Підводне світлове поле та його порівняння з металогалогенним освітленням

Протягом останніх кількох років тестування металогалогенних ламп, що використовуються в хобі, і спроб охарактеризувати світло над акваріумами, одне питання, яке часто виникало у мене в голові, було таким: “Як світло над нашими акваріумами порівнюється зі світлом на природному рифі?”. У цій статті представлені деякі дані про підводне світлове поле на рифі та порівняння його з штучним світловим полем над нашими рифовими акваріумами, а також обговорення інших особливостей природного освітлення, які часто не імітуються в наших акваріумах.

Поверхневе світлове поле

Перш ніж розпочати розмову про підводне світлове поле, давайте спочатку коротко розглянемо світлове поле на поверхні води, а також варіації, які зазвичай спостерігаються. Типова щільність фотосинтетичного потоку фотонів (PPFD) на рівні моря на коралових рифах в ясний сонячний день була виміряна на пікових рівнях 1600-2300 О¼ Ейнштейна/м 2 /с (Maritorena et al., 2002 . Типові варіації є результатом декількох факторів, таких як

Рисунок 1: Спектральна освітленість на поверхні води

• добові коливання від сходу до заходу сонця та зміна висоти сонячного шляху по небу
• атмосферні фактори, такі як розсіювання молекулами повітря і частинками пилу, поглинання водяною парою і газами в атмосфері
• рівень хмарності
• сезонна варіація (зміна між літом і зимою). Добова варіація вища для більш високих широт.

На рисунку 1 показано спектральний вихід падаючого сонячного світла над полінезійським рифом в діапазоні довжин хвиль 400-700 нм, видимий діапазон і діапазон, який використовується для розрахунку PAR або щільності фотосинтетичного потоку фотонів (дані надані С. Марітореною). Падіння ППФП близько полудня в сонячні дні зазвичай становило близько 2300 мкмоль/м2 /с (500 Вт/м2 ) влітку і близько 1600 мкмоль/м2 /с (340 Вт/м2 ) взимку. Тривалість дня коливалася в межах 11-13 годин, при цьому добова падаюча енергія в діапазоні PAR при ясному небі збільшувалася від 8,15 до 13,5 МДж/м2 між зимою та літом.

Передача через поверхню розділу повітря-вода

Поверхневе випромінювання на рівні моря потрапляє у воду на межі розділу повітря-вода. Частина його відбивається назад (залежно від кута падіння та показника заломлення води). Рівняння Френеля визначає кількість відбитого світла як функцію кута падіння та показника заломлення. Кут падіння світла змінюється протягом дня в міру того, як сонце рухається по небу. Крім того, відбуваються сезонні зміни через рух сонця між двома тропіками. Кут падіння сонця впливає на екологію рифів – деякі рифові організми можуть перебувати в затіненні протягом певної частини дня, а в інші частини дня – в яскравому світлі. Цей ефект більш виражений на мілководді. На більших глибинах напрямок світла стає менш чутливим до положення сонця і зміщується до вертикалі зі збільшенням глибини, а також більш розсіяним з глибиною. Таким чином, напрямок світла, що досягає глибинних коралів, відносно не залежить від зміни положення сонця. Однак інтенсивність світла може змінюватися через співвідношення між кутом падіння і заломлення.

де r = коефіцієнт відбиття

θ_a = кут падіння в повітрі

θ_w = кут променя, що проходить, визначається за законом заломлення Снелла, і задається формулою О¸_w = θ_a / показник заломлення морської води

З цього рівняння видно, що коефіцієнт відбиття залишається низьким близько 2-3,3% для зенітних кутів в діапазоні 0-60 градусів, і швидко зростає після нього (див. рис. 2). Зенітний кут – це кут між верхньою точкою для спостерігача і таким об’єктом, як Сонце. Сонячний зенітний кут дорівнює нулю, якщо сонце знаходиться прямо над головою, і становить 90 градусів, коли сонце знаходиться на горизонті. Таким чином, протягом більшої частини дня дуже мало світла втрачається через відбиття на межі повітря-вода, якщо море відносно плоске.

Насправді поверхня води не є рівною, вона зазвичай шорстка під дією вітру. Однак це дуже мало впливає на відбиття сонячного світла при високій висоті сонця. При меншій висоті сонця (сонце на горизонті) кількість фотонів, відбитих від поверхні, швидко зростає під кутами більше 60 градусів (вимірюється від вертикалі), шорстка поверхня, викликана хвилями, може знизити такий ефект.

