Яркость освещения на дне аквариума

Tekhi - Юр, я чувствую, что мне не хватает света в аквариуме. Как думаешь, добавить? И сколько?

Ю.В. - Замерять бы не мешало освещенность перед тем как решать. Что мешает?

Tekhi - У меня нет такого люксометра, который можно под воду… Только приложение на телефоне. А его под воду страшно как-то.

Ю.В. - А ты поставь светильник над какой-то поверхностью на такой высоте, над какой он у тебя над грунтом, и замеряй.

Tekhi - Ну хорошо, замеряю. А дальше как? На сколько уменьшать эту цифру?

Ю.В. - Зачем уменьшать? Плюс-минус 10-15% это и будет твоя освещенность на дне.

Tekhi - Юр, ты опять троллишь меня? Свет же в воде ослабевает!

Ю.В. - Конечно, ослабевает. Но есть еще такое явление как “полное внутреннее отражение”. Часть света не рассеивается мимо аквариума, а возвращается обратно. Что в итоге и дает то что я только что сказал.

Tekhi - Прямо вот так? На воздухе под светильником освещенность такая же как в воде на такой же высоте?

Ю.В. - Прямо вот так, да))) Ну, со словом “примерно” только.

Tekhi - Все равно не могу поверить…. Расскажи подробнее!

Ю.В. - Ну, тогда неси кофе. )))

Tekhi - Сейчас, две минутки…

Ю.В. - Давай. А я пока бумажку-ручку найду, чтоб схемки рисовать, да фотки в телефоне поищу нужные.


Tekhi - Я готова. ))

Ю.В. - Ну, и я готов. Поехали?

Tekhi - Конечно.

Ю.В. - Собственно никаких фундаментальных физических открытий не было. Все давно известно еще с тех времен, когда дедушка Архимед сжег с помощью зеркал флот римлян. Сейчас это изучают в школе на физике в 10-м классе во время курса оптики. Ну, с некоторыми теоретическими уточнениями, которые лет через тысячу после Архимеда сделал Максвелл. Но вот чтоб этот эффект как-то учитывался в аквариумистике, мне слышать пока не приходилось.

Tekhi - Мне уже не по себе!

Ю.В. - Не бойся, я постараюсь рассказать, как говорится, “на пальцах”. Обратил я внимание на это, когда тестировал свой новый светильник от RST_tech. Я тогда измерял освещенность под ним. На 100% на дне было около 9500 лк (средняя шкала).

Tekhi - Да, я помню это фото.

Ю.В. - В какой-то момент мне стало интересно, а сколько же он выдает на воздухе? Ну, чтоб прикинуть этот пресловутый коэффициент ослабления. Взял я пару табуреток, поставил светильник на те же 60 см от люксометра, что и в аквариуме, и включил. Результат немного шокировал…

Tekhi - Как-то показаний прибора не очень видно…

Ю.В. - На тебе показания прибора.

Tekhi - Те же 9500? Не может быть! А как же вода?

Ю.В. - Ну вот теперь давай разбираться. Ты же помнишь, что свет, попадая из одной среды в другую, отклоняется, если оптическая плотность сред разная?

Tekhi - Да. Это, кажется, называется преломлением?

Ю.В. - Да. Светодиодные светильники обычно имеют угол развертки в 120 градусов. Ну, плюс-минус. Т.е. это получается 60 градусов к вертикали. После попадания в воду, луч света преломляется и его угол к вертикали становится меньше, т.к. вода оптически более плотная.

Обозначим угол падения “α”, а угол преломления “β”. В итоге, мы можем нарисовать вот такую схемку:

Нам нужно узнать угол преломления β.

sinα/sinβ = n2/n1

где n1= 1- коэффициент преломления воздуха, а n2 = 1,33 – коэффициент преломления воды.

В итоге,

β = arcsin((sinα*n1)/n2) = arcsin((sin60*1)/1.33) = ~41 град.

И именно под этим углом он и выходит за пределы аквариума.

Tekhi - Подожди! Там же еще стекло есть! Оно же тоже преломляет!

Ю.В. - Есть. И преломляет. Потому что его оптическая плотность выше, чем у воды (относительно воздуха 1,5). Но после выхода на воздух из стекла луч света тоже преломится в обратную сторону и выйдет на воздух параллельным тому лучу, который шел в воде.

 

Tekhi - Да ну?

