Sposób pomiaru wydajność światła dla roślin

Istnieje wiele technik dokonywania pomiaru światła użytecznego dla roślin. Ze względu na dużą ilość zmiennych, które mają wpływ na przeprowadzane badanie (takie jak np: intensywność, spektrum światla) między producentami oświetlenia trwa ciągły spór na temat najbardziej skutecznej metody sprawdzania oświetlenia. Producenci prześcigają się w publikacjach wyników w jednostkach, przy których ich produkty osiągają najlepsze wyniki - np. lumeny, PPFD, Kelwiny lub współczynnik PAR. Zdajemy sobie sprawę, że taki stan rzeczy może wzbudzać wiele wątpliwości. 

W niniejszym artykule postaramy się wyjaśnić w przystępny sposób na jakie parametry światła reaguje roślina i jak te parametry są odzwierciedlone w najbardziej popularnych jednostkach miary oświetlenia do roślin.

Kluczem do rozwiązania zagadki jest wykres spektrum światła. W skrócie wykres ten pokazuje z jaką intensywnością dane długości światła / “kolory” są emitowane przez panel/źródło światła. Uznaje się że, najbardziej istotne długości światła / “kolory” są związane z poziomem absorpcji chlorofilu A oraz chlorofilu B. Standardem odzwierciedlenia absorpcji światła, którym kierujemy się podczas prezentowania ogólnego wyniku jest standard DIN 5031-10 (wykres poniżej). Standard ten pokazuje istotne długości światła oraz ich realny poziom absorpcji przez roślinę.

Jak można zauważyć najwyższy stopień absorpcji występuje w następujących regionach:

Kolor niebieski, długości światła:400nm - 470nm - odpowiedzialny jest głównie za fazę wegetatywną u roślin.

Kolor czerwony, długości światła: 600nm-730nm -odpowiedzialny jest głównie za fazę kwitnienia/produkcji owoców. Można również wyodrębnić trzeci region chociaż nie charakteryzuje się on wysokim poziomem absorpcji chlorofilu jest niezbędny do zdrowego wzrostu roślin.

Kolor zielono-pomarańczowy długości światła:480nm - 600nm - Te długości światła są nazwane strefą karotenoidową i pełnią głównie funkcję sygnalizacyjną w życiu rośliny.

Dysponując wykresem światła, który emituje dany panel/źródło światła jesteśmy w stanie ocenić np. czy będzie on odpowiedni do typu roślin, które chcemy uprawiać lub czy np. czy nada się do przejścia z fazy wegetatywnej do fazy kwitnienia.

Wielu ogrodników często sugeruje się numerycznymi pomiarami wyrażonymi w takich jednostkach jak: stosunek lumenów do watów, kelwiny, luxy, lumeny itd. Bardzo często kierowanie się tymi wartościami buduje niepełny obraz lub nawet może okazać się zupełnie nieistotne w stosunku do tego czego nasza roślina tak naprawdę potrzebuje.

Poniżej opiszę czym są wszystkie najczęściej spotykane wartości, które można spotkać w opisie oświetlenia dla roślin.

Lumeny, Lumeny/Wat, Lux

Są to wartości,z definicji odzwierciedlające intensywność światła, na które ludzkie oko jest wyczulone. Mierniki, które mierzą światło liczone w lumenach potocznie zwane luksomierzami. Urządzenia te dokonują korekcji pomiaru (zaburzają realny pomiar) tak aby wynik odzwierciedlał to co widzi ludzkie oko. Taki stan rzeczy czyni tą jednostkę mało użyteczną w kontekście uprawy roślin. Warto wspomnieć że ludzie najwyraźniej widzą światło żółto -zielone, jest to dokładnie odwrotność tego na co wyczulona jest roślina. Efekt ten jest zauważalny np. w sytuacji w której w jednym pomieszczeniu odpalimy lampę typu HPS oraz LED (o świetle czerwono-niebieskim), możemy wtedy zaobserwować że LED “zgaśnie” / jego światło stanie się praktycznie niezauważalne. Dzieje się tak ponieważ żółte światło z HPS’a “bombarduje” nasze oko, przez co odnosimy wrażenie że światła LED’owego jest znacznie mniej.

Wykres poniżej obrazuje czułość na dane długości światła oka ludzkiego:

Klewiny

Jest to wartość określająca standard widzianej przez ludzkie oko barwy światła białego. Można tutaj kierować się ogólną regułą, że im większa wartość w kelwinach tym większa ilość światła czerwonego. Tym samym, czym niższa wartość w kelwinach tym większość ilość światła niebieskiego. Jednak jest to reguła bardzo ogólna, należy pamiętać że każde światło białe zawiera w sobie dużą część, która zostanie zużyta w nikłym stopniu przez roślinę (obszary żółto zielone). Przez co podejmowanie decyzji jedynie na bazie kelwinów jest błędnym i wysoce niedokładnym założeniem.

