Światło jest najważniejszym „dawcą czasu” kontrolującym nasz rytm dobowy. Światło dzienne jest zatem ważnym czynnikiem wpływającym na nasze dobre samopoczucie. Chłodne białe fale światła tłumią wydzielanie melatoniny.
Układ wzrokowy i hormonalny człowieka. Światło dostaje się do oka, a sygnały są wysyłane z siatkówki do ośrodka wzroku w mózgu i jądra nadskrzyżowaniowego. Najbardziej efektywny kąt ekspozycji światła zapewniający maksymalne pobudzenie komórek zwojowych osiągany jest, gdy światło dociera do nas znad horyzontu. Źródło: Licht.de
Naukowcy badają biologiczny wpływ światła od dziesięcioleci. Jednak dopiero w 2002 roku odkryli w siatkówce komórki zwojowe, które nie służą do widzenia. Nowo zidentyfikowane komórki najbardziej reagują na widzialne niebieskie światło i ustawiają ludzki zegar biologiczny, który synchronizuje organizm z zewnętrznym cyklem dnia i nocy.
Siatkówka ludzkiego oka zawiera trzy fotoreceptory: czopki wrażliwe na kolor, pręciki wrażliwe na słabe światło i komórki zwojowe wrażliwe na światło niebieskie.
Główną funkcją zegara biologicznego jest produkcja hormonu melatoniny – „hormonu snu”. Produkcja tego hormonu w szyszynce zmienia się w zależności od pory dnia. Melatonina jest wydzielana w nocy i ma minimalne poziomy w ciągu dnia. Zwiększona supresja melatoniny wywołana ekspozycją na światło często zbiega się ze zwiększonym poczuciem czujności i możliwością stałego skupienia uwagi.
Generatory impulsów hormonalnych
Komórki zwojowe wysyłają sygnały do mózgu i regulują produkcję hormonów. Trzy najważniejsze hormony kontrolujące rytmy biologiczne to:
- Melatonina – powoduje zmęczenie, spowalnia funkcjonowanie organizmu i zmniejsza aktywność na rzecz zasłużonego odpoczynku.
- Kortyzol – to z kolei hormon stresu, który produkowany jest od około 3 w nocy. Pobudza metabolizm i programuje organizm na tryb dzienny.
- Serotonina – hormon ten działa pobudzająco i motywująco. Podczas gdy poziom kortyzolu we krwi spada w ciągu dnia i tym samym działa przeciwcyklicznie w stosunku do poziomu melatoniny, serotonina pomaga podnieść poziom energii.
Parametry przewodnie dla oświetlenia typu Human-Centric Lighting
Aby zainstalować i zaprogramować wydajne rozwiązanie Human Centric Lighting, należy zwrócić szczególną uwagę na cztery parametry: widmo, natężenie, pora i czas trwania ekspozycji, a także rozsył światła. Każdy parametr można zmienić, jeśli jeden lub więcej pozostałych parametrów zostanie odpowiednio dostosowanych.
Widmo
Zrozumienie wpływu temperatury barwowej
Światło to promieniowanie widoczne dla ludzkiego oka o długości fal w zakresie 380–780 nanometrów. Bodźce optyczne rejestrowane są w oku ludzkim przez trzy różne czopki, które reagują wrażliwie na promieniowanie czerwone, zielone i niebieskie. Nie postrzegamy jednak wszystkich kolorów jako równie jasnych. Kolory w widmie żółto-zielonym przy 555 nanometrach są postrzegane jako najjaśniejsze. Pręciki pozwalają nam widzieć w słabym świetle. Nie potrafią jednak rozróżniać kolorów. Biologicznie skuteczny zakres to spektrum barwy niebieskiej w zakresie 460-500 nanometrów.