Ю.В. - Если ты мне не веришь, то можешь сама спокойно пересчитать по формуле и решив систему:

sinα /sinβ = n2/n1

{sinα /sinβ1 = n3/n1, sinβ1 /sinγ = n2/n3, sinα /sinγ = n2/n1}
где n1, n2, n3 это коэффициенты преломления воды, стекла и воздуха соответственно. Ты получишь что α = γ.

Tekhi - Нет-нет, всё, верю! )))

Ю.В. - Ок. И доказательством того, что угол падения света в воду уменьшается, служит вот эта фотка.

Tekhi - Но ведь здесь, если провести линию от светильника до края светового пятна, никак не 41 градус! В лучшем случае 10!
Ю.В. - Ага. И самое интересное дальше. Есть такое понятие – полное внутреннее отражение. Свет, переходя из оптически более плотной среды в оптически менее плотную (например, из воды в воздух), в какой-то момент (в зависимости от угла падения) преломляется настолько, что уже не выходит во вторую среду, а возвращается обратно. В частности, для перехода из воды в воздух это 41 градус к границе раздела двух сред. Тебе цифра 41 ничего не напоминает?

Tekhi - Кажется, напоминает…

Ю.В. - Смелее, Ириш! ))

Tekhi - Это тот 41 градус, под которым к стеклу подходит свет, который падает на поверхность воды под углом 60 градусов, если угол развертки светильника 120 градусов?

Ю.В. - Именно! И поэтому свет от светильника не рассеивается по комнате мимо аквариума, а возвращается в него обратно.

Tekhi - Стой, а стекло? Вода ж не напрямую с воздухом контактирует? Между ними же стекло есть!

Ю.В. - А со стеклом мы чуть выше разобрались, его можно не учитывать.

Tekhi - Точно! Забыла, прости. Продолжай, пожалуйста.

Ю.В. - Да, так это в теории. На практике же чуть по-другому. И не факт, что развертка на светодиодах именно 120 град, может быть чуть выше, и коэффициент преломления воздуха по большому счету не 1, а чуть больше (1 это в вакууме), и для воды он 1,5 для абсолютно чистой, а в аквариуме она не абсолютно чистая. Конечно же, присутствует и отражение света от поверхности воды. Ну, и куча еще всяких факторов, в результате которых на этой конкретной фотке, на этом конкретном аквариуме и с этим конкретным светильником ты все таки видишь, что небольшая часть света все-таки выходит за пределы аквариума. Но факт остается фактом, бОльшая часть света (кроме отраженного от поверхности) не рассеивается как на воздухе, а возвращается обратно в аквариум.

Tekhi - А бОльшая, это какая? А отраженная, это какая?

Ю.В. - Ну, это в каждом конкретном случае своя. Но если ты посмотришь на такую простенькую схемку

то даже на глазок увидишь, что площадь пятна рассеивания минимум втрое больше, чем площадь аквариума в плане. Что касается отраженного от поверхности воды света, то судя по темному потолку над аквариумом, его не так много. )) Во всяком случае, мы сейчас не ставим задачу решить уравнение Максвелла для всех аквариумов мира – мы пытаемся нащупать тенденции и наработать небольшой эмпирический опыт. Вот, например, как ведет себя световое пятно на полу если светильник двигать от заднего стекла к переднему и обратно.

Догадываешься почему так? Или подсказать?

Tekhi - Нет, стой, давай попробую сама. Когда светильник находится сзади, те лучи которые разворачиваются под углом бОльшим 120 градусов (60 градусов к вертикали) и которые все равно попадают в воду потому что перед ними водная поверхность на достаточно большое расстояние простирается, преломляются в воде, но попадают на стекло под углом бОльшим чем 41 градус и не отражаются, а преломляются. И поэтому под таким острым углом уходят за аквариум образуя яркое пятно на полу. Так?

Ю.В. - Так. Давай дальше))

Tekhi - Когда ты придвинул светильник под переднее стекло, они в воду уже не попадают и просто проходят через верхнюю часть стекла на пол под все тем же углом примерно 60 градусов к вертикали. Да?

Ю.В. - Да. А куда девается в этом случае яркое пятно на полу?

Tekhi - Ну как куда? Те лучи которые попали таки в воду, попали в нее уже под углом 60 градусов и меньше (те, у которых угол был больше ведь прошли мимо), а значит вначале преломились до 41 градуса и меньше, а потом отразились обратно в аквариум. Вот яркого небольшого пятна света и не стало. Правильно?

Ю.В. - Правильно, молодец!

Tekhi - Понятно. )) Да, так судя по твоей схеме, ты хочешь сказать, что освещенность на дне аквариума будет втрое выше, чем на воздухе под светильником?

