Энергетика и промышленность России - избранные материалы.
ВЫПУСК 32.

Освещение: слепота или зрение?

Александр Фомин

Несмотря на все трудности и опасности, сопровождающие использование искусственного освещения, современный уровень светотехнической науки и техники позволяет практически в каждом конкретном применении сделать правильный выбор.

Развитие человечества как биологического вида во многом зависит от состояния его среды обитания. Внимание экологов оказывается традиционно привлечено к глобальным вопросам состояния атмосферы, гидросферы и растительного покрова нашей планеты, т. е. к так называемым окружающим макросредам. Вместе с тем состояние здоровья человека в первую очередь подвергается воздействию микросред, с которыми непосредственно взаимодействует наш организм. Именно здесь значительную роль приобретают различные поля, механизм действия которых, как правило, недостаточно изучен. К числу таких полей можно отнести электромагнитное, радиационное, гравитационное и световое. О результатах воздействия трех первых можно судить по обширным экспериментальным данным, которые свидетельствуют о том, что любые отклонения от природной нормы пагубно влияют на живые организмы. Какова ситуация в четвертом случае?

С физической точки зрения понятия «световое поле» не существует. Свет представляет собой электромагнитные волны в диапазоне длин волн 0,4 - 0,8 мкм, т. е. является одним из проявлений электромагнитного поля. Вместе с тем, в отличие от других электромагнитных волн, свет имеет принципиально другой путь воздействия на человеческий организм. Как известно, более 90% информации человек получает посредством зрения, а оно в свою очередь обеспечивается именно воздействием на глаз оптического излучения. Это позволило выделить в теоретической светотехнике понятие «светового поля», рассматривающего весь окружающий человека мир с точки зрения принимаемых глазом световых волн. Помимо своей информационной значимости, это поле обладает мощным воздействием на общее состояние человека, что и позволяет рассматривать его как самостоятельный компонент экологической среды. Несмотря на это, вплоть до настоящего времени его влияние явно недооценивалось, а иногда и вообще игнорировалось.

В момент появления человека как биологического вида единственным источником света на Земле было Солнце. Солнечные лучи либо достигают земной поверхности напрямую, либо предварительно претерпевают рассеяние в облачной атмосфере. Этим определяются два характерных спектра естественного излучения: теплый «солнечный» и прохладный «дневной». Таков естественный световой климат нашей планеты, к которому приспособлены биоритмы человеческого организма.

Оптическое излучение характеризуется общей интенсивностью, а также распределениями по спектру, по времени и в пространстве. Естественное излучение относительно равномерно распределяется в пространстве, а его интенсивность плавно изменяется от восхода до заката солнца. Ранняя история создания искусственного освещения показывает, что в первую очередь внимание уделялось интенсивности (световому потоку) источников света, а остальные характеристики или не принимались во внимание, или приносились в жертву основной. Первым искусственным источником света стало открытое пламя, для получения которого использовались костры, лучины и позднее - свечи и масляные светильники. Переход к более совершенным конструкциям горелок обеспечивал все большую яркость пламени, которая достигла своего максимума в газовых лампах с так называемым колпачком Люшера - кусочком огнестойкой ткани, накаливавшимся в пламени и дававшим яркий белый свет.

С точки зрения эргономики света, интенсивность излучения источника является хотя и важным, но далеко не единственным критерием оценки его качества. К сожалению, признание этого факта наступило далеко не одновременно с началом повсеместного использования искусственного освещения. Впервые появившиеся во второй половине XIX в. электрические лампы также совершенствовались лишь в направлении увеличения их световой отдачи, т. е. количества света, выработанного на 1 Вт электрической мощности. Любопытно отметить, что вначале электрический свет был признан неэффективным, так как первые образцы ламп накаливания существенно уступали по яркости общепринятым в то время газовым и керосиновым фонарям.

Вопросы качества освещения, определяющего его экологичность, впервые возникли перед разработчиками ламп в 1930-х годах. Именно тогда попытка широкого применения новейших ртутных газоразрядных ламп, обладавших вчетверо большей светоотдачей, чем лампы накаливания, столкнулась с активным противодействием потребителей освещения. Проблема состояла в том, что яркий свет этих ламп обладал выраженным зеленоватым оттенком и лица людей в нем приобретали жутковатый мертвенный оттенок.

