Давайте вспомним, что такое индекс цветопередачи. В принципе, ИЦ является количественным показателем того, как объект выглядит под освещением от данного источника света по сравнению с эталонным источником света*. Это число указывают производители светодиодов, для предоставления покупателю качественной информации о своей продукции.
* Эталонным источником света принято считать дневной солнечный свет, ИЦ которого имеет максимальное значение, равное 100
На мой взгляд у ИЦ не все так гладко, особенно касательно применения к растительным аквариумам. Допустим вы получите некоторую информацию о том, на сколько реалистично выглядят предметы под светом из данного источника. Но никакой информации о том, насколько эстетично они выглядят, не получите. Еще одна серьезная проблема заключается в том, что в расчетах ИЦ не учитывается тест R9 красного цвета. Поэтому неизвестно насколько точно воспроизводится красный цвет. Другими словами, источник света вообще может не воспроизводить красный цвет (R9 = 0), и в то же время иметь высокий ИЦ.
Быстрое развитие светодиодов принесло с собой и моду на высокий ИЦ (CRI). Я с этим не совсем согласен, и сейчас объясню почему.
Итак, насколько можно доверять ИЦ? Ответ зависит от преследуемых целей. Если хотите реалистичные цвета - ищите светильник с высокими значениями ИЦ и R9. Если же нужно, чтобы просто было красиво - выбирайте освещение с ИЦ > 80, высоким R9 и настраивайте спектр по своему вкусу. Стремитесь к высокому ИЦ, но без одержимости. Высокий ИЦ не дает гарантии, что лично вам понравится, то как выглядит аквариум.
Позвольте завершить эту часть тремя фотографиями моих любимых аквариумов (по убыванию). У них довольно низкий ИЦ, но они самые красивые, какие я видел за свою жизнь.
Также не раз приходилось видеть аквариумы, освещенные светильниками с более высоким ИЦ, но выглядящими гораздо хуже.
Рис 1. Аквариум Dennis (Xiaozhuang) на plantedtank.net (ИЦ ~78)
Рис 2. Аквариум ChalupaBatman на plantedtank.net (предполагаемый ИЦ 80-90)
Рис 3. Аквариум Burr740 на plantedtank.net (ИЦ неизвестен)
Часто говорят, что в свете люминесцентных ламп растения выглядят лучше, чем в свете светодиодов. Соглашусь с этим, если только речь идет о нестандартных решениях, обусловленных более долгой историей применения люминесцентных ламп. Светодиоды находятся пока что в самом начале своего пути, однако при грамотном подходе уже демонстрируют гораздо большую степень настраиваимости и большие возможности.
Как работает белый светодиод? Грубо говоря, у него есть излучатель, который при прохождении электрического тока испускает голубой свет (обычно 450 нм). Излучатель покрыт люминoфopом, частично поглощающим синий свет и преобразующем его в преимущественно зеленый и желтый, что мы воспринимаем, как белый.
Рис 4. Зеленая линия – усредненный спектр излучения нейтрально-белого светодиода.
Как видно из графика, обрезается все, что ниже 430 нм и выше 650 нм, с пиком красного где-то в районе 620 нм и синего в области 480 – 500 нм.
Отсутствие красной части спектра приводит к тусклой окраске красных и оранжевых цветов, а отсутствие синей части, приводит к плохой различимости зеленых оттенков. Следовательно, два самых важных цвета растительного аквариума плохо выглядят под светом обычного светодиода. Проблема усугубляется для диодов с холодным белым цветом. Некоторые производители пытаются решить проблему добавлением красных светодиодов в свои светильники, но на мой взгляд делают это в недостаточном количестве.
Люминесцентные лампы работают почти по такому же принципу, как и светодиоды. Они представляют собой заполненные ртутным паром резервуары, выделяющие УФ- излучение, которое люминофорное покрытие стенок лампы преобразовывает в световые волны с большими длинами. Что касается видимой части спектра, то люминесцентные лампы выдают красный цвет (обычно на 630 нм) и некоторую форму голубого диапазона на 500 нм и даже значительную эмиссию на 450 нм. Так что у них изначально цветопередача лучше.