Рисунок 2: Відбиття світла від плоскої водної поверхні

Поверхневі хвилі також впливають на інтенсивність світла. Хвилі можуть діяти як лінзи і фокусувати світло, створюючи “лінії блиску”. Ці лінії блиску виглядають як спалахи світла високої інтенсивності та короткої тривалості, і було виміряно, що вони мають вдвічі більшу інтенсивність, ніж світло, що падає на поверхню води (Falkowski et al., 1990). Ці лінії блиску виникають лише під прямим сонячним світлом і не виникають, коли світло розсіяне (наприклад, коли хмара затуляє сонце). Невідомо, чи є це миготливе світло корисним для коралів чи ні, але деякі дослідники виявили, що воно підвищує ефективність фотосинтезу у деяких одноклітинних водоростей (Falkowski et al., 1990). У рифових акваріумах ці лінії блиску можуть бути створені за допомогою точкових джерел світла (наприклад, металогалогенних ламп) та поверхневого перемішування води. Люмінесцентне освітлення є більш розсіяним і не створює таких ефектів. В акваріумі світло має тенденцію спрямовуватися вниз завдяки використанню рефлекторів, а отже, кут падіння зазвичай низький. Таким чином, ми можемо очікувати, що втрати через відбиття від поверхні води будуть досить низькими, близько 2-5%.

Підводне світлове поле в природі

Після того, як фотони світла пройшли весь шлях від сонця і через поверхню повітря-вода на коралових рифах, давайте подивимося, що відбувається з ними, коли вони потрапляють у воду. Світло, що рухається від верхньої частини водної поверхні до нижньої, називається низхідним світлом. Частина низхідного світла поглинається, а частина розсіюється розчиненими та твердими частинками у воді та самими молекулами води. Каламутність – це термін, який використовується для опису кількості твердих частинок. Чим вища каламутність, тим більше світла поглинається і розсіюється. Поглинання і розсіювання призводять до зменшення кількості світла, що падає вниз, зі збільшенням глибини (Kirk, 1994). Як тільки фотони потрапляють у воду, більшість фотографій в кінцевому підсумку поглинається – або світлопоглинаючими молекулами води, або оптично активними розчиненими речовинами, або твердими частинками, і, зрештою, процесом фотосинтезу, який відбувається в коралах і зваженому фітопланктоні у товщі води.

Крім того, розсіювання також створює деяку кількість висхідного світла (зворотне розсіювання світла). Частина цього висхідного світла виходить з води назад у повітря і є причиною кольору океану. На коралових рифах висхідне випромінювання також збільшується за рахунок відбиття від “білого” субстрату карбонату кальцію, що знаходиться на дні рифу. Насправді, на коралових рифах це висхідне випромінювання може становити значну частину загального випромінювання (Dustan 1982). Це висхідне світло відіграє вирішальну роль у забезпеченні росту коралів на нижньому поверсі рифів. Таким чином, додавання білого субстрату з карбонату кальцію в рифовий акваріум також допомагає збільшити висхідне випромінювання, одночасно збільшуючи біорізноманіття. Замість того, щоб покривати весь пісок живим камінням, гарною стратегією було б забезпечити великі відкриті піщані ділянки для збільшення висхідного опромінення.

Природні води мають те, що часто називають вродженими і явними оптичними властивостями. Власні оптичні властивості (ВОП) є функцією води та оптично активних речовин у ній і не залежать від геометричної структури світлових полів. ВГД зазвичай визначалися в лабораторії, але зараз регулярно вимірюються і в польових умовах і включають в себе наступне (всі одиниці виміру – м-1 ):

• коефіцієнт поглинання (a) – частка поглинутого падаючого потоку, поділена на товщину нескінченно тонкого шару середовища
• коефіцієнт розсіювання (b) – частка розсіяного падаючого потоку, поділена на товщину нескінченно тонкого шару середовища
• коефіцієнт ослаблення пучка (c) – частка поглинутого і розсіяного падаючого потоку, поділена на товщину нескінченно тонкого шару. Коефіцієнт ослаблення променя є сумою коефіцієнтів поглинання і розсіювання:

