Экология освещения для человеческого глаза

Современный уровень научно-технического прогресса очень сильно влияет на все отрасли деятельности. Давным-давно люди боялись вспышек молний. Сейчас же люди во всю используют электроэнергию. Однако с древних времен не изменился тот факт, насколько плохо человек знает об опасностях окружающего мира. Буквально на каждом шагу больные и уставшие люди. При лучших условиях жизни человек почему-то чувствует себя хуже. Одной из причин этих недугов является неправильное или, можно даже сказать, вредное и опасное для здоровья освещение. 

Некоторые аспекты влияния электромагнитного излучения на человека

От среды обитания вида зависит его развитие. Человек не исключение. Чем лучше условия обитания, тем быстрее и сильнее разовьется человек. Ученые экологи изучают окружающий нас мир для его сохранения и улучшения. Однако, внимание экологов часто сосредоточено только на макросредах: атмосфере, гидросфере. Хотя эти среды влияют на состояние человека, наибольший вклад в состояние его здоровья привносят те среды, с которыми происходит непосредственное взаимодействие - микросреды. Значительную роль здесь имеют различные поля, принцип действия которых обычно недостаточно изучен. Среди этих полей можно выделить электромагнитное, радиационное, гравитационное. О результатах воздействия последних двух можно судить по данным, полученным экспериментально. Эти данные показывают, что любое отклонение от природной нормы оказывает негативное влияние на человека.

Однако, электромагнитное воздействие на человека более комплексно. Электромагнитное поле может как навредить, так и принести пользу. Например, видимый спектр или свет.  Свет - это электромагнитные волны в диапазоне 380-780 нм. Известно, что человек получает больше всего информации посредством зрения. Человеческий глаз воспринимает лишь видимый диапазон электромагнитного излучения. Иначе говоря, глаз воспринимает информацию благодаря свету. Как было сказано ранее, возможно и негативное влияние электромагнитного поля на человека. Значимость света настолько велика, что позволила выделить его в отдельную среду. Увы, в настоящее время его воздействием на человека часто пренебрегают или игнорируют его.

Когда зарождался человек, единственным источником света на Земле было солнце. Свойства человеческого глаза были сформированы под его воздействием. Как известно, достигающее нас излучение солнца зависит от времени суток, времени года, а также зависит от погоды и местоположения.

Оптическое излучение характеризуется распределением по спектру, по времени и в пространстве, а также общей интенсивностью. Солнечное излучение равномерно меняется в пространстве, а его интенсивность плавно изменяется от восхода до заката солнца.

Как известно, раньше при изобретении новых источников света стремились увеличить их световой поток, а другие характеристики были не так важны. Пламя огня стало первым неестественным источником света. Для его получения использовались костры, а позже лучины, свечи и масляные светильники. Позднее конструкции горелок совершенствовались, обеспечивая более высокую яркость пламени. Яркость пламени достигла своего максимума в газовых лампах, использующих колпачок Люшера - кусочек огнестойкой ткани, накаливающейся в пламени и дававшей яркий белый свет.

Интенсивность излучения источника долгое время считалась приоритетной характеристикой. Однако, необходимо учитывать и другие характеристики. Искусственное освещение распространилось гораздо более быстрее чем этот факт. Электрические лампы появились уже в конце 19 века. Их улучшали, стремясь повысить светоотдачу – количество света, получаемого с 1 Ватта энергии. Следует отметить, что поначалу электрический свет считался мало эффективным, так как первые лампы накаливания проигрывали керосиновым и газовым фонарям по яркости.

В начале 20 века были изобретены ртутные лампы. Они обладали большой светоотдачей, которая вчетверо превышала светоотдачу ламп накаливания. Ртутную лампу пытались начать широко применять, однако, свет этих ламп не был естественным или близким по цвету к нему. Цвет этих ламп был зеленым и, при освещении вещей, он искажал их цвета. Именно после этого были подняты вопросы, касающиеся качества освещения.

