У сучасному рослинництві, тваринництві та освітленні, орієнтованому на людину (HCL), на перший план виходить питання ефективного керування світловим спектром. Волькер Ной, генеральний менеджер зі світлодіодного підсвічування у Vossloh-Schwabe Lighting Solutions, звертає увагу на подібності та відмінності між людьми, тваринами й рослинами з точки зору біологічних реакцій на різні довжини хвиль. Завдяки накопиченим даним і дослідженням ми можемо точніше налаштовувати спектр освітлення, покращуючи ріст і здоров’я рослин, підвищуючи продуктивність тварин та оптимізуючи умови для людини.

ЦІЛЬ ЗАСТОСУВАННЯ СПЕКТРАЛЬНОГО СВІТЛА В РОСЛИННИЦТВІ

Основне завдання фітоламп та спеціальних світлодіодних систем у рослинництві – стимулювати ріст, розвиток і підвищувати якість врожаю. Різні ділянки спектра по-різному впливають на рослини:

  1. Фіолетово-УФ (менше 400 нм).

    • Пригнічує окремі види грибкових захворювань.

    • Стимулює криптохроми, фототропіни та фітохроми, що робить листя більш стійким до стресу.

  2. Синій діапазон (400–500 нм).

    • Керує висотою рослини та може запобігти надмірному витягуванню стебел.

    • Знижує транспірацію, допомагаючи рослинам зберігати вологу.

  3. Зелений діапазон (500–600 нм).

    • Частково компенсує «карликовий» ефект надлишкового синього випромінювання.

    • Сприяє більш рівномірному розвитку листкової поверхні.

  4. Червоний діапазон (600–700 нм).

    • Підсилює фотосинтез і впливає на розмір та формування бутонів.

    • При правильному дозуванні покращує смакові властивості плодів (наприклад, томатів).

  5. Довгохвильовий червоний (700–800 нм).

    • Прискорює достигання рослин.

    • Дає змогу оптимізувати період збору врожаю, включно з одночасним достиганням плодів.

Шляхом регулювання окремих каналів (багатокольорові фітолампи) можна комбінувати ці діапазони так, щоб одночасно досягати і прискореного росту, і належної якості врожаю. Важливо не лише загальне значення мкмоль (кількість фотонів), а й розподіл світла за довжинами хвиль на різних етапах вегетації.

ПЕРСПЕКТИВИ ЕНЕРГОЕФЕКТИВНОСТІ

Грамотно спроєктована світлова стратегія дозволяє економити електроенергію. Якщо на конкретному етапі розвитку рослини не потрібен посилений червоний спектр, його інтенсивність можна знизити, зменшуючи при цьому витрати. Така гнучкість відсутня при використанні традиційних ламп з фіксованим спектром. Багатоканальні системи також дають змогу швидко «приглушувати» небажані ефекти (наприклад, надмірне витягування стебла), забезпечуючи одночасно кращу якість врожаю та оптимальні енергозатрати.

ОСОБЛИВОСТІ ОСВІТЛЕННЯ У ТВАРИННИЦТВІ

Застосування спектрально регульованого світла у тваринництві поки що не настільки поширене, як у рослинництві. Проте уже зрозуміло, що різні діапазони хвиль можуть впливати на гормональну активність тварин, їхню поведінку та навіть імунітет:

  1. Птахівництво.

    • Зелений світ сприяє збільшенню м’язової маси в перші тижні розвитку пташенят.

    • Синій діапазон впливає на гормональну активність, прискорюючи набір ваги.

    • Жовто-біле світло поліпшує орієнтацію та зменшує стрес.

    • Червоне світло іноді використовують для зниження агресії та травматизму серед птахів.

  2. Велика рогата худоба.

    • Синє світло з довжиною хвилі близько 480 нм може пригнічувати сонливість і підвищувати надої.

    • У корів немає чутливості до спектра вище 640 нм, що потрібно враховувати під час вибору ламп.

Головним фактором у приміщеннях для тварин є мінімізація мерехтіння. Багато видів сприймають візуальні стимули значно швидше, ніж люди, і на низьких частотах (навіть до 1 кГц) в них може розвиватися стрес, що негативно позначається на продуктивності. Застосування драйверів постійного струму та коректне димування (без простого ШІМ на низьких частотах) допомагає уникнути цих проблем.

Коротке порівняння рослин, тварин та людей

Якщо тепер порівняти відомі та випробувані «спектри рослин» із спектрами, що використовуються нині у тваринництві, легко побачити, що переважаючі довжини хвиль переважно збігаються. У цьому контексті не можна дати остаточних результатів щодо амплітуд спектрального складу.

Вплив окремих світлових спектрів як біологічного стимулу людини практично не досліджено. Той факт, що синє світло (480 нм), як відомо, пригнічує вироблення мелатоніну, можна вважати першим важливим кроком до використання HCL в області загального освітлення.

Чутливість (сприйнятливість) до спектральних довжин хвиль у рослин і людей така сама, як у курей

Порівняння довжин хвиль та їх впливу на теплиці, худобу та освітлення, орієнтоване на людину

Сонячне світло забезпечує основу для всіх форм життя та організмів, при цьому лише типове відповідне середовище впливає на індивідуальні спектри: ліс та пустеля, пагорби та долини, земля та вода. У цьому відношенні фільтрація на основі довкілля може призвести до відмінностей.

