Освещение аквариума: спектр и интенсивность

[Snow]

Освещение в аквариуме ответственно не только за его эстетический вид, но также и за общее здоровье рыб, растений и беспозвоночных. Цель, которую ставят при проектировании системы освещения, состоит в том, чтобы максимально имитировать природные условия освещения организмов и растений, обитающих в аквариуме. Ниже мы рассмотрим характеристики света, и как естественный свет можно сымитировать в аквариумах.
Измерение характеристик света
Спектр. Обычно спектр или "температура" света измеряется в градусах Келвина (K). Эта единица измерения основывается на спектре света, который "абсолютно чёрное тело" излучило бы в соответствующих градусах Келвина. В 0 градусах Келвина (эквивалент - 273° Цельсия), не испускается никакого света. Когда абсолютно чёрное тело нагревается, оно излучает красный свет. По мере нагревания появляется желтый свет, далее зеленый, синий и, наконец, фиолетовый. Пламя свечи измеряется в 1800 K. Солнечный свет в полдень оценивается в 5500 K. Такой свет называется полным спектром, поскольку он содержит смесь всех цветов. Помните, чем ниже градус K, тем краснее спектр света. Чем выше градус Келвина, тем больше свет стремится к синему спектру и, как говорят, имеет более высокую цветную температуру.
В природе, когда свет проникает в воду и проходит сквозь первые 5 м воды, красные и оранжевые волны света поглощаются водой, увеличивая градус K, что приводит к появлению синего цвета. Когда свет проникает сквозь 9 м воды, поглощается желтый спектр, а на глубине 15 м отфильтровываются зеленые волны и остаются только синие и фиолетовые. Это приводит к тому, что свет имеет здесь самый высокий градус Келвина.
Интенсивность света. Интенсивность света может быть измерена в его источнике и на поверхности, на которую свет воздействует.
Интенсивность света, который воздействует на поверхность, измеряется международной единицей "люкс". Это метрическая единица, подобная фут-свече: 1 фут-свеча равняется 10,7 люксам. Интенсивность солнечного света на поверхности воды на рифе может достигнуть величины, превышающей 120 000 люксов, но из-за различной погоды и качества атмосферы, составляет в среднем около 75 000 люксов. Когда свет проникает в воду и различные его волны поглощаются, уменьшается и его интенсивность. В ясной воде можно определить, как быстро свет изменяется в различных водных средах. Например, уровень интенсивности на рифе с ясной водой составит в среднем приблизительно 20 000 люксов на глубине 4,5 м и 10 000 люксов на глубине в 9 м. Поэтому зная, в каких условиях тот или иной организм живет в естественной для него среде, вы сможете определить интенсивность света, которую вам необходимо поддерживать для него в аквариуме. Измерительные приборы, определяющие интенсивность света, легко доступны и относительно недороги. Их используют, чтобы определить интенсивность освещения в аквариуме и диагностики необходимости замены ламп.
Единица измерения ватт связана с люксом. Один люкс равен 1,46 милливаттам (0.00146 ватт) энергии одной определенной частоты (555 нм), нагревающей поверхность площадью один квадратный метр. Однако поскольку лампы, используемые в аквариумах, испускают свет многих частот, не только 555 нм, нет точной формулы, которую можно было бы использовать при определении числа люкс, произведенного лампой определенной мощности.
Спектр и интенсивность света в природе. Существует множество факторов, которые влияют на цвет и интенсивность света в водных средах в природе. Эти факторы включают глубину и ясность воды, погоду и ясность воздуха. Поэтому в каждом водоеме характеристики света будут различны.
Спектр и интенсивность света для аквариумов
Аквариумы только для рыбы. Функция системы освещения в аквариуме только для рыбы заключается в том, чтобы обеспечить смену дня и ночи, что необходимо для здоровья рыбы. Поскольку спектр и интенсивность света для рыб не так важны, как для аквариума с растениями или кораллами, система освещения для этого типа аквариума может быть разработана с учетом других факторов, в том числе эстетического. При определении стоимости системы освещения примите во внимание не только начальную стоимость, но также и эксплуатационные расходы на обслуживание системы. При составлении бюджета выберите осветительное оборудование, которое не потребляет чрезмерное количество электричества, а лампы не нуждаются в частных заменах. Можно воспользоваться правилом - для аквариума только для рыбы устанавливают освещение в 1-2 ватта на 5 л воды. Хорошим выбором для такого аквариума может стать стандартная или мощная компактная флуоресцентная система. Спектр освещения здесь выбирается только исходя из личных предпочтений. Вообще же, лампы, рассчитанные больше на красную часть спектра (с низким градусом K), освещает цвета лучше, чем лампа с более высоким градусом Келвина. Однако при освещении с низким градусом К отлично размножаются водоросли, что приводит к более сложному уходу за аквариумом. Если ваша цель состоит в том, чтобы осветить обитателей аквариума лампой с низким градусом К, вы можете в борьбе с водорослями пользоваться специальными химическими средствами или же уменьшить количество часов освещения аквариума.