В это же время ученые заострили свое внимание на спектральном составе излучения, полученного из различных источников. Важность этой характеристики заключается в том, что от нее зависят цвета освещаемых объектов и, как следствие, психофизиологическое восприятие людей в условиях искусственного освещения. Ученые пришли к выводу, что зрительный аппарат человека воспринимает излучение в целом, а не отдельно каждую его составляющую. Из этого следует, что сочетание нескольких длин волн может дать такое же цветовое ощущение, как и сочетание других нескольких длин волн. Исходя из этого можно сказать, что одним из критериев оценки излучения, даваемого источником света, является вызываемое им цветовое ощущение, которое можно сравнить с некими общепринятыми эталонами. Очевидно было бы использовать в качестве эталона естественное освещение, но, в зависимости от погоды и времени суток, оно сильно меняется. Это привело к тому, что за основу были взяты два вида естественного освещения: прямое солнечное излучение и рассеянное, т.е. при облаках. Отличие, получаемое при освещении предметов искусственным освещением от освещаемого естественным, получило название коэффициент цветопередачи. Коэффициент цветопередачи оценивается в процентном соотношении, при этом 70% считается удовлетворительным, свыше 90% – хорошим.

В связи с тем, что электрические лампы используют сеть с переменным током, появляется еще одна проблема – пульсация света. В отличии от естественного освещения, которое излучает постоянно, излучение лампы пульсирует с частотой сети, к которой она подключена. 

Влияние пульсации света на здоровье человека

Пульсация представляют собой мерцание источников искусственного освещения, невидимые для глаза, однако воспринимаемое мозгом. После такого воздействия возникает усталость, повышается глазное давление, появляется головная боль. Особенно сильно восприимчивы к пульсации дети моложе 13. В это время их психика и зрительная система только формируются.

Ресурсы планеты не безграничны. Необходимо экономить их и использовать более рационально. Электроэнергию не расходовать понапрасну, а приборы использовать с наибольшей энергоэффективностью. Многие государства борются с этими проблемами. Россия не исключение. Сейчас многие производители электротехники повышают параметры энергоэффективности своей продукции. СМИ просят нас экономить электроэнергию. Постепенно уходят в прошлое неэкономичные источники излучения. Однако, с приходом новых технологических решений, приходят новые проблемы: при замене устаревших технологий новыми технологиями приходится сначала потратить много ресурсов, а экономия наступает намного позже. 

На протяжении долгих лет наиболее энергоэкономичной считалась люминесцентная лампа. У этой лампы срок службы составляет 6000 часов, а у лампы накаливания 1000 часов, энергопотребление почти в 5 раз ниже, чем у лампы накаливания. Благодаря простоте установки КЛЛ (компактные люминесцентные лампы) получили широкое распространение. Эти лампы имеют тот же цоколь, что и лампы накаливания и могут монтироваться непосредственно на место лампы накаливания. 

Эта лампа излучает за счет ртути. Наличие ртути в источнике излучения является существенны недостатком. Люминесцентная лампа также, как и лампа накаливания, очень хрупкая и легко разбивается. Чтобы не отравиться ртутью из сломанной лампы надо как можно скорее демеркуризировать помещение. Нужно оставить на несколько часов оставить помещение проветриваться и удалить соединения ртути. Также следует правильно утилизировать люминесцентные лампы. Ртуть содержащаяся в лампах может нанести урон здоровью человека и сильно навредить окружающей среде. Следует помнить, что на городских свалках массовое скопление лампочек может привести к проникновению ртути в землю и воду. 

Планируется строительство в Петербурге завода по утилизации ртутных ламп. Это будет решением экологического вопроса. Но необходимо, чтобы все правильно утилизировали ртутьсодержащие лампы. 

Однако не только ртуть в люминесцентных лампах вредит здоровью человека. 

