Světlo jako biologická substance aneb co HCL, které mění jen barevný tón osvětlení (CCT), neumí

V posledních letech se v souvislosti s osvětlením dostal do povědomí architektů, designérů, výrobců svítidel i zákazníků pojem „human centric lighting“. Human centric lighting (HCL) nebo také „integrative lighting“ je dle definice ISO/CIE princip osvětlení, který zohledňuje nejen vizuální, ale i nevizuální účinky světla na člověka a pozitivně ovlivňuje jeho fyziologické i duševní potřeby. Byl navržen proto, aby napodobil přirozené denní světlo, které v průběhu dne a večera mění svou intenzitu, spektrální složení a náhradní teplotu chromatičnosti (CCT). Bohužel se HCL v nemalé míře spojuje s LED svítidly, která mění během dne pouze své zabarvení (CCT), a s žárovkami typu „tunable white“. V tomto článku se však dočtete, proč CCT není v souvislosti s biologickými účinky světla jediným parametrem, na který bychom se při návrhu osvětlení interiéru měli soustředit.

Co je klíčové při návrhu osvětlení interiéru

Při návrhu osvětlení je důležité se po vzoru přírody zaměřit na čtyři základní parametry světla: a) načasování a dobu trvání světelné expozice, b) spektrální rozložení výkonu daného světelného zdroje (SPD, spectral power distribution) – pro zjednodušení dále spektrální průběh či složení, c) intenzitu světla v radiometrických a fotometrických jednotkách (osvětlenost, ozářenost, světelný tok…) a d) prostorové rozložení v místnosti (viz obr. 1). Manipulací těmito parametry lze ovlivnit nejen vizuální účinky – zrakové vnímání, vizuální zážitek a komfort a subjektivní pocit ze světla –, ale i nevizuální (NIF, non-image forming) účinky zraku, které se s rostoucím množstvím vědeckých publikací stávají klíčovými ve vazbě na zdraví, resp. na cirkadiánní rytmus, neuroendokrinní odpovědi (hormonální odpověď regulovaná centrální nervovou soustavou) a lidské chování (bdělost, kognitivní výkonnost, vitalita, náladu…). Vizuální účinky zprostředkovávají primárně tyčinky a čípky, zatímco NIF účinky jsou zprostředkovány vnitřně senzitivními gangliovými buňkami sítnice (ipRGCs). Zmíněné čtyři proměnné však nepřispívají k NIF účinkům stejně, a proto některé z nich nejsou zdaleka tak dobrými ukazateli tzv. biologické účinnosti světla.

Obr. 1: Čtyři nejdůležitější parametry, které by se měly vzít v potaz při návrhu osvětlení interiéru: a) načasování a doba trvání světelné expozice, b) spektrální rozložení výkonu (SPD) světelného zdroje, c) intenzita světla, d) prostorové rozložení světla. Informace na obrázku byly přejaty ze studie (2)

Biologická účinnost světla – NIF

Pro kvantifikaci biologické účinnosti světla se v současné době nejčastěji využívají následující dva přístupy. Prvním je metoda CIE S026, založená na spektrální odezvě fotopigmentů v tyčinkách, čípcích, a ipRGCs. Byla proto zavedena veličina α-opic equivalent daylight illuminance (EDI), nicméně pro biologickou účinnost je zásadní odezva od ipRGCs, a tedy hlavně veličina melanopic equivalent daylight illuminance (mel-EDI) a případně equivalent melanopic lux (EML); tyto veličiny jsou odvozeny od melanopic daylight efficacy ratio (mel-DER). Tento přístup je v současné době jediným mezinárodně schváleným standardem pro charakterizaci biologických účinků světla. Je sice konzistentní pro výpočet odezvy fotoreceptorů na světelný signál, ale už nezohledňuje, co se s přeneseným signálem děje na úrovni od sítnice dále. Pokud se například zvýší mel-EDI o 50 %, nemůžeme s jistotou říct, zda se o 50 % skutečně sníží i exprese melatoninu apod. Biologické odpovědi organismu na světlo mají totiž tendenci mít sigmoidní závislost vyjádřenou v loglineárním diagramu, viz obr. 2. Druhý přístup se zabývá potlačením syntézy melatoninu v noci za využití metriky cirkadiánního stimulu (CS, circadian stimulus). Potlačení melatoninu však nemusí dostatečně dobře predikovat změny dalších nevizuálních účinků světla (zvýšení bdělosti, fázový posun cirkadiánního rytmu apod.). Ani jeden z těchto přístupů tedy není úplně dokonalý a do budoucna bude zapotřebí nalézt takový způsob kvantifikace, který bude odrážet všechny nevizuální účinky světla.

