Světlo

Definice světla

Světlo je viditelná část elektromagnetického záření. Pro člověka se jedná o záření s vlnovými délkami v rozmezí 390 až 760 nm. Jiní živočichové mají toto rozmezí mírně odlišné. Fotometrie je poměrně složitý vědní obor a je velmi obtížné ve zjednodušené formě podat všechny informace, které by chovatel mohl potřebovat pro rozhodnutí, jaký zdroj světla pro svého mazlíčka pořídit, aby mu co nejvíce vyhovoval. K tomu by měl posloužit i tento odborný článek.

Na následujícím obrázku je znázorněný rozsah elektromagnetického záření podle vlnových délek, popis jednotlivých vln (nebo záření) a pro rychlou orientaci je uveden i přepočet na frekvenci záření. Používání označení záření a vlny je pouze historickým přežitkem, ve fotometrii to má stejný význam. Pouze ze setrvačnosti se jaksi podvědomně pro krátké vlnové délky používá označení záření, což evokuje určitou nebezpečnost elektromagnetického záření s krátkými a velmi krátkými vlnovými délkami. Není tedy žádnou chybou, pokud někdo použije termín gama vlny místo zavedeného gama záření, stejně tak je jedno, jestli místo zavedeného názvu mikrovlny někdo použije označení mikrozáření. S elektromagnetickým zářením a tím i se světlem se pojí pojem foton, který je vysvětlen v textu dále.

Pro chovatele terarijních zvířat je rozhodující oblast viditelného spektra (viditelné světlo) s malým přesahem do UV oblasti a také částečně i do infračervené oblasti. To proto, že zejména plazi mají mírně posunuté spektrum vnímaného světla a jejich receptory jsou tak schopné registrovat i světlo v rozsahu vlnových délek již asi od 340 nm po zhruba 800 nm. Záření kolem 340 nm spadá již do UV oblasti, konkrétně do UVA oblasti (315 až 400 nm). Záření kolem 800 nm zase spadá již do oblasti infračerveného záření, konkrétně do NIR oblasti (760 nm až 1,4 mikrometrů). Jen pro zajímavost, i člověk je schopen jako světlo vnímat menší část infračerveného záření, protože podle definice je záření o vlnové délce 760 nm již v pásmu určenému pro infračervené záření.

Záření o vlnových délkách v oblasti viditelného světla je v atmosféře pohlcováno jen minimálně a dopadá na povrch Země. Dochází pouze k jeho rozptylu. Právě těmto vlnovým délkám se přizpůsobil vývoj živočichů a rostlin. U živočichů se vyvinulo oko jako specializovaný orgán pro vnímání a vyhodnocování jednotlivých vlnových délek. Schopnost oka vyhodnotit přijatou intenzitu jednotlivých vlnových délek (barev) pak umožňuje získat prostorový vjem sledovaného předmětu nebo kořisti.

Na dalším obrázku je znázorněn průchod záření o různých vlnových délkách atmosférou. Zatímco záření s vlnovou délkou zhruba nad 600 nm prochází atmosférou prakticky s nulovým rozptylem, záření s krátkými vlnovými délkami interagují s molekulami plynů, aerosolů a mikroskopickými částicemi a dochází k jejich rozptylu. Rozptyl je tím větší, čím kratší je vlnová délka. V případě záření o vlnových délkách v oblasti UVC a kratších dochází k tak intenzivním interakcím, že je prakticky pohlceno částicemi v atmosféře a na povrch Země nepronikne. Velkou roli v pohlcování energie fotonů s velmi krátkými délkami vln hraje ozónová vrstva atmosféry.

Světlo bylo již předmětem zájmu učenců starověku, ale teprve I. Newton se pokusil popsat světlo fyzikálními veličinami a chápal ho jako proud malých částic hmoty. Toto pojetí však nedokázalo vysvětlit některé poznatky získané jinými učenci, například proč se paprsek světla při vstupu do skleněného hranolu odchyluje od původního směru dopadu na hranol. Teprve CH. Huygens poprvé popsal chování světla jako vlnění. Nyní je světlo chápáno jako vlna a současně jako částice, je tedy uznávána teorie o dualitě částice a vlnění. Z tohoto důvodu lze světlo posuzovat z různých hledisek. Pro potřeby chovu zájmových zvířat je rozhodující hledisko fotometrické, a proto je tento článek zpracovaný především podle fotometrických kritérií.

Vlnová délka

Vlnová délka označuje vzdálenost mezi dvěma nejbližšími body postupného periodického vlnění, přičemž oba body kmitají ve stejné fázi. Na obrázku jsou pro lepší pochopení znázorněny 2 příklady. Žluté body znázorňují případ, kdy se záporná půlvlna mění na kladnou půlvlnu (křivka protíná osu x). Zelené body ukazují stejný případ, ale posunutý do kteréhokoliv okamžiku vlny. Za vlnu se považuje průběh křivky znázorněný mezi žlutými body.

Sluneční viditelné světlo je směsí záření o vlnových délkách od 390 do 760 nm. Proč zrovna tento rozsah vlnových délek? Souvisí to s teplotou světla. Teplota povrchu Slunce je zhruba 5780 Kelvinů a při této teplotě svítí Slunce nejvíce. Řečeno mluvou fyzika, maximum v rozložení intenzity záření leží právě uprostřed viditelné části spektra.

