Lysmåling

Lysmåling - Det som er avgjørende for plantene er lysmengden (kvantiteten) og spektralfordelingen (kvaliteten).  Lys kan måles 1) radiometrisk, 2) som  fotosyntetisk aktiv stråling, 3) fotometrisk eller 4) spektroradiometrisk.

 

1. Radiometrisk

Strålingsfluksen (“radiant flux”) er mengden av stråling som kommer pr. tidsenhet og har enheten watt (1 W = 1 J s-1). Innkommen strålingsflukstetthet eller irradianse (“incident radiant flux density/irradiance”) er strålingsfluksen fra alle retninger på en mottagende flate pr. enhetsareal av overflaten. Irradiansen har enheten W m-2. Strålingsintensitet (“radiant intensity”) er strålingsfluksen som forlater en punktformig lyskilde per enhet av romvinkelen som omgir lyspunktet. Strålingsintensiteten har enheten watt per steradian W sr-1. Global solstråling er solirradiansen på en horisontal flate. Lyset består av direkte solstråling pluss diffus skystråling. Global solstråling måles med et pyranometer i enheten W m-. Direkte solstråling er stråling som sendes ut fra solen fra en fast vinkel av soloverflaten, mottatt i normal retning på overflaten av denne lyskjeglen. Direkte solstråling måles med et pyrheliometer i W m-2. Fotosyntetisk irradianse er strålingsflukstettheten til  PAR. Angis i W m-2.

2. Fotosyntetisk aktiv stråling

Fotosyntetisk aktiv stråling(PAR) er lys i bølgelengdeområdet 400-700 nm. Fotosyntetisk fotonflukstetthet også omtalt som kvanteflukstettet eller kvantefluks angis iμmol m-2 s-1. Den måles med en kvantesensor bestående av en cosinus-korrigert Si-fotodiode, og farget glass.

Lysmåler fra Li-Cor

Lysmåler fra firmaet Li-Cor med en kvantemåler som måler fotosyntetisk aktiv stråling i bølgelengdeområdet 400-700 nanometer (nm) i måleenheten µmol per kvadratmeter og sekund (µmol m-2 s-2). Man kan også montere på det samme instrumentet en detektor som måler radiometrisk eller fotometrisk. Fra et fytotronrom ved UiO.  

3. Fotometri

Fotometri er måling av synlig lys med en sensor som har samme lysfølsomhetskurve som det menneskelige øyet. Fotometri brukes til å beskrive belysning slik som øyet oppfatter det. Standardkoeffesienter for dette er definert av Commission Internationale de Eclairage (C.I.E.). Maksimal følsomhet er ved 555 nm. Øyet reagerer på lys opptil 1050 nm. Den fotopiske kurve kalles øyets lysfølsomhetskurve  og den skotopiske kurve for et mørketilpasset øye. Fotometrisk måling av lys er derfor lite egnet i biologisk sammenheng. Enhetene for lysstyrke (“luminous intensity”) er candela, cd.Enheten for belysningsstryke (illuminans(  (“illuminance”) er lux. 1 lux er en lumen per kvadratmeter.

4. Spektroradiometri

Alle egenskapene til strålingsfluksen avhenger av bølgelengden til strålingen. Forstavelsen spektro brukes når en bølgelengdeavhengighet beskrives. Spektral irradianse får da enheten W m-2 nm-1.

Lysemengden kan angis som fotonfluensen angitt i mol fotoner m-2. Fluensen er totalt antall fotoner som treffer en kuleformert detektor dividert på tverrsnittet av kulen. Hvis vi angir mengden i energienheter istedet for mol blir energifluensen angitt i J m-2. Vanligere er det å angi fotonfluksen, irradiansen, som sier noe om hvor mange fotoner som treffer en flat detektor per arealenhet og tidsenhet, angitt i mol m-2 s-1. Radiometrisk måling av lys gir energienheter J m-2 s-1 eller W m-2. Fotonfluens og fotonfluks er altså to forskjellige begrep. En flat irradiansedetektor er lettere å lage enn en kuleformet (sfærisk), men den flate må cosinus-korrigeres for å redusere feilen en flat detektor viser når lyset kommer inn i skrå vinkel på detektoren (Lamberts cosinus-lov).

