Скільки світла дає сонце: PPFD і DLI за широтою, сезоном та хмарністю — з наочним симулятором

Кожен, хто вирощує рослини вдома або в теплиці, іноді ставить одне й те саме питання: а скільки світла насправді дає сонце, особливо в різні сезони? Не «світло» і не «тінь», а конкретна цифра. Влітку опівдні на підвіконні здається, що світла море. Взимку в той самий полудень начебто теж світло — адже око адаптується. Але рослина бачить зовсім іншу картину, і різниця між червневим та грудневим полуднем може бути шестиразовою.

Цей віджет показує різницю наочно. Можна рухати повзунок часу — сонце йде по небу так, як воно реально йде на вашій широті в обраний день року, а поруч змінюються цифри: миттєвий PPFD, висота сонця над горизонтом, тривалість дня та накопичена за добу світлова доза DLI. Перемкніть сезон з літа на зиму — і побачите, чому в грудні підвіконня перестає бути достатнім місцем для розсади. Дуже актуально щовесни.

Трохи теорії: чому зимове сонце слабкіше

Перше, що спадає на думку — справа лише в короткому дні. Це правда лише наполовину. Навіть якби зимовий день тривав стільки ж, скільки літній, світла все одно було б помітно менше — працюють два незалежні фізичні ефекти.

Ефект перший: кут падіння променів

Влітку в середніх широтах сонце опівдні піднімається на 60–63° над горизонтом. Взимку — лише на 13–16°. Один і той самий пучок сонячних променів, падаючи під крутим кутом, освітлює невелику площу, а падаючи полого — розмазується по набагато більшій. Освітленість горизонтальної поверхні падає пропорційно синусу кута висоти сонця. Вже тільки через це зимовий полудень втрачає близько 70% інтенсивності порівняно з літнім.

Ефект другий: товщина атмосфери

Другий ефект менш очевидний, але не менш важливий. Коли сонце стоїть високо, його промінь проходить через атмосферу майже найкоротшим шляхом — цю величину називають повітряною масою і приймають за одиницю в зеніті. Коли сонце висить низько над горизонтом, той самий промінь йде через атмосферу під гострим кутом, і шлях подовжується в рази: при висоті 30° це вже близько двох повітряних мас, при 15° — майже чотири, а біля самого горизонту — до сорока.

По дорозі світло розсіюється на молекулах повітря та частинках, поглинається водяною парою й озоном. Чим довший шлях, тим більші втрати. Саме тому західне сонце не сліпить очі й червоніє — короткохвильова частина спектра розсіюється сильніше і йде вбік. Для рослини це означає, що зимове світло втрачає не тільки в кількості, а й частково змінюється в спектрі.

У сумі два ефекти дають той самий шестиразовий розрив: у Дубліні чи Києві літній полудень при ясному небі — це близько 1800 µmol/m²·s, а зимовий — близько 300.

Що таке PPFD та DLI простими словами

PPFD (Photosynthetic Photon Flux Density) — це щільність потоку фотосинтетичних фотонів, тобто скільки квантів світла, придатних для фотосинтезу, падає на квадратний метр за секунду. Одиниця виміру — µmol/m²·s. Це миттєва величина, знімок у конкретний момент. Опівдні PPFD максимальний, на світанку і заході сонця близький до нуля. У нас є наочний віджет, який демонструє політ фотонів і їх розподіл на площу у вигляді щільності потоку фотосинтетичних фотонів ↗.

DLI (Daily Light Integral) — добова світлова доза, тобто скільки світла рослина отримала за цілу добу. Одиниця — mol/m²·день. Це інтеграл PPFD за часом: якщо PPFD — знімок, то DLI — сумарна експозиція за день.

Для практики DLI важливіший. Якщо дуже грубо, рослині байдуже, отримала вона свою норму за шість годин яскравого сонця чи за дванадцять годин помірного — важлива загальна сума (насправді не можна рослину накачати потрібним DLI за годину, як мінімум потрібен СО2, але це окрема історія). Саме тому літній день з DLI близько 50–60 mol/m²·день дозволяє рослині працювати на повну силу, а зимовий з DLI 4–6 тримає рослини іноді на межі виживання. Детальний розбір того, як рахувати DLI і які значення потрібні різним культурам, є в окремій статті: DLI у рослинництві ↗.

Як користуватися віджетом: покроково

Крок 1. Оберіть широту

Перше, що визначає всю картину — де ви знаходитесь. Не місто і не країна, а саме географічна широта: сонце поводиться однаково на всіх точках однієї паралелі. Рухайте повзунок широти або оберіть готовий пресет — Дублін, Київ, Берлін, Мадрид, Осло чи екватор.

Зверніть увагу, як змінюється картина під час руху повзунка: що північніше, то нижча дуга сонця взимку і то коротший день. На широті Осло (60°) зимовий день триває лише п'ять з половиною годин, а сонце піднімається ледь на сім градусів. Віджет працює і для південної півкулі — поставте від'ємну широту, і сезони інвертуються автоматично.

Крок 2. Задайте сезон

Повзунок дня року або чотири кнопки — весна, літо, осінь, зима. Кнопки відповідають датам, близьким до рівнодення та сонцестояння: 21 березня, 21 червня, 23 вересня та 21 грудня. Це крайні та середні точки річного циклу, за якими зручно порівнювати.

Найнаочніше порівняння — перемикатися між літом і зимою, не чіпаючи інші налаштування. Пунктирна дуга на сцені показує весь денний шлях сонця: влітку вона висока й широка, взимку притискається до горизонту і коротшає з обох боків.