[Snow]

Пресноводные аквариумы с растениями. При выборе освещения для аквариума, населенного не только рыбами, но и растениями, следует учесть несколько факторов: интенсивность и спектр света, начальные и эксплуатационные расходы, а также тепло, производимое системой освещения.
Большинство пресноводных растений, доступных на рынке, прибыло из мелких водоемов Центральной и Южной Америки. Прозрачность воды в этих областях обычно очень низкая. Мелкие воды, в которых живут эти растения, обеспечены полным спектром света, идентичным естественному дневному свету, который находится в диапазоне между 5500 K и 7500 K. Интенсивность света, необходимая различным растениям, зависит от тех условий, в которых они произрастают у себя на родине - следует обеспечить освещение мощностью между 2 и 5 ватт на 5 л воды в зависимости от вида растений.
Величина начальных и эксплуатационных расходов может широко варьироваться между различными типами освещения. Лучше купить достаточно дорогую систему, которая была бы экономна в потреблении электричества и заменах ламп. При выборе определенной системы освещения, убедитесь, что лампы для этой системы находятся в соответствующем ей диапазоне спектра. Некоторые системы освещения разработаны специально для соленых рифовых аквариумов, для которых лампы полного спектра могут не подходить.
Наконец, тепло, производимое большинством мощных систем освещения довольно значительно, из-за чего могут потребоваться охлаждающие вентиляторы и, возможно, водный охладитель, чтобы поддерживать аквариум при правильной температуре. Температура комнаты также играет значительную роль в температуре воды аквариума, что требуется учитывать при установке системы освещения.
Соленые рифовые аквариумы. Тип освещения, установленный в соленом рифовом аквариуме, очень важен вследствие того, что кораллы и беспозвоночные, которые живут в нем, очень зависят от света. Интенсивность света, необходимого кораллам и беспозвоночным, варьируется в широком диапазоне, что связано с большими отличиями в природных условиях обитания этих организмов. Если в аквариуме не обеспечить правильный спектр и интенсивность света, эти организмы не смогут выжить.
Большинство кораллов для любительских аквариумов, прибывает из морских вод, окружающих риф на глубине 5 - 20 метров. В природе они получают свет синего спектра с высоким градусом Келвина.
Как и с любым аквариумом, при выборе системы освещения следует учесть начальные и эксплуатационные расходы, интенсивность и спектр освещения, а также выделяемое системой тепло. Системы освещения для рифовых аквариумов достаточно дороги, при этом они не являются экономными потребителями электроэнергии, а замена ламп может также быть достаточно дорогостоящей.
Общее правило для оборудования рифового аквариума системой освещения - для водоема глубиной 60 см и меньше необходимо обеспечить мощность освещения между 4 - 6 ваттами на 5 л воды. Конечно, есть и исключения. Аквариумы глубиной 40 см и меньше не требуют такой же интенсивности света, как более глубокие. Следует учесть, что если аквариум заселен кораллами и беспозвоночными, то им требуется низкий уровень освещенности.
Из-за специфических условий проживания все беспозвоночные приспособились использовать свет синего спектра. Существуют специальные лампы, подходящие для большинства систем освещения, которые работают на этой длине волны. Например, флуоресцентные системы оборудуются лампами только синего цвета, которые называют актиническими. Хотя большинство кораллов и беспозвоночных предпочитают синий свет, он может быть неприятен для человеческого глаза. Поэтому в большинстве систем используются актинические лампы для здоровья аквариума в сочетании с другим источником света, в основном белым, более приятным в плане эстетики.
Следует учесть, что системы освещения для рифовых аквариумов вырабатывают существенное количество тепла. Как правило, потребляемая мощность переводится в тепло, независимо от типа освещения. Однако следует помнить, что есть два типа вырабатываемого тепла. Первый тип тепла находится в воздухе, окружающем лампу. Его можно нейтрализовать с помощью вентилятора. Другой тип тепла - инфракрасное излучение, производимое системой освещения. Это тепло поглощается водой аквариума и не может быть удалено с помощью вентиляторов, а только с использованием специальных водных охладителей.
При проектировании аквариума важно включить в бюджет систему освещения, которая обеспечит обитателей аквариума спектром и интенсивностью света, приближенными к их естественной среде обитания. Имитируя эти условия, мы повышаем уровень выживаемости и роста этих организмов.