µMole

µMole jest to miara, w której miernik PAR jest w stanie “zobaczyć” / “ocenić” intensywność światła. Dokonywanie pomiaru przy pomocy µMoli jest jednym z najlepiej oddających (z perspektywy rośliny) technik sprawdzania oświetlenia. Dzieje się tak przede wszystkim dlatego, że mierniki PAR nie zniekształcają wyniku w taki sposób aby rekompensował on niedoskonałości ludzkiego oka (jak ma to na przykład miejsce w luxmetrach). Jednak dokonywanie pomiaru tą techniką ma pewne niedoskonałości. Mierniki tego typu wyłapują całkowitą intensywność światła (a nie faktyczną ilość fotonów dla danego nm) w zakresie 400-700nm.

Po mimo tego, że miernik PAR został specjalnie stworzony do pracy z oświetleniem dla roślin to możemy spotkać się z problemami szczególnie podczas próby porównania do siebie różnych rodzajów światła. Nieścisłości będą wynikać z kilku powodów:

Przede wszystkim bardzo okrojonej możliwości “poinformowania” miernika o tym na jakie światło “patrzy”. Miernik nie jest spektrometrem - nie wie jakie długości światła na niego padają, wyłapuje jedynie całkowitą intensywność światła w zakresie 400-700nm (a nie faktyczną ilość fotonów dla danego nm).

Np. podczas badania panelu LED, świecącego tylko barwą niebieską (tzn w zakresie 410nm - 470nm) miernik PAR, który jest w trybie “pomiaru światła słonecznego” pokaże błędnie zawyżony wynik w uMol/M^2/S. Miernik założył, że padające niebieskie światło musi zawierać również światło czerwone, żółte, zielone etc. Wynika to z faktu, że miernik oczekuje światła dziennego, zawierającego pełne spektrum. Dlatego też energię, którą widzi ale która w rzeczywistości jest światłem niebieskim rozdzieli na wszystkie długości znajdujące się w świetle dziennym.

Aby dobrze zrozumieć jaki problem idzie w związku z powyżej opisanym błędem trzeba pamiętać, że foton każdej długość światła ma inny ładunek np. foton światła o długości 420nm (niebieski) będzie 1,5X raza “cięższy” od tego o długości 630nm (czerwony). Wysoki wynik uzyskany przy pomocy światła niebieskiego rozłożony na inne długości światła o niższych “ciężarach” nie będzie miarodajny i będzie mógł prowadzić do błędnych założeń.

Kolejnym problemem związanym z dokonywaniem pomiarów przy pomocy miernika PAR jest założenie poziomów absorpcji światła przez rośliny. Można łatwo podejrzeć, że nie każda długość światła charakteryzuje się tym samym poziomem absorpcji. Na wykresie nr DIN 5031-10 widać, że np długość światła 660nm jest absorbowana wielokrotnie bardziej niż np w przypadku długości 550nm.

Miernik PAR natomiast zakłada że mniej więcej wszystkie przedziały tzn:
400 - 520nm
520 - 610nm
610 - 700nm
są absorbowane w bardzo podobnym stopniu, co jest głównym powodem niedoskonałości tego sprzętu.

Jak to robimy w growtent.pl

Aby zapewnić naszym klientom najbardziej rzetelną ocenę, która umożliwiałaby porównanie wszystkich typów źródeł światła nasz zespół przygotował własny system przyznawania punktacji. Wynik przyznawania punktów jest prezentowany pod etykietą “wynik” przykłąd widoczny poniżej:

Za pomocą naszej miary można porównać każde oświetlenie pod względem użyteczności dla roślin - np. HPS vs LED lub LED vs CFL.

W skrócie jest to: suma wszystkich iloczynów absorpcji (wedle DIN 5031-10) oraz danego procentowego natężenia dla każdego nanometra.

Powyżej opisany algorytm można określić wzorem:

Gdzie:
SPEC(λ) - Natężenie światła dla danego nm λ
ABS(λ) - Poziom absorpcji dla danego nm λ

Dla łatwości analizy prezentujemy powyższy wynik również rozbity na 3 przedziały:

Przeprowadzamy badanie przy pomocy profesjonalnego spektrometru, który w przeciwieństwie do normalnego miernika PAR lub LUXmetra pozwala na dokładną analizę światła. Spektrometr pokazuje nam jakie jest natężenie światła (ilość fotonów) w każdym nanometrze (nm). Znając uśrednioną wartość absorpcji (DIN 5031-10) dla każdego nanometra (nm) możemy policzyć całkowity poziom absorpcji niezależnie od typu oświetlenia.

Standard wykonywanych badań

Wszystkie badania związane z oświetleniem przeprowadzane są na powierzchni 1,5x1,5m. Dokonujemy pomiaru na następujących wysokościach:
-30cm
-46cm
-61cm
-91cm
Na każdej z wyżej wymienionych powierzchni dokonujemy 13 pomiarów, których rozłożenie można zobaczyć poniżej: