мкмоль с что это такое
Единицы измерения в агрофотонике или как измерить комфорт для растения?
Применение дополнительного освещения в растениеводстве продиктовано необходимостью создать растению наиболее благоприятные условия, способствующие его росту и гармоничному развитию. Но как создать такие условия, на что ориентироваться?
Искусственное освещение
К сожалению, мы не можем спросить у растения, насколько комфортно ему живется: хватает ли света, воды и питательных веществ. Единственное что нам остается – наблюдать и делать выводы постфактум, оценивая последствия существования в созданной нами среде. И как тут не ошибиться?
Одно дело, когда объектом нашей заботы является рассада или зеленые культуры. Что-то пошло не так – окей, поменяли условия, все пересадили, и растим снова. Но зачастую цена ошибки неприемлемо высока, особенно, если растение редкое или медленнорастущее. Тут этот подход не годится.
Человечество уже почти 200 лет использует электрическое освещение для продления светового дня. За это время была создана система параметров, учитывающая влияние видимого излучения на человека. Многие из нас пользуются этой системой при выборе светильников в квартиры, офисы и загородные дома. Такие параметры как световой поток, освещенность, цветовая температура, показатель дискомфорта и пр. помогают нам заранее спроектировать и подобрать нужный свет для окружающего нас искусственного пространства.
Почему бы не использовать эту систему для оценки освещения растений? Некоторые так и делают, опрометчиво ориентируясь на освещенность и цветовую температуру при выборе фитосветильника. Но человеческий глаз существенно отличается от фоторецепторов растения, использование созданной для него системы не учитывает процессов, происходящих в растении на клеточном уровне.
Фотосинтетически активная радиация
Наиболее продвинутой в этой области метрикой является система параметров, основанная на фотосинтетически активной радиации (PAR). Это система описывает воздействие излучения на светочувствительные пигменты растения, такие как хлорофилл, и состоит из следующих основных величин:
Фотосинтетический фотонный поток (PPF) – поток фотонов, излучаемых в единицу времени в области длин волн от 400 до 700 нм. Измеряется в мкмоль/с.
Фотосинтетическая фотонная облученность (PPFD) – поверхностная плотность фотосинтетического фотонного потока, мкмоль/(с*м2)
Интегральное значение облучения (DLI) – показатель количества фотосинтетически активных фотонов, которые достигли растения в сутки. Измеряется в мкмоль/(д*м2)
Аналогия со световыми величинами выглядит следующим образом:
PPF, мкмоль/c = Световой поток, лм
Применение данной системы необходимо, но не достаточно, так как интегральные показатели (к которым относятся PPF, PPFD и DLI) не могут учесть влияние излучения на конкретный пигмент растения. Одно и то же значение PPFD мы можем получить при совершенно разном спектральном составе излучения, а значит и с совершенно разным эффектом!
Кроме того, на растения воздействует не только излучение в области 400–700 нм. Например, учет влияния освещения на фитохром (пигмент-сенсибилизатор фоторегуляторных процессов) возможен только при анализе полного спектрального состава излучения. Фитохром реагирует на излучение двух длин волн 660 нм и 740 нм и под их воздействием переходит из одного состояния в другое:
Освещение не только передает энергию растению, но и регулирует различные процессы
Таким образом, для наилучшего понимания воздействия излучения на растение нам необходимо знать:
В светильниках Аврора, благодаря применению интерактивного приложения, мы предоставляем возможность наглядно наблюдать за данными параметрами и изменять их в зависимости от фазы роста и выбранной культуры.
В приложении, управляющем фитосветильниками Аврора, спектры и их параметры представлены в наглядной визуальной форме
Как выбрать и заказать фитосветильник. Калькулятор расчета.
Данные для расчета:
ПФФП, мкмоль/м2с, не менее
Задачи и типы фитосветильников
Используя Калькулятор, рассчитываем количество фитосветильников с учетом требуемого значение ПФФП для растения и существующей ПФФП в теплице (или участке)
Термины и определения.
Фотосинтетический фотонный поток (ФФП) – суммарное число фотонов, излучаемых в секунду в диапазоне длин волн от 400 до 700 нм (мкмоль/с).
