Podiel svetla na tvorbe pohody u človeka

Článok si kladie za cieľ vykonať čo najstručnejší exkurz do inak veľmi komplikovanej spleti interakcií medzi človekom a jeho okolím, ktorej spoločným menovateľom je svetlo, a priniesť trochu netradičný pohľad na všeobecne známe pojmy s tým súvisiace.

Svetelnou technikou sa zaoberám už niekoľko desaťročí, ale priznávam, že stále nachádzam mnoho informácií, ktoré ma dokážu priviesť až do úžasu – ako všetko so všetkým súvisí a ako je svetlo vysoko nadstavbové v hierarchii kvantifikovateľných zložiek nášho životného prostredia.

Renomovaný odborný časopis LED MAGAZINE prináša veľa podnetov ohľadne „horúcich“ noviniek zo sveta umelého osvetľovania, no zároveň plní aj funkciu identifikátora budúcich trendov v oblasti svetelnej techniky. A jednou z troch najčastejšie pertraktovaných tendencií je tzv. WELLBEING Lighting.

Vo voľnom preklade by sme mohli povedať, že ide o vývoj osvetľovacej techniky slúžiacej na tvorbu zrakovej pohody užívateľa. V podstate nič nové pod slnkom, stačí si pozrieť staršie učebnice Svetelná technika, alebo technickú normu ČSN 36 0008 Oslnenie, jeho hodnotenie a zábrana z roku 1962.

Čo je však podstatne nové, to sú svetelné zdroje LED (Light Emiting Diode), ktoré majú vysoké jasy svietiacej plochy a treba ich vhodne cloniť, aby nevznikalo rušivé, až videnie obmedzujúce oslnenie. Na druhú stranu, LED svetelné zdroje otvorili v svetelnej technike celkom novú éru („doba LEDová“), pretože ich merný svetelný výkon je už dnes dvojnásobne vyšší oproti „klasickým“ žiarivkám alebo vysokotlakovým sodíkovým výbojkám.

Zároveň ide o svetelné zdroje, ktoré sa dajú užívateľsky priaznivo regulovať, takže vznikli podmienky na výrobu takých osvetľovacích sústav umelého osvetlenia, ktoré dokážu efektívne spolupracovať s denným svetlom a dokonale napodobovať nielen jeho dynamiku v intenzite osvetlenia, ale aj v jej farebnosti. A práve toto je cesta smerujúca k vytvoreniu podmienok na zrakovú pohodu.

Výrazy „WELLBEING“ a „HEALTH“ možno považovať aj za synonymá slovenského ekvivalentu „ZDRAVIE“, čo v plnej miere potvrdzuje aj skrátená definícia pojmu zdravie podľa WHO v pomerne voľnom preklade: „Zdravie je stav celkovej pohody človeka.“

Videnie ako komplex procesov

Už na základnej škole školákom vysvetlia, že človek má päť zmyslov, ale že asi až 80 % všetkých informácií prijíma cez zrakové orgány. Je to zjavný nepomer, no sedí… Cez oči prijímame viac ako 90 % všetkých informácií.

Vývoj zrakových orgánov počas evolúcie

Život na Zemi sa začal vyvíjať asi pred 3,8 mld. rokov. Slnko už bolo na svojej dráhe o 1,5 mld.
rokov skôr. Objavili sa prvé prokaryoty a z nich vírusy, baktérie, sinice… Nemali žiadne orgány, teda ani zrakové. Ale boli už schopné fotosyntézy, teda vedeli reagovať na svetlo a významne prispeli k tomu, že sa začal produkovať kyslík. Z nich sa vyvinuli jednobunkové organizmy a z nich už zložitejšie eukaryoty.

Medzi prvé rastliny patrili riasy (2,2 mld. rokov), ktoré už mali náznaky orgánov a dokonca vedeli omnoho efektívnejšie reagovať na svetlo. Ďalšia postupnosť vývoja živočíchov je stručne naznačená v tab. 1.
Opísať vývoj zrakových orgánov od trilobitov po človeka by vyšlo určite na niekoľko vážnych vedeckých pojednávaní. Všetci poznáme napríklad videnie slimákov.

Nemajú oči, iba bunky citlivé na svetlo na pohyblivých výčnelkoch, no na ich orientáciu im to stačí. Možno to bude akýsi relikt z čias trilobitov? Vieme, že napríklad včely, muchy a iný hmyz majú tzv. zložené oči a každé z nich vyhodnocuje množstvo a farbu svetla dopadajúceho z rôznych strán, informácie potom postupujú do nervového centra, ktoré z nich vyhodnotí situáciu a umožní hmyzu presnú a rýchlu orientáciu v priestore.