http://zooclub.ru/aqua/208.shtml
P.S. Ждем комментарии и замечания к данной статье

[svasilie]

Сообщение от Snow

Измерение характеристик света
Спектр. Обычно спектр или "температура" света измеряется в градусах Келвина (K). Эта единица измерения основывается на спектре света, который "абсолютно чёрное тело" излучило бы в соответствующих градусах Келвина. В 0 градусах Келвина (эквивалент - 273° Цельсия), не испускается никакого света. Когда абсолютно чёрное тело нагревается, оно излучает красный свет. По мере нагревания появляется желтый свет, далее зеленый, синий и, наконец, фиолетовый. Пламя свечи измеряется в 1800 K. Солнечный свет в полдень оценивается в 5500 K. Такой свет называется полным спектром, поскольку он содержит смесь всех цветов. Помните, чем ниже градус K, тем краснее спектр света. Чем выше градус Келвина, тем больше свет стремится к синему спектру и, как говорят, имеет более высокую цветную температуру.

Простите, но это бред. Спектр не измеряется в Келвинах. Спектр - двумерная характеристика излучения, показывает соотношение интенсивности излучения на разных длинах волн. В Келвинах измеряется цветовая температура. Цветовая температура действительно характеризует спектр излучения нагретого тела. Т.е. для ламп накаливания цветовая температура действительно хорошо указывает на то, какой у излучения спектр. Но современные экономичные источники света используют другие механизмы свечения.

Когда говорят о цветовой температуре люминесцентной лампы, то имеют в виду, что её цвет свечения выглядит для человеческого глаза очень похоже на свечение АЧТ, нагретого до данной температуры. Но спектр, тем не менее, не совпадает. Это связано с особенностями человеческого зрения - в глазу существует три вида различных цветовых рецепторов. Если смешивать в различных пропорциях излучение всего трёх цветов, то можно заставить глаз "увидеть" любой цвет. Пример - цветной монитор, который использует только три цвета - красный (630 нм), зелёный (530 нм), синий (475 нм) - а нам кажется, что он может показать абсолютно любой цвет. Но увы, как ни смешивай, а настоящих 430 нм или 660 нм не получишь. Хотя выхлядеть для человека будет очень похоже.

Спектр у люминесцентной лампы зависит от её модели - дешёвый офисные лампы имеют простейший трёхполосный лиминофор и не только не обеспечивают растения существенным питанием, но и искажают цветопередачу освещаемых предметов. Более равномерный спектр имеют специальные лампы - аквариумные, фитолампы или просто лампы с высоким индексом цветопередачи (англ. - CRI). Однако, и их спектр существенно отличается от АЧТ.