Fotosyntetisk aktiv stråling

Lysmålere som brukes av plantefysiologer kan måle fotosyntetisk aktiv stråling (PAR - photosynthetic active radiation) dvs. fotonfluksen i området fra 400 nm til 700 nm, det lyset som er viktigst i fotosyntesen Det litt uheldige med denne er at den utelater lys i området fra 700 til 750 nm som er viktige for fotobiologiske effekter via fytokromsystemet.Klorofyll absorberer imidlertid i liten grad lys med bølgelengde lenger enn 700 nm. Klorofyll absorberer lys med kortere bølgelengde enn 400 nm, men dette lyset slipper imidlertid ikke forbi epidermiscellene i bladet.For å måle spektralsammensetningen eller spektralfordelingen av lyset brukes et spektroradiometer. Vanligvis har disse en flat detektor og de måler lys i W m-2 nm- 1 eller mol m-2 s-1 nm-1.

Spektralfordelingen i dagslys og under et blad

Spektral irradianse fra vanlig sollys (øverst) og etter at lyset har passert et blad (nederst) målt som W m-2 nm-1 med Li-1800 spektroradiometer. Mye av det grønne lyset går igjennom og blir reflektert av bladet, mens mye blått og rødt lys blir absorbert. Legg også merke til hvordan forholdet mellom rødt (660 nm) og mørkerødt lys (730 nm) er forskjellig i sollys og under et blad. Rødt-mørkerødtforholdet blir registrert av fytokrom.

Lysmålere er ofte cosinus-korrigert Lambertianske (Lamberts cosinuslov):

Lamberts lov

Fotometrisk lysmåling

Fotometrisk lysmål bruker øyets lysfølsomhetskurve og er lyset slik vårt øye oppfatter lyset. Standardkoeffisienter for dette er definert av Commission Internationale de Eclairage (CIE), standard observator CIE 1931 med X, Y, Z tristimulusverdier. Fotometriske lysmålinger i form av lux og foot-candle måler lyset slik som vårt øye oppfatter det og følger øyets lysfølsomhetskurve (den fotopiske kurve, dvs. mest følsomt for grønt lys . Lux-målinger er ikke egnet innen plantebiologi. Lysintensitet refererer seg til hvor mye lys som sendes ut fra en lyskilde. Dosen sier hvor mye av lysenergien som er absorbert. Hvor mye lys som absorberes måles sjelden men det kan gjøres vha. en integrerende kule, såkalt Ulbricht-kule. Når vi snakker om dose-respons-kurver i forbindelse  med lys måler vi egentlig fluks-respons, eller fluens-respons.

Lumen

Lumen (lm) er et fotometrisk mål på total mengde lys, lysfluks (lysstrøm, ”luminous flux), som sendes ut fra en lyskilde i alle retninger, og er basert på øyets lysfølsomhetskurve (den fotopiske kurven for tappene i netthinnen i lys (maksimum 555 nm). Ca. absorbsjonsmaksima for tapper i netthinnen: Blå (437 nm), grønn (533 nm) og rød (564 nm)Den skotopiske kurven for stavene i netthinnen i et mørketilpasset øye i svakt lys  har maksimum ved ca. 507 nm. Stavene er mest lysfølsomme, men skiller ikke farger, og er mest  effektive i blågrønt lys(Purkinje effekt). Lumen er relatert til måleenheten lux og angir lysfluksen inn mot en flate

1 lux = 1 lm/m2, kalt illuminans (”illuminance”).

Lux tar hensyn til arealet hvor lysfluksen blir spredd. 1000 lumen konsentrert på en kvadratmeter (m2) tilsvarer 1000 lux.