Zdá sa však, že túto vývojovú etapu zrakového orgánu evolúcia vyhodnotila ako „slepú uličku“, pretože počnúc rybami cez plazy, dinosaury, vtáky, cicavce až po človeka majú všetky tieto stvorenia pár očí, ktorých štruktúra je v podstate rovnaká, aj keď s významnými odchýlkami.

Ľudské oči – orgán zraku človeka

Zjednodušene možno konštatovať, že naše oko sa skladá z dvoch systémov – optického a nervového. Do optickej časti patrí rohovka, predná komora s vnútroočnou kvapalinou, dúhovka so zorničkou, šošovka a sklovec. Optická časť umožňuje vytvárať na sietnici prevrátený a zmenšený obraz vonkajšieho prostredia.

K nervovému systému oka patrí okrem nervového zásobovania najmä sietnica, čo je priesvitná, pomerne tenká (približne 0,2 mm) blana s veľmi zložitou, ale pravidelnou bunkovou skladbou. Sietnica je rozčlenená do jedenástich vrstiev, v ktorých je okrem fotoreceptorov rozmiestnených mnoho iných nervových buniek vrátane gangliových buniek.

Bunkový systém sietnice je veľmi komplikovane previazaný, ale vďaka tomu môže už v sietnici prebehnúť prvotné dômyselné spracovanie a triedenie informácií, ktoré sú zachytené fotoreceptormi v podobe časových, priestorových, jasových a farebných rozdielov. Vybrané užitočné informácie sú následne zakódované do formy schopnej prenosu cez zrakové nervové vlákna do vyšších úrovní zrakového systému a do mozgových centier.

Z fotoreceptorov sú všeobecne známe čapíky, ktoré sa uplatňujú hlavne pri dennom, tzv. fotopickom videní, a tyčinky, ktoré sa používajú prevažne v noci, pri skotopickom videní. V sietnici je umiestnených asi 6,5 mil. čapíkov a približne 130 mil. tyčiniek, rozmiestnených viac na okraji sietnice. Žltá škvrna (fovea) nachádzajúca sa na mieste dopadu lúčov z priameho videnia (tu má ľudské oko najvyššiu rozlišovaciu schopnosť) obsahuje len čapíky.

Oko môže v tomto bode rozlišovať detaily rádovo na tisícinu milimetra. V odbornej literatúre sa to uvádza zriedkavo, no oko umožňuje ostré videnie len na tejto malinkej časti sietnice. Zvyšok videnia patrí do periférneho videnia, ale to je tiež veľmi dôležité, pretože poskytuje údaje o farebnosti väčších plôch a najmä o dynamických zmenách vyskytujúcich sa v zornom poli.

Vrstvy sietnice sú usporiadané tak, že svetelný lúč musí prejsť celou sietnicou, kým sa dostane k výbežkom tyčiniek a čapíkov citlivým na svetlo, preto ľudskú sietnicu nazývame inverzným typom sietnice. V oku sa nachádza ale aj tretí typ fotoreceptorov, ktoré sa zvyknú niekedy označovať ako C-receptory. Ide o cirkadiánne senzory a sú súčasťou gangliových buniek. Zabezpečujú riadenie mnohých biologických pochodov, ktoré sa s istými kolísaniami pravidelne opakujú približne v 24-hodinovom cirkadiánnom cykle.

Daný cyklus sa vyvinul na základe pravidelného striedania svetla a tmy v závislosti od rotácie Zeme okolo vlastnej osi. Je charakteristický aktívnou fázou počas dňa a pokojovou fázou v noci. Tento cyklus riadi väčšinu biorytmov, napr. telesnú teplotu, krvný tlak, srdcovú frekvenciu, látkový metabolizmus, naladenie organizmu do práce alebo na relaxáciu, zároveň ovplyvňuje imunitné, sexuálne a ďalšie funkcie.

Signálom na spustenie aktívnej fázy je napríklad zaznamenanie výskytu modrej farby (ranná obloha) C- receptormi, ktoré sa nervovými vláknami dostane do mozgu, pričom ten spustí produkciu hormónu somatropín. A keď večer začne (modré) svetlo ubúdať, táto informácia naštartuje vylučovanie melatonínu a človek skončí v posteli.

