Мкмоль с что это
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
Оценить PPFD при освещении растения белыми светодиодами просто: 1000 лк = 15 мкмоль/с/м2
Статья «Освещение растений белыми светодиодами» вызывала живое обсуждение практических задач, и стало ясно — методы нужно упрощать.
Как элементарно пересчитать освещенность в единицы фотосинтетической активной радиации: PPFD, YPFD и радиометрическую плотность мощности? И что из этого действительно нужно?
Измерение и запись параметров осветительной установки
На заглавной фотографии показана построенная детьми осветительная установка, для которой, в отличие от многих коммерческих решений, известен полный набор параметров: <0,3 м 2 ; 50 Вт; 11000 лк; 3000 К; Ra = 98; 165 мкмоль/с/м 2 ; 24×7>. Параметры могут быть не оптимальны, но их запись позволяет решение обсуждать, перенимать опыт, предлагать и пробовать другие варианты. Не делать такие записи в образовательном проекте некорректно и непедагогично.
Когда белый свет не только оправдан, но и желателен
Под белым светом растения эволюционировали всю историю жизни на Земле, хорошо растут под ним и в искусственной среде. Эффективность современных белых светодиодных светильников, выраженная в мкмоль/Дж в актуальном диапазоне 400…700 нм, примерно соответствует лучшим специализированным ДНаТ и незначительно уступает светодиодным фитосветильникам с обедненным спектром [1]. Что делает использование белого света энергетически оправданным.
Проект Фитекс представил результаты эксперимента по выращиванию различных культур в одинаковых условиях, но под светом различного спектра. Эксперимент показал, что спектр на параметры урожая влияет. Чрезвычайно любопытно сравнить растения, выросшие под белым светом, под светом ДНаТ и узкополосным розовым (рис. 2).
Рис. 2 Салат, выращенный в одинаковых условиях, но под светом различного спектра. Изображения из видеозаписи, опубликованной проектом «Фитэкс» в материалах конференции «Технологии Агрофотоники» в марте 2018г.
По численным показателям первое место занял уникальный небелый спектр под коммерческим названием Rose, который по форме не сильно отличается от испытываемого теплого белого света высокой цветопередачи Ra=90. Сюрпризом оказалось, что еще меньше он отличается от спектра теплого белого света экстравысокой цветопередачи Ra=98 (того самого, что использован детьми в осветительной системе на заглавной фотографии). Основное различие в том, что у Rose небольшая доля энергии из центральной части удалена (перераспределена к краям):
Перераспределение энергии излучения из центра спектра к краям либо ни к чему не приводит, либо снижает эффективность фотосинтеза листьев нижнего яруса [2]. Зато свет становится розовым.
Розовый свет или желтый свет ДНаТ может быть использован в промышленных теплицах. Но когда люди делят общее с растениями помещение необходим белый свет. К примеру, в образовательных проектах растения должны быть наблюдаемы постоянно и нет альтернативы белому свету высокой цветопередачи, обеспечивающему зрительный комфорт человека и хорошие условия для развития растения [1].
Сравнение различных вариантов спектров для освещения растений
Прямое сравнение спектров источников света (рис. 3) показывает, что свет самых распространенных белых светодиодов 4000 К / Ra=80 богаче спектра ДНаТ и несколько уступает по содержанию красной компоненты типичному спектру розового света для освещения растений с прижившимся, но явно некорректным коммерческим названием «grow light full spectrum». Белый свет высокой цветопередачи по спектральному составу богаче остальных вариантов и ближе к сплошному спектру естественного света.
Рис. 3 Сравнение спектров белого светодиодного света и основных вариантов специализированного света для выращивания растений
По графикам видно, что рост цветопередачи белого света приводит к росту доли бесполезного для фотосинтеза света с длиной волны больше 700 нм. Но эта доля не превышает нескольких процентов и не выше, чем у «grow light full spectrum».
