BEGRIJPEN VAN TIJDELIJKE LICHT MODULATIE IN PLUIMVEEHUISVESTING
Wanneer we denken aan flikkerend licht, komen beelden naar voren van kaarsen die onrustige schaduwen werpen of de sporadische stroomstoring die onze omgeving verduistert. In de wereld van verlichtingstechnologie heeft dit fenomeen echter een andere naam: "tijdelijke lichtmodulatie" (TLM). Gedefinieerd als de fluctuatie van licht- of kleurintensiteit in de tijd, komt TLM voor in zowel onze natuurlijke omgeving als in door mensen gemaakte elektrische lichtbronnen. Deze studie onderzoekt de nuances van TLM en onthult de effecten ervan op zowel mensen als pluimvee. Hiermee belichten we een onderwerp dat wetenschap en praktische verlichting samenbrengt, en bieden we inzicht in de gevolgen van diverse verlichtingscondities.
Bronnen van flikkering
Tijdelijke lichtmodulatie (TLM) komt vaak voor in de natuur. De dagelijkse ritmes van zonsopgang en zonsondergang veroorzaken extreme veranderingen in intensiteit en spectrum, zij het op een langzaam tijdschaal. Dieren ervaren TLM vaak in de vorm van gevlekt zonlicht dat door de bladeren van bomen schijnt of zonneschittering die weerkaatst op golvend water. In een negatieve context kan TLM, zoals de schaduw van een roofvogel zoals een havik of visarend, angst en stress veroorzaken bij prooidieren. Wanneer licht wordt opgewekt door elektrische armaturen, kan de wisselende aard van de elektrische stroom en het aandrijfmechanisme leiden tot TLM. De wisselstroom (AC) wordt geleverd met een spanning van 50-60 Hz. Conventionele gloeilampen verwarmen en koelen evenredig met de spanning, waardoor licht ontstaat dat TLM vertoont bij 100-120 Hz. De opvolger van gloeilampen, compacte fluorescentielampen, worden aangedreven door een elektronische ballast die vaak op dezelfde frequenties werkt. Moderne LED-armaturen kunnen worden aangedreven op verschillende manieren, vaak met TLM op veel hogere frequenties, zoals 1.000 Hz of hoger. Dit komt meestal door het dimmen van LED's met een mechanisme genaamd "pulsbreedtemodulatie" (PWM), waarbij de "aan" en "uit" tijden worden geregeld om het dimniveau te bepalen.
Biologische waarneming van TLM
Het bestaan van TLM roept vaak de vraag op naar mogelijke gezondheidsproblemen voor mensen en pluimvee. Bij mensen is gedocumenteerd dat waarneembare TLM gezondheidsproblemen kan veroorzaken zoals oogvermoeidheid, migraine, angst, paniekaanvallen en zelfs epileptische aanvallen. Vanwege deze gezondheidsproblemen zijn er bouwvoorschriften opgesteld voor acceptabele typen TLM die veilig worden geacht voor mensen. Voor pluimveehuisvesting bestaan dergelijke normen nog niet. In plaats daarvan moeten we begrijpen hoe TLM wordt waargenomen en hoe we de effecten kunnen beperken.
De visuele waarneming van licht vindt plaats in het oog door gespecialiseerde lichtgevoelige cellen genaamd staafjes en kegeltjes. Licht wordt geabsorbeerd door een gespecialiseerd fotopigment genaamd "opsine", wat een signaaltransductiecascade triggert. Deze cascade omvat de foto-isomerisatie van het opsine-bevattende retinale molecuul, activering van een G-eiwit, metabolisme van een cyclisch GMP-molecuul door een fosfodiësterase, sluiting van ionkanalen in het fotoreceptormembraan en hyperpolarisatie van het membraanpotentiaal. Deze reeks signaleringsstappen is kinetisch beperkt; dat wil zeggen, ze kosten tijd om plaats te vinden. Opsine-fotoreceptoren worden klassiek beschreven als "metabotroop" specifiek vanwege de trage aard van het signaleringsproces waarbij organische moleculen worden gemetaboliseerd. Omdat het lichtwaarnemingsproces traag is, kunnen snelle veranderingen in licht niet door de waarnemer worden waargenomen. Moderne televisies en computermonitoren hebben bijvoorbeeld een verversingssnelheid van 120 Hz, maar mensen kunnen zulke snelle TLM niet waarnemen. In plaats daarvan nemen we snelle modulatie TLM waar als constant, ongemoduleerd licht.