Примерно в тот же период исследователи обратили внимание на спектральный состав света, получаемого от разных источников. Важность этой характеристики заключается в том, что от нее зависят цвета освещаемых объектов и, как следствие, психофизиологическое восприятие людей в условиях искусственного освещения. Каким же должен быть спектральный состав? Исследования показали, что человеческий глаз реагирует не напрямую на излучения отдельных длин волн, а на некий получаемый общий результат их воздействия. При этом разноспектральные излучения вполне могут дать одно и то же световое впечатление, получившее логичное название цвета. В связи с этим для оценки качества источника света было предложено использовать вызываемое им отличие в цвете некоторых стандартных красителей от эталонных значений. В качестве эталонного вполне естественно использовать природный световой излучатель, однако свет Солнца или облачного, ясного, полуденного и вечернего неба существенно различается. Это привело к тому, что современные источники света оцениваются в сравнении с двумя основными эталонами: Солнцем и «полуденным небом, равномерно покрытым облаками», в зависимости от того, к чему ближе спектр исследуемой лампы. Получаемое в результате число от 0 до 100 и характеризует так называемую цветопередачу лампы. Цветопередачу выше 60 принято считать приемлемой, выше 80 - хорошей, выше 90 - высокой (очень хорошей).

Появление электрических ламп породило еще одну существенную проблему. При питании лампы переменным током излучаемый ею свет пульсирует с частотой этого тока. Здесь наблюдается существенное отличие от естественных излучений, интенсивность которых изменяется в сотни раз медленнее. Эффект мерцания наиболее заметно проявился в газоразрядных лампах, излучение которых практически гаснет десятки раз в секунду при прохождении питающего напряжения через нулевую отметку. Следствием этого эффекта являются повышенная утомляемость, головные и глазные боли людей, выполняющих напряженную зрительную работу (например, чтение) при искусственном освещении. Это объясняется тем, что, хотя человек и не различает мерцаний с частотой более 25 - 30 раз/с, его зрительный аппарат продолжает подсознательно их отслеживать, выполняя дополнительную зрительную работу и вызывая переутомление. Именно на этом основан эффект «двадцать пятого кадра», внедряемого в киноленту через каждые 24 кадра фильма и приводящего к гипнотическому внедрению изображенной на нем информации в память зрителя.

В подавляющем большинстве случаев свет электрических ламп пульсирует с частотой 50 - 100 Гц, которая находится в пределах различимости зрительным аппаратом. Для снижения вредного воздействия пульсаций на человека существуют два основных способа: уменьшение отношения максимальной интенсивности света к минимальной и выведение частоты мерцаний за пределы различения. Оба способа применяются в технике освещения. Глубину пульсаций удается снизить путем повышения инерционности излучающего элемента (нити накала, люминофора и т.п.) и выпрямлением питающего напряжения (в случае, если конструкция ламп это допускает).

С учетом того, что глаз не воспринимает в виде прерывистого излучение с частотой более 400 - 1000 Гц, основным современным способом борьбы с пульсациями является питание ламп током повышенной частоты (18 - 60 кГц). Однако электромагнитное излучение проводов светильника, находящееся в этом диапазоне, способно намного дальше распространяться в пространстве и оказывать воздействие на весь организм человека. Поэтому полностью безопасными являются только профессионально изготовленные и установленные экранированные светильники.

Каким должно быть искусственное освещение? Универсального ответа на этот вопрос не существует. Конструкции и характеристики осветительных установок так же разнообразны и многочисленны, как и разновидности человеческой деятельности. Освещение должно в полной мере отвечать требованиям, предъявляемым конкретной ситуацией, отчасти эти требования отражены в международных и национальных светотехнических нормах. Тем не менее, с точки зрения экологии и эргономики, существуют некоторые общие рекомендации, соблюдение которых делает использование освещения не только безопасным, но и привносящим дополнительный комфорт в повседневную жизнь. Остановимся на них подробнее.