Секрет свечения люминесцентных ламп

Люминесцентная лампа это наполненная смесью инертного газа и паров ртути скрученная трубка. Ртуть под воздействием тока светится ультрафиолетовым излучением. Человеческий глаз не видит ультрафиолет. При прохождении через люминофор, нанесенный на стенки трубки излучение становится видимым. Однако, преобразуется не все излучение, часть остается неизменной и проходит через слой люминофора. Через какое-то время лампа стареет. Этот процесс сопровождается разрушением слоя люминофора, количество УФ-излучения, проходящего сквозь него, увеличивается. 

Всем известно влияние ультрафиолета исходящего из солнечного излучения на кожу человека. Под воздействием УФ вызывает преждевременное огрубение и старение кожи, разрушает коллаген и эластин, повышает вероятность возникновения раковых клеток. Увы, не все ультрафиолетовое излучение стекло люминесцентной лампы способно задерживать. Эти лучи, попадая на кожу человека, способны оказывать не менее негативное влияние, чем солнечные. 

Согласно исследованиям, проведенным в Англии, излучение люминесцентных ламп может вызывать приступ эпилепсии и мигрень. Также под воздействием УФ составляющей излучения люминесцентных ламп у некоторых людей могут появиться экземы, сыпь, псориаз и другие кожные проблемы. Наибольшее воздействие УФ-лучи оказывают на нежную кожу младенцев.

Почему происходит мерцание лампы

Помимо вышесказанного люминесцентная лампа из–за колебаний в питающей сети пульсирует. Пульсации - мерцания света, невидимые невооруженным глазом. Пульсация воспринимается сетчаткой как ровный свет. Исследованиями ученых со всего мира установлено, что мерцание отрицательно влияет на организм человека. Пульсации воздействуют на мозг, вызывая повышенную утомляемость и плохое самочувствие. 

Влияние пульсации на организм человека увеличивается с увеличением ее глубины. Появляется головная боль, усталость, напряжение в глазах, трудность сосредоточения на сложной работе, головная боль. Многие исследователи отмечают негативное воздействие пульсации излучения на дееспособность человека как при долгом пребывании в условиях пульсирующего освещения, так и при коротком. 

Пульсирующим светом опасно освещать движущиеся и вращающиеся объекты. При этом возникает стробоскопический эффект. Стробоскопический эффект -  это зрительная иллюзия неподвижности или мнимого движения. Этот эффект возникает при освещении газоразрядными источниками света, такими как люминесцентные лампы. Также к газоразрядным можно отнести дуговые ртутные лампы (ДРЛ), натриевые лампы высокого давления (НЛВД), металлгалогенные лампы (МГЛ). Последствиями стробоскопического эффекта могут стать травмы. Наибольшую опасность представляет деятельность, связанная с вращающимися острыми предметами.

Доказано, что пульсация люминесцентной лампы оказывает отрицательное воздействие на нервную систему. Влиянию подвергаются в основном фоторецепторные элементы сетчатки и нервные элементы коры головного мозга. Англичане рекомендуют не использовать в детских учреждениях люминесцентные лампы, так как они наиболее вредны детям.

Пульсации освещенности

Современные системы освещения имеют множество преимуществ перед устаревшими лампами накаливания и даже газоразрядными лампами, среди которых выделяются высокая энергоэффективность, большой срок службы, низкая стоимость обслуживания, более широкие и новые сферы применения и многое другое. Поэтому переход на современное энергосберегающее освещение неизбежен.  Однако современным системам освещения свойственны свои недостатки – это, во-первых, относительно высокая цена, недостаток опыта правильного применения, большая доля некачественной продукции, несоответствие параметров источников света действующим нормативам. Очень часто, как показывает практика, наши клиенты сталкиваются с проблемой повышенных пульсаций светового потока и вытекающей из этого пульсации освещенности.

Вред пульсации для здоровья

К сожалению, те, кто производят системы освещения не уделяют должного внимания проблеме пульсаций освещенности. Исследования проводимы в конце 20 века показали, что мозг человека способен воспринимать мерцания с частотой до 300 Гц. В одной из работ приводится ЭЭГ человеческого мозга (Рис.1). На диаграмме видно, что под воздействием пульсирующего излучения на ЭЭГ мозга проявляются вынужденные экстремумы активности совпадающие с частотой мерцания света. Вынужденные ритмы подавляют природные биологические ритмы нервной системы (здесь частота пульсации света 120Гц).

