[搜集整理] 谈谈光照、光合作用、灯管、光谱以及不同灯光下的显色

水族照明知识全介绍：以下所有文字、图片全部为网络搜集整理，部分转自转自pet3000 ，由本人搜集整理。再此感谢原作者的分享。
1，什么是光？光与水草、海水生物之重要性  （转自pet3000  Smile风铃 ）
光可说是一种能量。水草藉着光能、二氧化碳和水进行光合成作用，制造葡萄糖等养份供应水草本身需要，而副产品为氧气。而此氧气适足于提供于鱼呼吸之需要。同样，海水生物缸内某些藻类（algae）或所谓共生藻类（Zooxanthellae）藉着光也行光合成作用而成长，提供软体生物（corals、invertebrates）等需要。所以，无论水草或海水生物水槽均需藉由人工提供适量的二氧化碳（CO2）与光能结合进行光合作用，共生藻类和植物藉以繁衍或成长，鱼儿或海水生物或呼吸或取食藻类，光能则藉以传递而形成共生的食物链。
反之，植物或藻类缺乏光能的取得，则必褪色或直接枯萎而死亡。相对的，鱼儿或海水生物则无所依附也必然难逃死亡的命运，完整的水草或海水生物生态缸即无法形成。

光合效率 （photosynthetic efficiency）：植物的光合器官把日光能转化成化学能的效率。由于在光合作用机理或农业与生态问题的探讨中的着重点不同，光合效率有按光量子数和按光的能量两种不同计算方式，表示的单位也不同。光合作用的机理研究，着重了解光合机构如何利用吸收到的光量子的能量分解水、释放O2、固定CO2并形成糖类或其他有机物。知道每一个光量子可以同化多少个CO2分子或释放多少个O2分子（这个数字称为量子效率或量子产额），有助于分析水的分解和CO2的同化有几个步骤。光化学的当量定律规定，一个光量子最多引起一个分子（或电子）的变化，所以量子效率的最高值不能大于 1，往往是小于 1的一个分数。为了方便，常使用它的倒数——量子需要量，即同化一个CO2或释放一个O2所需的光量子数。因为只有量子效率的最高数值或量子需要量的最低数值在生物学上才有理论意义，所以测定时要选择最优条件，如活力高的植物材料，足够高的CO2浓度、最适的温度等；并且用低光强，使叶绿素截获光量子的速率不超过以后慢得多的暗反应速率，使光能都有效地用于光合作用。经多次测定得到的数值为8～12。
　　光合作用过程中，每分解一个水分子，释放一个O2分子，需转移4个电子，而每个电子的转移要通过两个受激发的色素系统（光系统）接力进行，因而理论上量子需要量不会小于8。对光合有效辐射（波长范围大约为380～720纳米）来说，量子效率（或量子需要量）的数值受波长的影响不大，因而便于不同颜色光下测定的数值的比较。但按能量计算时，则由于每一光量子的能量与波长成反比，1摩尔短波光所含能量比1摩尔长波光多，而同化1摩尔CO2所需的摩尔数却相同，能量转化效率就比长波光低。例如每个摩尔的波长为680纳米的红光和波长为420纳米的紫光分别含能180千焦耳和297千焦耳，10摩尔则分别含1800千焦耳和 2 970千焦耳，却都形成含热量 468.9千焦耳的 1摩尔碳水化合物（CH2O），所以其能量利用率分别为26％和16％。白光包括从380～720纳米的各种波长的光量子，其能量利用率约为 20％，这是叶绿素所吸收的光量子的理论最高能量利用率。
　　农业和生态学关心的是照射到单位面积土地上的日光能中有多少被转化成化学能，贮存在干物质中。这个过程除上面所说最高量子效率转化时无法避免的能量损失外，还受许多其他降低效率的因素的影响。下表是经依次计算各项因素的影响后的日光能转化效率的数值。此外，还有以下几项损失也时常发生：①日光光强过高，空气中羧化反应底物CO2的浓度偏低，使量子需要量超过10。②植物苗期地面覆盖不全，日光漏射到地面，衰老时光合能力衰退，光合效率降低。③环境不利因素如温度过高或过低、水分不足、无机养分不足，使叶面积指数及其效能下降。田间作物植被在光合层建成后的最佳期间，日光能的利用率可达3～4％，整个植物生长季的光能利用率约为1～2％，全球表面平均则为0.1％，极端不利条件如沙漠、冻土地区接近于0。