De drempel van TLM-frequentie die waarneembaar is voor een waarnemer wordt de Kritieke Fusiefrequentie (CFF) genoemd. De gemiddelde kritieke fusiefrequentie voor mensen is ~83 Hz, maar er is een natuurlijke variatie in CFF's tussen individuen, en deze is ook afhankelijk van lichtintensiteit, procentuele modulatie, leeftijd van de persoon en neurologische staat. Bij vogels variëren de gerapporteerde CFF's van 75 Hz voor duiven tot 138 Hz voor vliegenvangers (Potier et al., 2020). Dit verschil vertegenwoordigt waarschijnlijk de behoefte aan snellere temporele waarneming bij soorten die snel bewegende voedselbronnen vangen. Voor pluimvee is de gerapporteerde CFF bij kippen 75-87 Hz (Jarvis et al., 2002; Lisney et al., 2011; Prescott, Wathes & Jarvis, 2003; Railton, Foster & Temple, 2009; Rubene et al., 2010). Het verschil in gevoeligheid voor TLM tussen mensen en kippen is dus vrij klein.
Net als bij mensen wordt verwacht dat TLM alleen biologische effecten kan hebben op pluimvee als het waarneembaar is. Daarom wordt over het algemeen gedacht dat TLM met frequenties aanzienlijk hoger dan de CFF (~87 Hz voor kippen) veilig is voor de waarnemer. Nieuw onderzoek onder leiding van Dr. Karen Schwean-Lardner aan de Universiteit van Saskatchewan heeft gekeken naar de effecten van 30, 90 en 250 Hz TLM op legkippen en leghennen (McPhee et al., 2024). De studie gaf aan dat het gedrag, de angst en de stress van kuikens minimaal werden beïnvloed door 30 Hz en 90 Hz TLM bij jongere kuikens, maar later in hun leven niet merkbaar waren. Bovendien werden er na het verplaatsen van de kuikens naar een niet-TLM-leghuis geen statistisch significante negatieve effecten van TLM op de legproductie of het gedrag waargenomen. Een tweede studie van dezelfde groep onderzocht de impact van flikkering op kalkoenhenen (Hammond et al., 2024). De resultaten van die studie gaven aan dat flikkering van 30 Hz, ver onder de verwachte CFF voor kalkoenen, resulteerde in inferieure groei gedurende de eerste 4 weken van de leeftijd.
Het meten van TLM
Aangezien sommige TLM waarneembaar zijn en negatieve effecten kunnen hebben op mensen of pluimvee, terwijl andere TLM onwaarneembaar zijn en mogelijk geen merkbare effecten hebben, hoe meten we TLM om te bepalen of een bepaalde TLM biologische effecten heeft? Zoals eerder vermeld, zullen frequenties hoger dan de CFF voor een bepaalde soort onwaarneembaar zijn voor de waarnemer. Frequenties lager dan de CFF kunnen echter ook onwaarneembaar zijn, afhankelijk van de modulatiediepte. Modulatiediepte verwijst naar de verschillen tussen de periodieke hoge intensiteiten versus de laagste delen. Modulatiediepte kan worden uitgedrukt als procentuele modulatie of als flikkerindex, op een schaal van 0-100% of 0-1, respectievelijk. Over het algemeen zullen hogere procentuele modulaties of hogere flikkerindexen waarschijnlijker worden waargenomen, maar alleen als de frequentie lager is dan de CFF.
Omdat waarneembare flikkering alleen voorkomt bij frequenties lager dan de CFF en met hoge flikkerindexen, is noch frequentie noch flikkerindex alleen voldoende om te bepalen of flikkering zichtbaar is. Om die reden heeft de verlichtingsindustrie een metriek aangenomen genaamd "PstLM", om kortdurende lichtmodulatie te kwantificeren. Deze metriek is gekalibreerd voor mensen en stelt eenvoudig dat een waarde boven 1 waarschijnlijk wordt waargenomen en een waarde lager dan 1 waarschijnlijk niet wordt waargenomen. PstLM houdt rekening met frequentie, procentuele modulatie en golfvorm. Omdat het echter een mensspecifieke meting is, is het niet adequaat voor pluimvee. Om aan deze behoefte te voldoen, is een vogel-specifieke metriek voorgesteld die, net als PstLM, rekening houdt met de frequentie, procentuele modulatie en golfvorm, maar is gekalibreerd op gepubliceerde gevoeligheden van vogels. Deze metriek, de Avian Flicker Visibility Metric (AFVM) genaamd, is nuttig om te bepalen of de TLM waarneembaar is door vogels (Sekulovski et al., 2021). Een AFVM groter dan 1 kan waarneembaar zijn en een waarde lager dan 1 is waarschijnlijk niet waarneembaar. Omdat sommige vogels gevoeliger zijn voor TLM dan andere, is de AFVM vrij conservatief voor pluimvee. AFVM kan worden gemeten met een voor pluimvee specifieke lichtmeter die beschikbaar is bij ONCE, of ad hoc worden bepaald door de AFVM-functie toe te passen op een beschikbare TLM-opname.