Рис. 1. ЭЭГ мозга человека в темной комнате (а), ЭЭГ мозга человека в освещенной комнате. Используются лампы с пульсацией 120 Гц

После проведения ряда экспериментов было выявлено, что уже при пульсациях света в 5% возникает аномалии электрической активности мозга, а пульсации, свыше 20% вызывают такие же нарушения как и 100%. Было установленно, что частоты выше 300 Гц, человек воспринимает как постоянный свет. Следует сказать, что воспринимаемые (60 - 80 Гц) и невоспринимаемые глазом (80-300) мерцания света по - разному влияют на человека.

Низкие частоты вызывают дискомфорт, раздражение, нервное истощение и зрительные перегрузки. Но они видимые и организм с ними борется. Например, рефлекторно настраиваем глаза и мозг на уменьшение воздействия этих мерцаний. Исходя из этого можно сказать, что вредное воздействие или, хотя бы, дискомфорт от воспринимаемых пульсаций мы ощущаем и способны с ними бороться.

Исходя из особенностей человека, частоты выше 60-80Гц перестают визуально восприниматься т.е. становятся невидимыми. Такие частоты получили название КЧСМ (критические частоты слияния мельканий). Иначе говоря, мозг не поспевает за информацией поступающей о том, что интенсивность потока света изменена. Хотя, такие пульсации освещенности и фиксируются глазными рецепторами, они не принимают это как визуальную информацию и оказывают прямое воздействие на работу других частей мозга. Исходя из этого, высокочастотные пульсации света оказывают влияние на выработку гормонов в организме человека, дневные и ночные биологические ритмы и, как следствие, - работоспособность, вызывают усталость, эмоциональные изменения.

Длительное воздействие мерцаний на человека повредит не только органам зрения, но и повредит сердце, кровеносные сосуды и нервную систему. Исходя из этого следует вывод: требования к пульсациям появились не просто так, и появились намного раньше нынешних источников света.

Недостаточный контроль пульсаций освещения и не соблюдение норм освещенности тревожат российских медиков. Не прекращаются работы по внедрению и улучшению современных норм качественного освещения.

Нормы уровня допустимой пульсации освещенности

Несколько выдержек норм относящихся к пульсации освещения:

1. СНиП 23-05-95 «Естественное и искусственное освещение» нормирует уровень пульсаций на рабочем месте. В зависимости от сложности работы пульсации не должны превосходить 10% — 20%, это относится только к частотам меньше 300 Гц.

2. В ГОСТ 17677-82 «Светильники. Общие технические условия» устанавливает минимальную частоту ПРА для люминесцентных светильников. Частота должна превосходить 400 Гц.

3. В СанПиН 2.2.2/2.4.1340-03 «Гигиенические требования к персональным электронно-вычислительным машинам и организации работы» нормирует пульсации при работе с ПЭВМ. В этом случае они не должны быть более 5%.

Таким образом, можно сформулировать требования к освещению. Пульсации с частотой менее 300 Гц, на рабочих местах должны быть ниже 20%. При работе на ПЭВМ пульсации должны быть ниже 5%. Уровень пульсации не нормируется в местах временного пребывания (коридоры, лестницы, переходы и т.п.). Пульсации превышающие 300 Гц также не нормируются.

01.01.2013 введен ГОСТ Р 54945-2012 «Здания и сооружения. Методы измерения коэффициента пульсации освещенности». В этом ГОСТе нормируются методы измерения и расчета пульсаций освещенности.

Расчёт пульсации светового потока

Согласно ГОСТ Р 54945-2012 Кп -  это коэффициент пульсации характеризующий уровень пульсации освещенности. Физический смысл этого коэффициена есть разница освещенностей максимальной и минимальной отнесенная к средней. 