Lystabell

Eksempler på bølgelengder i nanometer (nm), frekvens og energi per mol for de forskjellige delene av lysspekteret (farger).

Romvinkel i steradianer

Energien fra en lyskilde blir sendt ut i alle retninger eller blir avgrenset av en romvinkel. Romvinkelen (”solid angle”, Ω) har måleenhet steradian (sr), og en steradian avgrenser arealet r2 fra en kule med radius r. Romvinkelen har utgangs- eller topp-punkt fra origo i kulen. En kule har en fast vinkel på 4π steradianer, siden overflaten av en kule (sfæren) er 4πr2 og romvinkelen kutter ut r2 av overflaten. Sola og månen har samme romvinkel, så selv om de har forskjellig størrelse, vil de dekke hverandre helt ved en solformørkelse. Lysstyrke (lysintensitet, ”luminous intensity”) slik vårt øye oppfatter det, er gitt i en retning og har måleenheten lumen per steradian og er lik candela (lm/sr=cd).

Candela

Candela (candle – stearinlys) er lysstyrke (lysintensitet, ”luminous intensity power”) utstendt fra en lyskilde i en spesiell retning og er vektet for øyets lysfølsomhetskurve. Lyskilden sender ut monokromatisk stråling med frekvens  5.40· 1014 hertz (Hz) har strålingsintensitet (”radiant intensity”) i den retningen med 1/683 watt per steradian (W/sr). Denne frekvensen tilsvarer monokromatisk lys med bølgelengde ca. 555 nanometer (nm) (grønt lys). Et stearinlys sender ut ca. 1 candela.

1 watt med monokromatisk 555 nm lys kan ha maksimal lysfluks på 683 lumen.

Lyshastigheten er frekvens ganger bølgelengde. Det vil si

3.0· 108 m s-1 /5.40 1014= 5.55·107= 555·109 = 555 nm.

Vi kan finne energien til ett mol fotoner fra formelen:

E= N·hν = N·hc/λ, hvor N er Avogadros tall med partikler 6.022·1023 mol-1, h er Plancks konstant 6.626 10-34 J s

6.022·1023 • 6.626 10-34 •5.4·1014= 215.5 kJ mol-1.

Selv om lysstyrken til en lyskilde er konstant så vil illuminansen minske med avstanden fra lyskilden.  Måleenheten lumen og candela henger sammen, hvor en lumen tilsvarer en candela steradian.

1 lm = 1 cd sr

Luminans (”luminance”) er lysstyrken (”luminous intensity”) per arealenhet og har måleenheten candela per kvadratmeter (cd/m2).En lyskilde som sender ut en lysstyrke på candela (1 cd) i alle retninger har lysfluks (”luminous flux”)

1 cd 4π sr = 4π cd sr = 12.57 lumen (4π=12.56637..)

Hvis en lyskilde sender ut 1 cd over en vinkel på 1 steradianer så vil totalysfluks sendt ut i den retningen være 1 cd sr = 1 lumen

Footcandle

Footcandle (fotlys) er en måleenhet brukt i USA for illuminanse på en overflate en fot unna. En footcandle er antall lumen per kvadratfot og tilsvarer 10.764 lux. 1 lux = 1 lm/m2 = 0.0929 footcandle.

Lysmåler Foot-Candles

Gammel lysmåler fra Botanisk laboratorium, UiO, som måler lys i Foot candles. Vi brukte den på hovedfagskurs i plantefysiologi i 1972, og ble flittig brukt i årene etter. Måleenhten foot-candles ble omregnet til lux. Photovolt Corporation, New York City. Trekassen har en inngravert metallplate med teksten: UNIVERSITETETS BOTANISKE LABORATORIUM GAVE FRA: THE ROCKEFELLER FOUNDATION 1946-1947.

