Qué son los lúmenes y por qué no sirven para horticultura

Por qué el lumen y lux no son buenas unidades de medida de iluminación para horticultura

 

Para entender por qué las unidades de medida que habitualmente utilizamos para cuantificar la luz (lumen y lux) no son útiles cuando nos referimos con ellas a las plantas, hemos de partir del hecho de que para definir esas unidades de medida se han introducido factores que hacen referencia a la percepción del ojo humano. Siempre que una unidad de medida tiene en cuenta la percepción subjetiva de los humanos hablamos de fotometría, por el contrario, cuando no tenemos en cuenta la percepción del ojo hablamos de radiometría. Las unidades más comunes que empleamos en luminotecnia, como el lumen o el lux, son medidas fotométricas, por lo tanto, son relativas al ojo humano.

Si esto es así, entender algunos aspectos relativos a la visión humana se presenta como la tarea inmediata a realizar. En primer lugar, tenemos que considerar qué longitudes de onda son las que el ojo humano percibe, y de paso determinar si todas las longitudes de onda que percibe son percibidas con la misma intensidad. Es decir, tenemos que preguntarnos si percibimos mejor unas longitudes de onda que otras.

La respuesta es que sí, que percibimos mejor unas que otras. La región del espectro electromagnético visible se compone de las ondas de longitud comprendidas entre 400 y 700 nanómetros. Un nanómetro equivale a la mil millonésima parte de un metro.

Región del espectro visible

 

Pero de todas las ondas comprendidas en esa región del espectro visible, en la visión diurna (fotópica) el ojo humano tiene una sensibilidad mayor para ser excitado por las ondas cuyas longitudes están próximas a los 550 nanómetros, percibidas como verde. Para la visión nocturna (escotópica) las cosas cambian un poco y las longitudes de onda más favorecidas en la visión se desplazan hacia las que miden 500 nanómetros.  Esto es así debido a que durante el día (niveles superiores a 0.05 lux) la luz es percibida por los conos de la retina y durante la noche (niveles inferiores a 0.005 lux) por los bastones. Cada tipo de célula tiene un pico de sensibilidad distinto.

 

En fotometría todos los factores de subjetividad que se introducen en los cálculos de las unidades de medida de la luz tienen en cuenta la visión fotópica, por lo tanto, la función o curva luminosa de la percepción del ojo humano que tenemos que considerar es la que tiene el pico máximo de sensibilidad en torno a los 550 nanómetros, como la ofrecida a continuación.

Curva de sensibilidad del ojo humano

De esta forma vemos claramente en la gráfica que el ojo humano tiene la sensibilidad suficiente para ser excitado por cualquier onda electromagnética del espectro visible, como la de longitud 400 nm (violeta), pero con mucha dificultad, lo mismo que sucede con las de 700 nm (rojo lejano). Sin embargo, el ojo humano es muy sensible, o percibe con mucha facilidad, a las ondas con longitudes entre 500 y 600 nanómetros. Observemos en la gráfica que percibimos 8 veces más una longitud de onda de 550 nm que una de 470 nm (azul) o una de 660 nm (rojo).

Considerando la curva de sensibilidad del ojo humano ya podemos entender, sin lugar a dudas, que si tenemos dos bombillas de la misma potencia, supongamos 5 vatios, pero una (A) emite ondas con longitudes entre los 400 y 500 nanómetros,  y la otra (B) con longitudes entre los  500 y 600 nanómetros, el espacio visual creado por cada una de ellas será muy distinto para el ojo humano que las percibe. Con la bombilla A, la persona situada en ese espacio visual apenas podrá distinguir un objeto de otro y se moverá con dificultad. Por el contrario, la misma persona situado en el espacio visual creado por la bombilla B distinguirá los contornos de los objetos con claridad y se moverá entre ellos con comodidad (si los objetos reflejan esa longitud de onda), aunque vea todo con un tono verdoso. La diferencia visual (luminosidad) será muy amplia e importante entre las dos bombillas, pero en términos de energía ambas bombillas consumen y propagan la misma cantidad de energía, 5 vatios.