Спектральные составляющие, выполняющие только сигнальную функцию, и не входящие в спектр белого светодиодного света – прежде всего 400 нм и 730 нм, могут быть добавлены к белому свету с использованием отдельных светильников с узкополосными светодиодами. Проверка целесообразности такой добавки и определение ее оптимальной интенсивности для каждой выращиваемой культуры достаточно проста. Но первым делом должна быть удовлетворена основная потребность растения в свете – энергетическая.
LER: Luminaire Efficacy Rating
Параметр LER[лм/Вт] имеет ту же размерность, что и световая отдача η[лм/Вт], характеризующая светильник, но обозначает световой поток в люменах, соответствующий одному ватту радиометрической мощности излучения.
LER слабо зависит от цветовой температуры КЦТ, и имеет значимый разброс при фиксированной цветопередаче Ra (рис. 4). В качестве оценки LER можно пользоваться округленным значением LER = 300 лм/Вт.
Рис. 4 Зависимость LER белого светодиодного света от общего индекса цветопередачи
Зная величину LER, легко посчитать радиометрическую мощность по формуле W = F / LER и плотность радиометрической мощности W / S = E / LER, где W[Вт] — радиометрическая мощность, F [лм] — световой поток, S[м 2 ] — площадь, на которую падает световой поток, E[лк] — освещенность.
Если необходимо максимизировать радиометрическую мощность при заданном энергопотреблении, светильник может быть выбран по критерию максимального энергетического КПД, который рассчитывается по формуле: КПД = 100% · η / LER, где η[лм/Вт] — световая отдача светильника.
Радиометрическая плотность светового потока редко используется в рекомендациях по освещению растений. Оценка LER полезна пониманием, что радиометрическая плотность потока пропорциональна освещенности в люксах, а спектральными параметрами белого света в первом приближении можно пренебречь. Также оценка LER позволяет оценить КПД осветительной установки в целом по формуле КПД = 100% · E ·S / LER / P, где E[лк] — фактическая измеренная освещенность, создаваемая на площади S[м 2 ] осветительной установкой, потребляющей мощность P[Вт]. КПД — важный интегральный параметр контроля эффективности.
Энергетическая ценность единицы света
Энергетическая ценность света для растения определяется величиной PPF (Photosynthetic Photon Flux) в микромолях в секунду в диапазоне 400…700 нм, или более точно величиной YPF (Yield Photon Flux) с учетом поправки на кривую McCree 1972 [4]. Большинство приводимых в научной литературе данных, на которые приходится опираться при оценке осветительной системы оперируют значениями PPF, и это делает интересным анализ соотношения PPF и YPF.
Для белого света между PPF и YPF зависимость достаточно тесна, слабо зависит от цветопередачи и определяется цветовой температурой (рис. 5).
Рис. 5 Зависимость соотношения между PPF и YPF от цветовой температуры белого цвета
Для практических целей достаточно учесть, что зависимость почти линейна и PPF для 3000 К больше YPF примерно на 10%, а для 5000 К — на 15%. Что означает примерно на 5% большую энергетическую ценность для растения теплого света по сравнению с холодным при равной освещенности в люксах.
PPF и PPFD
Для типовых значений спектральных параметров PPF и PPFD получаются следующими:
Видно, что несколько большую энергетическую ценность для растения при равной освещенности имеет теплый свет и свет с высокой цветопередачей.
Оценка коэффициента использования светового потока
Коэффициентом использования светового потока k называется доля светового потока от осветительной установки, падающая на листья растений. Это значение может быть использовано, например, для оценки PPFD по формуле: PPFD[мкмоль/с/м 2 ] = k·15·F[клм]/S[м 2 ], где F — световой поток в килолюменах, S — освещаемая площадь в квадратных метрах.