 

Frekvence

Frekvence (kmitočet) je fyzikální veličina, která udává počet opakování periodického děje za jednotku času. V případě záření se jedná o počet pravidelně se zopakujících stejných vln za sekundu. Záření se také vztahuje k rychlosti světla a proto je i přepočet vlnové délky na frekvenci jednoduchý. Například záření o vlnové délce 500 nm má frekvenci zhruba 600 THz (299 792 458 : 0,0000005 = 599 584 916 000 000 Hz). Přípona T znamená Tera = 1 000 000 000 000. Případné zpomalení fotonů průchodem atmosférou lze z hlediska výsledku zanedbat, proto lze pro výpočet použít rychlosti světla ve vakuu.

Elektromagnetické spektrum

Elektromagnetické spektrum zahrnuje elektromagnetické záření všech možných vlnových délek. Často se označuje jako Maxwellova duha. Dělení záření podle vlnových délek je znázorněno na úvodním obrázku. S jistou nadsázkou lze říct, že nositelem záření jsou fotony.

Slunce vyzařuje fotony, což jsou elementární částice vztahující se k energii. Je to stabilní částice, její poločas rozpadu je nekonečný, avšak může vznikat a zanikat při interakci s hmotou. Elektrický náboj fotonu je roven nule a foton existuje pouze v pohybu. Ve vakuu má rychlost rovnou rychlosti světla, tzn. 299 792 458 m za sekundu. Při pohybu ve vakuu má tedy nulovou klidovou hmotnost, což vychází z Einsteinovy teorie relativity. Jedná se o částici, na kterou se v plném rozsahu vztahuje princip dualismu částic - chová se jako hmotná částice a zároveň jako vlnění. Čím nižší energii foton má, tím více se projevuje jako vlnění. Naopak, při vysokých energiích a tedy i při vysokých frekvencích se foton projevuje více jako částice.

 

Délka vln elektromagnetického záření vycházejícího ze Slunce se mění při vstupu do atmosféry. Tento jev popsal A. H. Compton při studiu odrazů rentgenového záření od uhlíkové destičky. Všimnul si, že se energie odrážejících fotonů snižuje a proto usoudil, že se musí zvětšovat vlnová délka dopadajícího záření. Důvodem tohoto jevu je skutečnost, že dopadající záření předává část své energie atomům nebo elektronům materiálu překážky (v jeho případě uhlíkové destičce). Díky tomuto jevu také vidíme jasnou oblohu jako modrou nebo zataženou oblohu jako šedou. Dnes se ví, že při Comptonově jevu se počet dopadajících fotonů na jednotku plochy nemění, fotony pouze ztrácejí část své energie, rozptylují se a zvětšují svoji vlnovou délku.

Comptonův jev způsobuje, že foton vyzářený Sluncem po průchodu atmosférou Země snižuje svoji rychlost a tím se stává hmotnějším. Neznamená to ovšem, že se zvyšuje jeho klidová hmotnost (ta je za všech okolností rovna nule), ale v souvislosti s fotony se mluví o pohybové hmotnosti. A na tu už působí setrvačné a gravitační síly. Praktickým důsledkem tohoto jevu je "ohýbání" světla ve vesmíru při průchodu kolem velkých hmotných těles. Tato vlastnost světla umožňuje odhalování nových vzdálených planet. Na Zemi je praktickou ukázkou tohoto jevu vznik duhy. U živočichů využívají rozdílné energie fotonů speciální molekuly umístěné v tyčinkách a čípcích sítnice oka. Podle toho, s jakou energií fotony na molekuly dopadají, vyvolávají určitou reakci a ta se mění na nervový signál (laicky označovaný jako nervový vzruch). Signál je veden do mozku, kde se informace ze všech tyčinek a čípků zpracují a výsledkem je prostorový obrazový a barevný vjem.

Elektromagnetické záření lze posuzovat ze dvou hledisek. Jednak z pohledu kvantové fyziky a také z pohledu fotometrie. Pro chovatele je důležité hledisko fotometrické. Pro úplnost informace jsou uvedeny i radiometrické veličiny, aby bylo možné získat ucelenější představu o problematice záření. Radiometrické veličiny se týkají všech vlnových délek záření. Fotometrické veličiny jsou v základu chápány stejně, jen se týkají pouze záření, které je vidět (oblast viditelného světla). Protože je oblast viditelného spektra pouze zlomkem rozsahu elektromagnetického záření (viz obr. 06-0034 v úvodu článku) a toto záření má svá specifika, mají výpočty nebo měření těchto parametrů také svá specifika. Pro chovatele jsou směrodatné fotometrické veličiny a na základě jejich znalostí se volí vhodný typ a elektrický příkon světelného zdroje.

Radiometrické veličiny

Radiometrické veličiny popisují přenos energie elektromagnetickým zářením. Jsou definovány zářivý tok, ozáření a zářivost. Zářivý tok vyjadřuje celkové množství energie vyzářené světelným zdrojem za jednu sekundu. Jednotkou zářivého toku je watt (W, 1 W = 1 J . s^-1). Ozáření pak vyjadřuje, jaké množství energie dopadne na 1 metr čtverečný plochy za jednu sekundu. Jednotkou ozáření je watt na metr čtvereční (W/m²). Zářivost udává prostorovou hustotu zářivého toku zdroje v různých směrech. Zářivost lze určit pouze u bodového zdroje, jehož rozměry jsou zanedbatelné v porovnání se vzdáleností zdroje od místa měření. Jednotkou zářivosti je watt na prostorový úhel steradián (W/sr).