Krzywe wrażliwości w warunkach oświetlenia dziennego v(λ), nocnego v’(λ) i dla efektów okołodobowych c(λ)
Komórki zwojowe są najbardziej wrażliwe na światło o długości fali 480 nanometrów (1). Odpowiada to światłu niebieskiemu. Odpowiednie białe światło będzie zatem zawierać dużą część długości fali niebieskiej i dlatego jest określane jako zimne białe światło o temperaturach barwowych od 5 do 6000 K i wyższych. Badania (2) wykazały, że ekspozycja na światło w niebieskiej części widma skutkuje niższym wydzielaniem melatoniny. Krótko mówiąc, moglibyśmy powiedzieć, że chłodne białe światło, które występuje głównie w świetle słonecznym i w niektórych źródłach światła, pomaga dostosować fazę dobową i skutkuje wyższą subiektywną czujnością, wyższą temperaturą ciała i tętnem (3). Charakterystyki czułości widmowej są określone w dokumentach takich jak CIE S 026.
Rozkłady widmowe różnych źródeł światła
Chłodne białe światło LED ma większą ilość niebieskich długości fal i dlatego jest bardziej skuteczne, jeśli chodzi o regulację rytmów dobowych.
Źródła
1 Bailes, H.J. and Lucas, R.J. (2013) Human melanopsin forms a pigment maximally sensitive to blue light (lmax _479 nm) supporting activation of Gq/11 and Gi/o signalling cascades (Ludzka melanopsyna tworzy pigment maksymalnie wrażliwy na niebieskie światło (lmax _479 nm) wspomagający aktywację kaskad sygnałowych Gq/11 i Gi/o). Proc. Biol. Sci. 280, 20122987
2 Brainard et al., 2001 Action spectrum for melatonin regulation in humans: evidence for a novel circadian photoreceptor (Spektrum działania regulacji melatoniny u ludzi: dowody na istnienie nowego fotoreceptora dobowego). The Journal of Neuroscience, 21, 6405-6412.; Thapan et al., 2001 An action spectrum for melatonin suppression: evidence for a novel non-rod, non-cone photoreceptor system in humans (Spektrum działania supresji melatoniny: dowody na istnienie nowego układu fotoreceptorów niepręcikowych i nieczopkowych u ludzi). The Journal of Physiology, 535, 261-267.
3 Cajohen et al., 2005 High sensitivity of human melatonin, alertness, thermoregulation, and heart rate to short wavelength light. (Wysoka wrażliwość ludzkiej melatoniny, czujność, termoregulacja i częstość akcji serca na światło o krótkiej długości fali) The Journal of Clinical Endocrinology & Metabolism, 90, 1311-1316.
Natężenie
Zrozumienie wpływu natężenia światła
Tłumienie melatoniny rozpoczyna się przy 30 luksach i nasyca się przy około 1000 luksach na poziomie oczu. Świadomość, że poziom melatoniny nasyca się powyżej 1000 luksów na poziomie oczu, może być wykorzystana jako wytyczna dotycząca maksymalnego poziomu. Przekłada się to na oświetlenie pionowe (Ev) lub cylindryczne natężenie oświetlenia Ez, wynoszące 1000 luksów. (Osoby starsze z wadami wzroku będą potrzebować wyższego poziomu oświetlenia). W 2019 roku Underwriters Laboratories (UL) przedstawiło nowe zalecenia dotyczące poziomu luksów w celu osiągnięcia supresji melatoniny. Zalecane jest natężenie światła wynoszące 254 luksów (mierzone pionowo na poziomie oczu), pod warunkiem użycia światła pośredniego i temperatury barwowej 5000 K. Jeśli zmieni się temperatura barwowa lub rozsył światła, zmieni się również zalecany poziom luksów. Glamox bazuje na tych zaleceniach podczas dostosowywania naszych rozwiązań oświetleniowych typu Human-Centric Lighting.
Underwriters Laboratories (UL) zaleca 254 luksów na poziomie oczu, pod warunkiem użycia światła pośredniego i temperatury barwowej 5000 K.