Prečo je svetlo pre život človeka také dôležité?

Ešte tu nebola zmienka o tom, že v podstate jediným zdrojom energie pre Zem je slnečné žiarenie. S týmto tvrdením by sa dalo istotne aj polemizovať, ale… Uhlie, ropa, zemný plyn, fotosyntéza, biomasa, vietor, kolobeh vody v prírode, teplota zemského povrchu vhodná pre rozvinuté formy života – nič z tohto by nebolo, keby na nás Slnko dennodenne nesvietilo (aj cez oblačnosť) miliardy rokov.

Wikipédia informuje, že:
Solárna konštanta, t. j. tok slnečnej energie prechádzajúci plochou 1 m² kolmou na smer dopadajúcich lúčov za 1 s v strednej vzdialenosti Zeme od Slnka má hodnotu k = 1,36.10³ J/m².s.

Spektrálne zloženie slnečného žiarenia je takéto:

• 48 % viditeľné svetlo,
• 45 % tepelné žiarenie (infračervené),
• 7 % ultrafialové žiarenie.

Slnečné žiarenie je jednoducho jedným z kreátorov podmienok života na Zemi. Málokto si pritom možno uvedomuje, ako efektívne flóra aj fauna využívajú energiu zo Slnka. Ľudstvo je neoddeliteľnou súčasťou životného prostredia, takže na tomto využívaní participuje a je pre neho skutočne veľmi dôležité. Ako sme už naznačili, Homo sapiens je produktom stvorenia života a zatiaľ posledným článkom evolúcie, preto sa existujúcim prírodným podmienkam priam dokonale prispôsobil.

Vďaka svetlu vidí, dokáže riadiť imunitné a liečebné procesy, môže stimulovať svoju produktivitu, náladu či pocity pohody. Vďaka tepelnému žiareniu Slnka sa podieľa na spotrebe produktov fotosyntézy (inak by zahynul od hladu), UV žiarenie je zase nevyhnutné na udržanie rovnovážneho stavu v prírode.

Denné svetlo vs. umelé osvetlenie

Ešte donedávna sa svetelní technici delili na tých, ktorí venovali svoju pozornosť dennému svetlu a na tých ostatných, ktorí sa venovali najmä umelému osvetľovaniu. Vzniklo to kedysi dávno, dalo by sa opísať mnoho aj vtipných prekáračiek medzi predstaviteľmi týchto dvoch skupín.

Ale je to už viac-menej minulosť, pretože už aj denné svetlo sa bude merať v luxoch a nie v percentách a dokonca bežne dostupné softvéry na výpočet osvetlenia už v sebe skĺbili oba zdroje svetla. Antagonizmy vyšumeli, nastáva čas plodnej koexistencie – na úžitok všetkým, najmä však konečným užívateľom výhod svetla.

Denné svetlo je základnou zložkou životného prostredia, je doslova darom z nebies. Celá príroda je od neho závislá, aj človek je s denným svetlom prepojený mnohorakým spôsobom. Ibaže človek – koruna tvorstva – si vypracoval aj umelé svetlo. Aspoň heslovite spomeňme niektoré míľniky, ako horiace haluze a kríky, fakle, olejové lampy, parafínové sviečky, petrolejky, plynové pančušky, žiarovky, žiarivky, výbojky, „ledky“.

Čo slovo, to kopa popísaných kníh. Čo míľnik, to kapitola svetelnej techniky. No v každom z tých míľnikov sa nájde aj slnečná energia. Napríklad, slnečné žiarenie – fotosyntéza – strom a haluze – úder blesku alebo iný iniciačný proces horenia – svetlo. Denné svetlo a umelé svetlo sú ako dve ruky toho istého organizmu.

Vývoj svetelnej techniky na najbližšie obdobie

Pretože dominujúcim faktorom súčasnej svetelnej techniky je masové nastúpenie LED svetelných zdrojov, dá sa očakávať, že najbližších 5 až 10 rokov bude pokračovať súbežný rast ich energetickej úspornosti spojený s neustálym relatívnym poklesom cien vztiahnutých na príkon.

Odborné konferencie pripravujú verejnosť na dosahovanie méty 230 až 250 lm/W, pričom relatívna cena sa za ostatné tri roky znížila na menej než polovicu. Toto je zaiste dobrá správa skoro pre všetkých. Už tu bola zmienka o WELLBEING Lighting.