Debido a todo lo anterior, había que encontrar una forma de distinguir o resaltar ese mayor o menor rendimiento visual que proporcionan las fuentes de luz según la composición de su espectro lumínico en términos de longitudes de onda. Los vatios, que es la unidad de medida originaria y fundamental en radiometría no servían, porque como hemos visto, bombillas con la misma cantidad de vatios proporcionan ambientes visuales muy distintos. Para lograr este objetivo, se introdujo en la medición de la luz la subjetividad del ojo humano mediante un factor numérico asociado a las longitudes de onda según sean estas más o menos perceptibles para el ojo humano. De esta forma, el factor numérico asociado a las longitudes de onda para las que el ojo humano es más sensible es un número mayor que el asociado a las longitudes de onda que percibimos con dificultad.

De la necesidad de crear ese nuevo método de medición nacen las nuevas unidades de medida: el lumen y el lux, palabras latinas que refieren al elemento que hace posible que percibamos las cosas, la luz. El método es muy sencillo. Por convención se establece una cantidad constante de lúmenes por cada vatio, 683 lumen/vatio. Esta constante es llamada factor de visibilidad (Km), ya ha nacido el lumen. Ese valor sólo lo puede alcanzar la longitud de onda que excita con mayor facilidad al ojo, la de 555 nanómetros. Por lo tanto, a esa longitud de onda se le da valor 1, de forma que cuando multiplique a Km su valor será 683 l/w, puesto que una cantidad multiplicada por la unidad es esa misma cantidad. Para el resto de longitudes de onda el factor numérico va descendiendo a medida que se alejan de esa longitud de onda privilegiada, tanto si se alejan hacia los tonos violetas como hacia los rojos.

Así, cuando multipliquemos los vatios de una bombilla por esos factores asociados a las longitudes de onda, si ésta se compone de longitudes de onda favorables a la percepción obtendremos cantidades altas de lúmenes, y si se compone de longitudes de onda desfavorables obtendremos cantidades bajas. Las cantidades obtenidas nos informan si nuestro espacio visual será más luminoso o menos en términos de visión humana.

El factor numérico asignado a cada longitud de onda para reflejar la sensibilidad espectral del ojo humano es una magnitud denominada respuesta relativa V (λ) y es distinto para cada longitud de onda.

 

Onda λ V(λ) Onda λ V(λ) Onda λ V(λ) Onda λ V(λ) Onda λ V(λ)
380

390

400

410

420

430

440

 

 

0.00012

0.0004

0.0012

0.0040

0.0116

0.023

450

460

470

480

490

500

510

0.038

0.060

0.091

0.139

0.208

0.323

0.503

520

530

540

550

560

570

580

0.710

0.862

0.954

0.995

0.995

0.952

0.870

590

600

610

620

630

640

650

0.757

0.631

0.503

0.381

0.265

0.175

0.107

660

670

680

690

700

710

730

0.061

0.032

0.017

0.0082

0.0041

0.0021

0.00052

 Tabla de respuesta relativa del ojo humano

 

Por lo tanto, teniendo en cuenta todo lo anterior, si queremos saber cuántos lúmenes proporciona una fuente de luz, tenemos que saber la composición de su espectro y asignar a cada longitud de onda que lo compone su factor de respuesta relativa V (λ), hacer la suma o la integral de todos los valores así obtenidos y multiplicarlo por el factor de visibilidad (Km). Lo deberíamos hacer con la siguiente fórmula.

Donde Ф?  es el símbolo de flujo luminoso, ?? es el factor de visibilidad (683 l/w), ? (?)  es la respuesta relativa, ??  la variable diferencial, son los vatios o flujo radiante y ∫750 ??-380 ??  es el signo de la integral con los límites de integración que hacen referencia al inicio y al final del espectro visible.

Para simplificar y entendernos, supongamos que disponemos de bombillas que funcionan como láseres perfectos que emiten luz monocromática en una sola longitud de onda. En este caso la cuestión matemática se reduce sólo a la operación de multiplicar debido a que no hay que integrar una diversidad de longitudes de onda. Por lo tanto, eliminamos la integral y la variable diferencial de la ecuación y simplificamos la ecuación.

Pongamos el ejemplo en el que el haz luminoso de una bombilla (A) está constituido por 100 w de luz monocromática de longitud de onda , y el haz luminoso de una bombilla (B) está constituido por 100 w de luz monocromática de longitud de onda , ¿Qué flujo radiante y qué flujo luminoso emiten cada una de las bombillas por separado? ¿Y de forma conjunta? Los valores de V (λ) se obtienen de la tabla anterior.