Ze względu na prawa fizyki poziome natężenie oświetlenia na powierzchni roboczej (na wysokości 0,75 m nad podłogą) będzie dwa, a nawet trzy razy większe niż na wysokości oczu. Może to ponownie stanowić ogromne wyzwanie w zakresie olśnienia i zużycia energii. Dlatego zalecamy zmniejszenie poziomu światła do maksymalnie 250-350 luksów na poziomie oczu (co odpowiada ok. 750-1000 luksów na płaszczyźnie roboczej) i wydłużeniu czasu ekspozycji. Nie musi to koniecznie zmniejszyć zużycia energii, ale będzie korzystne dla warunków oświetleniowych.
EN 12464-1 (2021)
Nowa norma EN 12464-1 (2021) zawiera Załącznik B o tytule „Dodatkowe informacje na temat wzrokowych i niewzrokowych (nietworzących obrazu) efektów światła”. W załączniku wskazano, jak ważne jest uwzględnienie niewzrokowych skutków światła podczas planowania instalacji oświetleniowej. Nowa norma odnosi się obecnie do dwóch poziomów natężenia oświetlenia w poziomie – jednego wymaganego i drugiego zmodyfikowanego. Dla typowego środowiska pracy – np. biura – wymagana wartość to Ēm, 500 luksów, a zmodyfikowana wartość to Ēm, 1000 luksów. Stwarza to m.in. możliwość uzyskania instalacji oświetleniowej zmieniającej natężenie światła w ciągu dnia, co poprawia samopoczucie i stabilizuje jego rytm dobowy u ludzi.
Co to jest cylindryczne natężenie oświetlenia?
Norma EN 12464-1 wymaga większej ilości światła padającego na twarze ludzi, aby poprawić warunki komunikacji wizualnej. W pomieszczeniach, w których ważna jest dobra komunikacja wizualna, zwłaszcza w biurach, strefach spotkań i nauczania, wartość Ēz powinna wynosić nie mniej niż 150 lx przy U0 ≥ 0,10. Wyobrażając sobie ludzkie głowy jako cylindry, cylindryczne natężenie oświetlenia jest średnią całego światła (mierzonego w luksach) padającego na cylinder.
Natężenie oświetlenia cylindrycznego (Ēz) to średnia całkowitego światła pionowego padającego na wyimaginowany cylinder.
Ēz nie jest być może najdokładniejszym wskaźnikiem natężenia oświetlenia na poziomie oczu – czyli tam, gdzie chcemy, aby światło docierało. Jego uwzględnianie stanowi jednak pragmatyczne podejście, które ma wiele zalet. Zaletą numer jeden jest to, że jest to miara, którą planista oświetlenia już rozumie i stosuje, oraz że jest to wartość, o której mowa w normie EN 12464-1. Jednak jako współczynnik powinniśmy również stosować poziomy światła w pionie (Ēv), a zaletą stosowania Ēv jest to, że te poziomy światła można zweryfikować poprzez pomiar. Ēv odnosi się również do światła padającego na oko w kierunku patrzenia. Stosunek pomiędzy Ēv/ Ēz, zmierzonym lub obliczonym w płaszczyźnie aktywności znajdującej się 1,2 m nad podłogą dla osób siedzących, a natężeniem oświetlenia obszaru zadania Ēm przy 0,75 m wynosi od 1:2 do 1:3. Dlatego w większości przypadków światło na poziomie oczu jest słabsze niż światło na powierzchni roboczej.
Współczynnik zachowania
Współczynnik zachowania strumienia świetlnego (LLMF) w przypadku rozwiązań Human Centric Lighting powinien utrzymywać się na poziomie 1,0. Dzieje się tak dlatego, że instalacja oświetleniowa zwymiarowana do wartości Ēv / Ēz, wynoszących 250-300 będzie miała wystarczającą ilość światła, aby spełnić wymagania zarówno dotyczące oświetlenia do zadań wzrokowych, jak i pożądanych efektów biologicznych. Z czasem strumień świetlny będzie się zmniejszał, ale nadal będzie wystarczający do wykonywania zadań wzrokowych. Konsekwencją jest jednak to, że czas trwania okołodobowej ekspozycji na światło musi zostać wydłużony, aby uzyskać takie same efekty jak na początku. Ponieważ nie istnieją jasne wytyczne dotyczące poziomów zachowania strumienia świetlnego lub okresów jego trwania, zalecamy ustawienie LLMF na możliwie najwyższym poziomie.