 

Následující obrázek je uvedený pro lepší pochopení prostorového úhlu. Prostorový úhel 1 steradián je část prostoru vymezená rotační kuželovou plochou, přičemž poloměr koule je 1 m a plocha vymezená na kulové ploše (vrchlík znázorněný tmavší modrou barvou) má plochu 1 m².

Fotometrické veličiny

Fotometrické veličiny jsou veličiny vztažené k elektromagnetickému záření, které je viditelné lidským okem a hodnotí toto záření velikostí možného vizuálního vjemu. Jedná se o subjektivně vnímaný zrakový vjem, a proto bylo nutné nějak ujednotit (definovat) fotometrické veličiny, aby mohly být porovnatelné různými lidmi. Každý človek totiž vnímá intenzitu záření při jednotlivých vlnových délkách mírně odlišně. Pro stanovení hodnoty intenzity světelného toku byl sestaven pokus s dobrovolníky, kteří porovnávali odstín barvy při monochromatickém světle o vlnové délce 555 nm ze dvou paralelních bílých ploch. Tím byla určena hodnota pro denní vidění. Stejný pokus byl zopakován pro vlnovou délku 507 nm (noční vidění). Následně byla konvencí (dohodou vědců) určena hodnota intenzity světelného toku pro denní i noční vidění a od této veličiny se pak odvozují všechny další fotometrické parametry. Intenzita světelného toku byla odvozena od pokusů provedených s dobrovolníky při monochromatickém záření o vlnové délce 555 nm (fotopické vidění) a 507 nm (skotopické vidění) - viz text dále. V dnešní době se již pro měření fotometrických veličin nevyužívá lidské oko, ale používají se různá fyzikální čidla, která při správné kalibraci poskytují mnohem přesnější a hlavně reprodukovatelnější výsledky.

Na následujícím obrázku jsou znázorněny poměrné spektrální citlivosti čípků (denní, fotopické vidění), tyčinek (noční, skotopické vidění) a gangliových buněk, které se uplatňují mimo jiné i jako světelná čidla pro synchronizaci cirkadiánního cyklu.

Pro správné pochopení fotometrických veličin, jako je svítivost, světelný tok, intenzita světelného toku apod. je vhodné podat vysvětlení pojmů spektrum světla, barevné spektrum světla a spektrální účinnost vyzařování. Toto jsou právě informace, které by měl každý chovatel želv vzít v úvahu při výběru světelného zdroje.

Spektrum světla

Pokud chápeme světlo jako elektromagnetické záření v určitém intervalu vlnových délek, pak spektrum světla (nebo světelného zdroje) je rozložení intenzity světla mezi jednotlivé vlnové délky. Tento parametr je pro chovatele terarijních zvířat hodně důležitý, neboť dává informaci o vhodnosti a kvalitě zvoleného světelného zdroje pro chovaný druh zvířete. Bohužel, tuto informaci nemá běžný spotřebitel možnost z obalu a stručných popisů výrobků na stránkách prodejců získat. Spektrum viditelného záření se měří pomocí spektrofotometru. Tento přístroj využívá rozkladu světla pomocí hranolu nebo světelné mřížky. Jednotlivé složky záření dopadají na snímací čip, který vygenerovaný signál předává do procesoru. Kvalitnější spektrofotometry dokážou vedle spektra měřit současně i jas, osvětlenost, index podání barev, trichromatické souřadnice a teplotu chromatičnosti.

Barevné spektrum světla

To, jak barevně je pozorovaný předmět nebo objekt okem vnímaný záleží na odrazu nebo pohltivosti dopadajícího světla na sledovaný objekt. U průhledných objektů záleží na tom, jak snadno světlo sledovaným objektem prochází. Vnímání barev je u každého jedince mírně odlišné, protože se jedná o subjektivní vjem hodně závislý na citlivosti oka a svoji roli hraje i skutečnost, že barvy spektra přechází jedna ve druhou plynule, tzn. existuje nepřeberné množství přechodových barevných odstínů. Barevný vjem pozorovatele je závislý na úhlu pozorování a na spektru dopadajícícho světla (to má velkou souvislost i s denní dobou).

Obecně lze říct, že barva je výsledkem vjemu, který zprostředkuje sítnice oka mozku v podobě nervových signálů. Jedná se o reakci na elektromagnetické záření, které pozorovaný předmět vyzáří nebo od sebe odrazí. Povrch každého předmětu má různou odrazivost pro různé vlnové délky, některé může dokonce pohlcovat do takové míry, že se nám daná barva jakoby "ztratí". Oko může být trochu ošálené i podle toho, jakou barvu má pozadí sledovaného objektu. Barevný vjem tedy závisí na spektrálním složení přicházejícího světla a jeho intenzitě vzhledem k pozadí. Barevné vidění oka zprostředují čípky, což jsou receptory umístěné na sítnici oka. U lidí jsou čípky trojího druhu - reagují na červenou, zelenou a modrou barvu. Existují živočichové, kteří mají jen dva druhy čípků, naopak jsou i tací, kteří mají 4 druhy čípků. Výsledná barva je výslednicí intenzity signálu, které vyprodukují jednotlivé čípky. U želv se předpokládá skládání barevného vjemu pomocí 4 druhů čípků, což souvisí s velice časným odbočením vývojové linie. 4 druhy čípků se pro želvu ukázalo jako velice výhodné řešení, a proto se tento počet čípků během následujících miliónů let vývoje neměnil. Při vývoji savců došlo k redukci až na 2 druhy čípků, u primátů se později doplnil počet na 3 druhy. Většina savců však má v sítnici oka jen dva druhy čípků.

