Облучённость
Итак, оставив в стороне фотоны против ватта и длину волны против частоты, давайте рассмотрим, что вы можете измерить. Если только вы не работаете с биолюминесценцией и хотите знать, сколько света излучается во всех направлениях, вы почти всегда будете измерять либо энергетическую яркость, либо облучённость. Таким образом, твёрдое понимание этих двух свойств имеет большое значение для выяснения что к чему. Чтобы избежать путаницы, я буду придерживаться фотонов, но важно понять, что облучённость и энергетическую яркость можно так же легко определить в терминах ватт. Я также предполагаю, что измерения являются спектральными (т. е. с использованием спектрометра, зная точную длину волны), но столь же легко они могут быть не спектральными (зная только общий объём света).
Облучённость легче объяснить, хотя в принципе она более сложна. Говоря просто, облучённость – это количество фотонов, которое за определённое время попадает на небольшую поверхность. Единицей измерения является: фотоны/секунду/см2 (добавьте умножение на длину волны в нм, если она известна). Когда вы сидите перед огнём, ваша кожа нагревается примерно пропорционально облучённости. Насколько ярким выглядит белый лист бумаги, примерно пропорционально облучённости его поверхности.
Облучённость имеет несколько геометрических моделей, зависящих от формы поверхности – приёмника и учёта угла света, падающего на поверхность. Для повседневной работы потребуется рассмотреть только два типа: векторную облучённость и скалярную облучённость (рисунок 2.4)
Безусловно, наиболее распространённым типом является векторная облучённость. Она представляет собой количество фотонов, падающих на плоскую поверхность, взвешенное по косинусу угла между направлением каждого фотона и перпендикуляром к поверхности. Да, это звучит ужасно и неточно, но имеет смысл. Возьмите мощный фонарик, и направьте себе на живот (сильно поможет, если поднимете рубашку). Если луч перпендикулярен вашему животу, он создаст небольшое круглое пятно, которое будет ощущаться довольно тёплым. Если вы наклоните фонарик, ваш живот получит то же количество света, но пятно теперь стало эллипсом, а ваш живот не почувствует столько же тепла (рисунок 2.5).
Площадь этого эллипса обратно пропорциональна косинусу угла между фонариком и перпендикуляром к вашему животу, поэтому количество тепла пропорционально косинусу того же угла. Таким образом, возвращаясь из аналогии, векторная облучённость сообщает вам количество энергии на единицу площади, которую свет передаёт поверхности за определенный период времени. Появление косинуса угла также объясняет, почему полуденное солнце жарче, чем утреннее, и частично объясняет, почему зима (когда солнце не поднимается высоко) холоднее лета. К сожалению, большинство фотометров не умеет чувствовать тепло, и для воспроизведения эффекта косинуса необходимы специальные дополнения, о чём мы поговорим в главе 9.
Крайне важно помнить, что векторная облучённость зависит от ориентации поверхности относительно освещения. При том же освещении облучённость боковых поверхностей значительно отличается от освещенности фронтальной поверхности. Без веских на то причин, под «облучённостью» обычно понимается облучённость направленная вниз, по сути являющаяся векторной облучённостью на смотрящей вверх горизонтальной поверхности (например, земле). Это частное измерение также стало отождествляться со слабо определенным термином «общая освещённость». Да, направленная вниз облучённость как правило пропорциональна общей освещённости. Однако вас может интересовать сильно другая освещённость, например, свет, попадающий в глаза, или отражающийся от рыбьего бока. Облучённость, попадающая в глаза человека, стоящего лицом на запад в конце дня будет увеличиваться, поскольку солнце перемещается в положение прямо напротив его глаз, но в то же время направленная вниз облучённость будет уменьшаться. Аналогично, плохой идеей является использование направленной вниз облучённости для определения, насколько яркой является боковая поверхность рыбы. В этом случае следует измерять горизонтальную облучённость, что достигается простым поворотом датчика освещенности в сторону.
Второй наиболее распространенный тип облучённости – скалярная облучённость – не страдает ориентационной зависимостью векторной облучённости. Скалярная облучённость определяется числом фотонов, проходящих через поверхность небольшой сферы за определенный период времени. Она имеет те же единицы, что и векторная облучённость, но направления движения фотонов не имеют значения. Таким образом, для любого места в космосе существует только одна скалярная облучённость, в то время как векторная облучённость зависит от ориентации детектора.
Несмотря на это большое преимущество, из всех известных мне биологов скалярную облучённость на постоянной основе используют только те, кто интересуется фотосинтезом фитопланктона. Почему? Я не знаю. Это может быть связано с тем, что детекторы скалярной облучённости сложнее в обращении (они выглядят как шарики для пинг-понга на длинных чёрных палочках).
Помимо этого, детектор, собирающий свет со всех сторон, не пригоден для определения того, сколько света попадает на кожу животного или попадает в глаз, поскольку тело будет закрывать по меньшей мере, половину поля обзора. В этом случае правильно ориентированный датчик векторной облучённости является подходящим выбором. Однако большинство проводимых биологами измерений облучённости делаются для определения общих уровней освещённости, которые более точно описываются скалярной облучённостью. Кроме того, поскольку скалярные датчики независимы от ориентации, вам не нужно беспокоиться о том, в какую сторону ориентирован ваш прибор, что является реальной проблемой, когда детектор находится на глубине 500 метров под водой, подвешенный на кабеле и вращающийся в потоке.
Главным оправданием использования направленной вниз облучённости как синонима общей освещённости является, на мой взгляд, традиция. Так делалось на протяжении долгого времени, и если вы хотите, чтобы ваши исследования были сопоставимы с предыдущими, вам придётся делать то же самое. По той же логике пищу до сих пор следовало бы нарезать каменными ножами. Иногда традиции проходится учитывать, например, если в работе есть исторический аспект, как изучение долгосрочных изменений уровня света в Арктике. В противном случае я использовал бы векторную облучённость, если бы интересовался количеством света, падающим на одну сторону непрозрачного объекта или попадающего в глаз (например, для определения уровня зрительной адаптации), и использовал бы скалярную облучённость, если интересовался бы яркостью освещения в среде обитания.