Плотность фотосинтетического фотонного потока (ПФФП) – измеряется с помощью квантового датчика и выражается в микромолях фотонов на единицу площади в секунду (мкмоль / м^2*с).
ПФФП для растения – ПФФП требуемая для конкретной растительной культуры.
ПФФП естественного освещения – среднее значение величины ПФФП естественного освещения в сезонах выращивания.
Фотопериодическое освещение – освещение в течение требуемой длины светового дня растения.
Дополнение естественного света – компенсация недостатка естественного освещения (увеличением ПФФП).
Биколорные фитосветильники – фитосветильники с излучением на длинах волн 440-460 нм (глубокий синий свет, «DeepBlue) и 650-670 нм (гиперкрасный свет, «HyperRed»), совпадающих с пиками поглощения хлорофилла А и Б
Полноспектральные фитосветильники – фитосветильники, содержащие все составляющие солнечного света (глубокий синий, DeepBlue, 451 нм; гиперкрасный, HyperRed, 660 нм; дальнекрасный, FarRed, 730 нм; диапазон излучения 460-650 нм), необходимые для всех стадий развития растений в условиях полной замены естественного освещения.
Определение ПФФП естественного освещения в сезонах выращивания
| Растительная культура | |
| Томаты крупные | 185 |
| Томаты черри, перец, ягоды | 170 |
| Огурцы, бахчевые культуры | 150 |
| Свекла, морковь, редис, лук, чеснок, салаты, травы,специи | 70 |
| Цветы садовые | 90 |
| Грибы | 50 |
| Цветы горшочные | 40 |
Таблица 2. Ежемесячная региональная усредненная плотность фотосинтетического фотонного потока
Ежемесячная усредненная ПФФП, мкмоль/м^2*с (без потерь на остеклении теплицы)
Мкмоль с что это такое
Единицы измерения: Лм, Лк, Вт, мкмоль/м2
Для определения параметров светового потока используются несколько величин – люмены, люксы и ватты. Электрическая мощность источника освещения измеряется в ваттах (Вт), световая мощность (световой поток) – в люменах (Лм), освещенность единицы площади – в люксах (Лк). Световой поток (Лм) характеризует непосредственно источник света, а освещенность (Лк) является характеристикой поверхности, на которую этот свет падает. У потребителей часто возникает масса вопросов: как перевести люмены в ватты или люмены в люксы? Чтобы ответить на эти вопросы, рассмотрим взаимосвязь величин более детально.
Что такое люмен?
Светодиод излучает свет при прохождении через него электрического тока. Мощность (P, измеряется в ваттах), потребляемая светодиодом, равна произведению силы тока (I, измеряется в амперах) на падение напряжения (U, разность потенциалов между выводами светодиода, измеряется в вольтах). Формула для расчета мощности светодиода: P=I*U. Например, если через светодиод протекает ток, равный 0,1 А, а падение напряжения составляет 3 В, то мощность равна 3В*0,1А=0,3Вт.
Для измерения мощности светового потока также можно использовать ватты, но результат такого измерения не дает наглядной картины. Дело в том, что глаз проявляет разную чувствительность к световому излучению разных длин волн. При одинаковой мощности зеленый свет будет казаться ярче, чем темно-красный или фиолетовый. Для измерения световой мощности используется другая единица – люмен (Лм). Чтобы перевести люмены в ватты, используются специальные таблицы для различных видов ламп.
Люмен определяется как сила света определенного эталонного источника. В качестве эталонного источника взят белый свет, примерно соответствующий дневному, максимальной спектральной интенсивности длиной волны 555 нм при силе светового потока 683 люмена.
Мощность такого источника излучения составляет 1 Вт. Если условно принять, что вся электроэнергия на 100% преобразуется в свет (идеальные условия), то эффективность излучения составит примерно 680 Лм/Вт.
Световая эффективность излучения
Эффективность свечения измеряется как отношение световой мощности (Лм) к электрической мощности источника (Вт). Соотношение Лм/Вт – это показатель экономичности источника освещения. При равном потреблении электрической энергии светодиодные лампы излучают более мощный световой поток по сравнению с лампами накаливания. Эффективность излучения светодиодов гораздо выше по сравнению с обычными лампочками. Например, яркость светодиода мощностью 8 Вт примерно равна яркости лампы накаливания мощностью 40 Вт. Таким образом, LED-светильники позволяют экономить электроэнергию без ущерба для яркости освещения.