Obr. 2: Sigmoidní závislost biologické odpovědi na míře světla. Na vodorovné ose je množství světla v libovolných jednotkách v logaritmickém měřítku, např. ozářenost (W), osvětlenost (lux), mel-EDI (lux) nebo dávka (J/m2). Svislá osa představuje biologickou odpověď na světlo škálovanou lineárně: potlačení syntézy melatoninu, fázový posun, subjektivní ospalost atd. Při velmi nízkém a velmi vysokém množství světla (např. dávce) je pouze nepatrně malý rozdíl v biologické odpovědi, světelný podnět je buď pod prahovou hodnotou, nebo naopak vysoko v blízkosti nasycení, tzv. saturace. Diagram byl převzat ze studie (2).

Lidé, kteří tráví většinu času v interiéru, mají obecně snížený kontrast mezi vnímáním dne a noci, a to z důvodu snížené osvětlenosti přes den a zvýšené osvětlenosti v noci oproti našim předkům a lidem trávícím většinu času venku na denním světle. Cílem HCL by tedy mělo být vytvoření takového prostředí, kde bude zachován kontrast mezi dnem a nocí. Dále je však klíčové samotné světelné spektrum (SPD).

Human centric lighting (tunable white) a jeho výzvy

Díky revolučním poznatkům chronobiologie se nacházíme v nové éře HCL. Doposud docházelo pouze ke změnám náhradní teploty chromatičnosti (CCT) a případně intenzity osvětlení v aktivní části dne. Náhradní teplota chromatičnosti (CCT) je snadno dostupnou informací, kterou lze najít ve specifikacích výrobku, popisuje, jak vnímáme barevný tón světla, a měla by se uplatňovat pouze na světelné zdroje, které jsou formálně bílé. Světlo o vyšší CCT obvykle vnímáme jako studenější světlo, zatímco světlo s nižší CCT vnímáme jako světlo teplejší. CCT nám však nic neříká o tom, jak vypadá SPD daného světelného zdroje. Jedná se o jednodimenzionální redukci SPD, která sama o sobě nedokáže spolehlivě předpovědět biologickou účinnost a zdravotní dopady světla na člověka. Mnoho vědeckých studií (5–8) porovnávalo účinky světla o různých CCT na kognitivní výkonnost, subjektivní spokojenost, náladu i ospalost pracovníků v kancelářích či studentů ve školách, přestože světelné zdroje postrádaly vyzařování v melanopické azurové oblasti vlnových délek. Systematické review (9) navíc shrnuje několik dalších studií, jejichž výsledky jsou různorodé a postrádají na konzistentnosti. Problémem totiž je, že svítidla s různým spektrálním složením mohou mít totožnou CCT na základě její definice, jak lze vidět na diagramu chromatičnosti (kolorimetrický trojúhelník) na obr. 3. To může být důvodem, proč nejsou výsledky studií konzistentní. Uvádění SPD, případně CCT v kombinaci s D_uv, je řešením, jak docílit replikovatelnosti studií a metaanalýz s přenosem závěrů do praxe. D_uv je vzdálenost souřadnic chromatičnosti daného zdroje od nejbližšího bodu na čáře teplotních zářičů, viz obr. 3.

Obr. 3: Výřez z diagramu chromatičnosti CIE 1976 (u‘,v‘). Přímky znázorňují konstantní hodnoty CCT. Čára teplotních zářičů (Planckian locus), červená křivka, představuje souřadnice chromatičnosti záření černého tělesa při různých teplotách. D_uv je vzdálenost souřadnic chromatičnosti daného světelného zdroje od nejbližšího bodu na čáře teplotních zářičů. Obrázek byl převzat ze studie (4).