Radiometrisk lysmåling

Radiometrisk lysmåling angir effekten eller energien som treffer en overflate eller blir sendt ut fra flaten. Irradianse (”irradiance”) er innstrålingstettheten sendt inn mot en flate og har måleenheten watt per kvadratmeter (W/m2). En watt vil si en joule (J) per sekund , J/s. Irradianse fra sola eller en kunstig lyskilde kan treffe bladene eller andre objekter på forskjellig måte. Irradiansen fra sola kan komme direkte fra lyskilden, den kan bli spredd fra partikler i atmosfære i form av skylys, himmellys eller bli reflektert fra omgivelsene og treffe bladene. Utstrålingstettheten (”radiant exitance”) er intensiteten av strålingen som blir sendt ut fra en flate, og denne har også måleenheten W/m2.Med et spektroradiometer kan man måle effekten eller energien per bølgelengde av lyset målt i nanometer (W/nm). Radians (”radiance”) er et mål på utstrålt energi per steradian romvinkel og kvadratmeter areal (W/ sr m2). Strålingsintensiteten (”radiant intensity”) er energien per steradian romvinkel (W/sr).

Lysutbytte

Lysutbytte (”luminous efficacy” ) angir hvor effektivt effekten eller energien blir omsatt til lys slik vi oppfatter det, altså lumen per watt (lm/W). Bølgelengder som ligger utenfor spektret for synlig lys er ikke av interesse i denne sammenheng.

Glødelampe

Det er mange lyskilder, og en glødelampe lager lys ved at det sendes elektrisk strøm gjennom et wolframfilament med høy motstand og det gir så høy temperatur at det blir sendt ut lys. Lyset fra en glødelampe inneholder mye rødt lys og nært infrarødt lys (varmestråling). En 40 watt lyspære gir 300 lumen det vil si 300/40= 7.5 lumen per watt. En wolframtråd ved 2000 K vil ifølge Wiens forskyvningslov ha størst energiutstråling ved ca. 1035 nm (nanometer), altså ved kortbølget varmestråling. Energiutbyttet blir derfor lavt for glødelamper, men i våre klimastrøk fungerer de i vinterhalvåret også som en varmekilde i tillegg til lyskilde.

Spektralfordeling fra glødelampe

 

Spektral irradianse fra en glødelampe målt som W m-2 nm-1 med Li-1800 spektroradiometer

Lysstoffrør

I et lysstoffrør blir det sendt elektrisk strøm gjennom en rør med kvikksølvdamp, og den ultrafiolette strålingen blir absorbert av et fosforbelegg på innsiden av røret. Måler man spektralfordelingen fra et lysstoffrør finner man igjen spektralbåndene for kvikksølvdamp: 312.9 nm, 365.0 nm, 404.7 nm, 435.8 nm, 546.1 nm, 578 nm, 1014 nm. Siden lysstoffrør og sparepærer basert på det samme prinsippet inneholde kvikksølv er det viktige at brukte rør blir tilbakelevert som spesialavfall.

Spektralfordeling lysstoffrør

Spektral irradianse fra et lysstoffrør målt som W m-2 nm-1 med Li-1800 spektroradiometer

Gassutladningslamper

Lavtrykksnatriumlamper er en gassutladningslampe som bruker eksitert natrium til å lage lys. Slike lamper finnes både som lavtrykks- og høytrykkslamper. Lavtrykksnatriumlamper gir et guloransj lys og blir benyttet til utendørsbelysning i gater og parker. Høytrykksnatriumlamper gir et noe bredere spekter. Lavtrykksnatriumlamper inneholder fast natrium og en blanding av neon (Ne) og argon (Ar) for å starte gassutladningen. Ved oppstart lyser lampen rosa, så fordamper natrium og lampen gir omtrent monokromatisk lys med de to dominerende spektrallinjene 589 og 589.6 nanometer (nm), D-linjene fra natrium emisjon. Det ligger et ytre glassvakumrør på utsiden av utladningsrøret som gir termisk isolering og økt holdbarhet på lampen. Lysutsendelsen ligger nær øyets lysfølsomhetskurve og gir høyt lysutbytte, ca. 200 lm/W. Glassveggen kan være dekket av et infrarødt reflekterende lag av indium-tinnoksid.  Natriumlamper får lite redusert lysfluks med alderen. I en skyet natt reflekteres natriumlyset av skyene og gir en ekstra belysning og guloransj glød over byer.