　　对实际光能利用率的分析，有助于分析降低光能利用率的因素，估计其影响大小，并寻求克服这些因素以提高干物质（生物量）积累的途径。其中选择适当的轮作制度和适宜的品种，增加水肥供应以加速叶面积伸展，从而延长土地充分覆盖的时期，是农业上的重要措施。在温室内或薄膜覆盖时，可更大程度地控制温度，还可增加CO2，以进一步提高光能利用率。
首先我们先来认识一些专有名词：
光线和辐射：光是电磁波辐射到人的眼睛，经视觉神经转换为光线，即能被肉眼看见的那部份光谱。这类射线的波长范围在360到830nm之间，仅仅是电磁辐射光谱非常小的一部份。温度远远高于50Hz工作时的温度，从而产生更高色温的白色色表和更好的显色性。
照度（Lux）；是指单位面积所接受光强度的度量。
光强度（Illumlnous　Intensity）：简称为光度，是以一国际 烛光（简称烛光）的亮度为单位，亦即灯源的输出功率等於其光照度。例如：100瓦特的灯管，其光照度就是100烛光。
光通量  Φ （ Luminpus flux）：辐射通量中的可见光能使人眼睛感觉其存在者，此部份的辐射通量称为光通量（光源发射并被人的眼睛接收的能量之总和即为光通量）。其单位：流明[lm]
流明（Lumen）；一烛光的光源，在一立体弧度角内所通过的光通量。            
光强 l ：一般来讲，光线都是向不同方向发射的，并且强度各异。可见光在某一特定方向角内所发射的强度就叫做光强（l），也就是  光强(l)是指在某一特定方向角（w）内所发射的光通量（Φ）其单位：坎德拉[cd]
照度E：照度（E）是光通量与被照射面积之间的比例系数。1 lx即指1 lm的光通量平均分布在面积lm2平面上的明亮度。 其单位：勒克司[lx]   
辉度L：辉度（L）是表示眼睛从某一方向所看到物体反射光的强度。其单位：坎德拉/平方米[cd/m2]
光效：光效是指电能转换成光能的效率。其单位：流明每瓦[lm/W]
光色：由于光线中光谱的组成有差别，因此即使光色相同，灯的显色性也可能不同。光色实际上就是色温.大至分三大类：暖色<3300K中间色3300至5000K
辐射通量（Radinat flux）：光源每单位时间所辐射出来的能量 。
光谱（ Spectrum）：由紫外线、紫色、靛色、蓝色、绿色、黄色、橙色、红色及红外线等九种光质所组成的图谱。其波长约在2550埃到25000埃之间，波长在3800埃一7500埃者光线为可见光线，低於3800埃者为紫外线，高於7500埃者为红外线。
色温（colortemperature）：（光源所呈现出来的色彩温度）当光源所发出的颜色与“黑体”在某一温度下辐射的颜色相同时，“黑体”的温度就称为该光源的色温。“黑体”的温度越高，光谱中蓝色的成份则越多，而红色的成份则越少。例如，白炽灯的光色是暖白色，其色温表示为2700K，而日光色荧光灯的色温表示方法则是6000K，太阳光源的色温在晨曦时约3000Kelvin 　然後会逐渐上升，至中午日正当中时最高，约为6000 Kelvins，随後再逐渐下降，直至夕阳西落为止。其单位：开尔文[K]  （ Kelvln）
显色性：原则上，人造光线应与自然光线相同，使人的肉眼能正确辨别事物的颜色，当然，这要根据照明的位置和目的而定。
显色指数：光源对于物体颜色呈现的程度称为显色性。通常叫做"显色指数"（Ra）.
显色性是指事物的真实颜色（其自身的色泽）与某一标准光源下所显示的颜色关系。Ra值的确定，是将DIN6169标准中定义的8种测试颜色在标准光源和被测试光源下做比较，色差越小则表明被测光源颜色的显色性越好。Ra值为100的光源表示，事物在其灯光下显示出来的颜色与在标准光源下一致。
灯具效率：灯具效率(也叫光输出系数)是衡量灯具利用能量效率的重要标准，它是灯具输出的光能量与灯具内光源输出的光能量之间的比例。

