Hacker attaccate a sta c@@a de c@@o
Io c'ho i miei di backup!!!!
...ma mi sarei rimesso da capo pur di non darla vinta alla non-acquariofilia
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Topic andato perduto nel blackout del forum e ricaricato in seguito
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Light in the Reef Aquaria
By Dmitry Karpenko, Vahe Ganapetyan
tratto da Advancedacquarist.com
Volumke XI - Ottobre 2012
Link all'articolo
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La luce è una delle principali risorse per il supporto della vita sul nostro pianeta. Essendo fotosintetici, molti invertebrati marini necessitano di luce per vivere; le loro zooxantelle simbionti hanno bisogno di luce per la fotosintesi, per produrre nutrimento sufficiente sia per loro che per il loro corallo ospite.
Forse ogni acquariofilo è disposto a fornire la luce "giusta" per i suoi coralli - sia la correttezza dello spettro sia una sufficente intensità sono importanti. Prima di considerare come implementare questa "luce giusta", si deve prima cercare di capire che tipo di luce gli organismi marini ricevono nel loro ambiente naturale.
Come punto di partenza, si consideri la distribuzione spettrale di energia solare nelle isole Fiji nel mese di luglio, fig. 1:
Fig. 1 Distribuzione spettrale dell’energia della luce solare a livello del mare
L'asse orizzontale del grafico è lunghezza d'onda, in nanometri, e l'asse verticale è l’irradianza spettrale, in W/m2 • nm. L'occhio umano è sensibile alle radiazioni nel range compreso tra circa 400 e 700 nm, quindi abbiamo segnato le lunghezze d'onda sotto i 400nm (luce ultravioletta) o sopra i 700 nm (radiazione infrarossa) di colore nero, mentre le lunghezze d'onda visibili sono colorate come sono percepite dall'occhio.
Il grafico in fig. 1 è stato ottenuto come spettro solare al confine dell'atmosfera terrestre utilizzando il software di simulazione scientifica SMARTS 2.9.5. Questo simulatore tiene conto dell’assorbimento della luce da parte di vari componenti dell'atmosfera così come la luce diffusa dal cielo.
Cerchiamo ora di scoprire che tipo di spettro di luce è disponibile per gli organismi marini nel loro ambiente naturale. Nel nostro tentativo di costruire una lampada ideale per le nostre vasche di barriera cercheremo di generare una distribuzione spettrale simile a determinate profondità sottomarine.
Diverse specie di coralli vivono su varie profondità: alcuni vivono in acque molto basse, mentre i coralli di profondità, come Bathypates spp, possono essere trovati sui fondali fino a 8000 metri (circa 5 miglia).. Circa il 20% di tutte le specie di coralli sono non fotosintetici, non richiedono alcuna luce come fonte di cibo. La maggior parte dei coralli, tuttavia, sono fotosintetici, e queste sono le specie che sono tenute spesso in acquari domestici. Cercheremo di capire che tipo di luce preferiscono.
Si consideri il grafico della penetrazione della luce solare in acqua marina, a seconda della lunghezza d'onda, compilato dall'Istituto dell'ambiente e della sostenibilità della Commissione europea [4] (Fig. 2):
Fig. 2 Penetrazione della luce in acqua marina in funzione della lunghezza d’onda
L'asse orizzontale rappresenta la lunghezza d'onda della luce, in nanometri, e l'asse verticale rappresenta la profondità, in metri, a cui l'intensità di quella lunghezza d'onda è uguale all’1% della intensità sulla superficie. E’ chiaro da questo grafico che lunghezze d'onda tra circa 370 e 500 nm penetrano meglio in profondità. In altre parole, le parti viola e blu dello spettro penetrano meglio nell’acqua di mare, mentre la luce verde vanno peggio di queste, e i colori giallo-arancio sono ancora peggio, e la luce rossa con lunghezze d'onda superiori a 600 nm è solo in grado di penetrare in acque molto basse.
Lo spettro della luce sulla superficie può essere definito come una funzione Io(λ), dove λ è la lunghezza d'onda e Io è l'intensità di lunghezza d'onda corrispondente a profondità zero. Da cui l'assorbimento spettrale Ia(λ) alla profondità D può essere determinato come
Ia (λ) = Io (λ) • K (λ) • D (1)
dove K (λ) è l'assorbimento dell’acqua marina in funzione della lunghezza d'onda.
Lo spettro alla profondità D sarà uguale allo spettro sulla superficie Io(λ) meno l’assorbimento spettrale Ia(λ):
I (λ) = Io (λ) - Ia (λ),
o, sostituendo (1) in questa espressione, avremo:
I (λ) = Io (λ) • (1 - K (λ) • D) (2)
Da questa espressione si può ricavare il grafico di penetrazione della luce nell'acqua di mare d (λ):
d (λ) = (1 - I (λ) / Io (λ)) / K (λ)) (3)
Considerando che il diagramma di Fig. 2 si basa sul presupposto che l'intensità della luce nella profondità specificata è uguale a 1% dell'intensità in superficie, per esempio I (λ) = 0,01 • Io (λ), possiamo semplificare (3):
d (λ) = 0,99 / K (λ)
Questa funzione d (λ) è il nostro grafico di penetrazione della luce in acqua di mare, che è raffigurato in fig. 2. Usando questo grafico possiamo determinare la luce, dato l’assorbimento in acqua di mare come funzione della lunghezza d'onda K (λ):
K (λ) = 0,99 / d (λ) (4)
Sostituendo l'espressione (4) nella (2), si ricava la distribuzione spettrale della luce ad una data profondità D:
I (λ) = Io (λ) • (1-0,99 • D / d (λ)) (5)
dove Io (λ) è lo spettro della luce sulla superficie e d (λ) è il grafico di penetrazione della luce nell'acqua di mare (fig. 2).
Utilizzando l'espressione (5) ed i dati da grafici di fig. 1 e Fig. 2, possiamo ottenere il diagramma di distribuzione dell'energia luminosa su varie lunghezza d'onda ad una data profondità. Come esempio, sullo stesso grafico (Fig. 3) abbiamo immaginato la relativa distribuzione spettrale della luce sulla superficie e alle profondità di circa 5 m (16,4 piedi) e 15m (49 piedi).
