如何选灯(1):影响 UVI 的设计因素;UVB 测试卡的普遍问题

2024-05-20 106 0

UVB对爬行动物很重要,其中“辐照度”是最重要的影响因素之一。这篇专栏简单讲一讲设计合理强度的 UVB 光源要考察哪些问题。主要包括下面的三个方面:

  1. 光源发射
  2. 反射、吸收与遮挡
  3. 栖地的布置与光热一致性

在文章最后,会简单介绍紫外辐照度的衡量方法,以及一种新产品“UVB测试卡”的严重问题。

只要一一考察文中要点、再结合灯具光谱要求的相关知识、你就可以为爬行动物选出合适的紫外灯。

光源发射情况


【灯具参数】

灯具的“等辐照度图”是一切讨论的基础。买灯前应该仔细审查灯具的等辐照度图和光谱(如果卖家无法提供这些信息,应提高警惕)。

后面会单独讲从这些图中能读出哪些信息,现在先认识一下它们的样子。

等辐照度图长这样。图中是一系列呈包含关系的区域,区域边界上标有UVI数值。对下面的灯具,可以读出(在无遮挡的前提下)在灯具正下方70 cm处的UVI略小于1,要达到UVI = 3~4的水平,动物背部应距灯30 cm左右。

46f2255540e05186184eb065ba26ede83546578300176588.png@1192w.webp-2

[图:某灯具的等辐照度图,来源:Sarina Wunderlich,https://www.licht-im-terrarium.de/_media/mess/2304_lamptestreport_megarayt5_zone2_3.pdf]

光谱长这样。最基础的光谱就是一张X-Y函数图形:

621db1fd7cb56e5712195a9f3bb7733a3546578300176588.png@1192w.webp-2

[图:灯具光谱实例,来源:Sarina Wunderlich,Lamp Test Report: Arcadia ProT5 UVB Kit 24 Watt Dragon 14 % UVB 24 W, Desert 12 % UVB 24 W, Forest 6 % UVB 24 W]

因为爬行动物灯具光谱的金标准是太阳光。所以更好的作图方式是将其与太阳光谱叠加起来,方便比较。当然,衡量“两张光谱有多么相似”需要了解光谱各部分的特性和作用,后续会逐步介绍。(如果你是一段时间之后回来阅读这篇文章,请见视频合集《光照》,以及其他专栏文章。)

8d643c21708f98b5e046f873eb48f46a3546578300176588.png@1192w.webp-2

[图:与太阳光谱叠加的灯具光谱实例,来源同上。]

0117cbba35e51b0bce5f8c2f6a838e8a087e8ee7-1

【灯具的品牌】

即使标注的功率和 UVB 比例相同,不同品牌灯的实际输出差异可以很大。不要用灯具的名字(如“UVB 10.0”)跨品牌选灯。要去看实际测试所得的图表。

下图是 Tomaskas 的一个测试,箭头指的这俩都是24 W的 UVB 灯管。但某品牌的 10.0 的 UVB 灯的输出辐照度只相当于 Arcadia 6.0 的 UVB 灯。

c15fb3cfb0ea22b213b8d6fb703759cd3546578300176588.png@1192w.webp-2

[图:不同品牌灯具的UVB比例百分比没有意义。来源:Tomaskas,Test Report: T5HO UNIT COMPARISON.]

0117cbba35e51b0bce5f8c2f6a838e8a087e8ee7-1

【灯具个体差异】

有些较便宜的品牌品控极差,同型号灯之间甚至能差出数倍,这里不细说。

如果你没有Solarmeter检测仪,多花点钱、选择靠谱的爬行动物灯具很有性价比。

0117cbba35e51b0bce5f8c2f6a838e8a087e8ee7-1

【灯具寿命、辐照度衰减的波长效应】

荧光灯管的 UVB 辐照度会随时间衰减。发光元件、荧光材料、和玻璃管的透过性都会随使用越来越差。这种衰减先在短波区(如UVB)发生长波(如可见光)衰减很慢。所以用肉眼没法察觉灯是不是用废了。

另外有劣质灯具未达标称时数 UVI 就严重衰减了。以下图中的UVB-LED灯为例,其仅使用 250 h 后(不到一个月),UVI既降到了新灯具水平的20%以下,但人的目视亮度(lux数值)却几乎毫无衰减。这可能在不知情的情况下造成动物缺钙,一定要购买可靠的灯具、或者购买 Solarmeter 测试仪。

fb14ee618100cbff1bfe529c3a5d8fc13546578300176588.png@1192w.webp-2

[图:某灯具的UVI和lux数值衰减曲线,来源:Sarina Wunderlich,为避免纠纷,暂时不展示链接。]