Рис 5. Спектры излучения обычных флуоресцентных ламп OSRAM T5. Обратите внимание на присутствие красных и голубых областей, а также значительное излучение ниже 450 нм (фиолетовый)
У специальных растительных ламп спектр более акцентированный. У легендарных Sylvania Gro-Lux, Hagen Aqua-Glo и Arcadia Plant Pro красный 660 нм, синий 500 нм и две полосы фиолетового 430 и 400 нм соответственно.
Рис 6. Спектры излучения специализированных люминесцентных ламп T5. (слева) Hagen Aqua Glo, (справа) Sylvania Gro Lux. Обратите внимание на наличие интенсивной темно-красной зоны, а также на пики излучения при ~ 430 и 400 нм (фиолетовый)
Яркость освещения – это еще один важный аспект восприятия аквариума. Некоторым, включая меня, больше нравятся аквариумы, освещенные тусклым светом. Часто люди фотографируют свои аквариумы с несколько приглушенным освещением. Вероятно, это связано с ощущением человеком яркости различных цветов, чувством глубины и таинственности, которые она создает.
Но яркий свет просто необходим для хорошего роста растений – скажете вы. И будете совершенно правы. А что если я вам сообщу, что эти две точки зрения не являются взаимоисключающими?
Дело в том, что человек и растения по-разному воспринимают свет. Основные фотосинтетические пигменты, хлорофиллы А и Б, поглощают свет, спектр которого показан на рисунке. С их точки зрения, часть спектра между 500 и 620 нм не нужна.
Рис 7. Спектры поглощения хлорофилла a, b и каротиноидов (сверху) и результат воздействия спектра на фотосинтез (PAR, внизу)
Однако, картина резко меняется, когда мы принимаем во внимание вспомогательные пигменты (так называемая кривая Маккри, McCree). Здесь видим, что наименее полезным становится свет в диапазоне между 450 и 550 нм, правда проседает он не много, примерно на 25%. Таким образом, для фотосинтеза длина волны вообще не особо важна. Человек же практически не видит свет ниже 450 нм и выше 660 нм, при этом максимум чувствительности приходится где-то на 560 нм.
Кривая Маккри
Поэтому, используя свет фиолетовой части спектра (400-450 нм) и почти инфракрасной (650-700 нм), можно достичь очень интенсивного фотосинтеза, но при низкой яркости освещения.
Изменяя отношение света этой невидимой для нас части спектра к видимой (между 450 и 550 нм) можно достичь разных уровней воспринимаемой яркости. Вот из-за этого и не стоит полагаться на глаза, оценивая количество света. Например, на рис.3 аквариум не выглядит ярко освещенным, хотя и имеет 100 – 120 par на грунте.
Как уже говорилось ранее, красный свет важен для подчеркивания красных цветов и оттенков. Однако свет синей и фиолетовой части спектра лучше проникает сквозь толщу воды. Вода почти не поглощает видимую часть светового спектра (потому и прозрачная), но в красной области поглощает свет почти в 10 раз больше, чем в синей. Другими словами, если взять два источника света с одинаковыми фотонными потоками, но один красный, а другой синий, то синий покажет более высокую интенсивность на дне резервуара.
Здесь я должен сказать, что в реальной жизни все не так просто. В реальной жизни вступают в игру другие факторы, например, рассеяние света или прозрачность воды. Например, в случае желтоватой воды (может из-за танинов) результат окажется противоположным. Большая часть синего света поглотится желтыми пигментами (желтый цвет и образовывается при поглощении синего), а красный пройдет беспрепятственно.
Большинство людей, похоже, осознали важность красной части спектра, и стали включать его в аквариумные светодиодные светильники, чего не скажешь о фиолетовой области. Очень немногие оценили преимущества света, с длиной волны в диапазоне 400-430 нм: высокий PAR, глубокое проникновение, низкую ощущаемую яркость и способность вызывать буйство красок (особенность связана с флуоресценцией некоторых пигментов при облучении светом с высокой степенью энергии). К сожалению, кроме любителей рифовых аквариумов, редко кто включает синие светодиоды в свои светильники.
Помните, в самом начале я говорил о том, что люминесцентные лампы излучают ультрафиолет, а белые светодиоды излучают синий свет? Вот только я не сказал, что не весь ультрафиолет поглощается люминофором. Несколько процентов прорывается наружу (особенно около 365 нм и 400 нм, рис. 11). С возрастом лампа излучает все больше ультрафиолета, потому что люминофор постепенно разрушается.
