Глава 29 использование энергии оптического излучения в сельском хозяйстве

29.1. Основные понятия оптического излучения и его свойства

В сельском хозяйстве используют оптическое излучение с длиной волн от нескольких миллиметров до 1 нм (1 нано­метр = 10~⁹м). Оптическое излучение включает в себя инфракрасное (невидимое), видимое и ультрафиолетовое (невидимое) излучения.

Инфракрасное излучение имеет длину волны 1 мм...780нм; ви­димое — 780...380 нм; ультрафиолетовое — 380... 1 нм. В спектре инфракрасного излучения (ИК-излучения) различают три облас­ти: ИК-А с длиной волны 780...1400 нм, ИК-В — 1400...3000 нм и ИК-С-3-10³...3-10⁶нм.

В сельском хозяйстве широко применяют инфракрасное из­лучение области А, которое характеризуется большой прони­кающей способностью в ткани животных и оказывает на них тепловое воздействие. Облучение животных и птицы ускоряет их развитие, активизирует обмен веществ, кровообращение, уменьшает восприимчивость к болезням и т. д. Однако избы­ток инфракрасных лучей приводит к перегреву и гибели клеток живых тканей (при температуре выше 43,5 °С). Такой нагрев целесообразно применять при дезинсекции зерна, когда насе­комые-вредители нагреваются быстрее и сильнее зерна и по­гибают.

Ультрафиолетовое излучение (УФ-излучение) также имеет три области: УФ-А с длиной волны 380...315 нм — длинноволновое; УФ-В — 315...280 нм —средневолновое; УФ-С с длиной волны менее 280 нм — коротковолновое.

Ультрафиолетовое облучение области А вызывает пигмента­цию кожи человека, обладает сравнительно небольшой биологи­ческой активностью, может вызвать свечение некоторых ве­ществ, называемое люминесценцией. Это излучение используют для люминесцентного анализа химического состава веществ, ка­чественной оценки сельскохозяйственных продуктов (повреж-денность зерна, степень загнивания картофеля, порча мяса и других продуктов), а также для получения видимых излучений путем облучения некоторых веществ (люминофоров).

Средневолновое излучение УФ-В с длиной волн 315...280нм оказывает более сильное и разнообразное воздействие на живые организмы. В результате поглощения квантов ультрафиолетового излучения этой зоны на коже человека спустя некоторое время возникает покраснение (эритема), а затем пигментация в виде загара. Переоблучение приводит к воспалительным процессам, что вредно для здоровья. Излучение области УФ-В способно превращать провитамин D (стерин) в витамин D, способствую­щий усвоению организмом фосфорно-кальциевых соединений, которые влияют на прочность костной системы животных, пти­цы и человека, т. е. обладают антирахитным действием.

При широко используемом безвыгульном содержании скота и птицы проявляется сезонное солнечное голодание. Значительно уменьшить отрицательные последствия этого можно правильной организацией ультрафиолетового облучения и светового режима, что позволяет повысить надои молока на 8...12 %, привесы поросят и телят —на 15...18, яйценоскость кур —на 15...25%, улуч­шить качество молока и яиц.

Условно принято считать, что общее благоприятное действие ультрафиолетового излучения на животных пропорционально его эритемному действию. Ультрафиолетовое излучение области УФ-С (с длиной волны менее 280 нм), имеющее большую энер­гию квантов, в основном применяют для бактерицидного воздей­ствия на вредные микроорганизмы. Длительное воздействие на животных и растения приводит к наследственным изменениям, что можно использовать для выведения растений и других орга­низмов с новыми свойствами.

Ультрафиолетовое излучение с длиной волн 295...280нм раз­рушающе действует на растения, коротковолновое — может выз­вать заболевание глаз — конъюнктивит (если они не защищены).

Видимое излучение имеет большое значение в жизнедеятель­ности человека, позволяя ориентироваться в пространстве, раз­личать цвета окружающих предметов, выполнять различные тех­нологические операции, а так же, как и инфракрасное, и ультра­фиолетовое, может повышать продуктивность скота и птицы. Воздействие видимого излучения на животных и птицу выража­ется в регуляции основных жизненных функций, влиянии на эн­докринную и центральную нервную систему.

Физиологические ритмы (размножение, смена шерстного и перового покрова и др.) определяются условиями светового ре­жима. Продуктивность животных и птицы зависит при прочих равных условиях от уровня и режима освещенности и спектраль­ного состава излучения.

В условиях промышленного животноводства и птицеводства особое значение имеет не столько определенный уровень осве­щенности, сколько режим изменения продолжительности свето­вого периода суток в зависимости от вида и возраста животных и птиц. Неупорядоченное искусственное освещение в животно­водческих и птицеводческих помещениях отрицательно влияет на физическое состояние и продуктивность животных и птицы.

Влияние оптического излучения на растения многосторонне. От условий облучения зависят не только фотосинтез, но и мно­гие другие физиологические процессы растений: рост, развитие листьев и других органов. Основной, наиболее характерный про­цесс для зеленых растений — фотосинтез, которым в конечном счете определяется урожайность растений. Общее энергетичес­кое действие излучения на растения складывается из фотосин-тезного и теплового. Поглощенная растениями энергия излуче­ния частично используется на фотосинтез, а часть ее идет на на­грев и испарение воды (транспирация). Фотосинтезным действи­ем обладают излучения с длиной волн 300...750нм.

Оптическое излучение может вызывать у растений фотопери­одическую реакцию, когда требуется во много раз меньшее количество энергии, чем для осуществления фотосинтеза. Для харак­теристики оптического излучения используют следующие основ­ные понятия: световой поток, сила света, освещенность, свето­вая отдача и т. д.

Световой поток Ф представляет собой меру мощности светово­го излучения, т. е. видимого излучения, оцениваемого по свето­вому ощущению, которое испытывает глаз человека. За единицу светового потока принят люмен (лм): 1 люмен = 1/683 Вт при од­нородном излучении с длиной волны 550 нм. Глаз человека про­являет наивысшую чувствительность к излучению с длиной вол­ны X = 555 нм.

Для понятия люмена приведем следующие примеры. Свето­вой поток, падающий на 1 м² поверхности земли летом при яс­ном небе, достигает 100 000 лм; световой поток лампы накалива­ния мощностью 100 Вт напряжением 220 В составляет 1000 лм, лампы карманного фонаря — 6 лм.

Сила света /— это пространственная плотность светового по­тока, т. е. отношение светового потока Ф к значению телесного (пространственного) угла ш, в котором он равномерно распреде­ляется:

Единица измерения силы видимых излучений — кандела (све­ча): 1 кд = 1 мм/1 ср. Стерадиан (ср) — это телесный угол, кото­рый имеет вершину в центре сферы и опирается на участок сфе­ры площадью, равной квадрату радиуса сферы.

Освещенность Е — это отношение светового потока, падающе­го на поверхность, к площадиэтой поверхности:

Единица измерения освещенности — люкс -(ж): 1 лк = 1 лм/м². Для оценки источника видимого излучения по значению свето­вой отдачи можно рассчитать отношение светового потока Ф к мощности источника Р:

Световая отдача измеряется в люменах на ватт.

Для характеристики энергии излучения в ультрафиолетовой части спектра используют системы эффективных величин: бакте­рицидной и эритемной. Единицей бактерицидного потока при­нято считать бакт (б), численно равный излучению мощностью 1 Вт при А. = 254 нм. К эритемным величинам относится эритем-ный поток (эр), определяемый как поток излучения, оцененный по его эритемному действию. Единица эритемного потока — эр, численно равный излучению мощностью 1 Вт при