Nota: 15m è la profondità massima alla quale possiamo ancora trovare molti coralli luce-esigenti in natura. Alle profondità sotto 20m, il numero di specie esigenti di luce diminuisce bruscamente.
Fig.3 Distribuzione spettrale della luce in funzione della lunghezza d’onda in superfice (azzurro), a 5 m (blu) e a 15 m (blu scuro) di profondità
Il grafico azzurro corrisponde all’irradiazione sulla superficie, il grafico blu alla profondità di 5m, e il blu scuro a 15m di profondità. Si noti che con la profondità, la parte rossa dello spettro scompare virtualmente.
Nel corso di centinaia di milioni di anni di evoluzione gli organismi fotosintetici marini si sono adattati per utilizzare al meglio soprattutto il viola e le parti blu dello spettro, che è più abbondante nel loro ambiente, e non sono molto sensibili allo spettro rosso (che, al contrario, è più attivamente utilizzato dalle piante terrestri).
Le zooxantelle simbiotiche in organismi fotosintetici marini sono primitive alghe Pyrrophyta [5] contenenti principalmente clorofilla A e C e pigmenti carotenoidi (peridinine, xanthins, ecc) che presentano un forte assorbimento nella zona blu-verde dello spettro. [6,7,22].
La Fig. 4 [22] mostra l’assorbimento della luce delle zooxantelle.
Fig.4 L’assorbimento della luce delle Zooxanthellae
L'asse orizzontale rappresenta la lunghezza d'onda, in nanometri, e l'asse verticale è l'assorbimento, in unità arbitrarie. Si può vedere dal grafico che il viola e il blu sono i colori che prevalgono fortemente sul rosso (notare che per lo spettro rosso, la gamma 660 - 680nm è preferibile).
La nostra principale conclusione da quanto precede è che la luce viola e blu è la più importante per gli organismi fotosintetici marini.
Conoscendo i colori spettrali che sono naturalmente a disposizione per i coralli, considereremo ora il prossimo importante problema: come cambia la colorazione dei coralli irradiati da diverse bande spettrali?
Prima di considerare l'influenza dello spettro di luce sulla colorazione dei coralli vorrei far notare che anche la colorazione dello stesso corallo può variare notevolmente a seconda delle condizioni. Purtroppo, è molto difficile fornire condizioni esattamente identiche per i coralli, anche nello stesso acquario - e questo è ancora più difficile se si parla di due vasche diverse. Senza fornire le giuste condizioni ai coralli, altri tentativi di migliorare la loro colorazione, quali gli adeguamenti dello spettro della luce, saranno vani.
Acquariofili esperti ben sanno come può essere variabile la colorazione dello stesso corallo in condizioni diverse. Ci sono tre fattori principali che ne influenzano la maggior parte: spettro della luce e l'intensità, la quantità di cibo disponibile in acqua (anche se i polipi corallini ricevono una parte significativa della loro energia dal zooxantelle, ma sono anche in grado di catturare le particelle di cibo dalla colonna d'acqua) , e dalla purezza dell'acqua. Questo ultimo fattore è più facile da controllare: le tecniche per mantenere l'acqua incontaminata in acquari di barriera sono ben noti. Il secondo fattore, inoltre, può essere risolto facilmente in quanto vi sono una serie di cibi per coralli di qualità facilmente disponibili sul mercato. Allo stesso tempo, molti acquariofili credono che, se ci sono pesci che vivono in un acquario di barriera, i coralli riceveranno cibo sufficiente dalle particelle in sospensione derivanti dal mangiare dei pesci (e anche gli escrementi dei pesci vengono mangiati dai coralli).
La luce è dunque l'ultimo importante fattore necessario per una buona salute e la colorazione dei coralli, ma tuttavia non è stata sufficientemente studiata bene in acquariofilia.
La situazione è piuttosto complessa però, dal momento che i coralli possono essere molto variabili, e anche la stessa specie può contenere diverse cromoproteine (proteine responsabili della colorazione), il loro tipo e quantità sono anche determinate geneticamente, nello stesso modo come, ad esempio, il colore degli occhi di umani. Molte di queste proteine sono fluorescenti, cioè, esse assorbono la luce di una certa lunghezza d'onda e la irradiano una lunghezza d'onda differente.
Fig. 5 mostra quattro esemplari della stessa specie, Acropora millepora, in cui prevalgono diverse cromoproteine:
Fig.5 Specie di Acropora Millepora con la prevalenza di diverse cromoproteine.
A) bassa concentrazione di cromoproteine, prevale il colore delle zooxanthellae
B) cromoproteine fluorescenti verdi
C) cromoproteine fluorescenti rosse
D) cromoproteine non-fluorescenti
Immagine: courtesy of Dr. C. D'Angelo and Dr. J. Wiedenmann, University of Southampton, UK, Coral Magazine, Nov./Dec. 2011
Le fluorescenze sono presenti non solo nei coralli duri ma, per esempio, nei Zoantidi e Palythoa che presentano una colorazione molto luminosa quando vengono irradiati con luce attinica.
La fluorescenza dei coralli è molto bella, ma non è sempre facile da osservare. Dai un'occhiata alla funzione luminosa (grafico di sensibilità spettrale) dell'occhio umano (Fig. 6). Gli elementi sensibili alla luce degli occhi sono rappresentati da due tipi di cellule - i cosiddetti coni e bastoncelli della retina. I primi sono responsabili per distinguere i colori, e i secondi - per i toni di grigio. I coni funzionano meglio durante il giorno, i bastoncelli - di notte. Ricordate il detto "tutti i gatti sono grigi nel buio." Questo è solo perché vediamo principalmente con i bastoncelli al buio, piuttosto che con i coni. I bastoncelli non fanno distinzione tra i colori: hanno senso solo la relativa luminosità di un oggetto. I bastoncelli sono più sensibili alla parte verde smeraldo dello spettro, con la lunghezza d'onda di circa 510 nm (ovviamente, quando vedete con I bastoncelli, questa luce viene percepita solo come una tonalità più brillante di grigio anziché verde.
