Влияние освещения на циркадный ритм человека, «опасность синего света»

Влияние света на циркадный ритм

Яркий свет, а особенно его коротковолновая компонента, воздействуя на особый тип рецепторов сетчатки, вызывает снижение уровня мелатонина в крови — основного гормона, регулирующего циркадный ритм, уменьшая сонливость, увеличивая работоспособность и снижая остроту сезонной депрессии [1, 2]. Но всегда ли подобное воздействие является полезным?

Чтобы хорошо себя чувствовать днем, нужно крепко спать ночью. Для этого необходимо вовремя утром проснуться, провести день не сонным и захотеть спать вечером. Эту простую причинно-следственную связь знают врачи-сомнологи. Они утверждают, что основная мера, помогающая большинству людей, страдающих нарушениями сна, — просыпаться в одно время в любой день, даже в выходные, помогать организму проснуться утром и не мешать развитию хрупкого желания спать вечером.

Яркий солнечный свет с большой долей синей компоненты утром и в первую половину дня помогает проснуться и быть активным, а значит, способствует крепкому сну следующей ночью. Но в вечернее время яркий свет, наоборот, противопоказан. Так, миллионам людей мешает заснуть экран монитора. Они чувствуют себя разбитыми на следующий день, и очередным вечером снова садятся за компьютер в надежде дождаться если не желания спать, то хотя бы усталости, чтобы лечь в кровать и ждать сна. Экспериментально подтверждено, что оранжевые очки, не пропускающие коротковолновую компоненту в течение светового дня, задерживают наступление сна вечером и сокращают среднюю его продолжительность [3].

Относительная степень воздействия на циркадный ритм человека монохроматических излучений равных интенсивностей характеризуется кривой c(l) (таблица 3). По графику c(l) видно, что циркадное действие оказывает только коротковолновая компонента (рис. 1).

Рис. 1. Кривые функции спектральной циркадной эффективности c(l), функции опасности синего света B(l), функции спектральной световой эффективности V(l) и спектр белого светодиода с CCT 4800К, приведенные в условных единицах

Относительная степень воздействия света произвольного спектра X(l) характеризуется параметром a_CV:

где V(l) — кривая спектральной световой эффективности.

Примечание: Значения c(l) приведены по [5], значения B(l) по [4].

Влияние света на уровень мелатонина в крови однозначно и доказано. Пользу, вред или неоднозначность этого влияния нужно обсуждать. Но отдельный важный вопрос в тех случаях, когда речь заходит о светодиодном освещении, — не имеет ли светодиодный свет особенно выраженного циркадного действия по сравнению с традиционными источниками света благодаря спектру с выраженной коротковолновой компонентой?

Проанализированы спектры осветительных светодиодов (LED), люминесцентных ламп (ЛЛ), лампы накаливания (ЛН) и различных фаз дневного света. Построена зависимость параметра a_CV от цветовой температуры (рис. 2).

Рис. 2. Зависимость от цветовой температуры величины коэффициента aCV, характеризующего степень влияния света на циркадный ритм, для трех групп источников: дневного света, ЛН, ЛЛ и белого светодиодного света

Параметр a_CV линейно зависит от коррелированной цветовой температуры, и для светодиодных спектров он в среднем не выше, чем для ЛЛ или дневного света той же цветовой температуры (рис. 3). Аналогичные результаты приведены в исследовании [8], в котором сравнивались LED, ЛЛ, МГЛ, НЛНД, НЛВД, ДРЛ, смешанный свет и свет луны. То есть воздействие светом с цветовой температурой 3000 К оказывает вдвое меньшее влияние на циркадный ритм, чем свет той же яркости за то же время, но с цветовой температурой 6000 К.

Рис. 3. Сопоставление спектров белого света источников различной природы одной цветовой температуры:
а) низкая цветовая температура — на долю синего приходится малая часть светового потока;
б) высокая цветовая температура — значительная доля светового потока является коротковолновой

Простое средство почувствовать на себе эту зависимость для тех, кому приходится или просто нравится сидеть вечерами за компьютером, — программа f.lux, изменяющая цветовой баланс монитора и снижающая CCT излучения экрана к вечеру (рис. 4). По личному опыту автора эффект выражается в значимом увеличении средней продолжительности сна.

Рис. 4. Изменение цветовой температуры свечения монитора программой f.lux

Опасность синего света

Оптическая система глаза строит изображение светящихся объектов на сетчатке. Яркость изображения, то есть интенсивность освещения чувствительных тканей сетчатки, пропорциональна габаритной яркости объекта. При чрезмерной яркости построенного на сетчатке изображения происходит обратимое и необратимое фотоповреждение ее тканей. Причем, если рассматривать цветовые составляющие изображения, оказывается, что при умеренных яркостях фотоповреждающее действие на сетчатку оказывает только коротковолновая составляющая. Поэтому свет с выраженной долей коротковолновой составляющей оказывает значительно большее воздействие, чем свет, в спектре которого коротковолновая составляющая не выражена. В этом заключается так называемая «опасность синего света».

B(l) — функция относительной опасности цветовых составляющих света при равных яркостях [6] (таблица 3). По аналогии с a_CV относительную степень воздействия света произвольного спектра X(l) при равной яркости освещения можно характеризовать параметром a_BV:

где V(l) — кривая спектральной световой эффективности.

Сравнив параметр a_BV спектров двух источников равной яркости, можно определить, какой из них представляет большую опасность «синего света». Значения a_BV рассчитаны для того же набора спектров, что и a_CV, построена зависимость a_BV от CCT (рис. 5).