    – Bombilla (A) ?1=500 ??
    ? (?) = 0.323, ??= 100 w, ?? = 683 l/w
    Flujo radiante = 100 vatios
    Flujo luminoso Ф?1=100 ? ? 0.323 ? 683 l/w = 22061 lúmenes

    – Bombilla (B) ?2=450 ??
    ? (?) = 0.038, ??= 100 w, ?? = 683 l/w
    Flujo radiante = 100 vatios
    Flujo luminoso Ф?2=100 ? ? 0.038 ? 683 l/w = 2595 lúmenes

    El flujo radiante de las dos bombillas funcionando a la vez es de 200 w, mientras que el flujo luminoso de las dos bombillas juntas es de 24656 l/w. Obsérvese la gran diferencia obtenida en lúmenes entre ambas bombillas, sin embargo, en términos de transferencia de energía ambas bombillas están igualadas.

    Si ahora lo que queremos saber es la densidad del flujo luminoso sólo tenemos que añadir la unidad de superficie deseada, siendo el estándar el metro cuadrado. En ese caso la unidad de medida es el lux. Para un mismo flujo luminoso obtenemos distintas densidades según la distancia de la fuente de luz a la superficie iluminada.  A mayor distancia obtenemos menos luxes y viceversa.  Este aspecto es muy importante cuando hablamos de iluminación para horticultura, pues las lámparas de sodio no podían instalarse cerca de las plantas por el calor que emiten, por lo tanto, se tienen que alejar mucho de éstas, perdiendo una gran cantidad de luxes. Por el contrario, las actuales luminarias LED se pueden aproximar mucho más ya que no emiten mucho calor al medio ambiente debido a que éste es absorbido por los disipadores que disponen las luminarias LED para que los diodos no se calienten en exceso. De esta forma, al poder acercarlas más se consiguen más luxes con la misma cantidad de lúmenes, produciéndose así un ahorro muy importante de energía.

    De todo lo anterior escrito se deduce que ni el lumen ni el lux son unidades adecuadas para medir la iluminación adecuada para usos de horticultura. Las plantas ‘están interesadas’ en la luz porque de ella obtienen energía, no porque necesiten ver, por lo tanto, las medidas que interesan aquí son las medidas radiométricas, las cuales son útiles para entender las transferencias de energía que se producen a través de la luz.  La unidad de medida de iluminación más utilizada por los botánicos investigadores para las plantas es el micromol de fotones.

     

    Photosystem

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    7 comentarios
    • Magnífico artículo en tantos sentidos: es didáctico, filosófico, y técnico. Muy bien escrito. Constituye un buen fundamento teórico para un proyecto de innovación industrial. En ese sentido, ¿cómo se refleja esta aportación en los productos que ofrecéis?

      • Estimado Andrés, gracias por tu comentario y observaciones. Tu pregunta tiene la virtud de obligar a una continuación de lo ya dicho, una continuación dirigida ahora en el sentido correcto, pues de poco serviría todo lo expuesto si no logramos que nuestros artículos del blog se conviertan en información útil, tanto para el usuario de nuestros productos como para nuestras fases de diseño.

        Tradicionalmente, cuando en horticultura se va a instalar una luminaria el usuario se guía por los lúmenes, por el flujo luminoso. Incluso es habitual oír la expresión ‘quiero una luminaria que ilumine muy bien a las plantas’. El ideal del dueño de un invernadero es abrir la puerta y encontrar un espacio tan iluminado como un día radiante de verano. Así, frente a dos luminarias, siempre se decidirá por la que a mismos vatios de consumo eléctrico ofrezca más lúmenes de flujo, pues su invernadero estará más iluminado a sus ojos.

        Por lo dicho en el artículo este planteamiento no tiene ningún sentido, lo correcto sería tener un invernadero bien irradiado, no bien iluminado, pues las plantas no perciben los fotones que utilizan como luz, sino como energía para realizar trabajo químico. Se trata del mismo fenómeno pero con dos manifestaciones distintas ya lo perciban humanos o plantas. Si se tiene esto en cuenta, el espectro de las luminarias ya no se tiene que diseñar atendiendo al fenómeno de la luz, sino al de la energía y al de la eficiencia en el uso de la energía. Si antes un espectro eficiente era aquel que con los mismos vatios iluminaba más, ahora el más eficiente será el que irradie más en las longitudes de onda que las plantas utilizan mejor.