Видимі оптичні властивості (ОВ) визначаються на основі вимірювань полів природного освітлення у водному об’єкті. Вони залежать від геометрії світлових полів і пов’язані з поглинанням і розсіюванням. Найбільш поширеною з цих властивостей є коефіцієнт дифузного ослаблення для низхідного випромінювання (K_d). Освітленість на даній глибині (E_Z) є функцією освітленості на поверхні (E0), коефіцієнта дифузного ослаблення та інтервалу глибини (Z) згідно з наступною залежністю, де e – основа натурального логарифма:

Звідси видно, що коли світло проникає у воду, його інтенсивність експоненціально зменшується зі збільшенням глибини. Таким чином, коефіцієнт дифузного ослаблення можна оцінити, провівши вимірювання на різних глибинах і використовуючи наведену вище формулу для обчислення K_d. Одиницями для K_d є м-1 .

Подібно до коефіцієнтів поглинання і розсіювання, коефіцієнт дифузного загасання не залежить від довжини хвилі і фактично є різним для різних довжин хвиль. Ми можемо обчислити цю величину K_dО” для різних довжин хвиль, якщо ми знаємо спектральну криву на різних глибинах. Ця спектральна крива зазвичай отримується за допомогою підводного спектрорадіометра.

Рисунок 3: Коефіцієнт дифузної уваги для різних вод

Використовуючи дані з океану поблизу високого острова у Французькій Полінезії, лагуни високого острова (Муреа) та лагуни атолу (Такапото), коефіцієнт дифузного послаблення для цих 3 вод показаний на рисунку 3 (Maritorena, 1996). Як видно з цього графіка, ці 3 води мають дещо відмінні значення K_d на різних довжинах хвиль. Більш високі значення K_d означають, що проникнення світла в цю воду буде меншим.

Коли світло проходить через товщу води, воно послаблюється в геометричній прогресії, і це послаблення не є рівномірним для всіх довжин хвиль. Таким чином, вода діє як “фільтр”, зменшуючи спектр світла, що проникає крізь неї. Зі збільшенням глибини діапазон хвиль світла, що проникає, звужується. Більш короткі довжини хвиль (червоні і жовті) поглинаються першими, а синє світло проникає найглибше.

Використовуючи ці коефіцієнти дифузного ослаблення (отримані з вимірювань спектральної освітленості на різних глибинах у воді), і використовуючи той факт, що ослаблення у воді зменшується експоненціально по відношенню до глибини (дається рівнянням, обговорюваним раніше), ми можемо побудувати спектральну криву для підводного світлового поля на різних глибинах. На рис. 4 показано спектральний розподіл світла під водою з використанням значень K_d для прозорої океанської води влітку. Значення PPFD, що відповідають цим спектральним ділянкам в залежності від глибини, наведені в таблиці нижче.

Рисунок 4: Спектральний розподіл світла під водою на різних глибинах

1m	5m	10m	15m	20m
PPFD	1640	958	618	436	316

Світлове поле акваріума

У попередніх статтях, присвячених спектральному аналізу ламп МГ і розподілу світла за рахунок відбивачів, були наведені дані про спектральні характеристики і PAR існуючого світлового поля над акваріумом. Взявши 3 популярні лампи, які є представниками 3 основних класів спектральних розподілів, доступних акваріумісту: Iwasaki 400W 6500K і Ushio 400W 10000K і Radium 400W 20000K, ми можемо тепер зробити порівняння цих металогалогенних ламп з природним світловим полем під водою. Маючи на увазі, що зміна інтенсивності лампи лише масштабує спектральний розподіл, ми можемо створити спектральні графіки PPFD, що дорівнюють природним водам на різних глибинах, масштабуючи спектральні графіки цих ламп.

Рисунок 5: Порівняння 400 Вт 6500К Івасакі зі спектральним розподілом на різних глибинах

На рисунках 5,6 і 7 показано, як спектри 3 металогалогенних ламп порівнюються з природними водами, для яких надані дані. Як видно з рисунку 5, лампа Івасакі 6500К забезпечує дуже хороше наближення спектру під водою на глибині 1 м. На інших глибинах спектральне випромінювання на довжинах хвиль менше 550 нм менше, ніж у природної води, і вище, ніж у природної води на довжинах хвиль більше 550 нм. Для лампи Ushio потужністю 400 Вт видно, що на деяких довжинах хвиль інтенсивність випромінювання значно перевищує інтенсивність природного світла, в деяких випадках в 4-5 разів, що спостерігається в природі. Радій показує майже в 8-12 разів більше випромінювання на довжині хвилі 454 нм, ніж те, що спостерігається в природі. Очевидно, що крім Іваського, який забезпечує хорошу спектральну відповідність підводному світловому полю на глибині 1 м, існує велика розбіжність у спектральному розподілі світла в акваріумах у порівнянні з природним світловим полем.