Závěrem je, že náhradní teplota chromatičnosti (CCT) je měřítkem vizuálního vnímání barevnosti světla a měla by ihned vyvolat pochybnosti, jestli ji lze vztáhnout k nevizuálním účinkům. Naopak svítidlo s optimálně navrženým spektrálním průběhem v kombinaci s vhodnou hodnotou osvětlenosti ve správný čas je v rámci vyhodnocení biologické účinnosti stěžejní. Přes den organismus (kromě nočních tvorů) potřebuje jasně bílé světlo s vyrovnaným spektrálním průběhem včetně krátkých azurových vlnových délek (ideálně takových, které odpovídají absorpčnímu ≈ akčnímu spektru melanopsinu, s maximem kolem 480 nm). Takové světlo poskytuje pro lidský organismus potřebný biologický signál oproti tlumenému světlu nebo světlu s propadem v melanopické oblasti užívané ve stejný čas. Světlo slunce a LED světelné zdroje mohou mít sice stejnou hodnotu CCT, ale zcela jiný SPD (viz obr. 4), a tím zcela odlišné dopady na organismus. Rozdíly jsou patrné především v azurové a červené oblasti spektra. Osvětlení, které má podporovat nevizuální účinky zraku na místech, kde lidé mají být aktivní, ať už budou podávat kognitivní, nebo fyzický výkon (tj. kde nerelaxují a nespí), může být v případě správně nastavených parametrů na denní optimum přirozeného slunečního světla (osvětlenost, CCT a především SPD) statické beze změny spektrálního složení a intenzity v průběhu dne.

Obr. 4: HCL založený na světelných zdrojích typu tunable white a porovnání spektrálního průběhu slunce a LED světelných zdrojů o CCT: a) 2700 K (vlevo), b) 6500 K (vpravo).

Plnospektrální zdroje kopírují přirozené sluneční světlo a jsou v rámci nového pojetí HCL ideálním řešením pro interiérové osvětlení při denních činnostech, aby se zachovalo lidské zdraví a podpořila pracovní vitalita a naladění uživatelů. A to především proto, že všechny účinky světla na živé organismy zatím nebyly prozkoumány a jakékoli odchylky umělého osvětlení ve srovnání s přirozeným světlem v interiéru nejsou pro dlouhodobý pobyt uživatelů žádoucí pro zamezení případných doposud nepoznaných nebo detailněji neprozkoumaných negativních dopadů. Mimo jiné to skýtá také výrazný potenciál pro zlepšení činností a z toho plynoucích výsledků organizací.

Mgr. Tereza Ulrichová, Spectrasol

Studie, ze kterých článek vychází:

1. K. Houser a T. Esposito, „Human-Centric Lighting: Foundational Considerations and a Five-Step Design Process“, Frontiers in Neurology, roč. 12, s. 630553, led. 2021, doi: 10.3389/fneur.2021.630553.
2. K. Houser, P. Boyce, J. Zeitzer, a M. Herf, „Human-centric lighting: Myth, magic or metaphor?“, Lighting Research & Technology, roč. 53, č. 2, s. 97–118, dub. 2021, doi: 10.1177/1477153520958448.
3. T. Esposito a K. Houser, „Correlated color temperature is not a suitable proxy for the biological potency of light“, Sci Rep, roč. 12, č. 1, s. 20223, lis. 2022, doi: 10.1038/s41598-022-21755-7.
4. D. Durmus, „Correlated color temperature: Use and limitations“, Lighting Research & Technology, roč. 54, č. 4, s. 363–375, čer. 2022, doi: 10.1177/14771535211034330.
5. R. Lasauskaite a C. Cajochen, „Influence of lighting color temperature on effort-related cardiac response“, Biological Psychology, roč. 132, s. 64–70, úno. 2018, doi: 10.1016/j.biopsycho.2017.11.005.
6. Y. Yuan, G. Li, H. Ren, a W. Chen, „Effect of Light on Cognitive Function During a Stroop Task Using Functional Near-Infrared Spectroscopy“, Phenomics, roč. 1, č. 2, s. 54–61, dub. 2021, doi: 10.1007/s43657-021-00010-5.
7. W. Luo, R. Kramer, M. Kompier, K. Smolders, Y. de Kort, a W. van Marken Lichtenbelt, „Effects of correlated color temperature of light on thermal comfort, thermophysiology and cognitive performance“, Building and Environment, roč. 231, s. 109944, bře. 2023, doi: 10.1016/j.buildenv.2022.109944.
8. R. Lasauskaite, M. Richter, a C. Cajochen, „Lighting color temperature impacts effort-related cardiovascular response to an auditory short-term memory task“, Journal of Environmental Psychology, roč. 87, s. 101976, kvě. 2023, doi: 10.1016/j.jenvp.2023.101976.
9. C. Wang et al., „How indoor environmental quality affects occupants’ cognitive functions: A systematic review“, Building and Environment, roč. 193, s. 107647, dub. 2021, doi: 10.1016/j.buildenv.2021.107647.