Źródła
1 M. Gibbsa,b, S. Hamptona, L. Morganb, J. Arendta, 2002. Adaptation of the circadian rhythm of 6-sulphatoxymelatonin to a shift schedule of seven nights followed by seven days in offshore oil installation workers (Dostosowanie rytmu dobowego 6-sulfatoksymelatoniny do harmonogramu zmian wynoszącego siedem nocy i siedem dni u pracowników morskich instalacji naftowych).
2 Smith, Revell & Eastman, 2009; Smith and Eastman, 2009 Phase advancing the human circadian clock with blue-enriched polychromatic light (Przyspieszanie fazy ludzkiego zegara biologicznego za pomocą polichromatycznego światła wzbogaconego o niebieskie światło).
Pora i czas trwania ekspozycji
Zrozumienie wpływu odpowiedniej pory i czasu trwania ekspozycji na światło
Pora dnia ma wpływ na niewzrokowe oddziaływanie światła.
Światło o poranku jest najskuteczniejsze. Informuje nasz zegar biologiczny, że dzień się rozpoczął i należy aktywować funkcje organizmu. I odwrotnie, wieczorna ekspozycja na światło spowoduje zahamowanie produkcji melatoniny i utrudni zasypianie. Ekspozycja na światło w nocy, zanim temperatura ciała osiągnie minimum (nadir), może spowodować opóźnienie fazy dobowej, natomiast ekspozycja na nie wczesnym rankiem (po nadir) może spowodować jej przyspieszenie. Jednakże ostry wpływ na czujność nie zależy od pory dnia. Wpływ na ciągle skupioną uwagę jest znaczący tylko o poranku (1).
Załącznik B, „Dodatkowe informacje na temat wzrokowych i niewzrokowych (nietworzących obrazu) skutków światła” w normie EN12464-1 (2021) stwierdza znaczenie dziennego wzorca cykli ciemności/jasności, szczególnie w okolicach pory snu i w jego trakcie. Stwierdza również, że pewna zmiana równowagi widma światła może być pomocna w stabilizacji rytmów dobowych w różnych porach dnia.
Psychologia człowieka również odgrywa rolę w odniesieniu do czasu zmian temperatury barwowej. Preferowane ustawienia oświetlenia mogą się różnić w zależności od pory dnia. Dlatego użytkownicy powinni mieć możliwość samodzielnego dostosowania barwy światła, najlepiej wtedy, gdy ryzyko opóźnienia fazy dobowej lub jej przesunięcia jest mniejsze.
Ogólna zasada jest taka, że im dłuższy czas ekspozycji, tym większe przesunięcie fazowe (2). Ale ta zależność niekoniecznie jest liniowa. Może się zdarzyć, że ludzie będą bardziej wrażliwi na światło w pierwszej fazie ekspozycji na światło (3). Krótkie okresy ekspozycji na jasne światło mogą również powodować przesunięcia fazowe w rytmach dobowych. Jednakże natychmiastowy wpływ jasnego światła na subiektywną czujność może nie zależeć od czasu trwania ekspozycji. Zamiast tego, jeśli zamierza się osiągnąć efekt aktywacji, wymagana jest ciąga lub powtarzana ekspozycja (4).