Conclusie
Tijdelijke lichtmodulatie (TLM) is een eigenschap van kunstmatige lichtbronnen die moet worden overwogen. Terwijl mensen gezondheidsproblemen ondervinden van waarneembare TLM—variërend van oogongemakken tot neurologische reacties—vertoont pluimvee, met name kippen, een subtiele gevoeligheid. De kritieke fusiefrequentie, die de drempel vertegenwoordigt waaronder TLM detecteerbaar wordt, speelt een cruciale rol. Lopend onderzoek onderzoekt het gedrag en de stressniveaus van pluimvee onder verschillende TLM-frequenties, waarbij tot nu toe weinig of geringe negatieve effecten zijn waargenomen. Metrieke zoals de avian flicker visibility metric (AFVM) en PstLM leiden ons naar gebalanceerde verlichtingsoplossingen die zowel het welzijn van mensen als pluimvee optimaliseren. Terwijl we onze wereld blijven verlichten, zorgt het begrijpen van de nuances van TLM voor verantwoord verlichtingsbeleid in diverse omgevingen.
Referenties
Hammond, A., K. Buchynski, T. Shynkaruk, T. Crowe, and K. Schwean-Lardner. “Are Turkey Hens Affected by Light Flicker? Effects on Performance and Health.” Poultry Science 103, no. 6 (June 1, 2024): 103747. https://doi.org/10.1016/j.psj.2024.103747.
Jarvis, John R, Nina R Taylor, Neville B Prescott, Ian Meeks, and Christopher M Wathes. “Measuring and Modelling the Photopic Flicker Sensitivity of the Chicken (Gallus g. Domesticus).” Vision Research 42, no. 1 (January 2002): 99–106. https://doi.org/10.1016/S0042-6989(01)00268-1.
Lisney, Thomas J., Björn Ekesten, Ragnar Tauson, Olle Håstad, and Anders Ödeen. “Using Electroretinograms to Assess Flicker Fusion Frequency in Domestic Hens Gallus Gallus Domesticus.” Vision Research 62 (June 1, 2012): 125–33. https://doi.org/10.1016/j.visres.2012.04.002.
McPhee, S., T. Shynkaruk, K. Buchynski, T. Crowe, and K. Schwean-Lardner. “How Does Visible Light Flicker Impact Laying Hen Pullet Behavior, Fear, and Stress Levels?” Poultry Science 103, no. 6 (June 1, 2024): 103713. https://doi.org/10.1016/j.psj.2024.103713.
Potier, Simon, Margaux Lieuvin, Michael Pfaff, and Almut Kelber. “How Fast Can Raptors See?” The Journal of Experimental Biology 223, no. Pt 1 (January 2, 2020): jeb209031. https://doi.org/10.1242/jeb.209031.
Prescott, N. B., C. M. Wathes, and J. Jarvis. “Light, Vision and the Welfare of Poultry.” Animal Welfare 12 (May 2003): 269–88.
Railton, Renee Caron Richards, T. Mary Foster, and William Temple. “A Comparison of Two Methods for Assessing Critical Flicker Fusion Frequency in Hens.” Behavioural Processes 80, no. 2 (February 2009): 196–200. https://doi.org/10.1016/j.beproc.2008.11.016.
Rubene, Diana, Olle Håstad, Ragnar Tauson, Helena Wall, and Anders Ödeen. “The Presence of UV Wavelengths Improves the Temporal Resolution of the Avian Visual System.” Journal of Experimental Biology 213, no. 19 (October 1, 2010): 3357–63. https://doi.org/10.1242/jeb.042424.
Sekulovski, Dragan, Malgorzata Perz, and Aaron Stephan. “AFVM-The Avian Flicker Visibility Metric.” CIE, 2021. DOI:10.25039/x48.2021.PO03