Измерение излучений
Основным свойством всякого излучения, независимо от источника (солнце, лампа) и специфических свойств приемников, употребляемых для его оценки, является перенос им определенного количества энергии, заключенного в каждом пучке его лучей. Перенесенная таким образом в единицу времени энергия составляет естественную меру интенсивности пучка, каковы бы ни были качества составляющих его излучений. Интенсивность пучка может быть выражена количеством энергии в единицу времени — мощностью. Последняя может быть выражена, например, в эргах в секунду или в джоулях в секунду (в ваттах), или в калориях в секунду и т. д.
Пока энергия находится в виде излучения, она совершенно недоступна измерению. Для измерения ее необходимо превратить в другую форму, доступную измерению. Проще всего лучистую энергию превратить в теплоту. Зная механический эквивалент тепла, можно легко найти значение лучистого потока в любых механических единицах.
Выделение теплоты при поглощении лучистой энергии — не единственное явление, в котором проявляется ее действие. Великим русским физиком П. Н. Лебедевым было открыто давление, производимое лучистым потоком. Это явление имеет очень большое теоретическое значение, но для практических целей пока еще не может быть использовано в виду сложности измерения.
Поэтому в настоящее время для определения мощности лучистых потоков приходится пользоваться другими способами, оценивая ее в тепловых, электрических и механических единицах; все они легко переводятся друг в друга. Тепловые единицы — калории и малые калории, электрические единицы — киловатты и ватты и механические единицы — эрги.
Энергия солнечного лучистого потока па уровне земли на перпендикулярную к солнечным лучам поверхность при выражении ее в вышеуказанных единицах имеет следующие значения: 1,4 кал/см2 • мин или же 0,023 кал‘см2 • сек\ 1 кет на квадратный метр или 0,1 вт на квадратный сантиметр; 1 000 000 (106) эрг на квадратный сантиметр в секунду.
Из приведенных цифр, показывающих соотношение между различными энергетическими единицами, можно видеть, что практически всего удобнее пользоваться электрическими единицами.
да, пожалуй, они и всего привычнее для широкого круга людей. Единственным неудобством пользования ими при работе с электрическим освещением является необходимость разграничения электрической мощности самой установки или ламп от мощности создаваемого при их помощи лучистого потока. Так, например, в одной из осветительных установок лаборатории на квадратный метр освещаемой площади затрачивается в час 4,8 кет электроэнергии, или, иными словами, мощность этой осветительной устаповки равна 4,8 кет, а мощность лучистого потока, ею создаваемого, при использовании водяного фильтра равна всего 250 вт на 1 м2.
Кроме того, видимую часть излучений часто характеризуют в светотехнических единицах: фотах, люменах, люксах и т. п. Наблюдения показывают, что в том случае, когда солнце близко к зениту, и атмосфера чиста, каждый гектар земной поверхности получает 10 000 кет солнечной энергии. Что касается освещенности, то она в этих же условиях составляет около 100 000 лк. Но стоит измениться спектральному составу излучения — сейчас же изменяется и соотношение между мощностью лучистого потока и освещенностью, им вызываемою. В светофизиологических исследованиях чаще всего пользуются светотехническими единицами, характеризуя освещенность растений в люксах, и только в немногих работах количество света и лучистой энергии вообще определяется в калориях н других энергетических единицах. Из-за этого, благодаря неоднородности лучистых потоков, особенно искусственных излучателей, сопоставляются результаты совершенно несравнимых условий, что приводило и приводит к страшной путанице в основных представлениях о значении лучистой энергии для жизни растений.
Еще в конце прошлого века К. А. Тимирязев писал: «Я был первым ботаником, заговорившим о законе сохранения энергии и соответственно с этим заменившим и слово «свет» выражением «лучистая энергия». Это не было простой заменой одного слова другим, но существенно изменяло основную точку зрения и вызвало сомнение в верности самих фактов. Став на точку зрения учения об энергии, я первый высказал мысль, что логичнее ожидать, что процесс разложения углекислоты должен зависеть от энергии солнечных лучей, а не от их яркости» **. Говоря же о способах оценки количества лучистой энергии, необходимой для фотосинтеза, К. А. Тимирязев прямо указывал: «Мы имеем только один способ измерения энергии, живой силы данного луча; он заключается в определении их теплового напряжения» ***.
Несмотря на такие категорические и давнишние указания К. А. Тимирязева, не только зарубежные, но, до недавних дней, и советские исследователи для оценки действия лучистых пото-
Ков на рост и развитие растений пользовались не энергетическими, а светотехническими единицами. Это обстоятельство не прошло без вреда для развития представлений о роли света или, точнее, различных излучений в жизни растительных видов.