Цікавим є питання: “Який вплив ця спектральна розбіжність має на корали?”. Я не маю точних відповідей, але можу висловити припущення. Корали дуже пристосовані до вловлювання світла, і цілком ймовірно, що вони регулюють пігменти, які збирають світло, щоб пристосуватися до доступного світлового спектру. Це, можливо, пояснює, чому дикі корали змінюють колір в наших акваріумах, або навіть чому колір коралів змінюється при вирощуванні під різними джерелами світла.

Рисунок 6: Порівняння 400 Вт 10,000K Ushio зі спектральним розподілом на різних глибинах

Вплив води на світлове поле

Більшість SPS та інших коралів у наших рифах зустрічаються у водах глибиною менше 15-20 метрів, але наші рифові акваріуми зазвичай мають глибину лише від 24 до 30 дюймів. На такій глибині води кількість світла, що втрачається на поглинання водою, досить мала. Використовуючи коефіцієнти розсіювання для океанських вод, представлені вище, кількість світла з довжиною хвилі 700 нм, що поглинається 2 футами води, становить 33% світла безпосередньо під поверхнею. Для світла з довжиною хвилі 400 нм це лише 4%. Отже, ми не можемо покладатися на те, що вода створить велику різницю в спектральному розподілі світла в акваріумі, і повинні покладатися на лампи, щоб забезпечити “правильний” спектральний розподіл. Крім того, в наших акваріумах основною причиною падіння освітленості є “закон зворотної квадратури”. Це падіння через відстань від джерела світла набагато вище, ніж поглинання у воді.

Рисунок 7: Порівняння спектрального розподілу випромінювання радію 400 Вт 20 000 К на різних глибинах

На рисунку 8 показано ослаблення світла на глибині, що дорівнює 2 футам акваріумної води, припускаючи значення K_d для океанічної води.

Припускаючи ті ж самі значення K_d можна визначити зміну спектру металогалогенної лампи від поверхні води до глибини 2 фути під водою. На рисунку 9 показано зміну спектру лампи Івасакі 6500К тільки під впливом води. У наших рифових акваріумах ця втрата досить мала в порівнянні з втратою інтенсивності через відстань від лампи і рефлектора. Для лампи Івасакі на відстані 6 дюймів від поверхні води втрати через 2 фути води становлять близько 14%, тоді як втрати через зміну відстані від джерела (від 6 дюймів до 30 дюймів) становлять близько 70-90%, виходячи з оберненого квадратичного закону світла і в залежності від використовуваного відбивача. На практиці ці втрати будуть нижчими через адитивний ефект від декількох джерел світла, але все одно будуть домінувати над втратами світла в порівнянні з втратами через загасання у воді, якщо припустити, що вода прозора, як в океані.

Інші порівняння природного світла зі світлом в акваріумі

На кількість світла і спектру, що поглинається в акваріумі, часто впливають жовтіючі пігменти або гільвін і зважені тверді частинки, і фактично може бути вище, ніж те, що ми бачимо в океані. Гільвін, як правило, складається з жовтої речовини, що утворюється з гумінових кислот при розкладанні гниючого рослинного матеріалу, стікання з наземних вод, розпаду фітопланктону тощо (Єрлов, 1976). Крива поглинання гільвіну відповідає експоненціальній кривій з найнижчим поглинанням в червоній частині спектру і зростає зі зменшенням довжини хвилі до синьої. Поглинання є найвищим в УФ-А діапазоні. Вплив цього може бути досить значним в акваріумі з водою, що пожовтіла. Розщеплення (і видалення) частини гільвіну за допомогою активованого вугілля та озону фактично збільшує випромінювання, що передається через воду, особливо в УФ-діапазоні (Бінгман, 1996).