Pokud jsou čípky podrážděny stejnou intenzitou (přijatá energie od dopadajících fotonů je stejná), jeví se výsledné světlo jako bílé (denní). Pokud je podráždění všech čípků minimální (nebo téměř žádné), jeví se výsledná barva jako černá. Ten druh čípku, který vykazuje nejvyšší míru podráždění, předává mozku nejsilnější signál a pak ve výsledném barevném vjemu převažuje barva přináležící danému druhu čípků. Slunce má teplotu 5780 K a při této teplotě vnímáme emitované světlo jako denní bílé. Avšak barvu slunečního světla vnímáme jinak časně ráno, v poledne a při západu Slunce. I když ve všech třech uvedených případech Slunce vyzařuje stejné množství fotonů, brzy ráno a pozdě večer prochází silnější vrstvou atmosféry a fotony tímto průchodem ztrácí část své energie. Světlo se nám pak jeví jako žlutější (vlnová délka dopadajícího záření se prodlužuje směrem k červené barvě). Jinak řečeno, bílé polední světlo má intenzitu jednotlivých vlnových délek rovnoměrně rozloženou v celé oblasti s maximem kolem hodnoty 550 nm. Tím, jak se prodlužuje ráno a večer vlnová délka dopadajícího záření se intenzita v rozložení jednotlivých vlnových délek mírně přesouvá směrem k hodnotám nad 550 nm. Na sítnici oka dopadá více fotonů s vlnovou délkou nad 550 nm, zatímco fotonů s vlnovými délkami pod 550 nm je méně. Oko tento stav vyhodnotí tak, že dopadající světlo je žlutější. A to i přesto, že je celkový počet dopadajících fotonů ráno, v poledne a večer stále stejný. Výsledný barevný vjem tedy není závislý na počtu dopadajících fotonů jako celku, ale na poměru počtů dopadajících fotonů s konkrétními vlnovými délkami.

Co se týče známé blankytně modré barvy oblohy, tak ta je výsledkem toho, že sluneční světlo obsahuje vedle fialového, modrého a červeného světla i hodně zeleného. Namícháním všech barev pak vzniká dojem modré oblohy. Světlo procházející atmosférou se ale pro dosažení tohoto zrakového vjemu musí rozptýlit. I kdybychom se dívali na úplně jasnou oblohu, vnímali bychom modrou jinak nad hlavou a jinak nad horizontem. Nad horizontem je modrá barva méně sytá, ale současně jasnější. Může za to rozptyl světla vyvolaný plyny v atmosféře, speciálně molekulami kyslíku a dusíku. Samozřejmě i ostatní přítomné plyny rozptyl světla způsobují, dominantní efekt však mají kyslík a dusík. Světlo přicházející od horizontu musí urazit delší dráhu a je tedy vystaveno většímu počtu interakcí s molekulami plynů nebo jinými mikroskopickými částicemi. Větší počet molekul rozptylujících světlo zákonitě vyvolá vjem jasnější oblohy nad horizontem. Molekulární rozptyl světla je závislý na vlnové délce. Čím kratší vlnová délka světla je, tím více je v atmosféře díky interakcím s molekulami plynů zeslabováno. Lidově řečeno, záření v modré oblasti spektra je zeslabováno nejvíce a vlastně to znamená, jakoby se do dopadajícího světla přimíchalo více bílého. Proto oko na horizontu vnímá modrou barvu jako méně sytou. Naproti tomu při pohledu nad hlavu dopadá na oko světlo, které prochází mnohem slabší vrstvou atmosféry, obloha se proto jeví sytě modrá. Uvedený popis se týká porovnání modrého zbarvení oblohy nad hlavou a nad horizontem ve stejnou dobu, tedy Slunce je ve stejné poloze vůči pozorovateli. Porovnávání barevného odstínu oblohy ráno a v poledne je jiný případ, protože se Slunce nachází v jiných polohách vůči pozorovateli.

Jak záření prochází atmosférou, jsou některé vlnové délky tlumeny rozptylem a absorpcí. Pro popis slunečního záření po průchodu atmosférou byl zavedený pojem vzduchová masa. Se zvětšující se vzdáleností, kterou musí sluneční záření v atmosféře urazit, roste vzduchová masa a tedy i tlumení. To je důvod, proč se Slunce jeví nad obzorem méně jasné než v poledne, kdy je vysoko na obloze. Vzduchová masa je také ovlivněna nadmořskou výškou, ovšem v reálných chovatelských podmínkách jsou tyto rozdíly zcela zanedbatelné. Nejvyšší intenzita slunečního záření je na horním okraji atmosféry, kde není sluneční záření tlumeno vůbec. Se snižující se nadmořskou výškou pak roste vzduchová masa a tedy i tlumení slunečního záření.