Что такое люксы и как перевести люмены в люксы?
Люмен характеризует световое излучение источника безотносительно к площади освещения. Но яркость освещения напрямую зависит от того, на какое пространство распространяется свет. В качестве примера можно привести обычный фонарик, который светит на стену. При удалении фонарика от стены площадь освещения увеличивается, а яркость света снижается, освещение становится менее интенсивным. Чем дальше от стены размещается фонарик, тем более тусклым становится свет на поверхности стены. При этом общая сила света, измеряемая в люменах, не меняется. Также константой остается произведение яркости на площадь освещенной зоны.
Основываясь на вышесказанном, приведем расчет характеристик светодиода белого цвета, описанного в начале статьи. Допустим, эффективность этого источника составляет 150Лм/Вт. Световой поток равен 150Лм/Вт*0,3Вт=45Лм. Если источник освещает площадь 1 квадратный метр, то его освещенность равна 45Лм/м 2 =45Лк.
Подведем итоги. Взаимосвязь люксов и люменов с яркостью освещения можно охарактеризовать следующим образом: чем больше люменов, тем ярче светит лампа. И чем больше площадь, которую освещает лампа, тем ниже освещенность этого участка, и наоборот. Для перевода люменов в люксы, достаточно разделить люмены (световой поток) на площадь поверхности, которую освещает лампа. Чтобы определить, насколько ярко будет светить светодиодная или другая лампа по сравнению с лампой накаливания, можно воспользоваться специальной таблицей перевода люменов в ватты.
Лампа накаливания,
потребляемая мощность в Вт
Люминесцентная лампа,
потребляемая мощность в Вт
Светодиодная лампа,
потребляемая мощность в Вт
Важные характеристики света для растений (люмены, люксы, Вт ФАР и др)
После того, как важность использования искусственного освещения при выращивании растений была обоснована научно, производство специальных ламп для садоводов и фермеров было начато с широким размахом. В
Той статье будут обсуждаться различные типы освещения, широко применяемые в технологии выращивания растений и гидропонике. Тип освещения — один из основных факторов, влияющих на результат роста. Остальные — это уровень углекислого газа, вода, минеральные удобрения, экология и качество света. Приведенные ниже сведения будут полезны для создания и наладки своего освещения, используя стандартную классификацию типов электрического освещения.
В последнее время использование искусственного света становится все более и более экономически выгодным. Стоимость покупки и обслуживания ламп становится все ниже, а источники освещения все более мощными. Все это, вкупе с возможностью транспортировки представителей флоры, а также развитием рынка специальных гидропонных продуктов, делает возможным выращивание растений вообще без почвы.
Искусственное освещение может использоваться в садоводстве и фермерстве в трех случаях:
Для полного обеспечения получения света, в котором нуждается растение.
Для дополнения солнечного света, в котором нуждаются растения. Особенно актуально это в зимние месяцы — период сокращения часов светового дня.
Для увеличения продолжительности светового дня. Актуально для достижения специального эффекта роста или цветения.
Фотосинтетически активная радиация, кривая восприятия растений
Подобно тому как люди нуждаются в сбалансированной диете, растения также ощущают потребность в сбалансированном полноспектральном освещении. Качество света не менее важно, чем количество. Растения восприимчивы к свету примерно в том же диапазоне, что и человеческий глаз. Эта порция светового спектра соотносится с фотосинтетически активной радиацией (ФАР) в спектральном диапазоне 400-700 нм. Тем не менее, восприятие растений внутри этого участка отлично от аналогичного у человека.
Человек имеет пиковое восприятие желто-зеленой части спектра (около 550 нм). Эта «оптическая желтизна» используется для восприятия отлично видимых явлений и объектов. Растения же значительно более эффективно воспринимают красный и синий цвета, причем пик находится в районе 630 нм. Графики ниже демонстрируют кривые восприятия растений и людей. Обратите внимание на различия линий.