如果你没有Solarmeter检测,应该注意必须按商品说明定期更换灯管。紫外灯管一定会在包装上标注寿命(没写就别买)。大部分灯管的标称寿命在6个月左右(也可能表述为“寿命X千小时”),实际使用时与开灯时间和使用温度有关。

同时,部分新的灯具在刚开始使用时UVI数值会迅速降低(如上述曲线就是),一般建议在使用前做“burn-in”,既先在栖地外面开灯50~100 h后再放入栖地使用,避免过量。

反射、吸收与遮挡

4adb9255ada5b97061e610b682b8636764fe50ed-2

【是否配备反射罩】

反射罩对灯具性能影响极大,Sarina Wunderlich 测得加上反射罩可以使某些区域的UVI增加至原来的三倍以上(左图有反射罩,右图没有反射罩)。

cff4c5396d435f88df66c6becc13c8cf3546578300176588.png@1192w.webp-2

[图:反射罩对灯具输出的巨大影响,来源:Sarina Wunderlich,Lamp Test Report: Arcadia ProT5 UVB Kit 24 Watt Dragon 14 % UVB 24 W, Desert 12 % UVB 24 W, Forest 6 % UVB 24 W]

0117cbba35e51b0bce5f8c2f6a838e8a087e8ee7-1

【反射罩的性能和形状】

有些劣质反射罩的形状未经仔细设计、还可能在运输过程中变形,导致因反射产生像”放大镜烧蚂蚁“一样的效果,导致晒伤。

下图是一款劣质卤灯的灯罩,可见其在特定距离上把光聚焦到很小的一片范围内。要是UVB灯有一样的情况、而你又恰好把动物放在了“焦点所在平面”上,肯定会严重晒伤。

5886e1cd74f4960fdc5c7d0f724172d53546578300176588-2.jpg@1192w.webp-2

[图:劣质灯具的光斑和合格光斑的区别。来源:Frances Baines,Lamp Test Report:Fuxin UVA+UVB 3.0 Reptile Structure Halogen Lamp UVB 3.0 PAR 20 100W 220-230V lamp]

反射UV不像反射可见光那样简单,对材料的表面性质有严格要求。不同品牌灯座的反射率差别很大,而且肉眼看不出区别。

Reptizoo 的一批灯具还曾爆出一搞笑的产品质量问题,它把反射条装反了

UVB 的反射膜常是一面反射率高,一面反射率垃圾,人肉眼看上去基本分不出来。所以一般厂商要在反射膜上贴上标签以便工人识别(如下图在低反射的一面贴了标签,质检会核实这个标签)。有人猜测 Reptizoo 或许是贴签环节出了疏漏。

bbc897bbfba7862721c2567bc21022883546578300176588.png@1192w.webp-2

[图:一般灯罩反射罩会用标签帮助工人确定方位。来源:Tomaskas,Test Report: T5HO UNIT COMPARISON.]

贴反的后果就是数据离谱。Tomaskas 测试了这批灯座。左图是从盒中取出直接使用的等辐照度图,弱的不像话。但当他自己把反射膜翻过来时,UVI增加了一倍以上:

b48b56f0c49916228f3c4722bbe0ed413546578300176588.png@1192w.webp-2

[图:Reptizoo的灯罩贴反导致反射率大大降低。来源:Tomaskas,Test Report: T5HO UNIT COMPARISON.]

0117cbba35e51b0bce5f8c2f6a838e8a087e8ee7-1

【吸收】

许多塑料、玻璃会吸收UVB,所以UVB灯管要么直接装到箱体内部,要么放在顶网上面,如果扣在塑料或者玻璃材质上面就没用了。

下图为我自己测得的不同材料在200~950 nm的吸收光谱。图中曲线表示用特定波长照射材料时有多少比例的光透过去了:

8683bc6c3f12b05e442746149b45c4753546578300176588.png@1192w.webp-2

[图:常见栖地材料的透过率,来源:我测的]

可见玻璃(红色曲线)从360 nm 开始就不再透明,325 nm 以下几乎隔绝所有光线。所以隔着玻璃照 UVB 等于没照。同理,有人关着窗户、抱着动物在窗边晒阳光 UVB,其实啥都没晒到。(另外注意玻璃对IRA有吸收,这对温度有影响。)

