Что такое освещённость?

Каждый источник света испускает лучи определённой мощности, и чем больше последние, тем лучше человеку видны предметы вокруг. В целом, мы все отлично знакомы с понятием освещённости, однако часто не способны правильно его словесно охарактеризовать, путая с яркостью или освещением как таковым. Сегодня мы изучим освещённость ближе – на таком уровне, который будет понятен подавляющему большинству читателей.

Когда специалисты говорят об этой величине, они подразумевают определённый световой поток, который падает на поверхность перпендикулярно, под прямым углом. Такой подход используется потому, что луч, направленный под более острым углом уменьшает фактическую освещённость участка. Разумеется, в реальных условиях свет не всегда падает перпендикулярно к поверхности: даже высоко расположенные потолочные светильники под прямым углом освещают лишь объекты, расположенные непосредственно под ними, а все остальные предметы в помещении получают меньшую освещённость. Согласно системе СИ, единицей освещённости является люкс – он равен отношению одного люмена на один квадратный метр.

Ощущение освещённости

Для человеческого глаза освещённость может быть обманчива – при равных физических характеристиках света мы оценим её по-разному из-за настроения, времени суток, цвета окружающих объектов и просто личностных особенностей восприятия. Именно из-за этого нам часто бывает столь проблематично объективно оценить характеристики света. Выручить нас могут только специальные приборы, которые лишены эмоций и восприятия как такового. Что же именно способно повлиять на мнение человека? Давайте разберёмся на примере.

Предположим, человек отправился в поход, и решил заночевать в лесу в палатке, разбитой под кронами деревьев. Без света костра или фонарика под сенью листьев освещённость будет не очень большой – крупные объекты останутся различимы, однако мелкие будут размыты или вообще невидимы. Если путешественнику вдруг понадобится прочесть раздел из книги по выживанию, он достанет фонарик – локальный источник искусственного света. Условно считается, что для беспрепятственного чтения требуется освещённость величиной в 30 лк. Встаёт вопрос: как её достичь, если батарейки слабые и свет тускловат? Подумайте, что бы сделали Вы?

Даже не владея теоретическими основами, каждый из нас в описываемой ситуации прибёг бы к одним и тем же мероприятиям. Во-первых, постарался бы максимально приблизить источник света к поверхности предмета, которую требуется осветить – а это означает, что освещённость всегда напрямую зависит от расстояния. Во-вторых, мы бы не располагали фонарик где-нибудь сбоку страницы, а водили бы им прямо над тем текстом, который хотим прочесть – соответственно, следующим важным фактором является достижение прямого угла между источником и рассматриваемой плоскостью. Наконец, в-третьих, при наличии такой возможности, человек заменил бы батарейки, чтобы повысить мощность, яркость, фактический световой поток от источника – то есть, увеличить силу света. Как было сказано выше, всё это понятно каждому, однако верно установить взаимосвязи и сформулировать принципы вслух бывает проблематично.

Ежедневно нас окружают источники света, обеспечивающие разную освещённость. Осталось выяснить, какие именно значения она имеет в конкретных ситуациях. К примеру, при отсутствии фонарика или светильника, туристы в лесах наблюдают объекты при освещённости от 0,0003 до 0,01 лк, если листья деревьев закрывают от них луну и 0,2-2 лк, если они расположатся на открытой поляне в полнолуние. Следует отметить, что на природе и в городской среде освещённость будет ощущаться весьма по-разному. Так, фонарный столб с запылённым рассеивателем на плафоне и не самой новой лампочкой будет давать всего 2-4 лк, однако из-за фоновой освещённости пространства другими источниками и отражений в стёклах эти величины будут казаться нам на несколько порядков выше, чем «лесные».

Погожий осенний день, когда солнце слабо или умеренно забивает в окна, оценивается примерно в 100-200 лк, однако следует понимать, что освещённость помещения будет неравномерной – по мере удаления от светового проёма будет увеличиваться не только расстояние, но и угол падения лучей. Выйдя на улицу в летний, но облачный день или накануне дождя можно наблюдать освещённость около 800-1000 лк. Наконец, типичный июльский зной, когда солнце заметно поджаривает асфальт, вполне может доходить до значений освещённости в 100 000 лк.

Как видно, разница между минимальным и максимальным значениями способна достигать миллионов крат. И всё это вполне отчётливо различает наш глаз, только границы обозначить самостоятельно не может. Помочь в этом призван специальный прибор, называемый люксметром. Принцип его работы – чистейшая школьная оптика и совсем немного электроники. Когда свет с некоторыми характеристиками попадает на чувствительный элемент прибора, внутри последнего формируется ток определённой величины. Его значение трансформируется в показания на экране, которые и может прочесть человек.

Хотя все люксметры устроены и работают практически одинаково, выглядеть они могут по-разному. К примеру, самые простые модели похожи на пульт от телевизора по внешнему виду и габаритам. В то же время, устройства для измерения освещённости в труднодоступных местах, например, в экспериментальных камерах лабораторий, имеют длинный гибкий провод и датчик на конце тонкой направляющей штанги. В комплекте с каждым профессиональным люксметром имеется несколько светофильтров, позволяющих производить измерения с учётом поправки на обстоятельства.

Не прибегая к сложным математическим формулам и вычислениям оптических величин, освещённость можно довольно просто объяснить любому человеку на житейских примерах. Представим, что перед нами находится настольная лампа. Направим её на стену. Примем радиус разлёта лучей до препятствия равным полметра, а освещённость этой зоны за 100 условных единиц. Если перенести лампу вдвое дальше, световое пятно увеличится в 4 раза, но световой поток останется прежним. Соответственно, освещённость каждой точки пространства уменьшится в 4 раза и будет составлять всего 25 условных единиц. Отсюда очевидно, насколько важным является фактор расстояния между источником света и поверхностью при оценке общей освещённости.