Равнозначно тому как для человека наилучшим источником калорий является жир, для растений лучшая пища — это красный свет. Однако, растения освещаемые исключительно красным и оранжевым светом большей частью не вырастут должным образом. Причина этого в том, что для полноценного роста листвы (особенно важно для овощей) и массы крайне важен синий свет. Многие другие комплексные процессы зависят и от других спектральных диапазонов. Определение правильной спектрально порции света зависит от вида растения. Принятие решения о количестве необходимого света также должно учитывать части спектра уже задействованные при освещении. При подборе освещения для растений не могут применяться те же стандарты, что и при выборе источника света для людей. Некоторые принципы соответствия и различий могут быть использованы для определения необходимой меры света в гидропонике.
Измерение уровня освещения для людей. Люмен (лм) и Люкс (лк)
Свет, взятый из источника, распространяется по всему помещению для создания освещаемого пространства. Уровень освещения определяется единицей измерения «люкс», которая показывает как много люменов приходится на один квадратный метр пространства. Освещение в 1000 лк означает, что 1000 лм приходится на каждый квадратный метр площади.
Аналогично «люмен на квадратный фут (лм/фут²)» — единица измерения, которая показывает количество люменов на один квадратный фут.
Как бы то ни было, и люмен, и люкс отображает исключительно человеческое восприятие светового спектра, потому как растения воспринимают все совершенно иначе.
Уровень Ватт фотосинтетически активной радиации.
Ватт — объективная мера для измерения количества энергии, выделяемой лампой ежесекундно.
Энергия в свободном состоянии измеряется в Джоулях, и один Джоуль в секунду называется Ватт.
Многие газозарядные лампы, например, натриевые газозарядные лампы или металлогалогенные лампы значительно более эффективны по сравнению с лампами накаливания, потому как, соответственно, 30 и 40 % выделяемой энергии преобразуют в свет.
Исходящие 400 Вт лампы накаливания равнозначны 25 Вт света, а из 400 Вт энергии, излучаемой металлогалогенной лампой, около 140 Вт приходятся на свет. Если принять во внимание тот факт, что на ФАР приходится основная «видимая» часть спектра, то логичным заключением будет то, что металлогалогенная лампа производит 140 Вт ФАР. Газозарядные лампы имеют несколько меньший показатель: 120-128 Вт, потому что свет желтый и содержит большее количество люменов.
«Освещенность» измеряется в Вт ФАР на метр квадратный, однако это не совсем верное понятие для определения эффективности света при выращивании растений, поэтому в садоводстве чаще используется термин «облученность», измеряемая в Вт/м2 или Ватт на метр квадратный.
Следующий важный принцип, который следует понять для того, чтобы определить точное количество света, необходимое растениям — это осознание того, что свет распространяется не чем-то цельным, но пучками, именуемыми «фотонами». Эти пучки являются минимальными носителями энергии, путем которой свет и передается. Поскольку реакция фотосинтеза протекает путем поглощения атома фотона, то целесообразно будет подсчитать их количество, которое ежесекундно принимает на себя растение.
Поскольку только фотоны света ФАР участка спектра являются активатором реакции фотосинтеза, то имеет смысл измерить только их количество. Теоретически лампы могли бы быть настроены на количество фотонов, излучаемых ежесекундно, но на сегодняшний день такие лампы не производятся.
Биологи-исследователи говорят о фотонном потоке, которым облучается поверхность, — важной части исследуемого вопроса, обозначаемой ФФП ФАР (Photosynthetic Photon Flux, PPF), где ФФП не что иное, как фотосинтетический фотонный поток—величина, показывающее количество фотонов приземляющееся ежесекундно на 1 квадратный метр облучаемой поверхности.
Другая важная величина — конверсия фотонного потока (YPF PAR or Yield Photon Flux). Этот показатель явственно демонстрирует нам насколько эффективно растение использует полученный фотонный «капитал». Поскольку «красные» цвета более активно способствуют запуску фотосинтеза, данные измерения уделяют внимание прежде всего подсчету именно их.
Поскольку фотоны крайне малы по своим габаритам, то в науке, вместо чисел вида 1 000 000 000 000 000 000, используется обозначение «1.7 микромоль фотонов» ( знак µмоль). Микромоль содержит в себе 6 x 1017 фотонов, а 1 моль 6 x 1023 фотонов.
Освещенность (или «облученность») измеряется количеством Ватт на квадратный метр или количеством микромоль на квадратный метр.