亚克力(蓝色曲线)更夸张,直接吸掉了365 nm以下的几乎所有光,所以UV灯绝对不能隔着亚克力照射。而且因为爬行动物的UVA视觉就在 360 nm 左右,所以在人看来无色透明的亚克力爬行动物看起来是黄色的(准确的说是”紫外色的反色“)。

(紫色和绿色曲线很有意思,以后再讲)

要注意这都说的是一般的玻璃和一般的亚克力,确实有特种玻璃(如TerraClear玻璃)、特种塑料(如ETFE)可以让 UVB 透过,甚至还可以透过一部分UVC。此种情况下、懂行的商家一定会用特定术语描述材料,当商家仅说“玻璃”、“亚克力”的时候、一定就是普通情况。这和没有正常人会把“眼镜王蛇”缩写为“王蛇”是一个道理。

b89162386f9f8c4fc8093a784ce29d723546578300176588.png@1192w.webp-2

[图:TerraClear 玻璃的吸收曲线,注意到其在UVB波段的透过率达60~80%,超过很多下方的纱网。来源:Sarina Wunderlich,https://www.licht-im-terrarium.de/_media/mess/lamptestreport_terraclear-glas.pdf]

0117cbba35e51b0bce5f8c2f6a838e8a087e8ee7-1

【遮挡】

顶网会遮挡相当一部分光线,从 15~70% 不等。这一影响相当大,而且人人不同,所以机械的参考别人的选灯方案是不合理的。这里列有常见成品栖地顶网的透过率查询图。

86ecc147c2032ce049fb9363117e8b143546578300176588-2.jpg@1192w.webp-2

[图:品牌栖地顶网的透过率数据库,来源:Reptile Lighting Group 网友“众筹”测试。]

如果你的顶网不在其中、又没有测量照度或 UVI 的设备,可以利用遮挡不受波长影响的性质,用可见光照度衡量顶网的遮挡比例。经我测试,垫白纸拍照 + Photoshop积分的方法结果尚可,有时甚至比查阅上述表格更准确。

另外还应考虑灯具之间的遮挡,比如紫外灯和热灯靠在一起时,一盏灯的灯罩可能挡住另一盏灯的部分光线,这既降低了总辐射功率,还影响了下面要说的光热一致性

栖地的布置与光热一致性

4adb9255ada5b97061e610b682b8636764fe50ed-2

【栖地配置】

设计栖地时要综合考虑上述因素。一般步骤是先查询灯具的等辐照度图,在其基础上考虑反射罩、遮挡的影响,然后按照动物的弗格森区划定动物晒点离灯具的合适距离(如果得出的距离不合理,就换一盏灯)。

注意:灯具和动物最近点的距离应 >25 cm(亦有说20 cm)。这是因为 25 cm 以内的辐照度梯度通常过大,可能动物稍一抬头 UVI 就增长了好几倍,直接晒秃。如果让动物抬着头也没事,那不抬头的时候 UVI 又太低了。

例如,若某栖地一共 35 cm 高,选择将灯具内装,下面还要再垫晒台。灯具本身 7~8 厘米,晒台5 cm,动物本身还有厚度、还能抬头,很容易就让距离<20 cm了。此时动物不是晒伤就是晒不够(甚至二者可能同时发生)。

58b1b768c909b7b6d795e6245564f5083546578300176588.png@1192w.webp-2

[图:小栖地内装的近距离灯具配置导致的问题。来源:底层等辐照度图来自Sarina Wunderlich,其余自行绘制]

另一个重要问题是不同波段灯具应该汇聚到同一片区域里(见下方Thomaskas的示意图)。有人把紫外灯放栖地左边,红外灯放栖地右边,这是错误的。

07fb334754bb32f7285ed213f4d124fe3546578300176588-2.jpg@1192w.webp-2

[图:光热一致性,来源:Thomas Griffiths,https://www.youtube.com/watch?v=TqAVbP5ARVY]

在野外,爬行动物只有太阳一个光源,太阳的紫外、红外、可见光永远是统一的,比例几乎恒定,空间上不会分离。所以爬行动物没有额外的进化压力来单独发展可以“测量”(感知)UVB辐照度的器官,它们会根据一个波段的照度推断其他波段的辐照度。部分爬行动物进化出了专门的“顶眼”来挑选位置。