Виходячи з результатів досліджень, аналізів та випробувань у всіх трьох областях (рослини, худобу та люди), здається логічним припустити, що будуть виявлені подальші подібності між ефектами, що залежать від довжини хвилі. Наприклад, у курчат рівень гормону стресу кортизолу можна знизити за допомогою «червоних» довжин хвиль. Тести за участю ув'язнених США дали зіставні результати.

Можливі наслідки

Загалом, залишається питання про правильну номенклатуру цих процесів та вимірних факторів. Поле людини, що вимірюється в люксах та люменах, не може бути розширено до довжин хвиль в інфрачервоному та ультрафіолетовому діапазонах. Пригнічення мелатоніну на довжині хвилі 480 нм може бути ефективно представлено кривою V (λ). HCL не вписується у звичайний профіль освітлення. Враховуючи типове запрошення до участі в тендері, світильник, сумісний з HCL, програє з точки зору ефективності в люменах на ват.

Протестовані параметри та подання, що використовуються у встановлених нішевих додатках, можуть стати основою змістовного обговорення. Оскільки вплив HCL на людей, як і на інші форми життя і організми, слід описувати через ступінь впливу, одиницею вимірювання цього спектрального діапазону повинні бути мкмоль.

Однак однаково можна було б оцінити ступінь впливу, якому піддається якийсь один вид, використовуючи криву чутливості відповідного роду, що вже є звичайною практикою в птахівництві. Але чи застосовні «курячий люкс» чи «галлус люкс» до всіх видів птахів?

Ефект мерехтливого та мерехтливого світла, яке в даний час досліджується на людях і призводить до створення нового та/або покращеного механізму управління, вже добре відомий у галузі птахівництва. Робочі частоти до 1 кгц негативно впливають здоров'я худоби. Інші організми з швидкою візуальною реакцією включають планктон і водорості. Цю обставину не слід недооцінювати для загального освітлення. Багатоканальні драйвери з постійним струмом можуть позитивно вплинути на бажаний результат, оскільки світло буде доступне постійно.

ПАРАЛЕЛІ З ЛЮДСЬКИМ ОСВІТЛЕННЯМ (HUMAN CENTRIC LIGHTING)

HCL (Human Centric Lighting) — відносно нова концепція, однак у птахівництві та рослинництві вже давно досліджено механізми, які можуть бути корисними і для людей:

– Синє світло (близько 480 нм) у людей також пригнічує вироблення мелатоніну, регулюючи циркадні ритми.
– Червоні та ближні інфрачервоні хвилі можуть впливати на відновлення тканин і загальне самопочуття.

Як «пташиний спектр» ширший і включає УФ та ІЧ-хвилі, люди теж мають особливі криві чутливості. Але стандартні одиниці (люмени, люкси) не відображають впливу спектра поза видимим діапазоном. Це ускладнює оцінку ефективності HCL за традиційними параметрами.

ПРОБЛЕМА МЕРЕХТІННЯ ТА ЇЇ ВИРІШЕННЯ

Ефект мерехтіння (flicker) та стробоскопічний ефект давно досліджують у птахівництві, адже надто низькі частоти призводять до підвищеної агресії і стресу. Для HCL це також актуально. У майбутньому впровадженні інтелектуальних систем освітлення варто розглянути перехід на драйвери постійного струму чи високочастотний ШІМ, синхронізований для всіх спектральних каналів. Це зробить світло стабільнішим як для зору тварин, так і для людини.

НОВІ СТАНДАРТИ ТА ОДИНИЦІ ВИМІРЮВАННЯ

У рослинництві широко застосовується одиниця «мкмоль фотонів/м²·с», що відображає кількість фотосинтетично активних фотонів (PAR). У тваринництві немає чіткої стандартизації, але враховуються криві чутливості кожного виду. У людському освітленні переважають люмени та люкси, які не охоплюють УФ чи ІЧ-випромінювання. Імовірно, подальші дослідження приведуть до появи нових методів оцінювання впливу світла на людину, аналогічно до «зеленого» та «тваринного» секторів.

ВИСНОВКИ

  1. Дослідження в галузі рослинництва та тваринництва демонструють важливість спектрального налаштування освітлення.
  2. Біологічні механізми, що залежать від довжини хвилі, багато в чому схожі у рослин, тварин та людей.
  3. Для HCL важливо враховувати як видимий спектр, а й УФ, і ближній ІЧ.
  4. Виключення мерехтіння за допомогою драйверів постійного струму та високочастотного ШІМ здатне знизити стрес у тварин та покращити сприйняття світла у людини.
  5. Необхідні єдині розширені стандарти та параметри вимірювання (на додаток до люксів та люменів) для об'єктивної оцінки біологічного впливу світла.

У найпередовіші методи освітлення тварин і рослин можуть знайти застосування й у системах, розрахованих людей. Розуміння принципів «спектрального управління» допоможе створювати по-справжньому адаптивні рішення, які позитивно вплинуть на здоров'я та комфорт усіх живих організмів.