Ю.В. - Нет, Ириш, я этого сказать не хочу. Во-первых, все таки есть потери за пределы аквариума. А во-вторых, все таки не забывай о затухании света в воде из-за его поглощения водой. А оно намного существеннее, чем на воздухе.

Tekhi - Другими словами, за счет полного внутреннего отражения мы освещенность на дне повышаем, а за счет затухания в воде она снижается?

Ю.В. - Именно так. Поэтому, кстати, в природных водоемах или в каких-нибудь бассейнах этого эффекта нет, только чистое затухание ввиду поглощения света водой и отсутствия на его пути границ сред, способных вызвать внутреннее отражение. ))

Tekhi - И что мы в итоге получаем по факту?

Ю.В. - По факту мы получаем как карта ляжет. От некоторого уменьшения освещенности по сравнению с “на воздухе” до некоторого увеличения.

Tekhi - Прям увеличения? Да ну?!

Ю.В. - Ну да! Вот смотри, еще один аквариум. Невысокий. На нем простенький узенький в один ряд диодов светильник. Имеем на дне 2500 лк (верхняя шкала).

А вот он же на воздухе на такой же высоте.

Tekhi - 1750 лк? Настолько на воздухе меньше, чем на дне аквариума? Ничего себе!

Ю.В. - Да, в этом случае так – высота аквариума меньше, чем в большом на первых фотках, соответственно, поглощение света в воде меньше. Так что этот фактор тоже надо учитывать.

Tekhi - А расположение светильника над аквариумом?

Ю.В. - Безусловно тоже. Оно существенно влияет. Вот смотри, тот же аквариум, тот же светильник, но уже над серединой.

И уже не 2500 лк, а 2000 лк.

А если разместить светильник возле заднего стекла, то сразу резко 1000 лк.

Считай в 2 – 2,5 раза меньше. Догадываешься, почему?

Tekhi - Потому что лучи света перестают попадать на стекло и отражаться обратно?

Ю.В. - Конечно. И тут уже в полный рост, как говорится, начинает проявлять себя затухание.

В принципе, если хочешь, то можешь сама по этим размерам в масштабе прорисовать и убедиться что это так.

Tekhi - Юр, а если стенки зарастут налетом, отражение уменьшится?

Ю.В. - Ну, как бы по логике да, налет-то должен что-то поглощать. Но по факту я этого практически не заметил.

Те же по сути без чуть-чуть 10000 лк на дне, что и с чистыми стенками. Не знаю, может мало обросли стенки? Ну совсем уж по-хамски к аквариуму подходить не хотелось. Обычное “рабочее” обрастание на освещенность не сильно влияет.

Tekhi - А если вода мутная?

Ю.В. - Ну, по механизму поглощения тоже должно бы быть ослабление. Но при некоей средней (я бы даже сказал несколько выше средней) мутности особо разницы тоже не увидел.

Все те же без чуть-чуть 10000 лк.

Tekhi - Ну, со светодиодным светом я поняла. А если люминисцентные лампы, то тоже этот эффект присутствует?

Ю.В. - Здесь зависит от отражателя, Ир. Люмка сама по себе – это даже в первом приближении не источник направленного света, она равномерно светит во все стороны вокруг себя. Соответственно, и к стеклу лучи света подходят под совершенно  разными углами, в т.ч. и куда бОльшими, чем 41 градус. Поэтому, если у тебя нормальный параболический отражатель, лампа находится в его фокусе и не выступает за его пределы, то да, все будет точно так же. Но такие отражатели – редкость. Чаще бывают простые на коленке гнутые пластины с неизвестным углом и выступающими за них лампами. В этом случае эффект меньше. Вот, например, я замерял на паре люмок со средненьким отражателем. На воздухе 3000 лк (средняя шкала).

А в аквариуме сразу чуть больше 2000 лк (в полтора раза меньше).

Tekhi - Ну не в 2,5 же?

Ю.В. - Да. Но все ж из-за плохого отражателя этот эффект снижается.

Tekhi - Юр, а по высоте аквариума как меняется освещенность? Ты не проверял?

Ю.В. - Проверял. )) Даже ролик снимал. Где-то примерно на первой трети высоты моего аквариума (50 см общая) освещенность достаточно резко падает по мере увеличения глубины погружения. А потом стабилизируется и до дна уже практически не меняется. В начале идет затухание по мере увеличения водяного столба, а потом попадаем в зону, куда уже доходят отраженные от стекла лучи.