В финале маленькое упражнение - аквариумные фитолампы имеют розоватое, бледно пурпурное свечение. Внимание, вопрос - какая у них цветовая температура, до какой температуры надо нагреть АЧТ, чтобы оно светилось таким же цветом? :)

[svasilie]

Сообщение от Snow

Интенсивность света. Интенсивность света может быть измерена в его источнике и на поверхности, на которую свет воздействует.
Интенсивность света, который воздействует на поверхность, измеряется международной единицей "люкс". Это метрическая единица, подобная фут-свече: 1 фут-свеча равняется 10,7 люксам. Интенсивность солнечного света на поверхности воды на рифе может достигнуть величины, превышающей 120 000 люксов, но из-за различной погоды и качества атмосферы, составляет в среднем около 75 000 люксов. Когда свет проникает в воду и различные его волны поглощаются, уменьшается и его интенсивность. В ясной воде можно определить, как быстро свет изменяется в различных водных средах. Например, уровень интенсивности на рифе с ясной водой составит в среднем приблизительно 20 000 люксов на глубине 4,5 м и 10 000 люксов на глубине в 9 м. Поэтому зная, в каких условиях тот или иной организм живет в естественной для него среде, вы сможете определить интенсивность света, которую вам необходимо поддерживать для него в аквариуме. Измерительные приборы, определяющие интенсивность света, легко доступны и относительно недороги. Их используют, чтобы определить интенсивность освещения в аквариуме и диагностики необходимости замены ламп.
Единица измерения ватт связана с люксом. Один люкс равен 1,46 милливаттам (0.00146 ватт) энергии одной определенной частоты (555 нм), нагревающей поверхность площадью один квадратный метр. Однако поскольку лампы, используемые в аквариумах, испускают свет многих частот, не только 555 нм, нет точной формулы, которую можно было бы использовать при определении числа люкс, произведенного лампой определенной мощности.

Люксы, люмены и канделы - редуцированные фотометрические величины, характеризующие освещённость, световой поток и силу света применимо к особенностям спектральной чувствительности человеческого глаза.

В параметрах источников света (ламп) часто указывают эти величины. Но очень опасно отождествлять солнечные люксы/люмены с, например, люминофорными. Несколько офисных ламп могут осветить некую поверхность на 120 клк, но это будет далеко не то же самое, что и естественное освещение солнцем поверхности воды в ясный день - важен спектр света.

Ватты являются основой энергетических фотометрических величин. Такие величины определяют характеристики освещения без учёта особенностей какого-либо приёмника (человеческого глаза). Это честнее, но всё равно не позволяет судить о полезности освещения для тех или иных организмов (животных и растений) - важен спектр.

Вообще, связывать Ватты и люксы в корне неверно. В Ваттах измеряют световой поток - аналогом были бы люмены. Но увы - на лампочках пишут потребляемую мощность, а не излучённую. Каков КПД - производители стыдливо умалчивают. Так что это не те Ватты, которые соответствуют люменам. И ещё раз - растениям нужен другой спектр, нежели человеку, поэтому наши люмены мало скажут об эффективности света для других организмов. Важен спектр.

[svasilie]

Сообщение от Snow

Следует учесть, что системы освещения для рифовых аквариумов вырабатывают существенное количество тепла. Как правило, потребляемая мощность переводится в тепло, независимо от типа освещения. Однако следует помнить, что есть два типа вырабатываемого тепла. Первый тип тепла находится в воздухе, окружающем лампу. Его можно нейтрализовать с помощью вентилятора. Другой тип тепла - инфракрасное излучение, производимое системой освещения. Это тепло поглощается водой аквариума и не может быть удалено с помощью вентиляторов, а только с использованием специальных водных охладителей.

Тепло существует только одного типа - тепло. Просто нагреваться могут разные предметы. Лампа - да, воздух между лампой и водой - да, вода - тоже да. Но это тепло только одного рода - тепло. Поскольку для многих аквариумных обитателей важен температурный режим - варёная рыба так же мертва, как и мороженая - недостающее тепло следует добавлять, а излишнее - удалять.