Koeficient vzduchové masy AM charakterizuje spektrum a intenzitu slunečního záření po průchodu atmosférou a je definován jako poměr délky přímé optické dráhy skrz atmosféru Země (L) a vertikální vzdálenosti (ve směru zenitu) od povrchu Země k vnějšímu okraji atmosféry (L₀). Rozdíl vzdálenosti mezi zakřivením atmosféry (plná červená čára) a tečnou k tomuto zakřivení (tečkovaná červená čára) je vzhledem ke vzdálenosti mezi středem Slunce a Země tak malý, že ho lze ve výpočtu zanedbat. Pak je koeficient vzduchové masy roven převrácené hodnotě kosinu zenitového úhlu alfa (T01). Koeficient vzduchové masy závisí na výšce Slunce a mění se tedy s denní dobou, ročním obdobím a zeměpisnou šířkou. Čím větší je zenitový úhel, tím větší je AM. Záření procházející vesmírem mimo atmosféru Země se označuje jako AM0. Pro výpočet je potřeba znát tloušťku atmosféry. Pro účely absorpce záření je potřeba uvažovat i s ozónovou vrstvou, která je ve výšce asi 25 až 50 km nad zemským povrchem (stratosféra). Ozónová vrstva pohlcuje gama záření, rentgenové záření a UVC paprsky z 99 %, to znamená, že do nižších vrstev atmosféry proniká jen asi 1 % všech těchto paprsků. Zde dochází k pohlcení zbytku a na povrch Země již prakticky nedopadají. UVB a UVA ozónovou vrstvou prochází a toto záření je významně rozptylováno a pohlcováno především atmosférou zhruba od výšky 9 km nad Zemí a níže. UVB záření je atmosférou pohlcováno mnohem více než UVA záření. Podíl UVB činí maximálně setinu množství UVA paprsků dopadajících na zemský povrch. Dá se tedy říct, že pokud mluvíme o UV záření dopadající na zemský povrch, mluvíme především o UVA záření.

 

Barva světla (barevné spektrum světla) je zažitý pojem, správně by se mělo u světla používat označení chromatičnost a označení barva by se mělo spíše vztahovat k barevným vlastnostem předmětů. Barevnost lze vyhodnotit pomocí spektrálního podnětu a spektrální citlivosti oka ve vztahu k záření o různých vlnových délkách. Na následujícím obrázku je znázorněno aditivní skládání tří základních barev spektra. Prostým sečtením dvou základních barev lze získat další barvu, např. sečtením modré a červené barvy vznikne barva purpurová. Podobně lze postupovat i se zbylými kombinacemi a vytvořit tak barvu azurovou a žlutou.

Kombinací výše uvedených barev vzniká celá škála dalších, doplňkových barev. Dojde-li ke smíchání jakékoli základní barvy, červené, modré nebo zelené, se světlem ze zbývající části spektra, výsledkem se stane světlo bílé (H02). Barvy bez barevného tónu tvoří spojitou řadu od bílé, přes odstíny šedé až po černou. Tyto tzv. nepestré barvy se odlišují pouze intenzitou (světelným tokem) a jasem. Nepestré barvy umožňují získat přesný prostorový vjem (vnímáme vzdálenosti, hloubku sledovaného předmětu apod.).

Teplota světla

Často se u zdrojů světla objevuje údaj o tzv. teplotě chromatičnosti, nebo také označované jako barevná teplota. Popisuje charakter teploty světla podílem červené (teplé) a modré (studené) složky v jeho spektru. Z fyzikálního hlediska je to teplota, kterou by mělo absolutně černé těleso, kdyby vyzařovalo (emitovalo) teplo právě této barvy. Na rozdíl od zavedené praxe, kdy se teploty běžně uvádí ve stupních Celsia, se teplota světla uvádí ve stupních Kelvina. V následujícím přehledu jsou uvedeny některé hodnoty teploty světla vyzařovaného z různých světelných zdrojů nebo v různou denní dobu, případně za rozdílných klimatických podmínek. Hodnoty v přehledu nám říkají, jak bychom vnímali absolutně černé těleso, pokud by bylo zahřáté právě na tuto teplotu. Např. černé těleso zahřáté na teplotu 12000 K by se nám jevilo stejně, jako jasná modrá obloha v poledne.

V souvislosti s fotometrií se často mluví o absolutně černém tělese. Z pohledu pozorovatele si lze takové těleso představit spíše jako nějakou dutinu s černými vnitřními stěnami, které neodráží žádné světlo. Černým tělesem pak není vlastní dutina, ale otvor, kterým vnitřní stěny této černé dutiny pozorujeme.

Spektrální intenzita vyzařování

Na následujícím obrázku je žlutě vyznačeno spektrum slunečního záření před vstupem do atmosféry. Fialová křivka znázorňuje přepočet získaný vynásobením intenzity slunečního záření pro konkrétní vlnovou délku číslem = 1/vlnová délka⁴ (čtvrtá mocnina vlnové délky). Jedná se o fiktivní spektrum rozptýleného slunečního světla vyzařovaného bezoblačnou oblohou. V tomto spektru je patrný pík maximální intenzity záření při vlnové délce 400 až 430 nm, což by navádělo k závěru, že bychom měli oblohu vnímat spíše fialovou. Lidské oko vnímá barvy trichromaticky a modrá barva oblohy je výsledkem zpracování nervových signálů poslaných do mozku ze všech tří typů čípků. Modrá, zelená a červená křivka znázorňují spektrální citlivost jednotlivých čípků sítnice lidského oka (normovanými na jednotkovou velikost v maximu).