Ф. 1. Формула из ГОСТ Р 54945-2012

где Емин – минимальная,
Емакс – максимальная,
Еср – среднее значение освещенности, приведенные на рис.2

Рис. 2. График пульсации света

Пользуясь ГОСТ Р 54945-2012 Еср следует вычислять интегральным способом. При подстановке в формулу она изменится:

Ф. 2. Коэффициент пульсации по ГОСТ Р 54945-2012

где Т – период измерения.
Не так давно измерения проводились с использованием Еср полученного среднеарифметическим методом использовали среднеарифметическим методом:

Ф. 3. Уравнение Еср

При подстановке в первоначальную формулу она примет следующий вид:

Ф. 4. Формула среднеарифметического расчета

Ньюансы подсчета коэффициента пульсаций

Результаты расчетов выражений (2) и (4) почти идентичны при гармонических сигналах. При импульсных же сигналах результаты выражений (2) и (4) сильно разнятся. Очевидно, что при использовании выражения (4) Кп никода не привысит 100%, однако тот же сигнал при больших скважностях расчитанный по выражению (2), может достигать более 100%.

На Рис.3 представлен график пульсаций экрана ЭЛТ-монитора полученный фотоприемником ФГ-01 и обработанный программой «ЭкоЛайт-АП». Очевидна разница Кп=92,4%, полученного по выражению (4), и Ки=258,5%, полученного из выражения (2).

Рис. 3. Диаграмма мерцаний ЭЛТ-монитора

О таких ньюансах расчета коэффициеньа пульсаций надо помнить при изучении источников освещения, работающих с импульсными преобразователями или источниками питания.

Как соблюдаются нормы ГОСТ в области освещенности

Рис. 4. Прибор для измерения освещенности фирмы ТКА

Новые исследования, а также изменение СНиП и СанПиН сопутствовали появлению электронных пускорегулирующих средств (ЭПРА), которые снижают пульсацию. Такие устройства уменьшают колебания. Однако, чтобы убрать пульсации и сделать свет максимально постоянным требуется дорогостоящий ЭПРА. Как известно, дорогому оборудованию сложно выдержать конкуренцию с дешевыми китайскими лампами, которыми перенасыщен рынок. 

В соответствии с российским санитарным нормами и правилами, пульсация света при работе с компьютером должна быть не более 5%. При проверке рабочих мест на соблюдение правил оказалось, что в подавляющем большинстве случаев коэффициент пульсации превышает в 2-4 раза допустимые нормы. Коэффициент пульсации ламп, установленных дома, можно проверить лишь специальным профессиональным оборудованием.

Устаревшая лампа накаливания тоже имеет коэффициент пульсации. Перепады напряжения также оказывают влияние на раскаленную вольфрамовую нить. Однако нить не успевает так быстро остыть, из-за этого пульсация немного сглаживается и чаще всего не превышает 13%.

Новые светильники, в которых практически устранена пульсация, завоевывают рынок. Светодиоды одни из наиболее ярких представителей. Одно из главных достоинств светодиодов - это отсутствие ртути, свинца и других вредных соединений. В связи с этим светодиодам не требуются специальные меры по утилизации.

Проводились исследования с участием добровольцев 20 - 35 лет. Целью исследований было сравнение влияния люминесцентных и светодиодных светильников на физическое и психическое состояние человека. Данные исследования показали, что условия работы при освещении светодиодами являются лучщими по сравнению с люминесцентными.

Как известно, учение свет, а не учение – тьма. Но если правильный свет способен направлять и указывать верный путь человеку, то неправильный в буквальном смысле убивает человека. Неправильное освещение, несоблюдение норм и правил превращают прогресс в регресс. Если один неправильный светильник в одном помещении способен нанести колоссальный ущерб здоровью человека, то страшно подумать, что было бы если такая ситуация была во всех помещениях. К сожалению, в России такая ситуация наблюдается в 80% проверяемых помещений, а проверяют далеко не каждое, так что эта цифра ближе к 100%. Попытка сэкономить на здоровье человека никогда ни к чему хорошему не приводила. В случае с освещением это еще предстоит узнать человечеству.