Tekhi - Ух ты, как наглядно! Спасибо!

Юр, а ты можешь все то, что ты мне рассказывал, сформулировать в виде четких и конкретных рекомендаций. Чтоб я не запуталась, если что?

Ю.В. - Зачем? Спросишь, если что, я расскажу.

Tekhi - А если тебя рядом не окажется?

Ю.В. - Это чего меня не должно оказаться рядом? Куда я от тебя денусь? Разве что ты решишь от меня избавиться…

Ну ладно, попробую сформулировать…

Итак.


 

1. Для оценки яркости светильника тебе не нужно теперь пользоваться ни “вт/л”, ни “лм/л”. Фтопку их. “Люкс”- освещенность на дне – рУлит.

 

2. Для замера освещенности на дне тебе теперь не нужно ни топить в аквариуме свой айфон, ни мучиться с надеванием на него пакета. Достаточно просто замерять освещенность на воздухе под светильником на высоте такой же, как расстояние от него до грунта в аквариуме. Подойдет любое приложение “люксометр”- их полно что в аппсторе, что в гугл-плейе.

 

3. Получив результат, ты должна соотнести его со своим аквариумом и с шириной светильника.  Если аквариум высотой 40 – 50 см (самый распространенный размер для травника), а светильник достаточно широкий или двойной, то можешь сразу смело ориентироваться на это число – примерно столько же и на дне по всей банке. Если светильник узкий, то освещенность на дне будет зависеть от места его установки. Если в передней трети аквариума, то так у тебя на переднем плане и будет. К заднему плану освещенность будет на дне снижаться где-то максимум вдвое. Если светильник в центральной части аквариума, то будет на переднем и среднем плане равномерно и примерно 80 – 85% от полученного на воздухе. К заднему плану ближе ставить светильник смысла нет – спереди и по центру освещенность снизится чуть не втрое, а сзади эффекту отражения будут мешать растения, коих сзади обычно много.

Если у тебя аквариум ниже (обычно 25 +- см  для маленьких аквариумов), то все точно так же, но показания люксометра на воздухе нужно умножить на 1,2 – 1,3.

Если аквариум высокий (60 – 70 см), то все точно так же, но показания люксометра на воздухе нужно разделить на 1,2 – 1,5.

 

4. Лучше иметь два узких светильника послабее или один широкий, чем один узкий помощнее. Потому что два узких ты можешь выставить спереди и сзади и этим добиться равномерного освещения и дна, и толщи воды. В одном узком же, уставновленном посередине или ближе к заднему плану, для получения нужного освещения почвопокровки переднего плана тебе придется пересвечивать верх аквариума, чтоб выйти на нужный уровень.

 

5. Если у тебя один узкий, недостаточный для освещения всего аквариума, а нужен свет поярче для почвопокровки, то устанавливай его пониже и максимально близко к переднему стеклу. Задний план в крайнем случае можно досветить и примитивной слабенькой лампочкой- сзади растения обычно высокие и они попадают в зону не очень сильного затухания света от воды.

 

6. Если у тебя люминисцентные лампы, то все точно так же, при условии, что у тебя на них хорошие отражатели. Если отражатели не ахти, то показания люксометра смело дели на 1,5 – 1,7. Если отражателей нет, то тогда на 2,5-3.

 

7. Если у тебя есть выбор, брать светильник с линзами на светодиодах или без них, то бери лучше с линзами. Они ничего на дне “не фокусируют”, как пытаются некоторые рассказать, но они уменьшают угол развертки диодов и, соответственно, в том случае, когда светильник находится в таком месте, что рассчитывать на отражение не особо приходится (например, аквариум имеет большую ширину и светильник находится посередине или ближе к задней стенке), меньше потери на рассеивание за пределы аквариума. 

 

Ну и последнее. Если ты привыкла к устаревшей системе оценки света (в вт/л для ЛЛ или в лм/л для СД), то вот тебе очень приблизительные зависимости для пересчета в лк на дне. Ну ооочень приблизительные. Так, в виде точки отсчета для дальнейших шагов.

 

1000 лк ~ 0,3 вт/л, 15 лм/л

2000лк ~ 0,5 вт/л, 25 лм/л

3000 лк ~ 0,7 вт/л, 35 лм/л

5000 лк ~ 1 вт/л 45-50 лм/л.

 


Как-то так. ))) Разберешься, если что?

Tekhi - Конечно, разберусь, спасибо огромное! А если не разберусь, то у тебя спрошу, куда ты денешься-то? )))

Ю.В. - Кто бы сомневался! ))