Na dalším obrázku je znázorněna závislost intenzity vyzařování zdrojů o různé teplotě chromatičnosti v závislosti na vlnové délce. Pro kolorimetrické vyhodnocování se používají tabelované hodnoty standardizovaných zdrojů, které definovala Mezinárodní komise pro osvětlení CIE. Každý ze světelných zdrojů by měl být charakterizovaný parametrem spektrální intenzity vyzařování Me pro každou vlnovou délku. Tato hodnota říká, jak který zdroj vyzařuje na které vlnové délce. Pro denní světlo byly za standardy určeny zdroje D50, D65 a D75. Zdroj D50 má takovou barevnost, jako absolutně černé těleso zahřáté na 5000 Kelvinů. Podobně u zdroje D65 je to teplota 6500 K a u zdroje D75 pak teplota 7500 K.

Zdroj záření D65 se bude zdát více bílý, než zdroj D50, protože vyzařuje více v modré oblasti viditelného záření. Zdroj D75 pak bělejší proti zdroji D50 i D65. Standardizované jsou také i jiné zdroje, například žárovka nebo zářivky. Jejich spektrální intenzita vyzařování je uvedena na obr. 06-0041.

Z grafu je zcela zjevně patrné, že intenzita vyzařování je u žárovky téměř lineární a stoupá s vlnovou délkou záření. Její barevné podání se tedy nejvíce blíží rannímu nebo večernímu svitu Slunce. Tento barevný vjem je u mnoha plazů zcela zásadní a má se za to, že právě na takový poměr v zastoupení jednotlivých vlnových délek reagují plazi iniciací nebo útlumem své denní fyzické aktivity. Světlo se totiž jeví žlutější a kombinace žluté s mírným nádechem do červena má ráno podle mnoha odborníků silný iniciační potenciál (navozuje proces procitání). Naopak při přechodu z bílého světla na žlutější se u živočichů projevují útlumové reakce a navozuje se stav směřující ke zklidnění. Tento stav pak v důsledku dalšího výrazného poklesu intenzity světla směřuje k pozvolnému usínání.

Světelný tok

Lidské oko reaguje nejen na velikost zářivého toku, ale i na spektrální složení dopadaného světla. To znamená, že oko na některé vlnové délky reaguje při stejném zářivém toku více než na jiné. Proto se pro fotometrické účely zavedla veličina světelný tok, jehož jednotkou je lumen (lm). Světelný tok tedy vypovídá o intenzitě zrakového vjemu vyvolaného energií světelného záření, které projde za časovou jednotku určitou plochou v prostoru, ve kterém se světlo šíří. Protože se jedná o fotometrickou veličinu posuzovanou subjektivně okem, je tedy závislá na citlivosti oka na různé teploty světla (teploty chromatičnosti). Převedeno do normální řeči, světelný tok vyjádřený v lumenech odpovídá zářivému toku vyjádřenému ve wattech s přihlédnutím k ciltivosti oka pro jednotlivé vlnové délky barev spektra.

Fyzika nemá ráda posuzování nějakých veličin podle subjektivních vjemů. Proto byla snaha definovat světelný tok podle nějakých fyzikálních jednotek. Podle mezinárodní dohody je světelný tok 1 lumenu takový, který vysílá absolutně černé těleso do celého poloprostoru při teplotě tuhnoucí platiny (1772°C při tlaku 1,013 . 10⁵ Pa) plochou o velikosti 5,305 . 10^-7 m². Přitom platí tyto přepočty: 1 W = 680 lm a 1 lm = 0,00147 W.

Pro žárovky stejné watáže od různých výrobců tak lze získat mírně odlišné hodnoty světelného toku, protože se mohou lišit teplotou barvy. U denních neutrálních bílých žárovek s teplotou 4000 K lze obvykle zaznamenat nižší světelný tok, než u žárovek s barvou studená bílá, tzn. nad 6000 K. Množství lumenů přímo souvisí s výkonem světelného zdroje.

Účinnost světelného zdroje

Podle definice je světelná účinnost definována jako poměr světelného toku k celkové zářivé energii přenesené zářením za jednotku času. Lidově řečeno, pokud se vydělí hodnota světelného toku spotřebou světelného zdroje ve wattech, získá se parametr měrného světelného výkonu, nebo jinak řečeno účinnost světelného zdroje. Lidské oko je nejvíce citlivé na vlnovou délku 555 nm při fotopickém vidění (denní) a při skotopickém vidění (noční) je to vlnová délka 507 nm. U želv lze předpokládat, že maximum pro denní vidění bude přibližně kolem hodnoty 550 nm, v případě nočního vidění se odhaduje mírný posun ke kratší vlnové délce. Pro člověka byla dohodou stanovena maximální citlivost (světelná účinnost) pro fotopické vidění na 683 lm/W a maximální citlivost pro skotopické vidění na 1700 lm/W.

Tato účinnost říká, kolik lumenů získáme při spotřebě jednoho wattu elektřiny. Pokud vezmeme například klasickou 60 W wolframovou žárovku s hodnotou světelného toku 710 lm, pak za 1 watt získáme 11,83 lm. Pokud vezmeme srovnatelnou 9 W LED žárovku se světelným tokem 750 lm, pak za 1 watt získáme 83,33 lm.