        Este planteamiento afecta sobre todo al diseño de espectros. Como la longitud de onda privilegada para el ojo humano es la verde 550nm, la mayoría de espectros se han diseñado teniendo como base mucho verde y luego ya se modulan para que sean más fríos o cálidos añadiendo azul o rojo respectivamente. Para diseñar los espectros más eficientes para plantas se ha de tener en cuenta primero qué logitudes de onda absorbe mejor, y segundo cuáles de esas longitudes de onda que son absorbidas generan una mayor cantidad de trabajo fotoquímico. El criterio para determinar esto último es la tasa fotosintética que se logra con cada longitud de onda, un suceso observable mediante medición en laboratorio. Atendiendo a estos aspectos se diseñan, o se escogen ya existentes en el mercado, los espectros con los que suministramos nuestras luminarias.

        Atendiendo al primer punto, las longitudes de onda que más absorbe la planta están en la región del azul y sobre todo el rojo, y absorbe en menor medida la zona del verde, aunque contrariamente a lo que se cree una gran cantidad de verde es absorbido. Una vez abosrbidas esas longitudes de onda, las que generan un mayor trabajo fotoquímico están en la zona de los rojos, contribuyendo en menor medida los fotones azules, verdes y los comprendidos en el rojo lejano. Por lo tanto, para lograr el máximo de eficiencia en la tasa fotosintética, se invertirá la mayor cantidad de vatios en obtener fotones rojos y azules, y se modulará el resto del espectro para favorecer el resto procesos de la planta.

        En este punto es cuando conviene traer todo lo dicho en el primer artículo. Si recordamos cómo se obtenían los lúmenes -multiplicando la energía invertida en cada franja del espectro por un factor- los fotones que obtenían una puntuación más alta en lúmenes eran los verdes, y puntuaban muy poco los rojos y los azules. Si nuestros espectros van invertir la mayor parte de energía en la franja de fotones rojos y azules, quiere decir que tendrán muy poca eficiencia en lúmenes. Como hoy en día, por costumbre y por desconocimiento de estos detalles, se sigue utilizando los lúmenes como guía para comprar las luminarias para hortícultura, la elección estará mal guiada de antemano, lo normal es que un buen espectro para horticultura tenga pocos lúmenes en relación con una luminaria que tenga un buen espectro para iluminar oficinas o cualquier espacio donde se desarrolla una actividad humana. Siguiendo la lógica tradicional las mejores luminarias para oficinas y casas acabarían en los invernaderos.

        Diseñar nuestros espectros atendiendo a la radiación conveniente y no a la luz percibida nos ha originado no pocas incompresiones con nuestros clientes, habituados a los antiguas medidas de lúmenes y luxes, por lo que, repetimos otra vez, agradecemos tu pregunta, pues de esta forma hemos concluido una información inacabada que estamos seguro de que mejorará la compresión de nuestros productos. Esperamos encontrar otro momento adecuado para dar forma a esta pequeña explicación con recursos gráficos y ampliaciones de información.

        Saludos

        • Entonces se deduce que las luminarias más óptimas para invernadero y que pueden reemplazar las antiguas lámparas de sodio serían aquellas que tengan menos lúmenes? Así tendría que elegirla de su catálogo?

          Gracias de antemano

          • Hola Juan, sí y no. Sí que tendrían que tener menos lúmenes porque al emitir sobre todo en azules y rojos, al ser longitudes de onda que el ojo humano no percibe muy bien la cantidad de lúmenes no sería muy alta. Pero hay muchas luminarias en el mercado que dan pocos lúmenes y no son aptas para cultivo. Podrían tener pocos lúmenes porque los vatios nominales son muy bajos, porque emitan en en longitudes de onda fuera del espectro visible o fotosintético, porque gran parte de los vatios se vayan en calor, etc.

        • Cual cual luminaria elegir entre varias con diferente K entre 2500 3000 3500 y 4000? En que difieren?

          • Difieren en la tempertura del color. Cuantos menos grados kelvin tenga la luminaria es más cálida, y viceversa, a más grados kelvin es un espectro más frío. Para crecimiento van bien los espectros más fríos, entre 4000k y 5000k. Para fases de floración los espectros cálidos son más favorables.

            Saludos

    • Muy bien explicado. Agradezco esta información y me apunto vuestra empresa en alguna parte.

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