Рис. 5. Зависимость величины коэффициента aBV, характеризующего величину «опасности синего света», от цветовой температуры для трех групп источников: дневного света и ЛН, ЛЛ, белого LED

Зависимость a_BV от CCT, так же как и a_CV, хорошо аппроксимируется линейной зависимостью: сравнительная «опасность синего света» прямо пропорциональна цветовой температуре источника при равной экспозиции и габаритной яркости источников. Оговорка про равную яркость чрезвычайно важна, так как на практике потребители часто сталкиваются со светодиодами, не закрытыми рассеивателем, или со светодиодами за слабым рассеивателем, не защищающим от слепящего действия. Источники с рассеивателями имеют максимальную силу света по оси 350–500 кд на 1000 лм. Это значит, что для соответствия габаритной яркости значению в 5000 кд/м² (таково наиболее мягкое требование для светильников общего освещения по ГОСТ Р 54350-2011 [6]) необходимо, чтобы с 1 см² рассеивателя излучалось не более одного люмена [7].

Это довольно жесткое требование не всегда выполняется на практике. Габаритная яркость открытого светодиода, излучающего ~100 лм с площади ~1 мм² на четыре порядка выше предельно допустимых значений. При удалении от источника сила света и габаритная яркость в теории остаются неизменными, но на практике яркость изображения, которое оптическая система глаза строит на сетчатке, уменьшается из-за ограниченной разрешающей способности оптической системы глаза. Так, например, безопасен свет звезд, многие из которых имеют габаритную яркость, превышающую габаритную яркость Солнца. На достаточном удалении не слепит и открытый светодиод. Но требуемое для этого расстояние заведомо превышает типичные дистанции в практике общего освещения общественных помещений. Поэтому не закрытый рассеивателем мощный осветительный светодиод любой цветовой температуры представляет серьезную опасность для зрения. А закрытый, при условии соблюдения норм по габаритной яркости и равномерности яркости по выходному отверстию светильника, оказывает на здоровье человека не большее воздействие, чем традиционные источники.

Детали проведенного анализа

Для анализа использовались 62 спектра белых LED (табл. 1), 12 спектров ЛЛ (CIE standard illuminant F), девять спектров дневного света (CIE standard illuminant D) и спектр ЛН (CIE standard illuminant A) табл. 2. Использованные для сравнения A, D, F — стандартные источники МКО. Спектры светодиодов оцифрованы с графиков, приведенных в официальной документации, с максимальной тщательностью, но некоторой неизбежной погрешностью. При выборе светодиодных спектров не применялись иные критерии, кроме известности производителя и популярности серии на российском рынке.

Все математические операции для всех спектров проводились в общем диапазоне 380–780 нм. Для наглядности все спектры нормированы на одинаковую освещенность 1000 лк. Но при расчетах a_CV и a_BV постоянные множители не имели значения, так как методика учитывает лишь распределение энергии излучения по спектру.

Зависимости a_CV(LED), a_BV(LED), a_CV(A, D), a_BV(A, D), a_CV(F) и a_BV(F) линейны с коэффициентами корреляции 0,98; 0,98; 0,99; 1,00; 0,98 и 0,99 соответственно. Все коэффициенты корреляции значимы при p<0,01.

Линейная аппроксимация:

a_CV(LED) = 0,00013 × T–0,04;

a_CV(A,D) = 0,00014 × T+0,05;

a_CV(F) = 0,00015 × T–0,11;

a_BV(LED) = 0,00011 × T-0,10;

a_BV(A,D) = 0,00012 × T-0,10;

a_BV(F) = 0,00011 × T–0,07.

Рис. 6. Использованные в анализе спектры:
а) белые LED;
б) стандартные источники F (ЛЛ);
в) стандартные источники D (дневной свет) и источник A (ЛН)

Необходимо отметить, что постоянные составляющие, по сравнению со значениями a_CV и a_BV, в границах диапазона 3000–8000 К малы, и ими можно пренебречь, считая значения a_CV и a_BV прямо пропорциональными цветовой температуре и несущественно различающимися для семейств спектров различных видов.

* * *

У биологов, офтальмологов и здравомыслящих людей характерная форма спектра светодиодного света с выраженным пиком в коротковолновой области вызывает предположение об особенном и возможно вредном воздействии такого света на самочувствие и здоровье человека [8]. Однако важна не сама высота синего пика, а площадь под ним и отношение этой площади к площади под всем спектром. Математический анализ показывает, что общая энергетическая доля синей компоненты в спектре белого светодиодного света не выше, чем в спектре других традиционных источников той же цветовой температуры, в том числе в спектре дневного света. Такое ограничение является следствием требования белизны, то есть требования попадания координат цвета света на кривую АЧТ с определенным балансом синего и желтого.

Вопрос об «опасности синего света» сводится к вопросу соблюдения норм габаритной яркости и равномерности этой яркости. Например, обычная настольная лампа, стоящая на столе рядом с детской кроваткой, с не защищенной от глаз ребенка нитью накаливания, опаснее мощного светодиодного светильника любого типа с равномерно светящимся рассеивателем большой площади.

А воздействие на циркадную систему относительно слабого, по сравнению с дневным освещением, светодиодного (равно как и люминесцентного) освещения в светлое время суток может разве что частично компенсировать недостаток солнечного света в помещении. В вечернее же время воздействие яркого света высоких цветовых температур, наоборот, может оказать негативное воздействие. И это одинаково справедливо для источников любой природы.