Сколько света даёт солнце: PPFD и DLI по широте, сезону и облачности — с наглядным симулятором

Каждый, кто выращивает растения дома или в теплице, иногда задаёт один и тот же вопрос: а сколько света на самом деле даёт солнце, особенно в разные сезоны? Не «светло» и не «тень», а конкретная цифра. Летом в полдень на подоконнике кажется, что света море. Зимой в тот же полдень вроде бы тоже светло — глаз ведь адаптируется. Но растение видит совсем другую картину, и разница между июньским и декабрьским полуднем может быть шестикратной.

Этот виджет показывает разницу наглядно. Можно двигать ползунок времени — солнце идёт по небу так, как оно реально идёт на вашей широте в выбранный день года, а рядом меняются цифры: мгновенный PPFD, высота солнца над горизонтом, длина дня и накопленная за сутки световая доза DLI. Переключите сезон с лета на зиму — и увидите, почему в декабре подоконник перестаёт быть достаточным местом для рассады. Очень актуально каждую весну.

Немного теории: почему зимнее солнце слабее

Первое, что приходит в голову - дело только в коротком дне. Это правда лишь наполовину. Даже если бы зимний день длился столько же, сколько летний, света всё равно было бы заметно меньше — работают два независимых физических эффекта.

Эффект первый: угол падения лучей

Летом в средних широтах солнце в полдень поднимается на 60–63° над горизонтом. Зимой — всего на 13–16°. Один и тот же пучок солнечных лучей, падая под крутым углом, освещает небольшую площадь, а падая полого — размазывается по гораздо большей. Освещённость горизонтальной поверхности падает пропорционально синусу угла высоты солнца. Уже только из-за этого зимний полдень теряет около 70% интенсивности по сравнению с летним.

Эффект второй: толщина атмосферы

Второй эффект менее очевиден, но не менее важен. Когда солнце стоит высоко, его луч проходит через атмосферу почти по кратчайшему пути — эту величину называют воздушной массой и принимают за единицу в зените. Когда солнце висит низко над горизонтом, тот же луч идёт через атмосферу под острым углом, и путь удлиняется в разы: при высоте 30° это уже около двух воздушных масс, при 15° — почти четыре, а у самого горизонта — до сорока.

По дороге свет рассеивается на молекулах воздуха и частицах, поглощается водяным паром и озоном. Чем длиннее путь, тем больше потери. Именно поэтому закатное солнце не слепит глаза и краснеет — коротковолновая часть спектра рассеивается сильнее и уходит в сторону. Для растения это означает, что зимний свет теряет не только в количестве, но частично меняется в спектре.

В сумме два эффекта дают тот самый шестикратный разрыв: в Дублине или Киеве летний полдень при ясном небе — это около 1800 µmol/m²·s, а зимний — порядка 300.

Что такое PPFD и DLI простыми словами

PPFD (Photosynthetic Photon Flux Density) — это плотность потока фотосинтетических фотонов, то есть сколько квантов света, пригодных для фотосинтеза, падает на квадратный метр за секунду. Единица измерения — µmol/m²·s. Это мгновенная величина, снимок в конкретный момент. В полдень PPFD максимален, на рассвете и закате близок к нулю. У нас есть наглядный виджет, который демонстрирует полет фотонов и их распределение на площадь в виде плотности потока фотосинтетических фотонов ↗.

DLI (Daily Light Integral) — суточная световая доза, то есть сколько света растение получило за целые сутки. Единица — mol/m²·день. Это интеграл PPFD по времени: если PPFD — снимок, то DLI — суммарная экспозиция за день.

Для практики DLI важнее. Если очень грубо, растению безразлично, получило оно свою норму за шесть часов яркого солнца или за двенадцать часов умеренного — важна общая сумма (на самом деле нельзя растение накачать нужным DLI за час, как миниум нужен СО2, но это отдельная история). Именно поэтому летний день с DLI порядка 50–60 mol/m²·день позволяет растению работать в полную силу, а зимний с DLI 4–6 держит растения иногда на грани выживания. Подробный разбор того, как считать DLI и какие значения нужны разным культурам, есть в отдельной статье: DLI в растениеводстве↗.

Как пользоваться виджетом: пошагово

Шаг 1. Выберите широту

Первое, что определяет всю картину — где вы находитесь. Не город и не страна, а именно географическая широта: солнце ведёт себя одинаково на всех точках одной параллели. Двигайте ползунок широты или выберите готовый пресет — Дублин, Киев, Берлин, Мадрид, Осло или экватор.

Обратите внимание, как меняется картина при движении ползунка: чем севернее, тем ниже дуга солнца зимой и тем короче день. На широте Осло (60°) зимний день длится всего пять с половиной часов, а солнце поднимается едва на семь градусов. Виджет работает и для южного полушария — поставьте отрицательную широту, и сезоны инвертируются автоматически.

Шаг 2. Задайте сезон

Ползунок дня года или четыре кнопки — весна, лето, осень, зима. Кнопки соответствуют датам, близким к равноденствиям и солнцестояниям: 21 марта, 21 июня, 23 сентября и 21 декабря. Это крайние и средние точки годового цикла, по которым удобно сравнивать.

Самое наглядное сравнение — переключаться между летом и зимой, не трогая остальные настройки. Пунктирная дуга на сцене показывает весь дневной путь солнца: летом она высокая и широкая, зимой прижимается к горизонту и укорачивается с обеих сторон.