2、 自然光源与人造光源的认识
自然界的光源，取之太阳光。所以，无论陆地或海洋生物皆均沾此光能并交随食物链传递而得以生存和万物滋长。同理，营造一缸水草或海水生物的生态缸，必然缺乏不了光能的取得。然而，居家的水族缸取用自然光源，势必在所难。太阳光的光源包罗万象，科学家从太阳光的光谱中析出除人类肉眼可察觉的可见光如红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫外；太阳光尚具有红外线光、紫外线光、X光、雷射光等其他肉眼无法察觉的不可见光。而自然界中的植物无论陆地或海洋接收此太阳光含（可见光与不可见光）是否照单全收？抑或植物自有其机制取其所需而能排除其他不必要的光源，自有待研究或成立某部分的假说。
    但是科学日新月异，科学家从不断的模拟太阳光的光源并析出有用的光源，而制造出类似太阳灯管（红、绿、蓝三波长灯管）、植物灯管、强列光合灯管、全光谱灯管、软体灯管、爬虫灯管、紫外线切断灯管、PL灯管等萤光灯管及水银灯。复金属灯等人造光源。这些人造的光源自然予以吾人无穷方便，吾人于营造居家水族缸自然可无阴雨而掌控光源，虽然说水草或海水生物的生态缸系模拟自然界生态的缩影，然则亦仅系模拟，难等同于自然界的实象。盖自然界中阴雨绵延数日或竟月，某些水草或海水生物依然能存活；而自然界中水草或海水生物处于水流和潮汐以及适存的水境因子，人造的水缸仅系一池死水的再环循过滤，且其水境因子亦仅系必要而难言充分。再说，吾人营造的居家水缸，由于观赏的需要，通常调整水草或海水生物于自然界中的不同生理时钟段。
因此，站在模拟的角度，营造居家水草或海水生物的生态缸，取用人造光源是必然的选择。惟，人造光源繁多，如何应用？首应对人造光源的灯管有全然的认识，兹列述如下：
A、 太阳灯管     真正名称应为红、绿、蓝三波长域灯管，由于此灯管光谱红、绿、蓝三个波长域，能源波均高近100值，模似太阳光的红、绿、蓝三原色，具有多于近2倍日光灯管的光束值，光于肉眼的感觉甚强，每w（瓦）的流明（Lm）（注一）达90，故俗称太阳灯管。    此型灯管，一般为应付西方人（蓝眼珠）和东方人（黑眼珠）需要（注二），而另模拟旭日（橙色→4000－5500°k色温）、正午（白色光→6000－6500°k色温）、夕阳（橙红→2700－3000°k色温）等的色温光色，而通常5500°k以下称暖色系；6000°k以上称冷色系。
德国Sylvania公司此型灯管称Luxline/860，率T8－26mm管径有15W、18W（即20W）、30W、36W（即40W）、58W等环保灯管，唯一寿命达14000小时始光衰，还比一般高达30％寿命，可说是最先进的灯管。36W灯管流明值高达3250Lm。
B、 植物灯管     此型灯管，光谱主集中在红光与蓝光波长域等两区，科学家发现此两光波长域的各能源波值，最接近光合作用的效率曲线，是植物成长最佳光源，尤对绿色植物具有显着效果。    德国Sylvania公司此型灯具管称Grolux，光色嫣红鲜美，如少女腮红，系T8－26mm环保管径有15W、18W、30W、36W、58W等系列。36W灯管流明值达1440Lm。
C、 强力光合灯管  该型灯管，光谱仍集中红光与蓝光波长域等两区，惟此两光波长域的各能源波值恰与植物灯管的各能源波值呈现对调，是以光色偏淡蓝，但流明值较植物灯管高，可说属类植物灯管的加强亮度型灯管。德国Sylvania公司此型灯管称Aquastar ,光色淡蓝如晴空，唯一色温高达10000°k，应用红色水草刺激花青素、 海水鱼、软体等具有光色自然和生态养成的加乘效果。系T8－26mm环保管径有15W、18W、30W、36W、58W等系列。36W灯管流明值达2000Lm。
D、 全光谱灯管   顾名思义，此型灯管系模拟太阳光红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫等七个可见光色而演变性Ra值（注三）达98，色温值6500°k，实可比拟太阳，系另一型太阳灯管。惟以植物所需光合作用曲线相去甚远，且流明值过低（36W流明值仅2100Lm。）水草、海水生物缸应用多取原太阳灯管（即红、绿、蓝三波长域灯管）代之，况三波长域灯管演色性Ra值已达85，对水草、海水生物的逼真的原色已能表现得淋漓尽致。德国Sylvania公司此型灯管称A ctiva , 系T8－26mm管径有18W、36W等环保型灯管。
E、 软体灯管  是一专用于海水生物缸中刺激共生藻类（Zooxanthellae

