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

№ 4’2012
PDF версия
При одинаковой габаритной яркости источника и прочих равных условиях белый светодиодный свет оказывает на здоровье человека не большее воздействие, чем дневной или белый свет люминесцентных ламп той же цветовой температуры.

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).

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

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 aCV:

где V(l) — кривая спектральной световой эффективности.

Таблица 3. Значения функции спектральной циркадной эффективности c(l) и функции
опасности синего света B(l)

λ, нм

c(λ)

B(λ)

380

0,002

0,010

385

0,004

0,013

390

0,011

0,025

395

0,024

0,050

400

0,063

0,100

405

0,128

0,200

410

0,231

0,400

415

0,355

0,800

420

0,486

0,900

425

0,615

0,950

430

0,737

0,980

435

0,850

1,000

440

0,949

1,000

445

0,987

0,970

450

1,000

0,940

455

0,997

0,900

460

0,994

0,800

465

0,987

0,700

470

0,972

0,620

475

0,946

0,550

480

0,907

0,450

485

0,854

0,400

490

0,793

0,220

495

0,727

0,160

500

0,658

0,100

505

0,588

0,079

510

0,517

0,063

515

0,447

0,050

520

0,378

0,040

525

0,312

0,032

530

0,249

0,025

535

0,192

0,020

540

0,142

0,016

545

0,101

0,013

550

0,073

0,010

555

0,055

0,008

560

0,040

0,006

565

0,027

0,005

570

0,017

0,004

575

0,011

0,003

580

0,007

0,003

585

0,000

0,002

590

0,000

0,002

595–700

0,000

0,001

705–780

0,000

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 aCV от цветовой температуры (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

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 aCV 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.

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

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.

Изменение цветовой температуры свечения монитора программой f.lux

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 aCV относительную степень воздействия света произвольного спектра X(l) при равной яркости освещения можно характеризовать параметром aBV:

где V(l) — кривая спектральной световой эффективности.

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

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 aBV от CCT, так же как и aCV, 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.

Таблица 1. Участвовавшие в исследовании белые LED

Светодиод

CCT, K

aCV

aBV

Cree

XLamp CXA2011 cool white

5026

0,68

0,46

XLamp CXA2011 neutral white

3990

0,53

0,35

XLamp CXA2011 warm white

3023

0,37

0,22

Xlamp ML-B Cool White

5079

0,63

0,47

Xlamp ML-B Neutral White

4150

0,53

0,38

Xlamp ML-B Warm White

2718

0,28

0,18

Xlamp ML-E Cool White

4961

0,62

0,47

Xlamp ML-E Neutral White

4180

0,54

0,38

Xlamp ML-E Warm White

2561

0,24

0,15

Xlamp MX-3 Cool White

5677

0,76

0,56

Xlamp MX-3 Neutral White

4136

0,53

0,38

Xlamp MX-3 Warm White

2651

0,25

0,15

Xlamp MX-3S Cool White

6553

0,78

0,61

Xlamp MX-3S Neutral White

4167

0,55

0,40

Xlamp MX-3S Warm White

3087

0,39

0,27

Xlamp MX-6 Cool White

6499

0,78

0,61

Xlamp MX-6 Neutral White

4162

0,54

0,39

Xlamp MX-6 Warm White

3113

0,39

0,27

XLamp XB-D cool white

6118

0,72

0,62

XLamp XB-D warm white

3006

0,37

0,23

Xlamp XM-L

5941

0,69

0,52

XLamp XT-E cool white

6965

0,84

0,66

XLamp XT-E warm white

2838

0,33

0,20

XLampMPL-EZW

3024

0,35

0,23

XP-G Cool White

6149

0,76

0,53

XP-G Warm White

3035

0,39

0,24

XP-E Neutral White

3945

0,50

0,35

XP-E-HEW Cool White

6633

0,79

0,59

XP-E-HEW Neutral White

4641

0,61

0,44

XP-E-HEW Outdoor White

3104

0,37

0,28

XP-E-HEW Warm White 85-90CRI

3014

0,36

0,19

XP-E-HEW-Warm & 80 CRI White

3075

0,37

0,24

Nichia

Warm White (color rank e)

3656

0,42

0,28

Warm White (color rank sw35)

3594

0,51

0,31

Warm White (color rank sw35)

3525

0,43

0,29

White (color rank c)

5430

0,66

0,54

White (Hight CRI, color rank sw50)

5232

0,73

0,46

White (Moderate CRI, color rank sw50)

5400

0,72

0,53

«Оптоган»

 

 

 

OLP-X3528F4A, 3000К

2994

0,34

0,25

OLP-X3528F4A, 4000К

3928

0,49

0,37

OLP-X3528F4A, 5000К

 