Интенсивность естественного излучения изменяется в широких пределах. Освещенность наблюдаемых нами предметов лежит между 0,1 лк в ясную лунную ночь и 60 - 100 тыс. лк под ярким летним Солнцем. Несмотря на то что наши глаза от природы приспособлены к такому широкому диапазону, каждому роду человеческих занятий соответствует свое предпочтительное значение освещенности. Например, для общей ориентации в пространстве достаточно 1 - 10 лк, для уверенного различения цветов - от 50 до 100 лк, для чтения - 500 - 1000 лк, а для точной работы (ремонт наручных часов, ювелирное производство) - от 2 до 5 тыс. лк.

Кроме самого значения освещенности объекта внимания, важно также и распределение света в остальном наблюдаемом пространстве. Например, резкие яркостные контрасты вызывают утомление глаз и приводят к постепенному снижению остроты зрения. Именно этим объясняется вред от просмотра телевизора в полной темноте (к тому же экран еще и мерцает!). В связи с этим переход яркости от объекта постоянного наблюдения к периферийной области зрения должен быть плавным. Следует также избегать появления в окружающей обстановке компактных ярких пятен (например, открытых прозрачных ламп накаливания).

Полное отсутствие контрастов также неблагоприятно сказывается на самочувствии и работоспособности пользователей освещения. Подобный эффект присутствует, например, в некоторых современных офисах с одинаковой белой отделкой потолка, стен и мебели. В качестве гармоничного рекомендуется соотношение яркостей центральной, прилегающей к ней периферийной и удаленной боковой областей зрения, равное 10:3:1. Это означает, что если вы читаете книгу при свете настольной лампы, создающей освещенность в 500 лк, то освещенность всей поверхности стола должна быть не менее 150 лк, а комнаты - 50 лк (всегда пользуйтесь общим освещением!).

Свет внутри помещений должен распространяться в разных направлениях. С одной стороны, это предотвращает появление резких теней (контрастов), с другой - обеспечивает необходимое соотношение яркостей в поле зрения и одинаково хорошую различимость как горизонтально, так и вертикально расположенных объектов. Насыщенность помещения светом характеризуется так называемой среднецилиндрической освещенностью. В некоторых научных работах также отмечено, что психологическое состояние людей заметно улучшается, если искусственный свет падает в тех же направлениях, что и естественный (например, со стороны окон), и имеет похожий цвет.

Важность цветопередающих свойств источников света находит свое отражение и в требованиях к правильному освещению. Наилучшими во всех случаях являются лампы, цветопередача которых равна 100, однако из экономических соображений иногда выбираются несколько худшие. Например, для освещения коридоров вполне подойдут и лампы с цветопередачей в 60 ед.

Вопреки существующему заблуждению, цвет излучения лампы и ее цветопередающие свойства никак не связаны. Современные «белые» источники света предоставляют пользователю широкий выбор цветовых оттенков: от теплого «цвета пламени» до ледяного «цвета антарктического неба». В каждом случае рекомендуется использовать тот цвет, который наиболее естественно воспринимается человеком. Например, в жарких странах для внутреннего освещения скорее подойдут холодные оттенки, а в холодных - теплые.

Необходимо принимать меры по ограничению пульсации искусственного света, заключающиеся в правильном выборе светильников. Современные (электронные) схемы включения позволяют добиться снижения пульсаций до 2 - 5% даже при использовании «капризных» люминесцентных ламп, что полностью исключает эту проблему из рассмотрения. Обычные схемы обладают намного худшими параметрами (пульсации доходят до 60%), но, к сожалению, до сих пор остаются самыми распространенными вследствие своей дешевизны. Тем не менее не стоит экономить, покупая дешевую настольную лампу с люминесцентным источником света, так как вызываемые ею высокие пульсации одновременно с большими освещенностями и сильным напряжением глаз неминуемо ведут к ослаблению зрения.

Рассмотренные рекомендации лишь помогают сделать правильный выбор в освещении, однако последнее слово здесь, разумеется, принадлежит дизайнерам - людям, определяющим общее эстетическое впечатление от освещаемых помещений и пространств. Кроме экологических и экономических, их творчество должно ограничиваться также требованиями электро- и пожаробезопасности освещения.