Esistono tre tipi di cellule di coni, ognuna sensibile ad una specifica parte dello spettro. I coni di tipo S sono sensibili alla viola e blu (S sta per ‘short’: lunghezze d'onda corte), quelli di tipo M per lunghezze d'onda (medie), verde e giallo, e le tipo L - per arancione e rosso (lunghezze d'onda lunghe). Questi tre tipi di coni, (insieme con i bastoncelli, che sono sensibili nella parte verde smeraldo dello spettro) sono responsabili della visione a colori in esseri umani. I bastoncelli contengono un pigmento sensibile al colore, rodopsina, e la loro caratteristica spettrale dipende dalle condizioni di illuminazione. Per la luce debole, assorbimento massimo della rodopsina è circa 510 nm (lo spettro del cielo al crepuscolo). E quindi i bastoncelli sono responsabili per la visione crepuscolare, quando i colori sono difficili da distinguere. A livelli superiori di illuminazione le capacità fotografiche della rodopsina scolorisce, e la sua sensibilità diminuisce, mentre il picco di assorbimento si sposta nella regione blu. Come risultato, sotto luce sufficiente, l'occhio umano può utilizzare i bastoncelli come un rivelatore di luce a onde corte (blu). Le cellule S sono sensibili nell'intervallo 400 - 500nm con un massimo a 420 - 440nm; le cellule M sono sensibili nel range 460 - 630nm, con un massimo a 534 - 555nm; le cellule L sono sensibili nell'intervallo 500 - 700nm con un massimo a 564 - 580nm [1]. La sensibilità dei coni nei range a lunga e media lunghezza d'onda sono ampie e sovrapposte. Perciò è sbagliato pensare che certi tipi di coni reagiscono solo a determinati colori - reagiscono solo più attivamente per alcuni colori rispetto ad altri [2]. L'occhio umano è più sensibile nel range in cui la sensibilità dove si sommano i coni di tipo M e L: a 555nm (luce giallo-verde). La funzione di sensibilità spettrale complessiva [3] dei recettori dell'occhio umano è mostrato in fig.6
Fig.6 Funzione luminosa dell’occhio
Una conclusione importante è che la sensibilità dell'occhio umano alla luce, dipende dalla lunghezza d'onda. Ad esempio, parità di potenza irradiata si percepisce 27 volte più luminoso per la lunghezza d'onda di 555nm che per 450nm; questa differenza aumenta di 57 volte per 420 nm, e 135 volte per 410nm.
Gli esseri umani percepiscono visivamente qualsiasi oggetto come somma della sua luce riflessa ed emissione intrinseca dell'oggetto (un oggetto è considerato luminescente se la sua emissione totale ad una certa lunghezza d'onda è superiore alla energia luminosa che cade in quella stessa regione). Solitamente gli oggetti riflettono solo la luce, e il loro colore è determinato dal rapporto, in cui differenti lunghezze d'onda che cadono sulla sua superficie vengono assorbiti o riflessi. Ad esempio, il verde lascia assorbire tutte le lunghezze d'onda visibili, tranne per il verde, che si riflette - quindi lo percepiamo come verde. Quando un oggetto non solo riflette, ma emette anche luce propria, l'occhio combina lo spettro della luce emessa e riflessa nel suo colore percepito. La ‘piega’ del colore dipende dal rapporto tra le intensità e lunghezze d'onda di luce sia riflessa che emessa.
Questa somma di colori è meglio illustrata dal diagramma di fig. 7:
Fig.7 Somma dei colori
Quando guardiamo il monitor del computer, si è testimoni degli effetti illustrati da questo grafico: ogni pixel sullo schermo è costituito da tre subpixel: rosso, verde e blu, e tutti i colori sono ottenuti dalla combinazione delle loro intensità.
Notare che il puro colore viola e le sue tinte, quali magenta o fucsia, sono gli unici ad essere non-spettrali o extra-spettrali: non vi è alcuna specifica lunghezza d'onda associata a questi colori, sono miscele, e uno dei componenti necessari è violetto, con la lunghezza d'onda intorno a 400nm [13], e rosso. Se una specifica fonte di luce non ha alcuna radiazione in questa gamma, fino al 20% di tutta la tavolozza dei colori è persa - e questi sono i colori molto brillanti e le loro sfumature. È inoltre interessante notare che combinando i colori giallo e blu, il colore risultante è visivamente percepito come bianco puro.
La visione dei colori è principalmente ereditata geneticamente. Non stiamo parlando dei difetti della visione dei colori, come il daltonismo - ma ogni persona percepisce i colori in modo suo, e questa differenza può essere molto significativa. Apparentemente, è molto importante essere in grado di regolare la distribuzione spettrale della lampada, per trovare una distribuzione di colore soggettivamente adatta nella propria vasca.
Per guardare la fluorescenza del corallo bisogna irradiare le proteine fluorescenti con una luce di una lunghezza d'onda specifica. Guardate il grafico dell'assorbimento e delle lunghezze d'onda delle radiazioni per i pigmenti fluorescenti più comuni disponibili in organismi marini [9], mostrato in fig. 8:
Fig.8 Lunghezze d’onda di assorbimento e emissione per i pigmenti fluorescenti disponibili negli organismi marini. La figura è gentilmente offerta da Dan Kelley
L'asse orizzontale sono le lunghezze d'onda che causano fluorescenza in varie cromoproteine; l'asse verticale rappresenta la lunghezza d'onda emessa a seguito di fluorescenza. Si può vedere che quasi tutti i pigmenti assorbono le lunghezze d'onda più corte ed emettono lunghezze d'onda più lunghe. Come abbiamo mostrato sopra, l'occhio è più suscettibile alla gamma 550nm, e più la luce emessa è a quella lunghezza d'onda, più luminosa sarà percepita. Così, proteine specifiche disponibili negli organismi marini assorbono la luce poco visibile a lunghezze d'onda e reagiscono con un colore che sembra molto più luminoso al nostro occhio. Sotto luce puramente "attinica", che contiene solo le lunghezze d'onda più corte, il nostro acquario si illuminerà con colori vivaci, mentre la luce del dispositivo in se è quasi invisibile all'occhio. Questo dà l'impressione di lampadine miniaturizzate installate in ogni corallo o polipo, che brillano nel buio!