0,61

0,48

OLP-X3528F4A, 6500К

6803

0,86

0,69

OSRAM

 

 

 

Oslon Square LCW_CQAR EC

3035

0,36

0,22

Oslon Square LCW_CQAR PC

4524

0,56

0,43

Oslon Square LUW_CQAR_(streetwhite)

9626

1,06

0,91

Oslon SSL LCW_CQDP CC warm white

3214

0,45

0,25

Oslon SSL LCW_CQDP EC warm white

3026

0,36

0,22

Oslon SSL LCW_CQDP PC neutral white

4505

0,56

0,43

Oslon SSL LCW_CRDP EC warm white

3178

0,47

0,33

Oslon SSL LCW_CRDP PC warm-neutral white

3557

0,53

0,36

Oslon SSL LUW_CQDP cool white

9536

1,05

0,90

Oslon SSL LUW_CRDP_(streetwhite)

6803

0,81

0,69

Philips Lumileds

LXM3-PW51

3973

0,53

0,33

LXM3-PW61

3520

0,45

0,31

LXM3-PW71

3027

0,36

0,23

LXM3-PW81

2717

0,31

0,18

LXM7-PW40

4040

0,51

0,38

LXM8-PW27

2619

0,28

0,16

LXM8-PW30

2986

0,33

0,21

LXML-PW31, PW21, PW11

5791

0,70

0,51

LXML-PW51

3861

0,44

0,37

LXML-PW71

3191

0,35

0,27

Таблица 2. Использованные в анализе
спектры дневного света (D), ЛЛ (A) и ЛЛ (F)

Источник

CCT, K

aCV

aBV

D40

4005

0,59

0,36

D45

4502

0,67

0,43

D50

5000

0,75

0,50

D55

5499

0,82

0,56

D60

6000

0,88

0,62

D65

6501

0,94

0,67

D70

7000

0,99

0,72

D75

7497

1,04

0,77

D80

7989

1,08

0,81

A

2857

0,38

0,21

F1

6430

0,85

0,63

F2

4230

0,55

0,41

F3

3455

0,40

0,31

F4

2942

0,30

0,24

F5

6348

0,81

0,60

F6

4149

0,49

0,37

F7

6496

0,90

0,66

F8

4998

0,72

0,48

F9

4157

0,59

0,40

F10

4988

0,65

0,49

F11

4007

0,52

0,38

F12

3004

0,34

0,24

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 aCV и aBV постоянные множители не имели значения, так как методика учитывает лишь распределение энергии излучения по спектру.

Зависимости aCV(LED), aBV(LED), aCV(A, D), aBV(A, D), aCV(F) и aBV(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:

aCV(LED) = 0,00013 × T–0,04;

aCV(A,D) = 0,00014 × T+0,05;

aCV(F) = 0,00015 × T–0,11;

aBV(LED) = 0,00011 × T-0,10;

aBV(A,D) = 0,00012 × T-0,10;

aBV(F) = 0,00011 × T–0,07.

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

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 aCV и aBV, в границах диапазона 3000–8000 К малы, и ими можно пренебречь, считая значения aCV и aBV 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.

Литература
  1. Марк С. Ри, Марианна Дж. Фигуэро, Джей Ди Баллоу. Циркадная фотобиология: новые горизонты практической и теоретической светотехники // Полупроводниковая светотехника. 2012. № 4.
  2. Марк С. Ри, Аарон Смит, Эндрю Бьерман, Марианна Дж. Фигуэро. Анализ влияния наружного освещения на систему суточного ритма человека // Современная светотехника. 2010. № 3.
  3. Figueiro MG, Mark S. Rea. Lack of short-wavelength light during the school day delays dim light melatonin onset (DLMO) in middle school students Mariana G. 2010.
  4. IEC 62471:2006 Photobiological safety of lamps and lamp systems (ГОСТ Р МЭК 62471 «Светобиологическая безопасность ламп и ламповых систем».
  5. Gall D. Die Messung circadianer StrahlungsgrцЯen. Tagung Licht und Gesundheit 26. Berlin. 2004.
  6. ГОСТ Р 54350-2011 «Приборы осветительные: светотехнические требования и методы испытаний».
  7. А. Шаракшанэ. Минимальная площадь рассеивателя, при которой светильник не слепит // Современная светотехника. 2012. № 3.
  8. Бижак Г., Кобав М. Б. Спектры излучения светодиодов и спектр действия для подавления секреции мелатонина // Светотехника. 2012. № 3.
  9. Зак П. П., Островский М. А. Потенциальная опасность освещения светодиодами для глаз детей и подростков // Светотехника. 2012. № 3.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.