Мкмоль, ватт и люмен: единицы измерения света для растений

Четыре величины и два разных потребителя света

Свет от одного и того же светильника описывают минимум четырьмя способами, и три из них к растению отношения не имеют. Путаница начинается там, где величины из разных систем ставят рядом: «светильник 600 Вт», «50 000 люмен» и «200 мкмоль» звучат как характеристики одного ряда, хотя измеряют разное и отвечают на разные вопросы.

Разделительная линия проходит по тому, кто получатель света.

• Ватт — это вообще не про свет. Это электрическая мощность: сколько прибор берёт из сети. Сколько он отдаёт наружу и в каком виде, ватт не сообщает.
• Люмен и люкс — величины для человеческого глаза. Они взвешены по кривой видности: излучение в зелёной области считается почти полностью, в синей и красной — с большим понижающим коэффициентом.
• Мкмоль/с и мкмоль/м²·с — величины для растения. Здесь свет считают не по яркости, а поштучно: сколько квантов в диапазоне фотосинтетически активной радиации 400–700 нм излучает прибор и сколько их приходит на квадратный метр.

Отсюда практическое правило: величины из «человеческой» и «растительной» систем не переводятся друг в друга без спектра источника. Не потому, что формулы сложные, а потому, что люкс и микромоль по-разному взвешивают одно и то же излучение, и вес зависит от того, на каких длинах волн светит лампа.

Ватт: сколько прибор берёт из сети, а не сколько отдаёт

Мощность в ваттах — самая привычная характеристика светильника и самая бесполезная при подборе. Она стоит на входе прибора, а не на выходе: между ними лежит эффективность, и у разных приборов она разная.

Проверить это можно, не выходя за пределы одного каталога. В линейке ECOLED-BIO есть три модели ровно по 100 Вт, и фотонный поток у них разный:

• ECOLED-BIO-100W F-OPTIMA — 210 мкмоль/с;
• ECOLED-BIO-100W F-MATRIX — 230 мкмоль/с;
• ECOLED-BIO-100W F-LINE — 275 мкмоль/с.

Разница между крайними — 31 % при одинаковых ваттах, одном производителе и одних светодиодах. Приборы отличаются оптикой, компоновкой и режимом работы диодов, и это отличие видно только в потоке. Если сравнивать оборудование разных производителей, разброс будет больше.

По всей линейке ECOLED-BIO эффективность лежит в пределах от 2,10 до 3,15 мкмоль/Дж: нижняя точка — ECOLED-BIO-100W F-OPTIMA, верхняя — ECOLED-BIO-84-130W F-UniversaLED. Это полуторакратный разрыв. Чтобы получить одинаковый суммарный поток, в первом случае придётся поставить в теплицу в полтора раза больше киловатт, чем во втором, — при одинаковом свете у растения.

Поэтому фраза «нам нужны светильники по 600 Вт» не является техническим требованием. Требование — это облучённость у растения; мощность становится известна в конце расчёта, а не в начале. Подробнее порядок подбора разобран в статье как выбрать фитосветильник.

Люмен и люкс: единицы, настроенные на глаз человека

Люмен — световой поток источника, люкс — освещённость поверхности, то есть люмены, поделённые на квадратные метры. Пара устроена так же, как пара «мкмоль/с — мкмоль/м²·с»: первая величина описывает прибор, вторая — то, что получилось на плоскости.

Разница в другом. Обе световые величины взвешены по кривой относительной спектральной световой эффективности — функции чувствительности человеческого глаза с максимумом около 555 нм, в жёлто-зелёной области. Излучение на 660 нм глаз воспринимает во много раз слабее, чем такое же по энергии излучение на 555 нм, а синее на 450 нм — ещё слабее. Для фотосинтеза при этом важен не «вес по глазу», а само число квантов.

Практическое следствие: люксметр под фитосветильником систематически занижает показание. Прибор с выраженными максимумами в синей и красной областях выдаёт много квантов там, где чувствительность глаза почти на нуле, и люксметр эти кванты почти не засчитывает. Под натриевой лампой картина обратная: её характерный пик приходится на жёлто-оранжевую область, близкую к максимуму видности, и там люксметр показывает щедро.

Наглядно это видно на замерах в агрохолдинге «Добрянский». Спектр там снимали ручным спектрометром UPRtek прямо в теплице: под лампами ДНаЗ Reflux Ag 600 Вт прибор показал 94,45 мкмоль/м²·с с узким пиком излучения на 599 нм. У светодиодной части излучение распределено по всему диапазону ФАР, а не собрано в одну полосу. Два источника с одинаковым показанием люксметра дали бы растению разное количество квантов — и наоборот.

Отсюда правило: люксметром можно оценивать освещённость рабочего места в теплице для людей. Оценивать им свет для растений нельзя ни под каким источником, а сравнивать по нему два источника с разным спектром — тем более.

Мкмоль: почему свет для растения считают штуками

Световая фаза фотосинтеза устроена поштучно: пигмент поглощает фотон и запускает цепочку реакций. Для растения имеет значение количество квантов, попавших на лист в рабочем диапазоне, а не суммарная энергия и не яркость.

Квантов много, поэтому их считают молями. Моль — это 6,02 × 10²³ штук, микромоль — миллионная доля моля. Отсюда три единицы, которые встречаются в паспортах и расчётах:

• мкмоль/с — фотонный поток прибора (PPF): сколько квантов ФАР светильник излучает за секунду. Паспортная величина, от геометрии объекта не зависит.
• мкмоль/м²·с — облучённость (PPFD): сколько квантов приходит на квадратный метр расчётной плоскости за секунду. Это уже свойство объекта, и в паспорте её не бывает.
• моль/м²·сут — суточная доза (DLI): облучённость, умноженная на длительность светового периода. Именно по ней корректно сравнивать объекты между собой.