Il colore di un corallo, come percepito dall'occhio, dipende anche dal colore della luce che incide. Il colore di qualsiasi oggetto che vediamo rappresenta la porzione riflessa dello spettro luminoso che incide. Come abbiamo sottolineato in precedenza, quando è illuminato da una luce a spettro completo, le foglie della maggior parte delle piante terrestri assorbono quasi tutte le parti dello spettro visibile, e riflettono la parte verde - quindi noi le percepiamo come verdi. Tuttavia, se irradiamo le foglie da una luce in cui la parte verde dello spettro manca - da luce rossa, per esempio - esse sembreranno nere per noi, perché tutta la luce che incide viene assorbita. In modo simile, un oggetto è bianco sotto la luce spettrale completa, perché riflette in modo uniforme tutte le parti dello spettro, ma si colora di un colore qualsiasi a seconda della luce che gettiamo addosso: rosso, verde, blu, o la loro combinazione.
Tornando ai coralli - consideriamo un organismo contenente una proteina che, quando irradiato dalla luce 420nm, emette fluorescenza alla lunghezza d'onda 520 nm. Per ragioni di semplicità, supponiamo che la nostra sorgente luminosa irradia solo alla lunghezza d'onda di 420 nm, e il corallo assorbe questa luce completamente, senza riflessione. L'occhio umano ha una sensibilità particolarmente limitata a questa lunghezza d'onda (quasi invisibile), mentre è più sensibile alla lunghezza d'onda irradiata dal corallo come risultato di fluorescenza. Vedremo questa fluorescenza molto bene alla luce attinica pura "dark". Se la sorgente di luce comprende radiazioni a altre lunghezze d'onda, il colore risultante del corallo sarà la somma della fluorescenza e della luce riflessa. Se la sorgente di luce contiene le lunghezze d'onda a cui l'occhio è molto sensibile (soprattutto in prossimità del picco di sensibilità 550nm), vedremo soprattutto la luce del proiettore, e la percezione della fluorescenza del corallo sarà debole su questo sfondo luminoso.
La nostra conclusione è che per una migliore osservazione della fluorescenza, si deve illuminare la vasca con una luce tale, che la sua porzione non ci deve ostacolare nel vedere la luce irradiata dai coralli. Le lunghezze d'onda richieste per la fluorescenza di tutte le cromoproteine sono numerose, e non c'è un'unica lunghezza d'onda che potrebbe essere usata per fare una luce attinica ideale. Sulla base di Fig. 8, la fluorescenza è osservata in tutto il largo range di lunghezze d'onda di luce che incidono, soprattutto tra 400 e 500 nm, e organismi diversi hanno diversi set di proteine fluorescenti. Per avere la miglior fluorescenza è necessaria la capacità di regolare lo spettro di luce nella gamma da 400 a 500 nm, a seconda delle esigenze di un particolare acquario.
Notare che la fluorescenza più forte sarà osservata nel range 400 - 450nm, soprattutto perché la sensibilità dell'occhio in tale intervallo è molto bassa. La luce in questo campo è di solito chiamata "luce attinica."
Sicuramente, la fluorescenza dei coralli è uno dei fattori principali per fornire la bellezza di un acquario di barriera, ma la luce nel range 400 - 500nm ha anche un altra importanza: è la luce più ottimale per promuovere la fotosintesi marina. Pertanto questa parte dello spettro è di estrema importanza per un acquario di barriera.
Questa conclusione si abbina bene con la ricerca sperimentale in questo campo [16]. Frammenti di Acropora millepora sono stati mantenuti per sei settimane in quantità comparabili di rosso, verde e blu. La conclusione dell'articolo è che "il miglioramento della pigmentazione dei coralli dipende in primo luogo la componente blu dello spettro e regolato a livello trascrizionale" e "l’accumulazione delle proteine GFP spinta dalla luce, osservate in seguito all'esposizione della luce verde è probabilmente dovuto alla luce blu residua passante nel filtro verde ". Gli esperimenti hanno rivelato che le radiazioni nella gamma 430nm sono più efficaci nel promuovere la colorazione brillante della protezione dei coralli: «Tra le conosciute PQ e CP, solo le proprietà di assorbimento spettrale del CFP corrispondono alla banda di assorbimento maggiore della clorofilla A e C ~ 430 nm, che le rende adatte per una schermatura efficace del sistema fotosintetico delle zooxantelle."
L'intensità della luce è anche molto importante per la crescita e la produzione attiva di cromoproteine fluorescenti.
Una sorgente di luce potrebbe essere meglio caratterizzata, forse, dalla distribuzione spettrale dell'energia della radiazione ottica a lunghezze d'onda diverse. Questa caratteristica è normalmente rappresentata dalla curva spettrale. Per le sorgenti luminose comuni, tuttavia, la caratteristica spettrale solitamente non è disponibile, e invece un flusso luminoso stimato è fornito, in lumen.
Il flusso luminoso in lumen è il potere di radiazione luminosa visibile, come percepito dall'occhio umano - a seconda della sensibilità dell'occhio di diverse lunghezze d'onda. Nota: Un lumen è il flusso luminoso totale emesso uniformemente da una sorgente luminosa con intensità luminosa di una candela in un angolo solido di uno steradiante (un cono con angolo di circa 65,5 ° all'apice). La candela è l'intensità luminosa, in una data direzione, di una sorgente che emette una radiazione monocromatica di lunghezza d'onda di 555nm (cioè la lunghezza d'onda di picco della sensibilità dell'occhio umano), e la cui intensità energetica in tale direzione di 1/683 watt per steradiante.
Un Watt di potenza ottica irradiata alla lunghezza d'onda 555nm corrisponde a 683 lm. Per eventuali altre lunghezze d'onda, è uguale alla potenza ottica emessa a quella lunghezza d'onda moltiplicata per la funzione di luminosità dell'occhio per la stessa lunghezza d'onda. Per determinare i lumen totali emessi da una sorgente luminosa dobbiamo riassumere i lumen per tutte le lunghezze d'onda emesse.