Несмотря на то, что все три величины (Ватт на метр квадратный, фотосинтетический фотонный поток, конверсия фотонного потока) позволяют измерить количество света, которое получают растения, человеческий глаз не способен воспринять кривую спектра ФАР — 400-700 нм. Следует заметить, что некоторые ученые предлагают иные показатели: 350-750 нм. но принципиальной разницы для садоводов любителей в этом нет.
Фотосинтез и фотоморфогенез
Растения получающие недостаточно света, производят слабые, вытянутые листья и страдают общим недостатком массы. Другие же растения, наоборот, получающие чрезмерное количество света, выглядят исушенно-безжизненно и имеют обесцвеченную листву из-за разрушения хлорофилла.
Также растения могут быть повреждены избыточной ультрафиолетовой радиацией
Однако, внутри допустимой нормы растения прекрасно откликаются на нужную дозировку света, показывая хорошие результаты в росте и наборе массы. А относительная квантовая эффективность является той мерой, которая демонстрирует максимальную работу каждого фотона.
Кривая зависимости относительной квантовой эффективности от длины волны называется кривой реакции растений к фотосинтезу, о чем было сказано ранее.
Также предоставляется возможным построить график, демонстрирующий эффективность определенных участков спектра на осуществление реакции фотосинтеза. Факт того, что фотоны синего света производят больше энергии, чем фотоны красного цвета обязательно должен быть принят во внимание, и тогда кривая может быть запрограммирована на измерение исключительно «люменов растений» или «люменов человека». Это и должно произойти в обозримом будущем. Например, уже сегодня компания Venture Lighting International предлагают установленные Вт ФАР счетчики на серии ламп Sunmaster, предназначенных специально для рынка растениеводческих технологий.
Главной составной частью растений, обеспечивающей фотосинтез является хлорофилл. Некоторые ученые извлекали его из растений для определения реакции на световое излучение различной длины волн и спектральной частотности, ожидая, что его реакция будет аналогичной реакции фотосинтеза растений. Однако, исследования показали, что реакция других компонентов (в частности, каротиноидов и фикобилинов) не менее важна для протекания нормальной реакции фотосинтеза. Таким образом, кривая отклика растений представляет собой собирательную величину, состоящую из значений реакций всех необходимых пигментов, и характерную для большинства растений (хоть и не для всех, т.к. разница, порой, достигает 25 %). Хотя в газозарядных лампах и лампах накаливания спектральная величина излучаемого света остается неизменной, металлогаллогенные лампы предоставляют возможность выбора температуры и спектрального диапазона освещения.
В дополнение к фотосинтезу, который имеет следствием материальный рост, другие функции (прорастание, цветение и пр) вызваны наличием или отсутствием света. Эти процессы называются фотоморфогенезом и зависят не столько от интенсивности света, сколько от облучения в строго классифицированных спектральных рамках (синий, дальний красный или просто красный), а также от действия специальных рецепторов (фитохромы и криптохромы).
Растения «видят» свет иначе, чем люди. Именно поэтому люмены, люксы и футсвечи не всегда являются величинами, показывающими достаточный уровень освещенности, так как это меры, прежде всего всего отображающие уровень видимости. В случае с растениями лучше использовать значения Вт ФАР, фотосинтетического фотонного потока и конверсию фотонного потока.
Кроме того, важным является не только количество, но и качество света.
Проектируем простой осветительный макет.
Шаг 1. Определяем уровень освещенности в Вт ФАР/метр квадратный.
Так как лампы отличаются друг от друга, то и соответственно отличаются настройки, применяемые к ним, поэтому точный расчет настроек обязателен для каждого отдельного устройства.
Например, специальная техническая брошюра рекомендует Вам ППФ ФАР в размере 400 µмоль на метр квадратный. Таблица ниже рекомендует Вам 85 Вт ФАР на метр квадратный. Коэффиценты конверсии между ППФ ФАР, Вт ФАР зависят от источника света. Например, 400 Вт лампа накаливания излучает больше люменов, чем 400 Вт металлогалогенная лампа, но меньше Вт ФАР. Также значение имеет цветовая температура. Таблица ниже поможет Вам в настройках металлогалогенных ламп.
Типичный уровень света
Вт ФАР на метр квадратный
Микромоль на метр квадратный
Люкс (количество люменов на метр квадратный)