Вы чувствуете, что не хватает света в аквариуме? Думаете добавить? Сколько? Замерять бы не мешало освещенность перед тем как решать. Что мешает? У вас нет такого люксометра, который можно под воду… Только приложение на телефоне. А его под воду страшно как-то.
Может поставить светильник над какой-то поверхностью на такой высоте, над какой он у вас над грунтом, и замерять? Ну хорошо, замеряте. А дальше как? На сколько уменьшать эту цифру? Свет же в воде ослабевает! 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... А вот что дает, давайте разбираться.
Эта статья - версия "лайт" статьи на сайте. Я умышленно не буду приводить расчеты, формулы и прочие некоторые усложнения, чтоб не перегружать ее не обязательной информацией. Кто захочет, сможет все увидеть в полной версии статьи, ссылка на которую будет в конце текста.
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. Обратил я внимание на это, когда тестировал свои новые светильники от RST_tech. Я тогда измерял освещенность под ним. На 100% на дне было около 9500 лк (средняя шкала).
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…
Те же 9500? Не может быть! А как же вода?
Ну вот теперь давайте разбираться. Вы же помните, что свет, попадая из одной среды в другую, отклоняется, если оптическая плотность сред разная? Это называется преломлением. 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.
После наших расчетов от окажется ~41 град. И именно под этим углом он и выходит за пределы аквариума. Запомним эту цифру. Однако там же еще стекло есть. Оно же тоже преломляет? 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. Поэтому стекло в данном случае не актуально и мы о нем забудем. И доказательством того, что угол падения света в воду уменьшается, служит вот эта фотка.
Но ведь здесь, если провести линию от светильника до края светового пятна, никак не 41 градус! В лучшем случае 10! 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. Вам цифра 41 ничего не напоминает? Да, 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. И поэтому свет от светильника не рассеивается по комнате мимо аквариума, а возвращается в него обратно.
На всякий случай напомню, что хоть вода не напрямую с воздухом контактирует и между ними есть стекло, но со стеклом мы чуть выше разобрались, его можно не учитывать. 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 вы все таки видите, 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. Резонный вопрос: "А бОльшая, это какая? А отраженная, это какая?" Это в каждом конкретном случае своя. Но если вы посмотрите на такую простенькую схемку
то даже на глазок увидите, 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.
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. Когда я 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. Но куда девается в этом случае яркое пятно на полу?
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. Глядя на схему, прям хочется сказать, что освещенность на дне аквариума будет втрое выше, чем на воздухе под светильником
Но я этого сказать не хочу. Во-первых, все таки есть потери за пределы аквариума. А во-вторых, все таки не забывайте о затухании света в воде из-за его поглощения водой. А оно намного существеннее, чем на воздухе. Другими словами, за счет полного внутреннего отражения мы освещенность на дне повышаем, а за счет затухания в воде она снижается. 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. Отсюда и все "чистые" справочные данные об ослаблении светового потока в водной среде.
И что мы в итоге получаем по факту?
А по факту мы получаем как карта ляжет. От некоторого уменьшения освещенности по сравнению с “на воздухе” до некоторого даже увеличения. Вот смотрите, 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.
1750 лк. Нормально вообще? Настолько на воздухе меньше, чем на дне аквариума. Да, в этом конкретном случае именно так – высота аквариума меньше, чем в большом на первых фотках, соответственно, поглощение света в воде меньше. Так что этот фактор тоже надо учитывать. Как и расположение светильника над аквариумом. Оно существенно влияет. Вот смотрите, 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.
Считайте в 2 – 2,5 раза меньше. Потому что лучи света перестают попадать на стекло и отражаться обратно. И тут уже в полный рост, как говорится, начинает проявлять себя затухание. Интересно, а если стенки зарастут налетом, отражение уменьшится? 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. А как будет если вода мутная? 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.Ну, со светодиодным светом приблизительно понятно. А если люминисцентные лампы, то тоже этот эффект присутствует? Здесь зависит от отражателя. 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 вас 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).
Не в 2,5 раза, да. Но все ж из-за плохого отражателя этот эффект снижается. Еще может быть интересно посмотреть как по высоте аквариума как меняется освещенность. Я 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.
Теперь давайте попробуем сформулировать это все
в виде четких и конкретных рекомендаций.
1. Для оценки яркости светильника 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 презерватива. 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. Как откалибровать свой смартфон или подобрать под него приложение я показывал здесь Подбор приложения "люксометр" на смартфон и калибровка его. (Пост Ю.В. #275127)
3. Получив результат, вы должны 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 можете 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 вас 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 вас 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 вы можете 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 вам придется пересвечивать верх аквариума, чтоб выйти на нужный уровень.
5. Если у вас один узкий, недостаточный для освещения всего аквариума, а нужен свет поярче для почвопокровки, то устанавливайте 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 вас люминисцентные лампы, то все точно так же, при условии, что у вас на них хорошие отражатели. Если отражатели не ахти, то показания люксометра смело делите на 1,5 – 1,7. Если отражателей нет, то тогда на 2,5-3.
7. Если у вас есть выбор, брать светильник с линзами на светодиодах или без них, то берите 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 вы привыкли к устаревшей системе оценки света (в вт/л для ЛЛ или в лм/л для СД), то вот вам 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.
Полная версия статьи с формулами и расчетами ЗДЕСЬ.
_______________________________________________________
Дополнительные материалы нашего сайта:
Важные темы раздела "Общие вопросы аквариумистики".
Важные темы раздела "Аквариумное оборудование".
Важные темы раздела "Освещение аквариума".
Важные темы раздела "Аквариумные рыбки".
Важные темы раздела "Болезни обитателей аквариума".
Важные темы раздела "Корма и кормления".
Важные темы раздела "Дизайн и оформление аквариума".
Важные темы раздела "Беспозвоночные +".
Важные темы раздела "Водоросли и аквариумные растения".
Важные темы раздела "Морской аквариум".
Важные темы раздела "Очумелые ручки".
Важные темы раздела "Декоративные пруды".
Важные темы раздела "Общение и флуд".
Так хочется побыть в одной компании с такими мэтрами лженауки как П.Глоба, св. отец Илларион, С.В.Савельев, В.В.Сундаков, и, конечно же, свежеиспеченная почетный академик Н.А.Зубарева! 
... только на 12 Вольт. Техника безопасности ... 