Dlatego trudno jest określić jasne wytyczne dotyczące czasu trwania ekspozycji na światło. Należy dążyć do osiągnięcia kompromisu pomiędzy osobistymi preferencjami, pożądanym efektem przesunięcia fazowy dobowej i zużyciem energii. Wstępna hipoteza dotycząca naszych instalacji oświetlenia typu Human Centric Lighting polega na dostarczaniu późnym rankiem jasnego światła wzbogaconego w kolor niebieski, powodującego przesunięcie fazy dobowej, aby umożliwić nocnym markom wyprzedzić etap osiągnięcia minimalnej temperatury ciała. Zalecamy zapewnienie użytkownikom dostępu do światła poprawiającego czujność w ciągu dnia pracy z umiarkowanym czasem trwania ekspozycji. Można to osiągnąć poprzez połączenie zaprogramowanego cyklu oświetlenia z indywidualnym sterowaniem temperaturą barwową i poziomem przyciemniania.
Źródła
1 Smolders et al.2012 A higher illuminance induces alertness even during office hours: findings on subjective measures, task performance and heart rate measures (Wyższe natężenie oświetlenia zwiększa czujność nawet w godzinach pracy: wyniki pomiarów subiektywnych, wykonywania zadań i pomiaru tętna). Physiology & Behavior, 107, 7-16.
2 Chang et al., 2012 Human responses to bright light of different durations (Reakcje człowieka na jasne światło o różnym czasie trwania ekspozycji). Journal of Physiology, 590, 3102-3112.; Dewan et al., 2011 Light-induced changes of the circadian clock of humans: Increasing duration is more effective than increasing light intensity (Zmiany zegara biologicznego człowieka wywołane światłem: Wydłużenie czasu trwania ekspozycji jest skuteczniejsze niż zwiększenie intensywności światła). Sleep, 34, 593-599.
3 St. Hilaire et al., 2012 Human phase response curve to a 1 h pulse of bright white light (Krzywa reakcji fazowej człowieka na 1-godzinny impuls jasnego, białego światła.). Journal of Physiology, 590, 3035-3045 and Rimmer et al., 2000 Dynamic resetting of the human circadian pacemaker by intermittent bright light (Dynamiczne resetowanie ludzkiego rozrusznika dobowego przez przerywane jasne światło). American Journal of Physiology – Regulatory Integrative and Comparative Physiology, 279, 1574-1579.
4 Vandewalle et al., 2009 Light as a modulator of cognitive brain function (Światło jako modulator funkcji poznawczych mózgu). Trends in Cognitive Sciences, 13, 429-438.
Rozsył światła
Zrozumienie znaczenia prawidłowego rozsyłu światła
Rozsył światła w pomieszczeniu to połączenie właściwości opraw oświetleniowych i miejsca ich rozmieszczenia w tym pomieszczeniu.
Komórki zwojowe trzeciego fotoreceptora są najbardziej wrażliwe w obszarze na wysokości nosa i dolnej części siatkówki. Nasze oczy muszą być w stanie możliwie najskuteczniej dostrzec jasne obszary w pomieszczeniu. Ponieważ receptory wpływające na nasz rytm dobowy są szczególnie wrażliwe w dolnej części oka i na wysokości nosa, wskazane jest oświetlanie powierzchni w górnej części pola widzenia. Musimy oświetlić sufit i powierzchnie pionowe w pomieszczeniu. Światło padające pod „właściwym” kątem nie może być postrzegane jako nieprzyjemne olśnienie. Można to osiągnąć za pomocą dużych oświetlanych powierzchni na suficie w połączeniu z oprawami ściennymi lub z oprawami zwieszanymi ze światłem pośrednim.
W nowej, zmienionej normie EN 12464-1 (2021) w zaleceniach uwzględniono znaczenie jasności pomieszczeń, aby zapewnić dobre samopoczucie i czujność osób w nich przebywających. Obecnie w standardzie znajdują się minimalne wartości jasności ścian i sufitów, jak również jasności cylindrycznej. W typowym środowisku pracy w budynku edukacyjnym lub biurze minimalna jasność (wartość Ē) dla ścian powinna wynosić 150 luksów, a dla sufitów – 100 luksów. Minimalna wartość jasności cylindrycznej (Ēz) powinna wynosić 150 luksów.