E' evidente che un intensità di uguale energia della luce in varie parti dello spettro sarà percepita in modo diverso dall'occhio: una fonte potente della gamma 400 - 450nm verrà percepita come luce molto fioca, e una fonte di luce che emette nella regione infrarossa sembra nera. Pertanto la stima del flusso luminoso in lumen è valida solo quando la distribuzione spettrale della luce non è importante e l'unica cosa che conta è la luminosità, così come è percepita dall'occhio.
Nel nostro caso, un parametro più appropriato per la determinazione della radiazione luminosa sarebbe il numero di fotoni per secondo, che cade su ogni metro quadrato: micromol • photons/m2/s.
Durante le centinaia di milioni di anni di evoluzione gli organismi fotosintetici marini si sono adattati a diversi livelli di potenza di luce. Per ciascun organismo fotosintetico tre valori di soglia possono essere definiti [14]. In primo luogo (meno intensa) determina la luce minima necessaria per il mantenimento della biomassa di organismi fotosintetici - è la luce minima richiesta che non si tradurrà in guadagno o perdita di massa. Il secondo valore di soglia è relativa all’illuminazione per la quale la fotosintesi ha efficienza massima. Ed infine la terza soglia superiore, è la luce massima che può essere utilizzata e non vi è alcun miglioramento nel tasso di fotosintesi sopra tale soglia. Queste tre soglie, naturalmente, dipendono da organismi specifici, ma siamo in grado di utilizzare questa stima per gli organismi fotosintetici marini che vivono in acque poco profonde. Possiamo tranquillamente chiamare 80 - 100 mmol • photons/m2/s luce bassa, 150 - 200 - media, e 300 - 400 - ottimale. Il limite di saturazione della fotosintesi è di circa 600 - 700μmol • photons/m2/s.
Nel nostro acquario di barriera, dovremo ottenere una illuminazione significativamente migliore rispetto alla soglia minima - preferibilmente vicino alla soglia ottimale.
Consideriamo ancora un altro esperimento con l’Acropora millepora per illustrare la produzione di cromoproteine sotto meno di una illuminazione ottimale, e quando la luce è nel valore ottimale per la specie (Fig.9).
Fig.9 Un esperimento con Acropora Millepora illustra la produzione di cromoproteine insufficienti per la fotosientesi e in condizioni ottimali per questa specie.
Riguardo alla’intensità della luce, questo studio afferma anche che le cromoproteine non si formano sotto livelli di illuminazione inferiori a 100 mmol • photons/m2 • s, e il loro numero cresce quasi linearmente con l'aumento dell'intensità della luce fino a circa 700 mmol • photons/m2 • s .
Tuttavia, non è sempre una buona idea fornire la quantità di luce in acquari domestici, dal momento che un corallo può diventare molto impegnativo dati i suoi parametri ambientali in tali alti livelli di illuminazione. In condizioni non perfette tali alti livelli di illuminazione possono produrre un risultato contrario: sbiancamento dei coralli.
L'esperimento dimostra che i livelli di luce ottimali migliorano la crescita dei coralli e la colorazione, sia per cromoproteine ordinarie e fluorescenti.
Concludendo da quanto sopra, la luce nel range 400 - 500nm è la più vantaggiosa per gli organismi fotosintetici marini, e la sua porzione a onde corte (400 - 450nm) è molto utile per la loro colorazione brillante.
Consideriamo le più popolari fonti di luce attinica per un acquario di barriera. Queste sono per lo più le lampadine fluorescenti, che principalmente irradiano nel range 400 - 500nm, come la Giesemann Actinic Plus, fig. 10:
Fig.10 Un tipico neon attinico: Giesemann Actinic Plus
Analizzando la distribuzione spettrale di questo neon possiamo vedere che nella parte dello spettro attinico puro, che è richiesto per fluorescenza del corallo, ci sono anche distinti picchi "parassiti" intorno 550nm. Come abbiamo detto, l'occhio umano è 20 volte più sensibile alle lunghezze d'onda di questa gamma piuttosto che alla gamma "attinico", che provoca la fluorescenza (vedi fig. 6).
Come risultato, questa lampadina è visivamente percepita come molto brillante, quasi bianco, ma con una forte tinta blu-viola. La fluorescenza risultante sarà parzialmente "oscurata" come risultato di questa radiazione parassita nel range occhio-sensibile.
Negli ultimi anni sono stati fatti diversi tentativi per creare lampadine "attiniche" a range stretto. Uno dei migliori è Giesemann POWERCHROME actinic plus, con la porzione 450 - 500nm significativamente ridotta (Fig. 11):
Fig.11 Lo spettro della POWERCHROME Actinic Plus
Possiamo vedere che la parte "parassita" dello spettro di questa lampadina è più piccola e la gamma 420 - 430nm è meglio rappresentata. Tuttavia, anche questa lampadina, sembra ancora abbastanza luminosa per l'occhio, a causa della ancora presente picco a 550 nm. Finora, i tubi fluorescenti convenzionali non sono così efficienti per l'osservazione della fluorescenza in un acquario di barriera.
Disperato? No! Di recente, c'è stato un importante passo avanti nel campo della illuminazione a stato solido, e molti impianti di illuminazione per acquari di barriera sono ora costruiti con l'utilizzo dei LED. I vantaggi di apparecchi a LED oltre le tradizionali fonti di luce sono molti, considereremo solo i fattori principali.