Høytrykksnatriumlamper inneholder kvikksølv (Hg) og noen kalles SON-lamper for å indikere likhet med solspekteret. Xenon (Xe) ved lavt trykk blir brukt som startgass i høytrykksnatriumlamper. Xenon har lav termisk konduktivitet, har lavt varmetap og lavt ioniseringspotensial gir lite spenningstap ved konstant strøm. D-linjene i natrium blir bredere ved høyt trykk grunnet resonans og van der Waals krefter fra kvikksølvatomer.

Spektalfordeling Metallhalid (Kolorarc KRC400)

Spektral irradianse fra en metallhalidlampe (Kolorarc KRC400)målt som W m-2 nm-1 med Li-1800 spektroradiometer

LED lys

LED lys er sendt ut fra lysemitterende dioder. LED sender ut lys med smale spektralbånd avhengig av energibåndgapet til halvlederne. LED-lys er sammensatt av flere separate dioder, for eksempel trikromatisk med rødt, grønt og blått inkludert et fosforbelegg. LED sender ut lys i bare en retning, og varmen blir fjernet med kjøleribber. Lysutbytte fra LED minsker ved høy temperatur (Auger kombinasjon). Lysprosjektørpærer måles etter en standardisert metode i ANSI lumen (American National Standard Institute).

Lysforurensning

Kunstig belysning langs veier, gater og i parker, kombinert med all lysutsendelse fra beboelseshus, gartnerier,  industri og oljeplattformer gir lysforurensning og påvirker alle organismer. Om vinteren kan lysutsendelse fra slalombakker og lysløyper gi biologiske effekter. Landskilpadder, flaggermus, fugl, pattedyr, mennesker og insekter blir påvirket av lyset. Det dannes egne økosystemer i de kunstig belyste områdene. Nattsvermere og andre insekter samler seg rundt lyskildene grunnet fototaksis, og disse kan tiltrekke seg andre predaterende organismer. Alle organismene har blåttlysreseptorer i form av kryptokromer, rhodopsiner og bruk av LED-lyskilder med mye blått lys kan ha mulige biologiske effekter, sammenlignet med det guloransje lyset fra natriumlamper. Blått lys deltar blant annet i synkronisering av den endogene (indre) biologiske klokken. Svarttrost kan fortsette å søke etter mat i høstmørket grunnet belysningen, som kan være en av grunnene til at svarttrost trives i bystrøk, i tillegg til frukthager.

Fargetemperatur

Temperaturen til en ideell svart legeme utsender er målt i Kelvin (K), og kan bestemmes ut fra Wiens forskyvningslov. Sol har en svartlegemetemperatur på overflaten tilsvarende 5780 K. Mer enn 5000 K gir en blåhvit farge. 2700 K som tilsvarer utsendelsen fra wolframtråden i en glødelampe har en gulhvitrød farge. LED-lys og lysstoffrør har ikke termisk stråling.

Spektralfordeling blakclight lysstoffrør

Spektral irradianse fra Black light målt som W m-2 nm-1 med Li-1800 spektroradiometer. Black-light (UV-A) blir brukt til å se fluorescerende fibre i papirpenger, og gir blåaktig farge på bomullstøy farget med Calcofluor (optisk hvitemiddel). Gir rødt fluorescenslys når en løsning med klorofyll i aceton blir belyst.

Newtons fargesirkel

Primærfargene RødtGrøntBblått. Sekundærfargene Yellow, Magenta og Ccyan dannes ved å blandelike intensiteter med to primærfarger.

Tilbake til hovedsiden

Publisert 4. feb. 2011 10:34 - Sist endret 31. juli 2019 18:42