Неопределенность величины k увеличивает ошибку оценки. Рассмотрим возможные значения k для основных типов осветительных систем:
1) Точечные и линейные источники
Освещенность, создаваемая точечным источником на локальном участке, падает обратно пропорционально квадрату расстояния между этим участком и источником. Освещенность, создаваемая линейными протяженными источниками над узкими грядками, падает обратно пропорционально расстоянию.
Падение освещенности происходит не из-за того, что свет «слабеет» с расстоянием, а из-за того, что с увеличением расстояния все большая доля света попадает не на листья. Это делает крайне невыгодным освещение одиночных растений или одиночных протяженных грядок высоко подвешенными светильниками. Сужающая световой поток оптика позволяет направить на растение большую долю светового потока, но в общем случае неизвестно какую.
Сильная зависимость освещенности от расстояния и неопределенность эффекта применения оптики не позволяют определить коэффициент использования k в общем случае.
2) Отражающие поверхности
При использовании закрытых объемов с идеально отражающими стенками весь световой поток попадает на растение. Однако реальный коэффициент отражения зеркальных или белых поверхностей меньше единицы. И это приводит к тому, что от отражательных свойств поверхностей и геометрии объема доля светового потока, падающего на растения, все же зависит. И определить k в общем случае невозможно.
3) Большие массивы источников над большими посадочными площадями
Большие массивы точечных или линейных светильников над большими площадями посадок энергетически выгодны. Квант, излученный в любом направлении, на какой-то лист да попадет, коэффициент k близок к единице.
К примеру, «детская» осветительная система на заглавной фотографии сочетает преимущества большого массива источников света (закрепленные на гладкой основе канцелярским скотчем светодиодные ленты) и отражающих поверхностей (покрашенные белой водно-дисперсионной краской стенки), фактическое значение коэффициента использования светового потока для него k>0,9.
Промежуточный вывод: для всех рассмотренных геометрий осветительной установки неопределенность доли света, идущего на растения, выше разницы между PPFD и YPFD, и выше погрешности, определяемой неизвестностью цветовой температуры и цветопередачи. Следовательно, для практической оценки интенсивности фотосинтетически активной радиации целесообразно выбирать достаточно грубую методику оценки освещенности, не учитывающую эти нюансы. И при возможности замерять фактическую освещенность люксметром.
Ошибка измерения освещенности
При прямых измерениях необходимо принять во внимание неравномерность освещенности, создаваемой осветительной установкой. Характерный пример: стандарт EN 12464-1 «The Lighting of Workplaces» требует отношение минимальной освещенности к средней не более 0,7. Что на практике означает разницу освещенностей различных участков до 30% и значимую ошибку средней величины при небольшом количестве измерений.
Кроме того, на несколько процентов от истинных значений могут отличаться показания люксметра в соответствии с его классом точности. Так ГОСТ 24940-2016 «Здания и сооружения. Методы измерения освещенности» требует использовать люксметры с погрешностью не более 10%, а наиболее распространенные в РФ модели люксметров «еЛайт02» и «ТКА-ПКМ» имеют погрешность 8%.
Влияние ошибки в значении PPFD на результат
Таким образом, ситуация значимого влияния уровня PPFD на урожайность сама по себе является признаком недостаточности уровня освещенности. Достаточное количество света нивелирует значимость ошибки в определении уровня освещенности и делает неоправданным использование высокоточных оценок.
Заключение
Благодарности
Автор выражает благодарность за помощь в подготовке статьи сотруднику ГНЦ РФ-ИМБП РАН к.б.н. Ирине О. Коноваловой; техническому директору Gorshkoff.ru Николаю Н. Слепцову; специалисту компании CREE Михаилу Червинскому; светотехнику Анне Г. Савицкой; старшему научному сотруднику ИРЭ РАН к.ф.-м.н. Александру А. Шаракшанэ, ведущему сотруднику ИРЭ РАН и профессору МГМУ им И.М. Сеченова д.ф.-м.н. Андрею А. Аносову.