23a056a6229a53d71e90b3a0eecbe5673546578300176588-2.jpg@1192w.webp-2

[图:爬行动物的顶眼。来源:u/DerDurDorf on reddit]

各个波段的光源不匹配会让动物困惑,无法做出正确的晒灯选择,干扰维生素 D₃ 的调控和体温调节。下图中,Liam Sinclair 故意使可见光灯与其他灯照射不同的位置,观察鬃狮蜥会怎么做。可见鬃狮蜥追随的位置其实是可见光晒点,它没有意识到那个区域的紫外和红外辐照度其实很低。

d4fb55ee0177f44f160d97326edc7a003546578300176588-2.jpg@1192w.webp-2

[图:鬃狮蜥根据可见光(而不是紫外、红外光)确定晒点位置。来源:Liam Sinclair,https://www.youtube.com/watch?v=bJI-unsO8uY(具体实验描述来自私下沟通)。]

因为这个原因,栖地中的 UVB 晒点应该与可见光高亮区域统一,并且可见光的照度要足够高。晴天的阳光照度可以超过10万 lux,栖地中至少应提供数万 lux 的可见光晒点(而一般人家屋里的夜间室内照明经常只有几百 ~ 一千多 lux)。很多人在第一次打开正确的可见光灯时都有“亮如白昼”的感叹(但它模拟的就是晴天的阳光,本就应该“亮如白昼”呀)。

测试可见光照度可以用专门的测光仪,但必要性不大。有两个简单的替代方法:

  • 1. 打开手机相机,找个白天的晴天出门,对准室外景物曝光,然后切换到相机的手动曝光模式,不要修改参数。走回家里拍一下你的栖地。如果栖地看起来特别暗,你的照度就不够。
  • 2. 找个晴天把灯拿到阳台上有阳光直射的地方,开灯后置于直射的阳光光束内,顺着光束方向照射,如果灯的亮度足够,灯下应该看不到灯的影子。

另外,动物的维生素 D₃ 合成中还需要合适的表皮温度(具体原理参见这篇专栏的UVB部分:https://www.bilibili.com/read/cv29446674/),因此 UVB 的晒点也要与 IRA 晒灯的晒点匹配。

栖地内的 UVB、可见光、IRA 应汇集到同一片空间区域的要求叫做爬行动物栖地设计的光热一致性

4adb9255ada5b97061e610b682b8636764fe50ed-2

如何确定特定光照设计的紫外线强度

【根据已有数据计算】

如果你购买了可靠的、有检测报告的灯具,并且适时更换,你就可以根据上面这些因素的对应数据把 UVI 分布算出来(依次考虑光源发射、衰减和栖地布置因素即可,其实很容易计算,不比初中物理题难)。所以Solarmeter并不是设计光照的必需品。

0117cbba35e51b0bce5f8c2f6a838e8a087e8ee7-1

【UVI 检测仪】

目前爬行动物饲养中测量紫外线指数的标准方法是 Solarmeter 6.5 测试仪,许多爬行动物光照方面的参考数据是依据 Solarmeter 6.5 读数设立的。

有了Solarmter有这些好处:

  • 可以排除灯具“个体差异”带来的影响;
  • 确保自己的设计是正确的;
  • 可以延长灯管更换的间隔(有保质期6个月的灯其实用到18个月还没坏,所以如果你养多只动物,长期来看买一个Solarmeter 6.5可能反而会省钱)。

但是 Solarmeter 6.5 很贵,所以很多人想用市面上的廉价替代品。

虽然不能说替代品都不好,但一定要谨慎选择。这方面的一个重要的审核指标是替代品应该与Solarmeter 6.5 有相似的响应曲线。Sarina Wunderlich 测试了某品牌的测试仪的响应曲线。可见其起始响应位置偏右,且在UVC部分有更强的响应。

6b2908f9f970ec055c4856db504a061a3546578300176588-2.jpg@1192w.webp-2

[图:各种测试仪的响应曲线差异,来源:Sarina Wunderlich,Test-Report: Hobby UV Card; R>>G-Instrument UV-Index Meter]

这种差别导致响应曲线在特定波长处的比例与仪器示数的偏差直接相关,反映在实际测试中,就是测试仪对不同光谱构成的灯的准确度差别极大。下图是两种不同的紫外线测试仪的读数差异(假设Solarmeter 6.5是准确的)。

e80f9ef82525159a51d706cd878cbc643546578300176588-2.jpg@1192w.webp-2

[图:测试仪示数随光源光谱的不同而波动。来源同上。]

