PAR это свет в диапазоне от 400 до 700 нанометров(нм) который используется для фотосинтеза растениями. PAR является широко используемым термином, когда речь идет о свете для растений, но часто его понимают неправильно. PAR это не измерительная величина, такая как метр, килограмм или ватт. Этот термин определяет тип световых волн, которые участвуют в фотосинтезе. Именно количество и спектральное качество света в диапазоне PAR является одной из самых важных характеристик для освещения растений. Для того чтобы измерить количество света и его спектральные характеристики используются специальные приборы – спектрофотометры или комплекс из нескольких приборов, позволяющих получить спектрограмму света от источника, его интенсивность и иные важные характеристики.

PAR - это не величина! PAR - там часть света которая участвует в фотосинтезе. Диапазон длин световых волн от 400 до 700нм

Здесь следует немного отклониться от перевода и сделать заметку по поводу длин волн. Не смотря на то, что фотосинтез активно идет в диапазоне от 400 до 700нм, на биологическую активность растений, так же влияет ультрафиолет (в случае с растениями это UVA[315-400нм]и UVB[280-315нм] и ближний инфракрасный диапазон [700-760нм]. Данные составляющие света влияют на различные биологические реакции в растении, что достойно отдельной статьи.

Сколько света в PAR-диапазоне излучает лампа? (измеряем фотосинтетический поток фотонов, или PPF)

PPF - фотосинтетический поток фотонов. Это абсолютное количество фотонов в PAR диапазоне, которое излучает источник света каждую секунду. Для того чтобы провести подобное измерение, нужно использовать так называемую интегральную сферу, которая регистрирует и измеряет все фотоны испускаемые лампой. Единица измерения – микромоли в секунду(μmol/s). Это достаточно важный способ измерения эффективности ламп, используемых для садоводства. Важно отметить, что PPF не показывает, сколько измеренного света фактически попадает на растения, но является важным показателем, если вы хотите рассчитать, насколько эффективна система освещения при создании PAR.

PPF - количество фотонов гарантировано усваиваемых растением.

Сколько света в PAR-диапазоне от лампы доступно растениям (какова плотность фотосинтетического потока фотонов)?

PPFD это плотность фотосинтетического потока фотонов. Показывает количество света в PAR диапазоне (400-700нм), которое попадает непосредственно на растение, или можно сказать иначе: «это количество фотосинтетически активных фотонов, которые падают на измеряемую поверхность каждую секунду». PPFD это точечное измерение в конкретной точке и его величина отражается в микромолях в метре квадратом в секунду (μmol/m2/s).

Если вы хотите знать сколько света от лампы падает на освещаемую ей площадь( например, на площадь 1 на 1 метр) важно измерить показания PPFD в нескольких разных точках на этой площади, а так же определить высоту с которой проводилось измерение. На разной высоте будет разный поток фотонов(читай- разное значение PPFD).

Многие производители ламп указывают PPFD исключительно в центральной точке под лампой, при этом часто не указывая высоту с которой измерение было произведено. Такие данные дают очень мало полезной информации и зачастую являются сильно завышенными от реальной картины в целом. Для того чтобы оценить истинную эффективность лампы, необходимо делать замеры в нескольких точках, при этом указывая с какой высоты и в какой области на площади было произведено измерение( т.е. создать так называемую PAR-карту,par-map).

PPFD - количество света падающее в конкретную точку на поверхности, которое растение сможет поглотить!

Сколько энергии потребляется чтобы получить нужный световой поток в PAR диапазоне( эффективность светодиода)?

Эффективность светодиодов показывает как источник света преобразует электрическую энергию в фотоны в PAR-диапазоне. Если использовать в качестве оценки эффективности просто потребление электроэнергии лампы (мощность= ватт=вт=W) или величину ватт на метр (W/m), то такой подход не дает понимания реальной эффективности лампы. Однако, если известна величина PPF и потребление светодиодов в лампе, можно посчитать как эффективно данная лампа преобразовывает электрическую энергию в световую. Данный параметр будет иметь размерную величину µmol/J. Получается она из простых вычислений: PPF измеряется в µmol/s, а ватт это J/s (джоуль на секунду) , затем PPF делим на Ватт и получаемся эффективность лампы. PPF/W= Photon Efficiency.

Эффективность светодиода - это отношение между испускаемым полезными светом и потребляемой им электроэнергии. Светодиод кушает электричество, часть его он преобразует в свет, другую часть - в тепло. И никак иначе. 100% КПД это ОБМАН.

Выводы.

Для того чтобы оценить качество и эффективность светодиодной или иной лампы, если речь идет о выращивании растений, необходимо учитывать несколько важных понятий:

• PAR. Найдите спектрограмму лампы, визуально оцените ее распределение в диапазоне 400-700нм. Это поможет понять насколько эффективно свет излучаемой лампы будет использоваться растением.
• PPFD. Попробуйте получить данные от производителя, какой световой поток создает лампа в диапазоне PAR. Просите максимум данных, которые производитель может дать. Будет отлично если вам смогут дать так называемую PAR-map(par-карта), на которой должно быть достоверно указаны значения PPFD в измеряемых точках на площади. С указанием высоты от лампы до прибора измерения. Именно par-карта позволит вам оценить эффективность распределения света от лампы по площади и понять, как будет распространяться свет в вашем гроубоксе или ином месте выращивания.

Пример PAR-карт.

Всегда учитывайте измерения в боксе со светоотражающими стенками и измерения произведенные на открытой площади. И те и другие значения будут важны, с учетом условий использования лампы.

Важно понимать какое количество света нужно для растения. Достаточно популярное заблуждение: "света много не бывает" иногда приводит к неожиданным для пользователя последствиям:

• выгорание хлорофила (верхушки растений белеют)
• световые ожог
• замедленный рост

При недостаточном количестве света:

• медленное развитие растения
• большие расстояния междоузлий
• маленькие соцветия
• долгое цветение

Результат: вы потратите много времени и получите маленький урожай.

Сколько же нужно света?

• На стадии вегетации света нужно не менее 300 umol/m2/s, по мере взросления растения доводить до 800 umol/m2/s.
• На стадии цветения от 700umol/m2/s до 1100umol/m2/s
• Равномерность освещения - залог хорошего ковра шишек :)

Важно: данные приведены для условий, где не используется дополнительная подача СО2, если вы используете дополнительно СО2, количество света на цветении может быть увеличено до 1200-1500 umol/m2/s. Так же стоит принять во внимание, что растения с разной генетикой могут по разному реагировать на одно и тоже количество света.

• Эффективность. Если вам важно выжать из минимального потребления электроэнергии максимум света, этот параметр не стоит оставлять без внимания. Но рассматривать его необходимо вместе с другими. В отрыве от спектрограммы, он может дать не достаточное количество понимания эффективности лампы в целом.