Диапазон 400–700 нм в определении ФАР — это соглашение, зафиксированное в методиках измерения. Излучение вне его на растение действует, но в PPF не входит: ультрафиолет и дальний красный считают отдельно и отдельно же оговаривают в паспорте. Связь между тремя единицами и примеры расчёта разобраны в статье PPFD, DLI и фотопериод.

Можно ли перевести люксы в микромоли

Короткий ответ: универсального коэффициента не существует, и любая таблица «умножьте люксы на такое-то число» верна только для одного конкретного спектра.

Причина в том, что люкс и микромоль взвешивают одно и то же излучение по разным правилам. Люкс — по чувствительности глаза, микромоль — равномерно по всему диапазону 400–700 нм. Соотношение между ними зависит от того, как распределено излучение источника по длинам волн, а распределение у каждого источника своё.

Разница между источниками получается не в процентах, а в разы:

• Натриевая лампа. Пик 599 нм, зафиксированный спектрометром в «Добрянском», лежит недалеко от максимума чувствительности глаза — почти всё её излучение люксметр засчитывает.
• Светодиодный фитосветильник. Максимумы приходятся на синюю и красную области, где чувствительность глаза мала, и значительная часть квантов в показание люксметра почти не попадает.
• Дневной свет. Спектр сплошной, соотношение своё, и оно ещё меняется в течение дня и в зависимости от облачности.

Поэтому переводить не надо — надо мерить тем прибором, который отвечает на нужный вопрос. Для PPFD это квантометр ФАР или спектрометр. В Кунгурском сельхозколледже облучённость снимали ручным спектрометром в междурядье, на уровне растений: на светодиодной части получили 55 мкмоль/м²·с. В том же «Добрянском» спектрометр работал под обеими схемами досветки, натриевой и светодиодной, — иначе сравнение спектров было бы разговором, а не измерением.

Отдельная тонкость встречается в светотехнических отчётах. Колонка средней освещённости в DIALux подписана «lx», но если фотометрия прибора загружена в микромолях, то Еср в отчёте — это PPFD в мкмоль/м²·с, несмотря на подпись. Как это читать, разобрано в статье как читать светотехнический расчёт.

Ватт на квадратный метр: где удельная мощность честна

Удельная мощность — установленная мощность досветки, делённая на площадь. В отличие от «ватт на светильник», это осмысленная величина, но отвечает она на энергетический вопрос, а не на световой.

По ней проверяют, влезает ли система в доступную мощность на вводе, считают нагрузку на кабель и аппараты защиты, оценивают счёт за электроэнергию. На объектах ECOLED-BIO значения такие:

• 69 Вт/м² — отделение №3 фитотронно-тепличного комплекса Вавиловского университета: 8,1 кВт на 117 м² при расчётной облучённости 102–107 мкмоль/м²·с на вертикалях рядов.
• около 39 Вт/м² — пилотный участок в тепличном комплексе «Труженик»: 23 прибора по 181,3 Вт, всего около 4,17 кВт на 108 м².
• 30,2 Вт/м² — расчёт под изменённые условия рассадного отделения ТК «Авсень» от 19 января 2017 года: 30 светильников по 100 Вт сеткой 5 × 6 на участке 8 × 12 м, высота подвеса 2,5 м.

Обратно из этих чисел облучённость не получить. Три площадки различаются культурой, геометрией, высотой подвеса и кривой силы света приборов, поэтому одинаковые ватты на квадрат дали бы на них разный свет у растения. Удельная мощность — характеристика проекта, а не требование к нему.

Как читать паспорт и коммерческое предложение

В паспорте фитосветильника нужны три строки, и все три — в «растительных» единицах.

1. PPF, мкмоль/с — фотонный поток. Исходное число для светотехнического расчёта и для грубой оценки «поток ÷ площадь».
2. PPE, мкмоль/Дж — эффективность: поток, делённый на потребляемую мощность. Именно она отвечает за счёт за электроэнергию при заданном свете у растения.
3. Кривая силы света — глубокая, косинусная или широкая. От неё зависит, во что превратится поток на расчётной плоскости.

Чего в паспорте быть не может — так это PPFD. Облучённость зависит от высоты подвеса, шага приборов и геометрии помещения; величина из паспорта, названная «PPFD на расстоянии 50 см», описывает измерение в конкретной точке под одним прибором и к вашей теплице отношения не имеет.

Отдельно стоит формулировка «эквивалент ДНаТ 600 Вт». Это не техническая характеристика: неизвестно, по какому параметру заявлена эквивалентность и от какой базы. Проверяется она одним вопросом — какой у прибора фотонный поток в мкмоль/с. На объектах ECOLED-BIO соотношения замены ни разу не совпали с соотношением мощностей: 320 Вт вставали вместо 600 Вт в «Добрянском» и Кунгуре, 200 Вт — вместо 600 Вт в ТК «Авсень», 185 Вт — вместо ДНаЗ-400 в «Завьяловском». Как считать такую замену, разобрано в статье замена ДНаТ на светодиоды.

В техническом задании требование корректно формулируется так: требуемая облучённость в мкмоль/м²·с на такой-то расчётной плоскости, длительность светового периода в часах и допустимая неравномерность. Число приборов и киловатты под это посчитает расчёт — предварительно прикинуть можно калькулятором освещения.