Вот тут на мой взгляд начинается самое интересное. Ультрафиолет опасен для ДНК. Ультрафиолет А (320-400 нм) вызывает образование меланинового пигмента (загара) в коже человека, который защищает ДНК от разрушения ультрафиолетом Б (280-320 нм).
Помимо возможного повреждения ДНК, есть еще одна причина, по которой растения хотели бы защитить себя от интенсивной энергии света.
Под действием света основной фотосинтетический пигмент хлорофилл может быть разрушен либо непосредственно ультрафиолетом, либо путем окисления реактивной формой кислорода (синглетный кислород). Синглетный кислород образуется, когда пигмент молекулы, которая только что поглотила свет (возбужденная молекула), сталкивается с молекулой кислорода. Выработка синглетного кислорода тем больше, чем меньше длина световой волны.
Так совпало, что каротиноиды поглощают свет именно в этой области высоких энергий спектра (<500 нм). Что еще более важно, так это то, что как каротиноиды, так и антоцианины являются очень хорошими антиоксидантами и, таким образом, чрезвычайно эффективно избавляются от синглетного кислорода. Возможно это защищает главный фотосинтетический пигмент от разрушения (окислительного повреждения), вызванного высокой интенсивностью света.
Таким образом, может ли свет с высокой энергией (360-420 нм) вынуждать растения к большей выработке антоцианинов и каротиноидов? В литературе есть примеры, в которых выработку антоцианинов и каротиноидов в яблоках, моркови, репе, вишне, салате и плесени связывают с УФ-А или УФ-В.
Сам процесс до сих пор плохо понимается, однако, как полагают, он регулируется фиолетовыми светопоглощающими рецепторами, называемыми криптохромами. И есть факт с которым согласны все – красный свет не увеличивает выработку антоцианов.
На самом деле эта проблема является одним из недостатков выращивания растений под искусственным светом. Она до сих пор исследуется. Есть данные, свидетельствующие о том, что количество соединений, ответственных за запах, вкус и целебные свойства растений не очень велико, когда они выращиваются под освещением, дающим только видимый спектр. Их содержание, однако, быстро увеличивается при использовании света УФ-А и УФ-В. Не зря же любители выращивать "травку" растят ее под УФ лампами, чтобы получить гораздо большее содержание ТГК.
Должен сначала сказать, что я использовал сильно модифицированные светильники Chihiros, на основе светодиодной ленты с диодами SMD 5630, 8000K. Первое, что я попробовал сделать – это снабдить так называемые «grow strips» светодиодами с длинами волн 630 нм и 450 нм. Естественно, улучшились красные цвета. Однако улучшения выработки антоцианинов или каротиноидов я не заметил. В какой-то момент я пользовался только этими «grow strips» и пигментация растений ухудшилась. Возможно это связано с более низкой эффективностью цветных светодиодов.
Следующее, что я пробовал сделать - заменил некоторые светодиоды белого света на 400 нм SMD 5050s. Несмотря на общую низкую мощность (я вынужден был снизить мощность из-за водорослей), цвет растений улучшился.
Хочу заметить, что у меня нет собственного PAR-метра, да и вообще не существует такой PAR-метр, который мог бы измерить PAR на таких низких длинах волн. Таким образом вопрос о том, действительно ли интенсивность света оставалась неизменной / увеличивалась / уменьшалась – остается спорным. Субъективно, из-за низкой эффективности и сниженной мощности светодиодов SMD 5050s, казалось, что поток фотонов фактически уменьшился.
К сожалению, пришлось этим и ограничиться. Я не смог тестировать светодиоды с длинами волн 420 нм или 370 нм, ввиду их отсутствия. Сейчас я собираюсь сэкономить и сделать самодельный светильник на основе мощных светодиодов, где я мог бы использовать любую длину волны от 360 до 730 нм.
Еще предстоит выяснить, являются ли ультрафиолет А или фиолетовый свет более эффективными из всего спектра, для выработки растениями пигмента. В случае, если УФ-А окажется полезным, следующим шагом станет поиск правильного баланса, потому что если его будет слишком много, это скорее всего, приведет к повреждению растений. В любом случае, думаю, что любители выращивать аквариумные растения сильно недооценивают эту часть спектра. С развитием светодиодов, у нас появилась возможность контролировать состав и интенсивность спектра. Такого еще не было в аквариумистике и эту возможность надо использовать.