Крок 3. Оберіть стан неба

Три варіанти: ясно, мінлива хмарність, похмуро. Це не косметика — хмарність змінює результат кардинально і по-різному впливає на дві складові світла.

Сонячне світло приходить до поверхні двома шляхами: прямим променем від диска сонця і розсіяним світлом всього небосводу. При ясному небі домінує пряма складова. Хмари гасять її майже повністю, але водночас посилюють розсіяну — небо починає світитися рівномірно. У сумі похмурий день втрачає в середньому 60% світла влітку і до 40% взимку. Саме тому взимку в похмуру погоду на підвіконні залишається 150–200 µmol/m²·s — рівень, при якому більшість культур зупиняється в рості.

Крок 4. Рухайте час доби

Головний повзунок — від півночі до півночі. Сонце рухається по дузі, небо змінює колір від нічної темряви через світанкові відтінки до денної блакиті, вночі проступають зірки, а рослина внизу тьмяніє і оживає разом з освітленням. Годинник у кутку сцени показує поточний час.

Слідкуйте за цифрою PPFD: вона зростає від нуля на світанку, досягає максимуму рівно в сонячний полудень і симетрично падає до заходу сонця. Корисне спостереження — подивіться, наскільки вузьким стає «вікно» продуктивного світла взимку: значущі величини тримаються лише три-чотири години навколо полудня.

Крок 5. Вивчіть показники

Віджет показує чотири величини. PPFD зараз — миттєва інтенсивність в обраний момент. Висота сонця — кут над горизонтом у градусах, той самий, що визначає і кут падіння, і товщину атмосфери. Тривалість дня — скільки годин сонце перебуває над горизонтом у цей день на цій широті. DLI за добу — сумарна світлова доза за весь день, порахована інтегруванням PPFD по всіх світлих годинах.

Нижче — вердикт щодо обраної культури. Перемикач пропонує три групи: зелень (салати, трави, розсада — їм вистачає 10–17 mol/m²·день), плодові (томати, огірки, перець — потрібно 20–30) і світлолюбні культури, особливо медичні помідори (30–45). Віджет порівнює розрахований DLI з порогом і каже прямо: світла мало, достатньо чи із запасом.

Що з цим робити на практиці

Головна практична цінність віджета — побачити фізику процесу на простій картинці та отримати нехай не ідеально точні, але наближені до дійсності цифри для свого регіону. Поставте свою широту, оберіть грудень, поставте похмуре небо і подивіться на DLI. Якщо вийшло 2–3 mol/m²·день, а вашій культурі потрібно 20 — питання про необхідність досвічування закрите, причому з конкретним числом: не вистачає приблизно 17 моль на добу.

Далі ця цифра перетворюється на зрозумілу задачу. Знаючи дефіцит DLI та заплановану тривалість роботи лампи, можна порахувати потрібний PPFD від штучного джерела: поділіть відсутній DLI на кількість секунд роботи лампи. Наприклад, 17 mol за 16 годин роботи — це приблизно 295 µmol/m²·s додаткового світла на рівні листя.

Друге застосування — планування теплиці або розташування рослин. Порівнявши літні та зимові значення, ви зрозумієте, в які місяці теплиця працює на сонці, а коли без досвічування врожаю не буде. Для північних широт цей період виявляється помітно довшим, ніж прийнято думати: вже в жовтні DLI падає нижче порога для плодових культур.

Наскільки точна модель

Віджет рахує за астрономічними формулами положення сонця та стандартною моделлю проходження світла через атмосферу. Схилення сонця, годинний кут, висота над горизонтом, повітряна маса за формулою Кастена–Янга, роздільний розрахунок прямої та розсіяної складових — все це усталені інженерні підходи, а не підгонка коефіцієнтів.

Але чесно обумовимо обмеження. Розрахунок виконано для чистої атмосфери на висоті 100 метрів над рівнем моря. Не враховуються запиленість і промислове забруднення повітря, локальні кліматичні особливості, рельєф і затінення будівлями, а також відбиття від снігу, яке взимку може додати помітну частку. Реальні виміряні значення у вашому конкретному місці будуть відрізнятися — зазвичай у менший бік у місті та в більший у горах.

Модель відповідає на запитання «скільки світла дає сонце за ідеальних умов на цій широті в цей день». Це правильна відправна точка для планування, але не заміна вимірюванню квантметром на місці. Якщо вам потрібна точна картина саме на вашому підвіконні або в теплиці — вимірюйте. Віджет покаже верхню межу того, на що можна розраховувати.

Звичайно я розумію, що квантметр це прилад не за 10 доларів, як люксметр і є далеко не у всіх, тому раніше я створив максимально точний калькулятор перерахунку люксів у PPFD ↗. Є пресети і можна задати спектр фітолампи вручну. Якщо вам необхідно перерахувати люкси під сонцем у PPFD, використовуйте модель "Повний спектр" і додавайте близько 10% до PPFD.

Коротко про головне

Зимове сонце слабкіше за літнє не тільки тому, що день коротший. Низький кут падіння та подовжений шлях через атмосферу разом дають падіння інтенсивності в п'ять-шість разів навіть у ясний полудень. Додайте хмарність — і розрив доходить до десятиразового.

Для рослини значення має сумарна добова доза DLI, а не миттєва яскравість. Влітку природа дає 50–60 mol/m²·день, взимку в середніх широтах — 4–6. Різниця між цими числами і є та робота, яку має виконати досвічування рослин. Віджет вище дозволяє побачити цю різницю на власні очі й перевести відчуття «взимку темнувато» в конкретну цифру, з якою вже можна працювати.