Svítivost

Svítivost udává, jaký světelný tok vyzařuje bodový zdroj světla do prostorového úhlu 1 steradián. Jednotkou je candela (cd). Candela se definuje jako 1/60 kolmé svítivosti jednoho čtverečního centimetru černého tělesa při teplotě tuhnoucí platiny. Svítivost lze definovat jako světelný tok ve sledovaném směru, který je vymezený kuželem s určeným prostorovým úhlem. Pro zjednodušení si lze svítivost představit jako paprsky vycházející z bodového zdroje, jinými slovy jako vektory. Čím hustší vektory jsou (čím větší počet), tím je svítivost vyšší. Pokud jsou hodnoceny vektory vymezené prostorem kužele, jejich počet se se zvětšující vzdáleností od světelného zdroje nemění.

Prostorové rozložení svítivosti se měří goniofotometrem. Přístroj je konstruovaný tak, aby mohl měřit v různých rovinách a také pod různými úhly. Měření svítivosti se provádí ve všech bodech prostoru a vynesením těchto vektorů do grafu se získá prostorové rozložení svítivosti zdroje. Toto zobrazení je hodně náročné na prostorovou představivost a není proto příliš praktické. Proto se využívá rovinného řezu fotometrickým prostorem, přičemž rovina prochází světelným zdrojem. Prostorový graf je na následujícím obrázku vykreslený pro všesměrovou žárovku a pro získání lepšího prostorového vjemu je "vyříznuta" čtvrtina fotometrického prostoru. Vpravo je pak vykreslena plocha získaná řezem napříč fotometrickým prostorem - takový diagram se označuje jako vyzařovací charakteristika světelného zdroje (pro větší přehlednost jsou v tomto případě vynechány vektory a popisky).

Následující obrázek znázorňuje ve zjednodušené podobě rovinný diagram svítivosti směrové žárovky a smysluplné osvícení vymezené žlutou plochou. Pro lepší představivost jsou znázorněné 3 vektory červenou barvou. Velikost vektorů (jejich délka) představuje svítivost, koncové body vektorů vymezují plochu svítivosti, protože s ohledem na konstrukci žárovky nesměřuje světlo všemi směry, ale jen do prostoru znázorněném na obrázku žlutým polem. Polokružnice vymezují vzdálenost od žárovky, kde v daném směru dosahuje svítivost stejné hodnoty. Červený bod říká, že nejvyšší svítivosti je dosaženo v přímém směru (v ose žárovky) a v uvedeném příkladu se jedná o hodnotu zhruba 540 cd. Modré body ukazují případ, kdy se posuzuje svítivost v úhlu 30° od kolmice. V tomto případě by se jednalo o svítivost asi 350 cd. Při hodnocení úhlu 45° lze konstatovat, že svítivost tímto směrem je téměř nulová (přesněji zbytková).

Každý zdroj světla má jiný tvar plochy. Pro chovatele je žádoucí seznámit se při nákupu světelného zdroje s jeho diagramem svítivosti. Znalost tohoto údaje hodně napoví o tom, jak efektivně bude světelný zdroj v teráriu využitý a umožní zvolit vhodné místo pro jeho umístění.

Osvětlení (intenzita světla)

Osvětlení (někdy se používá i označení osvětlenost) ve fotometrii je obdobou pojmu ozáření v radiometrii. Pokud dopadá na povrch tělesa světelné záření, pak osvětlením E se rozumí ta část světelného toku, která dopadá na hodnocenou plochu S. Jednotkou pro osvětlení je lux (lx). Podle definice je 1 lux osvětlení 1 čtverečního metru rovnoměrným světelným tokem o velikosti 1 lumenu. Osvětlení je pro chovatele již mnohem zajímavější parametr, protože v konečném důsledku říká, s jakou efektivitou se svítí. Pro lidi jsou dokonce zákonem stanovené minimální hodnoty osvětlení pro různé činnosti. Z chovatelského hlediska je důležité vědět, jak je prostor terária osvětlený a zda zvolený světelný zdroj vytváří pro chované zvíře optimální světelnou pohodu. Světelný režim totiž ovlivňuje celou řadu fyziologických procesů a špatně zvolené svícení může třeba úplně znemožnit rozmnožování.

 

Osvětlenost ovšem závisí na úhlu dopadu paprsků na plochu. Pokud by byl bodový zdroj světla umístěný kolmo nad hodnocenou plochou S (na následujícím obrázku bod A, úhel dopadu je 0°), pak by se osvětlenost vypočítala vydělením světelného toku hodnocenou plochou. Pokud by se bodový zdroj světla přesunul na jiné místo (bod B) a přitom by se stále sledovala tatáž plocha S, pak je nutno vzít v úvahu skutečnost, že paprsky dopadají na plochu pod jiným úhlem. Úhel dopadu je dán odchylkou od kolmého směru v místě dopadu na hodnocenou plochu. Na obrázku je označen jako alfa. Čím více se tedy umístění bodového zdroje vzdaluje od bodu A, tím je úhel dopadu paprsků větší. Průvodič (nebo také rádiusvektor) je označený r a v tomto případě znamená spojnici bodového zdroje světla se středem hodnocené plochy.