Этот пост является адаптированным авторским переводом статьи «An easy estimate of the PFDD for a plant illuminated with white LEDs: 1000 lx = 15 μmol/s/m 2 «. Методы и подробности вычислений на русский язык не переводились. Но язык проще, добавлены примеры и картинки.
Белый свет для растений
Красный, белый, голубой синий? Выбирай себе любой!
Фотосинтез и свет
Солнечный свет необходим для растений на любой стадии развития. Основными характеристиками света являются его спектральный состав, интенсивность, суточная и сезонная динамика. Недостаток света – сокращение продолжительности светового дня и малая интенсивность освещения – приводят к гибели растения. Свет – единственный источник энергии, обеспечивающий функции и потребности зеленого организма. Для восполнения недостатка солнечного света применяется досветка растений. Наиболее распространенные инструменты – лампы ДНаТ и светодиодные светильники.
Фотосинтез – основа жизни растения. Энергия квантов света преобразует получаемые растением неорганические вещества в органические.
Свет разных длин волн по-разному влияет на интенсивность фотосинтеза. Первые исследования на эту тему были проведены еще в 1836 г. В. Добени. Физик пришел к выводу, что интенсивность фотосинтеза пропорциональна яркости света. Наиболее яркими лучами в то время считались желтые. Выдающийся российский ботаник и физиолог растений К.А. Тимирязев в 1871–1875 гг. установил, что зеленые растения наиболее интенсивно поглощают лучи красной и синей части солнечного спектра, а не желтые, как это считалось ранее. Поглощая красную и синюю часть спектра, хлорофилл отражает зеленые лучи, из-за чего и кажется зеленым. На основании этих данных немецкий физиолог растений Т. В. Энгельман в 1883 г. разработал бактериальный метод изучения ассимиляции углекислого газа растениями, который подтвердил, что разложение углекислого газа, (а, значит, и выделение кислорода) у зеленых растений наблюдается в дополнительных к основной окраске (т.е. зеленой) лучах – красных и синих. Данные, полученные на современном оборудовании, полностью подтверждают результаты, полученные Энгельманом более 130 лет назад.
Рис.1 – Зависимость интенсивности фотосинтеза зеленых растений от длины световой волны
Максимальная интенсивность фотосинтеза – под красным светом, но одного красного спектра недостаточно для гармоничного развития растения. Исследования показывают, что салат, выращенный под красным светом, имеет большую зеленую массу, чем салат, выращенный под комбинированным красно-синим освещением, но в его листьях значительно меньше хлорофилла, полифенолов и антиоксидантов.
ФАР и ее производные
Эффективность белых светодиодов
Выделенный и очищенный хлорофилл invitro поглощает только красный и синий свет. В живой же клетке пигменты поглощают свет во всем диапазоне 400–700 нм и передают его энергию хлорофиллу.
Несколько фактов о белых светодиодах:
1. В спектре всех белых светодиодов, даже с низкой цветовой температурой и с максимальной цветопередачей, как и у натриевых ламп, очень мало дальнего красного (рис. 2).
Рис. 2. Спектр белого светодиодного (LED 4000K Ra = 90) и натриевого света (HPS)
в сравнении со спектральными функциями восприимчивости растения к синему (B),
красному (Ar) и дальнему красному свету (Afr)
на синюю компоненту белого света
В одном ватте потока белого светодиодного света 2700К фитоактивной синей компоненты вдвое больше, чем в одном ватте натриевого света. Причем доля фитоактивного синего в белом свете растет пропорционально цветовой температуре. Если разместить рядом с растением лампу с интенсивным холодным светом – оно развернет соцветия в сторону лампы.
3. Энергетическая ценность света определяется цветовой температурой и цветопередачей и с точностью 5% может быть определена по формуле:
[эфф.мкмоль/Дж],
где η – светоотдача [Лм/Вт],
Ra – индекс цветопередачи,
CCT – коррелированная цветовая температура [К]
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)