        水族箱是大自然的缩影，因此水族箱中的所有条件都应该尽量与大自然环境的条件相同。就大自然的光源来说，是太阳。而事实上，我们很难将自然环境中的光照状况完全引用到我们的水族箱中，也就是说，我们的人工生态系统水族箱是无法创造一个与自然环境完全相同的照明系统，我们仅能以人工科技去创造一种最接近太阳光谱的照明系统，来符合我们水族箱中水草的生长需求。那麽我们要如何来选择正确的灯呢？

　　自然环境的光照情形在大自然水域中，水草会因其原始栖息环境而演化出适宜的生长条件，如凄息在完全日照的水域环境中，其光照度可能高达90OOOlux以上，但若是长在树荫下的岸边，其光照度仅可达50 LUx，所以水草会因其生长环境之不同，而有不同的光照度需求。我们也都知道，太阳是从东方升起，西方落下，所以日光对水面下的照射会随著反射角度的变化而有所不同，一般太阳位置越低，折射所损失的光线也就越多，也就是若折射角度为70度时，水面下即有13.5％的光线损失；当80度时，则有35％的损失，当9O度时，亦即光线与水面平行时，则所有的光线就完全折射了，所以虽然白天都有12小时的日照，但水中水草的光照时间最多仅有10小时，且这些还都没有扣除因多云、下雨因素所减少的光照时间。在太阳的一天照射内，会随看清晨、正午、黄昏而有不同的色温，约从3000一6000Kelvin，且一直在变化中，再加上水流，树叶等的遮蔽，几乎没有一定的光线色温，而这正是大自然的真正光照状况。

　　由此得知，水草对光线色温的要求并不严苛。水草对光源之需求,水草必须吸收光源来进行光合作用，以合成生长所需的碳水化合物来生存，所以若没有合宜的光源则水草将生长迟钝，甚至死亡。那麽什麽样的光质才是水草所需要的呢？根据水草叶绿体中所含的两种主要色素：叶绿素 a及叶绿素 b，对光线的吸收光谱得知，无论是叶绿素 a或叶绿素 b，在红光区及蓝光区都有一个吸收高峰，显示红光及蓝光对叶绿素所进行的光合作用效率最大，也就是说水草必须要有红光 及蓝光才能生存下去。