Praktické zkušenosti s osvětlením ukazují, že s rostoucí vzdáleností zdroje světla od ozařované plochy rychle klesá osvětlení. Navíc závisí i na úhlu dopadu paprsků. Nejlépe je osvětlená plocha, na kterou dopadají světelné paprsky kolmo. Pokud paprsky prochází rovnoběžně s plochou S, je osvětlení nulové.

 

Ze vzorce vyplývá, že osvětlení plochy bodovým zdrojem světla roste přímo úměrně s hodnotou svítivosti v příslušném směru, klesá s dvojmocninou vzdálenosti od zdroje a také s kosinem úhlu dopadu (se zvětšujícím se úhlem klesá hodnota kosinu). Osvětlení za jasného letního slunečného dne v poledne v podmínkách ČR obvykle dosahuje hodnot kolem 70000 lx, vyjímečně při hodně čistém vzduchu a spíše na horách se může dosáhnout i vyšších hodnot. Pro čtení je normou stanovena hodnota osvětlení minimálně 200 lx, pro práci s velmi jemnými součástkami až 1000 lx. Při jasné noční obloze za úplňku se dosahuje hodnoty osvětlení asi 0,5 lx. Zdravé lidské oko dokáže rozeznávat tvar předmětů ještě při osvětlení 2 nlx. Když si uvědomíme, že lidské oko je schopné vnímat osvětlený předmět v rozsahu 2 nlx až 200 000 lx, pak je rozsah citlivosti oka neuvěřitelných 10¹⁴. Jen pro zajímavost, lidé doposud nedokázali vyrobit jakýkoliv technický snímač, který by byl schopný měřit v tak širokém rozmezí hodnot.

Osvětlení se měří luxmetrem, což je přístroj skládající se z přijímače vybaveného fotočlánkem a vhodným vyhodnocovacím systémem. Kvalita fotočlánku určuje přesnost měření luxmetrem. Proto se luxmetry zařazují do 4 tříd. Nejvyšší třídou je L a tyto luxmetry slouží především ke kalibračním účelům pro vědecká měření. Z hlediska studia záření jsou velice kvalitní luxmetry třídy A (laboratorní), pak následuje třída B (provozní, běžné měření) a nakonec třída C, což jsou luxmetry určené pouze k orientačnímu měření. Luxmetry se kupují podle toho, k jakému účelu mají sloužit. Pro získání výsledků, které mají být porovnávány s výsledky jiných pracovišť by se měly používat luxmetry třídy A, pro potřeby měření týkajících se chovu želv by stačil i lepší průměr třídy B. Luxmetry třídy C jsou pro takové účely zcela nevyhovující. Před vlastním měřením by měl být fotočlánek odkrytý aspoň po dobu 5 až 15 minut, aby došlo ke stabilizaci na dané podmínky. Během provozu luxmetrů dochází ke změně vlastností daného fotočlánku a proto je nutné provádět pravidelné kalibrace. Kalibrace luxmetrů pro přesná měření se musí provádět každé dva roky, pro provozní měření každé tři roky a pro orientační měření každých pět let.

Při měření osvětlenosti je třeba dodržet některé zásady. Nové zářivky lze měřit až po nejméně 100 hodinách provozu, u žárovek po 6 hodinách. Důvodem je pokles světelného toku během stárnutí. Při měření výbojek je nutné ponechat výbojku dostatečně zahořet. Fotočlánek luxmetru by měl být vystavený záření měřeného světelného zdroje nejméně 5 minut pro stabilizaci podmínek měření. Protože je světelný tok závislý na teplotě, je nutné současně s hodnotami osvětlení zaznamenávat teplotu okolí, nejlépe fotočlánku i světeného zdroje. Stejně tak je třeba sledovat během měření napájecí napětí. Pokud se odchýlí od přípustné hodnoty, je třeba provést korekci pomocí činitele k_U (závisí na exponentu c, který lze získat u výrobce světelného zdroje).

K hodnotě osvětlení se vztahuje ještě jeden parametr, a to je osvit nebo také expozice plochy. Vypočítá se jako součin osvětlení plochy E a doby t, po kterou osvit trvá (e = E . t). Jednotkou je luxsekunda (lxs), tzn. osvit plochy při jejím osvětlení 1 luxem po dobu 1 sekundy.

Osvětlenost je ovlivněna nejenom světelným zdrojem, ale také povrchem stěn, stropu a umístěním různých předmětů v teráriu. Dá se vypočítat, ale se zvyšující se členitostí vnitřního prostoru se výpočet stává složitějším. Nejvhodnějším řešením, jak osvětlenost prostoru spolehlivě zjistit, je změřením pomocí luxmetru. Luxmetr také umožňuje změřit poměrně přesně různá místa v teráriu a na základě těchto údajů pak zvolit správné umístění úkrytu, místa ke krmení, vyhřívání a podobně. Tento parametr je chovateli hodně podceňován a většinou je tato otázka řešena jen na základě praktických zkušeností s umístěním světelného zdroje. Světelný zdroj bývá často v terárium i zdrojem tepla a pak výběr správného místa dostává úplně jiný význam.

Související články

Příklady výpočtu osvětlení

Odkazy

Při zpracovávání textů a grafické stránky článků byly využity podklady z odborné literatury a internetu. Převzaté obrázky byly graficky upraveny pro potřeby tohoto webu. Kreslené obrázky podléhají autorským právům. Seznam použité literatury naleznete zde. Přehled o provedených změnách na tomto webu naleznete zde.

Zajímavé stránky

x