Теперь подумаем о той же ситуации иначе. Если выше мы предполагали, что плафон лампы направлен перпендикулярно плоскости стены, то теперь давайте представим, какова будет световая картина при её освещении под некоторым углом. Всё та же житейская практика нам подсказывает: при падении лучей с углом в 90°, покрываемая ими площадь будет минимальной, а чем острее угол, тем больше будет вытягиваться овал светового пятна. Данный фактор не так сильно, как предыдущий, влияет на результат при отклонении от оптимального значения, однако тоже вносит свою лепту.

Кроме того, остаются и другие важные в реальной жизни аспекты. Среди них – запылённость в помещении. В повседневной жизни мы не замечаем или не задумываемся о частицах в воздухе, о дыме, тумане и прочих похожих явлениях, однако они сильно влияют на освещённость. Уличные светильники имеют мощность выше бытовых не только из-за больших расстояний, которые им приходится освещать, но и из-за погодных условий, препятствующих распространению света. При производстве таких приборов в обязательном порядке предусматривается коэффициент запаса по освещённости, который поможет преодолеть утренний туман от высокой влажности, дым от горящих костров и просто загрязнённость колбы фонаря. Не будь этого запаса, надлежащую видимость на улицах создать было бы просто невозможно.

Как оптимизировать освещённость?

Хотим обратить внимание читателя на то, что мы используем именно термин «оптимизация», а не «увеличение». В случае с освещённостью, «больше» не всегда означает «лучше». Для того, чтобы создать комфортные условия, необходимо соблюдать баланс между целым рядом характеристик света и параметрами окружения, в котором этот свет распространяется. Приведём их вкратце.

1. Прямая и отражённая блёскость. Если в поле зрения человека попадает объект, который отражает свет (даже незначительной яркости), этого может оказаться вполне достаточно, чтобы вызвать существенный дискомфорт для глаз. Ничуть не лучше, если раздражающий нас свет – прямой: от солнца или низко расположенной яркой лампочки в противоположном конце помещения. В зависимости от природы явления, выходов из ситуации существует несколько. Первый – изменить высоту размещения отражающих предметов или светоизлучающих приборов. Обычно она коррелирует с высотой, на которой расположены Ваши глаза, а потому и с ростом. Вполне вероятно, что, расположив настенный светильник или зеркало чуть иначе, Вы полностью решите свою проблему. Второй подход – банально уменьшить яркость светильников путём замены ламп на менее яркие или благодаря использованию матовых плафонов / плотных абажуров. Третий способ – перераспределить освещённость за счёт компенсации яркости небольшого количества источников увеличением числа маломощных приборов, не так сильно раздражающих зрение.
2. Неуместный контраст между объектом и фоном. Мы привыкли думать, что чем светлее объект, и чем ярче он освещается, тем лучше, однако это не так. Представьте себе надпись на полированном металле, которая освещается светом мощного прожектора. Комфортно ли Вам будет её читать? А удобно ли смотреть на жёлтый текст, помещённый на белом фоне? Очевидно, что нет: сигналы от зрительного нерва, идущие к мозгу, в подобных случаях настолько похожи, что объект становится неразличим, хотя формально, по фактической величине, освещённость может быть достаточной. Соответственно, для формирования правильной зрительной картины всегда должен выдерживаться канонический контраст: тёмные объекты располагаются на светлом фоне, а светлые – на тёмном.
3. Тень. Понятие тени самое простое из рассматриваемых. Хотя её видов бывает около десятка, в данном контексте нас интересует общий смысл явления. Сильная тень на чём-либо нуждается в устранении, чтобы человеку было комфортно работать с этим объектом. Малая тень или просто собственная тень предмета, наоборот, помогает, чётче видеть контуры и правильно воспринимать объём. Самые неприятные – это движущиеся тени: от них у человека нарушается восприятие пространства, может возникнуть головная боль или головокружение. Бороться со всеми типами тени следует переносом источника света или простой корректировкой его яркости.
4. Светонаполненность. Это сложное понятие описывает не только освещённость в точке, но и общее положение вещей. Находясь в комнате с единственной люстрой, мы получаем освещение не только от неё напрямую, но и от отражения лучей в полированной мебели, от мягкой, почти поглощающей свет обивки дивана, от фонаря, стоящего за окном. Все эти факторы в совокупности могут действовать как благотворно, так и раздражающе – в зависимости от яркости и углов падения. Для того, чтобы привести световую картину к однородной, рекомендуется по вечерам задёргивать шторы, а в отделке и мебели использовать одну цветовую гамму: от серо-белой до пастельно-бежевой, а также естественные тона светлой древесины.
5. Постоянство освещённости. Данный фактор состоит из двух компонент. Первая – уже упомянутая ранее загрязнённость рассеивателей, ведущая к постепенному падению фактической яркости источника света с течением времени. А вторая – пульсации. Это крайне неприятное явление приводит к неравномерности освещения в пространстве и времени одновременно. Вряд ли кому-либо следует объяснять, насколько неприятен стробоскопический эффект, однако его интенсивность может быть разной. Бывают ситуации, когда частота мерцания почти неразличима при наблюдении статичных объектов и хорошо заметна на движущихся. Это явление опасно, оно действует на психику даже здоровых людей, а потому защититься от него и нормализовать освещённость можно только одним способом – заменить проблемный, мерцающий источник света.