Непригодность светотехнического метода учета лучистой энергии для растениеводческих целей вытекает из его физической сущности. Прежде всего, исторически единицы измерения «силы света» возникли из изучения зрительных впечатлений человека и соответственно этому долгое время были просто визуальными, т. е. о силе света судили на основании личных зрительных впечатлений.
Основой для определения «силы света» служит так называемая международная свеча, представленная группами ламп с угольной нитью. Единицей светового потока является поток, испускаемый источником в 1 свечу внутри телесного угла в 1 стр. Эта единица называется люмен.
Единицей Освещенности является люкс, равный одному люмену па квадратный метр, или освещенности, создаваемой одной свечой на расстоянии одного метра. Отсюда — частое название этой единицы — метросвеча. Следовательно, люкс, так широко используемый в физиологической литературе, по своему существу является единицей, совершенно не пригодной для измерения энергии.
Понятно, что для измерения общей, как говорят, интегральной мощности любого лучистого потока выгоднее всего пользоваться приборами, имеющими своей приемной частью тело, наиболее полно поглощающее всякое излучение. Лучше всего для этих целей подошло бы абсолютно черное тело. Опыт показывает, что не плохим заменителем абсолютно черного тела является хорошо приготовленная сажа, которая в этом случае поглощает до 98% падающей на нее лучистой энергии. Поэтому все наиболее точные (абсолютные) актинометрические приборы своей приемной частью имеют слой сажи. В частности, такой неселективной в видимой области приемной частью обладает пиронометр Янишевского, широко используемый в работах лаборатории вместо принятого ранее для этих же целей объективного люксметра и фотометра, которые являются селективными приемниками. Приемник называется неселективным, если при равенстве лучистых потоков он одинаково реагирует на все монохроматические излучения. Неселективными приемниками являются различные термобатареи, имеющие своей поглощающей частью сажу. Все остальные приемники и, в частности, широко распространенные сейчас фотоэлементы весьма селективны, т. е. неодинаково чувствительны к различным монохроматическим излучениям. Основой фотометрических приборов чаще всего являются селеновые фотоэлементы со спектральной чувствительностью, повторяющей довольно хорошо кривую чувствительности глаза, что и делает их очень хорошими светотехническими приборами, но мало пригодными для целей светофи-зиологии.
Принципиальное различие в сравнительной оценке различных излучений селективными и неселективными приемниками хорошо иллюстрируется сравнением лучистых потоков солнца и ламп накаливания при измерении их в люксах и ваттах.
Как уже указывалось выше, освещенность, создаваемая солнечными лучами, может достигать 100 ООО лк\ освещенность же, создаваемая при помощи обычных ламп накаливания, не превышает 20000 лк, т. е. оказывается в пять раз меньшей. Чаще же всего приходится иметь дело с освещенностью, получаемой от электрических ламп, не превышающей 15 000 лк, т. е. меньшей по сравнению с солнечной почти в 7 раз. Отсюда и возникло представление о несравнимости освещенностей прямым солнечным светом и светом электрических ламп, а следовательно, п о принципиальной невозможности получения вполне нормальных растений на искусственном освещении. Совсем по-иному выглядит сравнение лучистых потоков солнца и ламп накаливания при оценке их в единицах мощности, например, в ваттах.
Солнечное излучение на квадратный сантиметр перпендикулярной к лучам поверхности достигает мощности 0,1 вт и такую же интегральную мощность дает лучистый поток 300—500-ваттных ламп накаливания на расстоянии 10 сантиметров от нити.
Все дело сводится к тому, что люксметры не измеряют инфракрасной радиации и мало чувствительны к красной области, а спектр ламп накаливания состонт на 85—90% из этой радиации (в полуденном солнечном излучении инфракрасной радиации но свыше 55%). Большие ошибки неизбежны и при использовании люксметров для сравнения лучистых потоков, различных по своему спектральному составу.
Учитывая все вышесказанное, мы считаем правильным измерять всякие лучистые потоки приборами, имеющими в своей основе неселектнвные приемники, и оценивать ее в ваттах на квадратный сантиметр.
Однако при этом никогда нельзя забывать, что действие измеряемой лучистой энергии на прибор и на живое растение будет далеко не одинаковым. В первом случае вся энергия излучения, упавшего на приемную часть прибора, превращается в тепло, а во втором случае не только в тепло, но и в живую растительную массу — в тело растения. Необходимо помнить, что растения, живя за счет света, в отличие от всех других организмов, питаются им, так же как они питаются минеральными элементами — углекислотой, водою vi т. п. Конечно, термин питание в применении к растениям теряет свое первоначальное значение, взятое из физиологии животных, и связывается совсем с другими процессами. Пока сущность этих процессов не будет вскрыта гораздо полнее, пока не выяснится действительная роль света в питании растений, трудно разработать необходимый метод количественного учета используемого растением света.
Использвание искусственного освещения - Измерение излучений
Остались вопросы по теме - "Измерение излучений", задайте их на