需要的光照要素：　
　　阳光是植物进行光合作用所必不可少的，是制造养分的能量来源。植物的光合作用主要是根部从植料中吸取养料和水分，叶子从空气中吸收二氧化碳，其叶绿素吸收太阳光（光能），在体内合成碳水化合物，光能转变为化学能并放出氧气。这样循环不断，使株体发育成长、生出新株、老株则衰老死亡、新陈代谢、循环不息，使生命延续和传种接代。
　　阳光是从红到紫的各种连续波段光线的集合，人工模拟植物的生长环境也应该由此出发。全波段的人造光线当然最好，但绝大多数人造光源无法达到这一要求。植物最容易吸收红色和蓝色光线，良好平衡的红色和蓝色光线对光合作用尤其重要。根据实验证明，红光能促进兰花的生长，而蓝光则对茎叶增粗，加速植株发育，调节气孔开放等是不可缺少的。绿色光也不可忽视（相对需求小），它可以促进氧气的生长，从而帮助植物更好的积蓄养分。另外，一定强度的长波紫外线也是必不可不少的，它能帮助形成花青素（变红）和抵制枝叶的伸长。
　
      理想的人工光源由以上水草在自然环境的生长条件及水草本身对光源的需求性为依据.我们若要模拟大自然生态环境，来创造一个符合水草生长的理想人工光源，就必须符合以下的条件：
　　1、必须满足阴性水草至阳性水草的光照度，也就是必须要有50一 9OOOOLUX的光照强度。
　　2、必须要有能循序变化色温的光源，且应从清晨的3000 Kelvins变化至中午的6000 Kelvins，最后再渐减至黄昏的3000 Kelvin3．光源必须是全光谱且富含红光区及蓝光区的光质。 (全波段、连续光谱的照明光源)
       ３、良好平衡的红色（６１０－６４０nm）、蓝色（４２０－４５０nm）光线；
       ４、一定强度的长波（４００－４２０nm波长）紫外光线。（刺激花青素可使植物变红，红色更红）

　　实际上的人工光源若要符合上述的理想人工光源，以当前简便的人工照明系统而言，是绝对无法做到的。那是否就意谓着水草无法在我们的人工环境下存活呢？所幸，水草对环境的适应力很强，加上我们的人工光源也能捉住光照的最重要关键，再加上我们刻意的人为造景布置，因此仍能创造出水草适宜的光源系统。

　　正确运用光源之方法：
　　1、选择水族箱适宜的流明值根据实验证明，水草水族箱的流明值，每公升水量至少要有30一50 Lumen的光照。所以每个水草水族箱在选择照明系统前，必先依灯源的每瓦流明值来添购足量的光照。例如：一个200公升水量的水族箱，若选择太阳萤光灯管，其每瓦流明值为75lumen／watt，水族箱所需的总流明值为40 lumen／公升× 200公升＝8000 lumen，因此选择一支40瓦的太阳萤光灯管其流明值有40瓦

　　X75lumen／watt=3000 lumen，所以需要至少三支的40瓦太阳萤光灯管。若是其他灯源，则可参考下列的各种灯源的每瓦流明值：
　　灯泡　　　　7　　　　　lumen／watt
　　萤光灯泡　　9　　　　　lumen／watt
　　卤素灯泡　　16 　　　　lumen／watt
　　日光灯　　　16　　　　lumen／watt
　　水银灯　　　52一55　　lumen／watt
　　太阳萤光灯　55一75 　lumen／watt
　　金属卤素灯　74一77 　lumen／watt
　　PL萤光灯　　66一80　 lumen／watt

　　2．选择适合水草的光质自然界中的水草都是接受太阳全光谱的光质，所以选择灯源时也应以全光谱的光质为主，并目红光区及蓝光区的光质要多一些。若为某特殊水草的照射，可再辅以其他光质的灯源，例如：红色水草多辅以绿、蓝光的光质，绿色水草多辅以红、橙、蓝光的光质。
　　3．选择适宜水革的色温自然界中的水草对色温的要求并不严苛，所以不一定要多高的色温才是最好的，而是要看水草的需求而定。若是要促进水草往上延伸生长，则可选择3600　Kelvns的暖色系灯光，若要水草往侧面光长或长成丛状，则可采用约 6OOOKelvins的冷色系灯光。
　　4．利用人为造景技术水草对光照的要求都不尽相同，我们可依水草的特性，利用造景技术将需要大量光照的阳性水草，安置在灯源的正下方，而将阴性水草，放置在水草或沈木的遮荫下。使各种水草都能得到其最适宜的光照环境。若您能明僚各种灯源的效能进而妥善运用，相信您的水草也能得到如同大自然般的光照。

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