如果要选择 Solarmeter 6.5 以外的替代品,至少要找商家把响应曲线要来,检查其是否与 Solarmeter 6.5 相似(这与买灯时必须检查光谱的道理一样;如果商家无法提供响应曲线、应高度警惕)。

UVB 检测仪的选择和使用还有很多故事,下回再详细聊。

0117cbba35e51b0bce5f8c2f6a838e8a087e8ee7-1

【UVB 测试卡】

目前市面上的测试卡绝大对数是垃圾!垃圾!垃圾!有了还不如没有!

我在准备这篇专栏的过程中才发现还有这么个东西,而且销量很大。这东西虽然便宜,但是会误导你。

628a4980258f60e371359823fb557de23546578300176588-2.jpg@1192w.webp-2

[图:不同的UVB检测卡。图片来自各商品的Amazon页面。]

所谓UVB测试卡是在一张塑料卡片上涂敷了一些光致变色的分子,光照下发生 【无色】到【紫红色】的转化。而这些分子变色后会以一定速率发生热致变色,在几分钟内从【紫红色】变回【无色】。所以这二者的动态平衡体现为卡片的颜色深浅。因此商家宣称可以通过比色确定UVB的强度。

然而,(至少是某些)商家所选光致变色染料的响应光谱非常垃圾,和维生素 D₃ 合成所需的响应曲线可以说是没有半毛钱关系。

我在下图绘制了三条相关曲线。

dc175b7f6fea7d460bb9f7d815e2491e3546578300176588.png@1192w.webp-2

[图:UVB检测卡所用光致变色染料的吸收光谱与Solarmeter 6.5和维生素D3合成的action spectrum的巨大区别。来源:我做的。]

维生素 D₃ 合成的响应曲线(绿色)与 Solarmeter 6.5 的响应曲线(蓝色)几乎重合(这正是选择Solarmeter 6.5的依据)。

但 UVB 测试卡的吸收曲线(红色曲线,此处选取的是 Reversacol Palatinate Purple Dye)和维生素 D₃ 合成差着十万八千里。

这导致紫外线测试卡测得其实是 UVA,不是 UVB

这种差异反映在实际测试中就是结果满天飞。下图的横向格位表示的是UVB测试卡的比色等级,数字是 Solarmeter 6.5 的 UVI 测试数据。(该图来自Sarina Wunderlich,她是德国人,用逗号做小数点。)

857dd6cca25ff36904655c24858e61733546578300176588.png@1192w.webp-2

[图:UVB测试卡垃圾!来源:Sarina Wunderlich,Test-Report: Hobby UV Card; R>>G-Instrument UV-Index Meter]

第一行的灯是305 nm 的 UVB-LED,这种LED只发出UVB,几乎不发出任何UVA。这导致 Solarmeter 的 UVI 已经到 40.6 了,紫外测试卡才显示中等强度。这里如果真的参考测试卡来调整光照能把任何爬行动物晒死

最后一行是一款陈旧的金卤灯,它已经几乎不发射UVB了,但是还发射很多UVA,Solarmeter 正确反映出这灯已经废了,但是紫外测试卡还显示最高等级。

许多其他品牌的测试卡也有同样问题,下图是两个不同的人拿着两种不同UVB测试卡的检测结果。在冬日阴天时 Solarmeter 正确反映出 UVB 基本为0,但因为此时有UVA,检测卡还是很紫。

f1a6e52d95c274472d31f91046c6cfc23546578300176588-2.jpg@1192w.webp-2

[图:UVB测试卡垃圾!来源:Reptile Lighting Group网友实测。]

需要说明的是,我们在原理上其实可以通过修饰光致变色染料分子的结构来使测试卡具有特定的响应曲线(这不像 UVB-LED 那样得解决根本的原理性问题),或许有某些品牌的 UVB 测试卡确实有用,不能全部否定。但我们尚未在目前群组中测试的多种 UVB 检测卡中发现任何有实际意义的产品。

相关文章

NUANCE树蛙粮使用说明
世界所有龟类图集
欧系陆龟在自然环境的生活方式(上):大地回春
欧系陆龟在自然环境的生活方式(下):酷暑与冬眠
苏卡达象龟幼体只用加热垫不用烤灯的实验
苏卡达象龟在野外和人工环境的成长比较

发布评论