Vantaggio # 1: maggiore efficienza e minore generazione di calore
La maggiore efficienza ha due componenti. La prima è che i LED sono circa due volte più efficienti di tubi fluorescenti o lampade ad alogenuri metallici a convertire l'energia elettrica in luce. Secondo è che i LED irradiano solo in una direzione del piano e quindi non sono atti a bloccare la luce propria. Utilizzando lenti appropriate, la luce del LED può essere facilmente concentrata nella regione desiderata. Lenti buone per i LED sono di dimensioni compatte e, allo stesso tempo, possono aiutare a trasferire fino al 90 percento di luce prodotta attraverso la superficie dell'acqua. Per confronto, quando si utilizzano lampade tradizionali con riflettori, di solito solo il 40% della luce penetra la superficie. Migliori riflettori (spesso ingombranti) possono produrre fino al 60% di penetrazione della luce, e la lampadina stessa blocca parzialmente la luce di ritorno dal riflettore. La risultante efficienza dei migliori apparecchi a LED può essere tre volte superiore rispetto alle migliori lampadine. Di conseguenza, i LED in grado di generare oltre 4,5 volte meno calore. Ciò significa in pratica che installando un apparecchio a LED sopra una vasca di barriera probabilmente possiamo eliminare la necessità di un costoso refrigeratore (che consuma anche energia significativa). Così, gli apparecchi a LED possono ottenere significativi risparmi di energia; e a parte l'effetto economico, il loro impatto ambientale è anche significativo)!.
Vantaggio # 2: il ciclo di vita estesa
Come sorgente di luce a stato solido, un LED non hanno parti mobili, come un filamento incandescente. Se utilizzato alla o al di sotto della corrente nominale, e non portati a surriscaldamento, i LED di alta qualità degradano molto lentamente. Ma anche i LED hanno le loro esigenze specifiche, che devono essere considerate quando si progetta una plafoniera.
La durata della vita dei migliori LED disponibili sul mercato oggi (Cree XT-E, Luxeon Rebel ES) è davvero molto alta, se sono forniti di rimozione del calore sufficiente e alimentazione corretta. Naturalmente, questi sono nuovi LED e il loro funzionamento è stato testati per decine di anni, e utilizzando modelli complessi di stima, la loro durata di vita e la caduta di luminosità in quel periodo può essere stimata. Faremo riferimento a due tipi di tali previsioni: in base al modello del Cree (che noi chiamiamo il "caso peggiore" o "modello pessimista"), che fornire cifre sulla base del modello Philips per il loro LUXEON Rebel ES (che abbiamo chiamare il "modello ottimistico"). Se sono rispettate tutte le condizioni di funzionamento richieste, otterremo ancora circa il 70% della potenza di radiazione iniziale del LED dopo 40 (150) migliaia di ore di funzionamento. Queste cifre si traducono in 10 (33) anni di funzionamento di un apparecchio di illuminazione, offrendo 12 ore di funzionamento al giorno! Dopo questo periodo il LED continuerà a perdere luminanza, raggiungendo circa il 50% del valore iniziale dopo 100 (200) migliaia di ore.
La probabilità di guasto del singolo LED su un'attrezzatura è piuttosto bassa, circa 1% nel periodo di 50 mila ore di funzionamento, e dopo questo periodo la probabilità aumenta al 50% di 200 mila ore. Diversi LED in una lampada di solito sono collegati in serie, e quindi, se un LED muore, l'intera stringa sarà spenta. Se guardiamo a queste cifre statisticamente, è probabile che per un apparecchio con circa 200 LED questo può accadere in 10 anni. Tuttavia la morte di un LED è un evento probabilistico e può accadere che un particolare LED può rompersi durante le prime ore della sua vita. In pratica, se le condizioni sono buone, la durata della vita dei moderni LED è piuttosto lunga.
In confronto, i tubi fluorescenti convenzionali devono essere sostituiti una volta ogni 4-6 mesi. Sulla base del nostro scenario peggiore, significa che dovranno essere sostituiti almeno 20 volte durante la vita di un apparecchio a LED. A condizione che il costo dei tubi specializzati per l'illuminazione reef può essere molto elevato, un apparecchio a LED in grado di fornire un notevole risparmio, ad esempio, non solo monetario, ma anche del tempo che dovrà essere speso per l'acquisto e la sostituzione delle lampadine.
Proviamo a calcolare i possibili risparmi utilizzando un apparecchio a LED. Un apparecchio a LED di 300W può sostituire un apperecchio T5 di 900W utilizzato su un acquario di barriera di un gallone di SPS. In 10 anni l'apparecchio a LED salverà ((900 - 300) / 1000) * 12 * 365 * 10 = 26280KWh di energia elettrica. Il costo dell'energia elettrica dipende da dove si vive, quanto si utilizza, e forse quando lo si utilizza e la tariffa dello stesso provider può variare da 12c a 50c per kWh [17]. Per la nostra stima si utilizzerà una media di 15c per kWh, che è un esempio ragionevole (si può scoprire quanto in realtà si sta pagando per l'energia elettrica, cercando in bolletta). Sulla base del 15c a KWH, l'apparecchio può risparmiare 3.942 dollari in energina elettrica solamente. Se prendiamo il costo medio di una T5 lampadina specializzata 80W a circa $ 25, potremo inoltre risparmiare $ 25 * 10 * 20 = $ 5000 in sostituzione delle lampadine. Il vostro risparmio totale in 10 anni sarà di circa $ 8942. Si tratta di una stima "di miglior scenario" e non abbiamo considerato molte spese aggiuntive - ad esempio, il costo di un refrigeratore per acquario per rimuovere il calore eccessivo dalla vasca, nonché i costi energetici relativi al suo funzionamento. Inoltre, ci sono valori non monetari - quali la comodità di non dover fornire la manutenzione di un apparecchio di illuminazione a 10 anni! Finora, risparmi diretti durante il periodo di funzionamento sono un bel paio di volte superiore al costo dell’anche più costoso apparecchio a LED. In altre parole, non solo lo otterrai gratis, ma ti porterà anche un po’ di profitto nella tua vita.