Ďalšie určujúce rozvojové tendencie sa nazývajú HORTICULTURE Lighting a napokon SMART Lighting. Aj keď diskusia o správnom slovenskom preklade uvedených pojmov stále prebieha, pokúsim sa o svoj príspevok k nej:

HORTICULTURE Lighting

Ide o umelé osvetlenie rastlín s cieľom stimulovať v nich fotosyntézu. Viac ako desať rokov sa na tieto účely používajú najmä vysokotlakové sodíkové výbojky, nástup LED svetelných zdrojov ich však rýchlo vytláča z trhu.

Dôvodom je najmä skutočnosť, že stimulácia fotosyntézy vhodne zvolenými LED čipmi je asi štvornásobne energeticky úspornejšia. V kontexte geometricky rastúceho počtu ľudí na našej planéte a čoraz menšej rozlohy poľnohospodárskej pôdy je význam tohto odvetvia svetelnej techniky úplne zrejmý.

SMART Lighting

Ide o inteligentné osvetlenie. Pod týmto označením sa nájde množina rôznorodých technických riešení, v ktorých sa prelína elektronické ovládanie a regulácia osvetľovacích sústav s neustálym rastom technických parametrov SSL (Solid State Lighting), inými slovami LED.

Na tému SMART Lighting sa konajú po celom svete už niekoľko rokov konferencie stoviek odborníkov, táto myšlienka získava čoraz silnejšiu politickú a následne aj ekonomickú podporu, takže o presadení sa tejto tendencie je v zásade jednoznačne pozitívne rozhodnuté. Myslím si, že toto rozhodnutie je správne a zodpovedá 21. storočiu.

Ako sa budú trendy presadzovať v praxi?

Namiesto samostatne ovládaných jednotlivých svietidiel alebo ich skupín sa v blízkej budúcnosti budú vzájomne prepájať celé sústavy svietidiel (napríklad všetky učebne a obslužné priestory v školách, kompletné administratívne budovy, všetky hotelové izby a servisné priestory v nich, celé rodinné domy, uličné a parkové svietidlá v obciach a mestách…).

Namiesto niekoľkých senzorov denného svetla a senzorov prítomnosti osôb, ktoré svojimi informáciami ovplyvňujú zapínanie alebo stmievanie konkrétne pripojených svietidiel, sa dá očakávať, že sa v komplexe osvetľovaných priestorov vytvorí sieť takýchto senzorov, pričom nepretržitý tok ich informácií sa bude spracovávať v centrálnej jednotke, ktorá bude podľa nastavených programov stmievať, zapínať či vypínať svietidlá tak, aby ľudia v týchto priestoroch mali stále k dispozícii potrebné kvalitné osvetlenie (ak sa v tých priestoroch vyskytujú). Niekomu to možno bude znieť ako sci-fi, pravdou však je, že takéto inštalácie už existujú a ich počet bude rásť.

Pretože LED sú de facto polovodičové diódy, nimi emitované svetlo je už v súčasnosti dostupnými technológiami precízne a rýchlo regulovateľné. Praktickým dôsledkom bude postupné doplnenie Wi-Fi sietí šírenia internetového signálu inými prostriedkami, napríklad pomocou špeciálnych LED svietidiel. Táto metóda už má aj svoje meno (Li-Fi) a ponúka skokový nárast rýchlosti prenosu internetu.

Záver

Čo napísať na záver? Svetelná technika je dnes jednou z najrýchlejšie sa rozvíjajúcich interdisciplinárnych vedných oblastí, jej špecifikom však je, že najnovšie poznatky sa nepredstaviteľne rýchlo dostávajú aj do realizačnej praxe.

Aj na Slovensku tak bude potrebné začať so serióznou prípravou potrebného počtu vysokoškolsky vzdelaných odborníkov, aby boli k dispozícii na tvorbu projektov umelého osvetlenia vyskladaných z produktov, o ktorých bol tento článok.

Literatúra

1. Sokanský, K. – Novák, T. – Bálský, M. – Bláha, Z. – Carbol, Z. – Diviš, D. – Socha, B. – Šnobl, J. – Šumpich, J. – Závada, P.: Světelná technika , ČVUT
   v Praze, Praha 2011.
2. CIE 222:2017 Decision Scheme for Lighting Controls in Non-Residential Buildings
3. Wikipédia.

Článok bol uverejnený v časopise TZB Haustechnik 5/2018.