Рисунок 8: Потрапляння природного світла на глибину акваріума 2 фути

Світло, що досягає коралів, не є постійним. Це один з аспектів природного світла, який зазвичай не імітується в більшості наших акваріумів. Зазвичай ми піддаємо корали майже постійній інтенсивності світла з фіксованим кутом падіння. Рух сонця можна певною мірою імітувати за допомогою світлових рушіїв, які доступні в садівничій промисловості на гідропоніці. Для забезпечення мінливості освітленості протягом дня можуть використовуватися світлові рушії, які переміщують світло по колу або лінійно по рейках. Однак, враховуючи той факт, що більшість домашніх акваріумів мають довжину менше 6 футів, ефект від переміщення світла не буде таким значним, як у природі.

На додаток до цих варіацій, інші природні варіації вносяться метеорологічними та біологічними подіями. Хмари над рифами модулюють інтенсивність світла. Шторми можуть безпосередньо зменшувати кількість світла, що потрапляє на риф, а також можуть перемішувати субстрат, збільшуючи каламутність і відсікаючи світло, що потрапляє до коралів. Сезонне цвітіння планктону також може збільшити каламутність води. Як правило, більшість домашніх акваріумів не імітують ці зміни, хоча деякі акваріумісти вводять імітацію “полуденної” хмари, випадково вимикаючи частину світла протягом дня на короткий проміжок часу. Інші пристрої, такі як диммери світла, також стають доступними. Ці пристрої приглушують світло приблизно на 25-40 відсотків, а також можуть бути запрограмовані на створення цієї імітації хмарності в різний час протягом дня. Чи є ці зміни корисними для коралів, поки що не встановлено.

Рисунок 9: Увага Ushio 4004W 6 “від поверхні через 2 фути води

Місячне світло

Місяць точно відображає сонячний спектр, тому не відбувається ніяких змін в спектрі світла, що виходить від Місяця. Інтенсивність сонячного випромінювання становить близько 500 Вт/м2, в той час як інтенсивність повного місяця становить близько 1 мВт/м2 (1 міліватт). Таким чином, інтенсивність випромінювання повного місяця в 0,5 мільйона разів менша, ніж полуденного сонячного світла. Оскільки спектр місячного світла такий самий, як і сонячного, води океану матимуть такий самий коефіцієнт дифузного ослаблення для місячного світла, як і для сонячного. Таким чином, незважаючи на те, що Місяць має той самий спектр світла, що і Сонце, об’єкти, освітлені місячним світлом, не мають кольору, в першу чергу через низьку інтенсивність світла і реакцію людського ока при низькій освітленості.

Індустрія рифових акваріумів та хобі почала використовувати сині світлодіоди для імітації місячного світла. Зрозуміло, що це дуже відрізняється від природного місячного світла.

Висновки

У цій статті представлено порівняння природного підводного світла (на основі конкретних даних з природних вод) зі світлом над нашими акваріумами. Хоча в природних водах можна очікувати варіацій, загальна форма спектрального розподілу під водою буде досить схожою. Очевидно, що існує велика розбіжність між спектральним випромінюванням, що забезпечується МЗ, і природним світловим полем під водою. З досвіду ми знаємо, що можемо вирощувати корали під усіма 3 основними класами металогалогенних ламп 6500К, 10000К і 20000К, тому корали повинні або адаптуватися до спектру, або ігнорувати спектральну якість. На жаль, я не маю остаточних відповідей на це питання, сподіваюсь, що подальші дослідження зможуть дати більш точні відповіді.

Список використаних джерел

1. Бінгман, К. 1996. Кількісні співвідношення між видимим кольором води та пропусканням ультрафіолету. Aquarium Forntiers 3(4):12-16.
2. Фальковскі, П. Г., П. Л. Джокіл та Р. А. Кінзі. 1990. Освітленість і корали. В Екосистеми світу, том 25 Коралові рифи. З. Дубинський (ред.):89-107.
3. Єрлов, Н. Г. 1976. Морська оптика. Elsevier Scientific Pub., Амстердам. С. 231.
4. Кірк, Дж. Т. 1994. Світло та фотосинтез у водних екосистемах, 2-е видання. Cambridge University Press. Стор. 509.
5. Maritorena, S. 1996. Дистанційне зондування загасання води в коралових рифах: тематичне дослідження у Французькій Полінезії. Int. J. Remote Sensing, 17(1): 155-166.
6. Маріторена, С., К. Пайрі, М. Бабін, Х. Клостр, Л. Боннафус, А. Морель і М. Родіре. 2002. Фотоакліматизація в зооксантелах Pocillopora verrucosa та порівняння з пелагічними водоростевими угрупованнями. Oceanologica Acta. 25(3-4): 125-134.

Source: reefs.com