Vantaggio # 3: Possibilità di regolare l'illuminazione e lo spettro
Quando si usano driver dimmerabili, la luce emessa dai LED può essere facilmente regolata. Gli acquariofili spesso utilizzano i controller speciali per imitare albe e tramonti, simili alle variazioni di illuminazione naturale durante il giorno. È importante notare, tuttavia, che i tramonti e nella zona equatoriale sono molto più veloci rispetto a latitudini maggiori, e la durata del giorno è uguale alla notte (cioè vi è sempre un fotoperiodo di 12 ore). Guardate il diagramma di fig. 12 [20]:
Fig.12 La figura mostra come l’ora del giorno (A-E) cambia l’angolo di incidenza del sole. L’immagine è gentilmente concessa dall’osservatorio terrestre NASA
Il reale irraggiamento in superficie dipende da molteplici fattori, come nuvolosità, la quantità di vapore acqueo nell'aria, turbolenza atmosferica, ecc
L’assolamento misurato alla Grande Barriera Corallina in una giornata tipica è mostrato in fig. 13 [21].
Fig.13 Irradianza e elevazione del sole del 2 Settembre 1998 a One Tree Island, Grande Barriera Corallina. Immagine gentilmente concessa da A. Salih - dati non pubblicati.
Si noti inoltre che la luce è quasi completamente riflessa, quando i raggi del sole toccano la superficie dell'acqua per piccole elevazioni (alba/tramonto). La riflessione dipende anche dalla velocità del vento. Queste dipendenze sono illustrate nel diagramma di fig. 14 [21].
Fig.14 Riflettività in relazione all’irraggiamento solare. Teoretica e percentuale misurata della riflessione della luce solare su un mare piatto o increspato in relazione all’elevazione solare (basata su calcoli di Weinberg, 1976; Grichenko in Weinberg, 1976)
Questo significa che l'illuminazione naturale sotto l'acqua non è sufficiente per la fotosintesi da quando il sole sorge fino a circa 15 gradi sopra l'orizzonte. In circa 30 minuti, questa l'illuminazione aumenta rapidamente a circa la metà del valore massimo giornaliero. Il fotoperiodo quindi effettivo è di circa 9 ore. Questi sono i fattori che un acquariofilo dovrebbe prendere in considerazione se si desidera replicare cicli di luce naturali.
Consideriamo ora le caratteristiche importanti della luce, che sono necessarie per le nostre ulteriori conclusioni.
In primo luogo una caratteristica è il CCT - Temperatura di colore correlata. Il CCT di una data sorgente luminosa caratterizza la temperatura di un corpo nero che irradia uno spettro simile. Più caldo è il corpo nero, più alto sarà il CCT e più blu o "freddo" sarà la luce. A titolo di esempio, la luce solare ha una tinta gialla, mentre giganti blu - enormi stelle ad alta temperatura della superficie: 10000K e sopra (Sirius, per esempio) - sembrano bluastro, anche ad occhio nudo.
Mettiamo a confronto gli spettri di radiazione di due diversi corpi neri assoluti con diversi CCT [10]. I diagrammi indicano anche la lunghezza d'onda dominante. Fig. 15 immagini dello spettro di una sorgente di luce con 5500K CCT, e fig. 16 - con CCT 6500K:
Fig.15 Spettro di una sorgente luminosa con CCT 5500K
Fig.16 Spettro di una sorgente luminosa con CCT 6500K
Si può vedere che la lunghezza d'onda dominante aumenta con l'aumento del CCT: è uguale a 444nm per la luce relativamente calda della TDC 6500K. Per una lampadina CCT 8000K la lunghezza d'onda calcolata è di circa 420 nm. In pratica, CCT oltre 20000K è priva di senso. Tuttavia, i produttori di lampadine spesso "abbreviano" lo spettro di un particolare intervallo di particolare interesse, offrendo lampadine con lo spettro simile a quello mostrato in fig. 17:
Fig.17 Spettro della Grassy glow super blue 25000K
Anche se la lunghezza d'onda dominante di questa lampadina è circa 450nm, ha un CCT di 25000K [11]
Così, i CCT non possono essere utilizzati come criterio per il confronto di spettri di particolari fonti di luce. Inoltre, anche gli alti valori di CCT non garantiscono che otterremo lo spettro attinico richiesto.
Altra caratteristica importante è la CRI : L’indice di rendimento di colore. Purtroppo questo termine è spesso interpretato erroneamente. Esso caratterizza l'influenza della sorgente luminosa sulla percezione del colore di un oggetto. Questo parametro mostra come correttamente una sorgente di luce con una particolare CCT consegnerà il colore di un oggetto illuminato, a fronte di una fonte ideale - un corpo assolutamente nero con la stessa temperatura di colore. Per determinare la CRI, una serie di 8 campioni di colore standard è illuminato con la fonte e con la luce di un corpo di nuovo con la stessa temperatura di colore. Se nessuno dei campioni cambiano il loro colore, CRI è uguale a 100. L'indice diminuisce in proporzione inversa al numero di cambiamenti di colore nei campioni. Di solito si crede che un CRI superiore a 80 è buono. È importante sapere, tuttavia, che il CRI viene calcolato per sorgenti di luce con una particolare temperatura di colore. Non è opportuno confrontare un 82 CRI di una sorgente di luce a 2700K con una 5000K con 85 CRI.
Si noti inoltre che CCT e CRI sono definiti solo per le fonti di luce a spettro completo. La CRI di luce monocromatica è vicino a zero, e il suo CCT non può essere calcolato. Guardando fig. 15 e fig. 16 - si può vedere un ampio spettro, a partire da 120nm a 3000nm. In tutta questa gamma un
chiaro massimo è presente, e la maggior parte di energia viene irradiata in una stretta banda di lunghezze d'onda. Le radiazioni dello spettro di un corpo nero non può mai avere la forma di una banda stretta spike, simile allo spettro di una sorgente di luce monocromatica, e quindi, il calcolo dei CCT per tali fonti non ha senso.
Tutte le lampadine fluorescenti e MH hanno uno spettro discreto, mentre il sole ha uno spettro continuo. Lo spettro discreto è il risultato di utilizzare una scarica a vapori mercurio (e l'altro metallo), con diversi picchi a diverse lunghezze d'onda, per lo più nella gamma ultravioletta. I fosfori sulla lampadina convertono questa radiazione in bande strette di luce visibile. Uno spettro discreto vs continuo è mostrato in fig. 18:
Fig.18 Spettro continuo (sopra) e spettro discreto (sotto)
Le lacune - lunghezze d'onda che mancano in uno spettro discreto - significano che certe tonalità di colore non possono essere rese correttamente in tale illuminazione e, di conseguenza, la sorgente di luce avrà un indice di resa di colore bassa (CRI). Naturalmente, i produttori di lampadine cercano di evitare lacune profonde nello spettro.