Некоторые современные лампы, в особенности при некачественном изготовлении, представляют для человека опасность ультрафиолетового облучения. Его последствиями могут стать раздражения кожи, частичная потеря зрения и даже появление злокачественных опухолей. В связи с этим необходимо избегать слишком близкого к людям расположения открытых источников света, по возможности использовать лампы в светильниках со стеклами и не допускать применения ламп, не соответствующих мировым стандартам на ультрафиолетовое излучение. Следует помнить, что ультрафиолет вреден и для многих материалов и красителей, так как он вызывает их старение и выцветание (характерный пример - воздействие на лакированную мебель прямого солнечного света). Проблемы ультрафиолета не существует лишь для обычных ламп накаливания и всех разновидностей люминесцентных ламп (включая так называемые «энергосберегающие»).

Если внутреннее освещение влияет только на микроклимат человеческой среды обитания, то наружное и уличное освещение в той или иной степени воздействует на всю окружающую среду. Например, отмечено, что растущие под уличными фонарями деревья дольше не сбрасывают листву с наступлением осени. Кроме этого, прямой и отраженный искусственный свет рассеивается в атмосфере, приводя к ее так называемому «световому загрязнению». Наиболее сильно это проявляется в больших городах в виде «свечения» ночного неба, и впервые оно было отмечено астрономами, испытавшими затруднения в наблюдении далеких звезд.

«Световое загрязнение» влияет и на жизнь обычных людей, так как ночное проникновение света в помещения нарушает нормальное течение биоритмов нашего организма. Некоторые исследования даже связывают возникновение в последние десятилетия болезни «хронической усталости» с развитием искусственного освещения. Это объясняется тем, что естественный ход событий для человека связан с активностью днем и ее прекращением в темное время суток (так существует вся остальная природа!). С появлением искусственного света период человеческой активности искусственно увеличился, а засветка окон жилых домов в темное время суток может вообще приводить к стиранию психологических границ между днем и ночью. В результате мы сильнее утомляемся и недостаточно полноценно отдыхаем. Бороться со «световым загрязнением» нашего собственного жилища весьма просто. Для этого необходимы лишь светонепроницаемые жалюзи или просто плотные шторы.

В заключение необходимо особо отметить один фактор, сопровождающий экологичность освещения. Он касается уже не самого света и его особенностей, а тех средств, которые используются для его получения. Дело в том, что большинство современных ламп содержат токсические вещества, к которым в первую очередь относится ртуть. Разрушение ламп приводит к попаданию этих веществ в атмосферу и напрямую в наши легкие. В связи с этим все газоразрядные лампы (в том числе «энергосберегающие») требуют особого обращения. Необходимо всячески избегать их использования в условиях вибрации, неустойчивого положения и незащищенности от воздействия наружной окружающей среды (от попадания воды лампа может просто лопнуть). Убедитесь в том, что конструкция светильника исключает случайное выпадение ламп из патронов. Если лампа все же разбилась, во избежание отравления необходимо обработать место ее падения и осколки раствором марганцовки, а разлившуюся ртуть собрать резиновой грушей.

Ртутная опасность исходит и от перегоревших ламп. Законодательствами многих стран запрещено выбрасывать эти лампы вместе с обычным мусором. Попадание ртутных отходов на свалки вызывает проникновение соединений ртути в грунтовые воды, а затем в питьевую воду. Негодные разрядные лампы следует сдавать в специальные пункты для их обезвреживания. Извлеченная ртуть может быть повторно использована в промышленности, причем ее стоимость сопоставима с затратами на извлечение.

Несмотря на все трудности и опасности, сопровождающие использование искусственного освещения, современный уровень светотехнической науки и техники позволяет практически в каждом конкретном применении сделать правильный выбор. Все необходимое в наших руках, и именно от нас, как владельцев и пользователей освещения, зависит то, насколько комфортной и безопасной будет одна из важнейших сред нашего обитания - световое поле.

В тридцать третьем выпуске читайте: Автоматизированная система учета энергоресурсов SMART IMS

С вопросами и предложениями обращайтесь по адресу ep@eprussia.ru

Подписаться на печатную (бумажную) версию газеты "Энергетика и промышленность России" (периодичность - раз в месяц, объем - 32-64 полосы) можно ЗДЕСЬ. Ознакомительный экземпляр высылается бесплатно.

С расценками на размещение рекламы в печатной (бумажной) версии газеты "Энергетика и промышленность России", а также на сайте газеты www.eprussia.ru можно ознакомиться ЗДЕСЬ.