Шаг 3. Выберите состояние неба

Три варианта: ясно, переменная облачность, пасмурно. Это не косметика — облачность меняет результат кардинально, и по-разному влияет на две составляющие света.

Солнечный свет приходит к поверхности двумя путями: прямым лучом от диска солнца и рассеянным светом всего небосвода. При ясном небе доминирует прямая составляющая. Облака гасят её почти полностью, но одновременно усиливают рассеянную — небо начинает светиться равномерно. В сумме пасмурный день теряет в среднем 60% света летом и до 40% зимой. Именно поэтому зимой в пасмурную погоду на подоконнике остаётся 150–200 µmol/m²·s — уровень, при котором большинство культур останавливается в росте.

Шаг 4. Двигайте время суток

Главный ползунок — от полуночи до полуночи. Солнце движется по дуге, небо меняет цвет от ночной темноты через рассветные оттенки к дневной голубизне, ночью проступают звёзды, а растение внизу тускнеет и оживает вместе с освещением. Часы в углу сцены показывают текущее время.

Следите за цифрой PPFD: она растёт от нуля на восходе, достигает максимума ровно в солнечный полдень и симметрично падает к закату. Полезное наблюдение — посмотрите, насколько узким становится «окно» продуктивного света зимой: значимые величины держатся всего три-четыре часа вокруг полудня.

Шаг 5. Изучите показатели

Виджет показывает четыре величины. PPFD сейчас — мгновенная интенсивность в выбранный момент. Высота солнца — угол над горизонтом в градусах, тот самый, что определяет и угол падения, и толщину атмосферы. Долгота дня — сколько часов солнце находится над горизонтом в этот день на этой широте. DLI за сутки — суммарная световая доза за весь день, посчитанная интегрированием PPFD по всем светлым часам.

Ниже — вердикт по выбранной культуре. Переключатель предлагает три группы: зелень (салаты, травы, рассада — им хватает 10–17 mol/m²·день), плодовые (томаты, огурцы, перец — нужно 20–30) и светолюбивые культуры, особенно медицинские помидоры (30–45). Виджет сравнивает рассчитанный DLI с порогом и говорит прямо: света мало, достаточно или с запасом.

Что с этим делать на практике

Главная практическая ценность виджета — увидеть физику процесса на простой картинке и получить пусть не идеально точные, но приближенные к действительности цифры для своего региона. Поставьте свою широту, выберите декабрь, поставьте пасмурное небо и посмотрите на DLI. Если получилось 2–3 mol/m²·день, а вашей культуре нужно 20 — вопрос о необходимости досветки закрыт, причём с конкретным числом: не хватает примерно 17 моль в сутки.

Дальше эта цифра превращается в понятную задачу. Зная дефицит DLI и планируемую длительность работы лампы, можно посчитать нужный PPFD от искусственного источника: разделите недостающий DLI на количество секунд работы лампы. Например, 17 mol за 16 часов работы — это примерно 295 µmol/m²·s дополнительного света на уровне листьев.

Второе применение — планирование теплицы или расположения растений. Сравнив летние и зимние значения, вы поймёте, в какие месяцы теплица работает на солнце, а когда без досветки урожая не будет. Для северных широт этот период оказывается заметно длиннее, чем принято думать: уже в октябре DLI падает ниже порога для плодовых культур.

Насколько точна модель

Виджет считает по астрономическим формулам положения солнца и стандартной модели прохождения света через атмосферу. Склонение солнца, часовой угол, высота над горизонтом, воздушная масса по формуле Кастена–Янга, раздельный расчёт прямой и рассеянной составляющих — всё это устоявшиеся инженерные подходы, а не подгонка коэффициентов.

Но честно оговорим ограничения. Расчёт выполнен для чистой атмосферы на высоте 100 метров над уровнем моря. Не учитываются запылённость и промышленное загрязнение воздуха, локальные климатические особенности, рельеф и затенение зданиями, а также отражение от снега, которое зимой может добавить заметную долю. Реальные измеренные значения в вашем конкретном месте будут отличаться — обычно в меньшую сторону в городе и в большую в горах. 

Модель отвечает на вопрос «сколько света даёт солнце при идеальных условиях на этой широте в этот день». Это правильная отправная точка для планирования, но не замена измерению квантметром на месте. Если вам нужна точная картина именно на вашем подоконнике или в теплице — измеряйте. Виджет покажет верхнюю границу того, на что можно рассчитывать. 

Конечно я понимаю что прибор квантметр (на изображении выше) не стоит 10 долларов, как люксметр и есть далеко не у всех, поэтому ранее я создал максимально точный калькулятор пересчета люксов в PPFD↗. Есть пресеты и можно задать спектр фитолампы в ручную. Если вам необходимо пересчитать люксы под солцем в PPFD, используйте модель "Полный спектр" и прибавляйте около 10% к PPFD. 

Коротко о главном

Зимнее солнце слабее летнего не только потому, что день короче. Низкий угол падения и удлинённый путь через атмосферу вместе дают падение интенсивности в пять-шесть раз даже в ясный полдень. Добавьте облачность — и разрыв доходит до десятикратного.

Для растения значение имеет суммарная суточная доза DLI, а не мгновенная яркость. Летом природа даёт 50–60 mol/m²·день, зимой в средних широтах — 4–6. Разница между этими числами и есть та работа, которую должна выполнить досветка. Виджет выше позволяет увидеть эту разницу своими глазами и перевести ощущение «зимой темновато» в конкретную цифру, с которой уже можно работать.