Поскольку рыба (а также кораллы, креветки и т.п.) живёт в воде (а не в воздухе или на лампе), именно воду нужно терморегулировать (охлаждать или нагревать). И вы таки будете смеяться, но самый простой и весьма эффективный способ охлаждения - при помощи вентиляторов. Дело в том, что вода испаряясь охлаждается, а вентиляторы помогают заменить влажный воздух над поверхностью воды на более сухой из помещения. Зачем далеко ходить - мы дуем на горячую пищу или напитки именно для ускоренного охлаждения.

А специальное супер-пупер-оборудование - это, как правило, от лукавого. Если "подуть" на воду не помогает, то лучше подумать, как поменьше её нагревать.

[Snow]

Спасибо за замечания! Статьи подредактируем.

[svasilie]

Рад, что Вы считаете мои замечания полезными. В таком случае позволю себе ещё одно на эту тему.

Сообщение от Snow

Спектр и интенсивность света для аквариумов
Аквариумы только для рыбы. Функция системы освещения в аквариуме только для рыбы заключается в том, чтобы обеспечить смену дня и ночи, что необходимо для здоровья рыбы. Поскольку спектр и интенсивность света для рыб не так важны, как для аквариума с растениями или кораллами, система освещения для этого типа аквариума может быть разработана с учетом других факторов, в том числе эстетического.

Зрение рыб отличается от зрения приматов (и человека в частности). Как правило, у рыб большее число различных фоторецепторов в сетчатке. "Как правило" - потому, что нет единого правила - у разных групп рыб зрение развивалось по-разному. Например, у популярной рыбки данио рерио есть четыре вида фоторецепторов (с пиками чувствительности на 570 нм, 480 нм, 415 нм и 360(!) нм). Существенное отличие от человеческого глаза в зелёных рецепторах (у нас это 533 нм) и в ближнеультрафиолетовых (у нас этого вообще нет). У цихлид есть пять типов фоторецепторов (с пиками чувствительности на 572 нм, 538 нм, 454 нм, 405 нм и 359 нм) - с человеческим глазом хорошее совпадение есть только по "красным" и "зелёным" рецепторам, а синих аж два, и оба с нашим не совпадают (у нас 420 нм), плюс ближнеультрафиолетовый, как и у данио. И так далее.

Казалось бы, что нам за дело до рыбьего цветовосприятия? Но дело в том, что у рыб зрение (как и у людей) играет важную роль помимо регуляции циклов сна-бодрствования. Достаточно задуматься - для кого рыбы в процессе эволюции (я сейчас не буду говорить о селекционных формах) приобрели такую яркую многоцветную окраску. В первую очередь для себя. По окраске рыбы идентифицируют особей своего вида и определяют пол, что конечно же может влиять на их поведение. Конечно, есть и другие факторы - форма тела и плавников, характерные движения, звуки, в конце концов, поэтому не всегда нарушение цветопередачи фатально сказывается на поведении рыб. От вида рыб зависит, от степени "одомашненности", от множества других факторов. Но тем не менее - освещение в той или иной мере влияет на поведение рыб.

Что же можно рекомендовать? Заниматься исследованиями особенностей цветовосприятия каждого вида рыб - задача не для любителей. Информация по уже состоявшимся исследованиям есть далеко не для каждого вида аквариумных рыб. Поэтому освещать имеет смысл спектром, максимально близким к солнечному - непрерывным, без значительных провалов в середине диапазона окна прозрачности атмосферы. Таковы, например, галогенные лампы накаливания. Но они весьма неэкономичны - сильно греются. Это может спровоцировать перегрев воды и/или бурное развитие водорослей. Можно найти специальные люминесцентные лампы с имитацией солнечного спектра, или просто лампы с хорошим индексом цветопередачи (CRI > 90). Пожалуй, это лучшее решение.

Кроме пользы для рыб мы получим более качественную передачу цвета этих самых рыб для себя. Вспомним - рыбы "раскрашивались" для своих глаз. А это значит, что спектры отражения пигментов поверхности их тел должны быть близки к спектрам поглощения рецепторов их глаз. Грубо говоря - циановые полоски, отражающие 454 нм, будут чёрными (или блёклыми) если в падающем на них свете не будет (или будет недостаточно) этих самых 454 нм.