Guardate gli spettri della popolare HQI: BLV HIT 10000K e 14000K BLV HIT (Fig. 19).
Fig.19 Spettro della BLV HIT 10000K (a).
Fig.19 Spettro della BLV HIT 14000K (a).
Queste lampadine non hanno lacune profonde nel loro spettro, in modo che l'intensità di una certa lunghezza d'onda scenderebbe a zero, quindi entrambi sono lampade a spettro completo e il loro CRI può essere determinato. Allo stesso tempo, esse mostrano chiari picchi discreti, il che significa che quando si utilizzano queste lampadine una precisa resa cromatica non può essere raggiunta. Si noti che i bulbi con diverso CCT: 10.000 Kelvin - 14.000 Kelvin sono usati in questo esempio. La loro differenza principale è nella porzione significativa di radiazioni a 400 - 440nm nel secondo bulbo, mentre il picco 460nm è mancante. Questo è logico e chiaro: maggiore è la temperatura di un corpo assolutamente nero, più il suo spettro si sposterebbe nella regione di lunghezza d'onda corta. Dal momento che il range 400
0nm è più importante per un acquario di barriera, ecco perché, al fine di attirare i clienti, i produttori spesso calcolano il CCT per soddisfare i loro interessi, e si può affermare con sicurezza che la radiazione massima nel range richiesto è raggiunto solo quando un CCT di circa 20000K è dichiarato.
Date un'occhiata allo spettro di una HQI 400W Hamilton con 20000K di CCT (Fig. 20):
Fig.20 Spettro di una HQI Hamilton 20000K CCT
Questa lampadina irradia una parte significativa della sua potenza nel range 400
0nm, con un picco evidente intorno 420 - 430nm. Solo una piccola porzione di potenza irradiata nella lunghezza d'onda più lunga rende la sua luce visibile, anziché scura all'occhio come un violetto-blu.
Bulbi ad elevati CCT sono spesso caratterizzati da una porzione significativa della radiazione nella gamma 420
0nm. Acquariofili di barriera esperti consigliano lampade 20000K per fornire il colore migliore per gli organismi marini. Questo consiglio, ottenuto attraverso anni di pratica, si abbina bene con le conclusioni che abbiamo derivato prima.
Naturalmente, vi è una eccezione da qualsiasi regola. Nel nostro caso, tale eccezione sono gli organismi marini, che vivono solo in acque poco profonde nel loro habitat naturale, nella zona di marea, per esempio. Si tratta di una riserva importante: ci sono specie che possono vivere sia in acque poco profonde e in profondità medie, e sono abbastanza tolleranti dello spettro luminoso. Alcune specie, tuttavia, possono vivere solo vicino alla superficie, e non possono sopravvivere anche a piccole profondità. Tali specie non si adattano bene, non solo per l'illuminazione più debole ma anche ad uno spettro differente. Alcune specie di polipi coloniali di Zoanthus sono un esempio di questo.
Consideriamo ora lo spettro irradiato dai vari LED. E’ mostrato lo spettro di un LED bianco con CCT intorno 7000K in fig. 21.
Fig.21 Spettro di un LED bianco 7000K
Questo spettro non è discreto, ma ha un abbassamento significativo nella gamma 470 - 500nm. Questo divario può essere facilmente compensato aggiungendo un LED blu alla configurazione. Date un'occhiata alla distribuzione spettrale di potenza per LED di diverso colore di serie Philips Luxeon Rebel ES (Fig. 22).
Fig.22 Distribuzione di potenza spettrale dei LED color Philips LUXEON Rebel ES
La radiazione del LED blu è più adatta a compensare la richiesta nel range 470
0nm. Anche una migliore corrispondenza potrebbe essere realizzata utilizzando un LED con un picco di 475nm - fortunatamente, tali LED esistono!
Per spiegare meglio questo, consideriamo il termine BIN, che i produttori utilizzano per caratterizzare i loro LED. Un BIN è un gruppo di LED che sono stati selezionati secondo un certo parametro. Ci sono BIN di efficienza, CCT e CRI BIN, e la lunghezza d'onda dominante (DWL) BIN sono disponibili per LED monocromatici (colore unico).
I BIN DWL per LED a colori LUXEON Rebel blu sono riportati nella tabella 1.
Tab.1 Distribuzione secondo le lunghezze d’onda dei BIN dei LUXEON LED
Con l’aggiunta di un LED con il codice bin DWL 4, siamo in grado di appiattire la curva spettrale del LED bianco nella gamma di lunghezze d'onda 430 a 600nm.
Siamo ora all’effettiva realizzazione di apparecchi a LED per l'acquario di barriera.
Utilizzare solo due tipi di LED (bianco e blu) non è sufficiente, perché un tale apparecchio potrebbe dare una quantità significativa di luce nella gamma 400
0nm - molto minore di quella che si misura nel mare, alla profondità di pochi metri. Il campo spettrale a 450 nm può essere facilmente aumentato utilizzando un LED Royal Blu con un picco corrispondente. A parte questo, lo spettro del LED bianco diminuisce rapidamente nel range rosso scuro, intorno a 650
0nm. Secondo il modello mostrato in fig. 4, è richiesta anche questa parte dello spettro dagli organismi fotosintetici in acque poco profonde e l'aggiunta di questo intervallo può essere utile, ma è anche uno strumento per enfatizzare il colore rosso in un acquario di barriera.
Quindi, che tipo di spettro dobbiamo raggiungere come risultato?
Risposta: Qualcosa di molto vicino allo spettro delle migliori plafoniere LED che sono disponibili in commercio oggi. A titolo di esempio, fig. 23 mostra lo spettro della Ecotechmarine Radion, vincitrice della ReefBuilders LED showdown 2011 [18].
Fig.23 Spettro della plafoniera LED Ecotechmarine Radion
Modalità lineare
