Повышение освещённости аквариума.

[Dmitry Karpenko]

Допис від xendil

Все знают, растениям нужен синий и красный (660нм) цвета, зелёный им не нужен.

Спасибо, вы подняли очень важную тему. Так исторически сложилось, что у многие люди опираются на школьный курс, где нам показывали два графика поглощения хлорофиллов a и b, где один поглощает с пиком на 450нм, а второй - на 660, не так ли? Это крайне упрощенное представление, вплоть до потери смысла.

Давайте попробуем разобраться что к чему.

Начнем с самого простого. Излучение в промежутке 400-700нм называется фотосинтетически активной радиацией, то есть ФАР. Фотосинтез идёт (если упрощенно) по принципу один фотон - одна реакция. В листе растения нет демона Максвелла, чтобы сортировать фотоны на "кошерные" и нет. Все фотоны в промежутке ФАР идут в дело. Есть небольшие различия в реальных спектрах поглощения и они связаны в первую очередь со строением ткани листа. Однако в целом листовая пластинка в промежутке ФАР отражает вполне равномерно для всех длин волн. Это показывали даже любители-аквариумисты - см. исследования Константина Кучеренко на aqa. Важно помнить, что глаз человека имеет крайне крутую характеристику чувствительности в зависимости от длины волны излучения. Проще говоря, мы практически ничего, кроме зелено-желтого света, хорошо и не видим. Поэтому мы видим именно ту часть излучения, отражаемую листом, которую можем увидеть - то есть зеленую

Говоря проще, растение выглядит зеленым не потому, что оно каким-то чудом отражает зеленый свет, а потому что мы только этот свет и видим толком


Теперь откуда такая бешеная тяга к сине-красным излучателям для растений.
1. О синем, то есть 450нм. Это - наиболее продвинутый во всех смыслах светодиод. Его эффективность практически достигла теоретического максимума. Уже продаются светодиоды, которые имеют эффективность более 80% на токе 350мА. Подчеркну - это не лабораторные образцы, работающие на мизерных токах, это светодиод, который можно купить прямо сию минуту. Ввиду этого синим светом очень выгодно освещать растения.
2. О глубоком красном, то есть 660нм. Здесь сразу несколько причин, давайте по порядку.
2.1 Это - самый стабильный из всех светодиодов. То есть у него наименьшие потери излучения при росте температуры, наименьшее падение КПД с ростом тока. Также у него наибольший срок жизни из всех производимых светодиодов. Грубо говоря, если условия эксплуатации оптимальны, можно считать этот светодиод условно вечным.
2.2 В виду того, что реакция фотосинтеза идет по принципу один фотон - одна реакция, чем ниже энергия фотона, тем выгоднее использовать её для фотосинтеза. Энергия фотона падает пропорционально с ростом длины волны излучения. То есть, если 1Вт фотонов для длины волны 450нм даст нам 1 условную единицу количества реакций фотосинтеза, то 1Вт фотонов с длиной волны 660нм даст нам этих условных реакций в 660/450=1,47 раза больше. Поэтому КПД красных диодов может быть уже 80/1,47=54%, чтобы ими было выгодно освещать фотосинтетик. Реально так оно и есть. Лучшие 660нм светодиоды имеют примерно такой КПД.

Наверняка у вас возникнет вопрос - если синие диоды такие продвинутые, то зачем плодить такой ассорти - добавлять к ним еще и красные? Светить бы только синим - и никаких гвоздей! Тем более, что спектр светильников для моря имеет в своём составе настолько много синего, что остального излучения, считай и нет

А вот это - самое интересное
3. Морская вода работает, как светофильтр и уже на малой глубине (порядка 20м) от длинноволновой (то есть оранжево-красной) части спектра ничего не остается. Поэтому морские фотосинтетики (не считая тех, что растут исключительно на мелководье) за сотни миллионов лет эволюции приспособились использовать для фотосинтеза именно коротковолновую часть спектра. Поэтому их можно освещать _только_ синим светом, это не только не приводит к нарушениям в развитии, но зачастую позволяет кораллам выглядеть лучше, чем при попытке освещения их спектром с большим количеством длинноволнового излучения. Это было неоднократно показано в научных работах.
4. В то же время наземные и пресноводные (которые в большинстве своём на самом деле сухопутные растения, которые могут расти под водой) растения приспособлены именно к широкому спектру, то есть солнечному свету. Если освещать их только синим светом или только красным, мы зачастую получаем пороки развития растения.
5. Если растение освещать и синим и красным светом, то пороки развития отсутствуют. Однако в этом случае нередко мы сталкиваемся с тем, что вкусовые качества таких растений оказываются не такими хорошими, как у выращенных под полноспектральным светом.


В следствие вышеописанных причин сейчас есть в целом три тенденции развития светокультуры для наземных фотосинтетиков.
Первая. Использовать сине-красный свет. Когда выращиваемое растение не даёт вкусовых проблем под таким светом. Отмечу, что при этом проблемы с витаминами никуда не деваются.
Вторая. Использовать белый свет. Как ни странно, но ввиду того, что белый светодиод - по сути синий с растянутым в длинноволновую часть спектра частью излучения, то несмотря на большие потери при преобразовании люминофором коротковолнового излучения в длинноволновое, выигрыш в энергии фотона позволяет говорить о том, что в целом потери у белого светодиода в эффективности фотосинтеза относительно первого варианта получаются небольшими. То есть, говоря проще, что красно-синими светить, что белыми - получим примерно одинаковое количество биомассы. Кстати, это было показано даже в отечественных работах - в частности в процессе исследований при подготовке светильника для российского модуля МКС.
При освещении белым светом мы получаем приемлемый вкус продуктов, но с витаминами проблемка решается не полностью.
Третья. Использовать полноспектральные светильники с управляемым спектром. В этом случае мы получаем прекрасные вкусовые качества продуктов и полный спектр витаминов. Также, если знать, как именно нужно управлять спектром на разных стадиях развития фотосинтетика, можно заставить его производить больше биомассы или больше витаминов или больше чего угодно вообще, что зависит от спектра света. Но - как именно освещать фотосинтетик для этого и каким спектром - работы только начинают проводиться, это - ноу-хау самых продвинутых компаний.

В завершение пару слов об этом моменте.

2. Белые диоды очень плохо светят в зоне красного (660нм), а полноспектральные красным светят хорошо и должны лучше подходить расстениям.

Чем дальше мы пытаемся с помощью люминофора утащить излучение синего диода в длинноволновую область, тем большие у нас потери преобразования. Поэтому переть излучение от 450нм до 660нм очень накладно. Сейчас только-только начинает появляться технология, которая позволяет это делать без потери смысла от процесса вообще. Помните коэффициент 1,47, который у нас получился выше? Чтобы подобное преобразование имело смысл с точки зрения эффективности фотосинтеза, потери на это преобразование не должны быть больше. До последнего времени они были значительно больше и такие светодиоды ничем иным, кроме как чистейшим обманом, нельзя было назвать. В прошлом году Lumileds представил светодиоды серии Sun plus, где эффективность этого преобразования была существенно повышена. Однако, даже для тех светодиодов затруднительно говорить о том, что это выгодно с энергетической точки зрения. Но - это выгодно с точки зрения вкусовых качеств продукта. То есть в рамках вышеописанного первого подхода эти диоды вполне имеют смысл. Но - подчеркну - именно эти светодиоды, никакие иные - не имеют ни малейшего смысла! То есть все остальные подобные, как были, так и остались откровенным обманом потребителя.