Подводное световое поле и его сравнение с металлогалогенным освещением

За последние несколько лет тестирования МГ ламп, используемых в хобби, и попыток охарактеризовать свет над аквариумами, один вопрос часто не давал мне покоя: “Как свет над нашими аквариумами сопоставим со светом на естественном рифе? В этой статье представлены некоторые данные о подводном световом поле на рифе и сравнение его с искусственным световым полем над нашими рифовыми аквариумами, а также обсуждение других особенностей естественного освещения, которые часто не моделируются в наших аквариумах.

Поверхностное световое поле

Прежде чем приступить к рассмотрению подводного светового поля, давайте вкратце рассмотрим световое поле на поверхности воды и его типичные вариации. Типичная плотность потока фотосинтетических фотонов (PPFD) на уровне моря на коралловых рифах в ясный солнечный день была измерена на пиковых уровнях 1600-2300 ¼ Эйнштейна/м 2 /с (Maritorena et al., 2002). Типичные колебания обусловлены несколькими факторами, такими как

Рисунок 1: Спектральная освещенность на поверхности воды

• ежедневное изменение от восхода до заката солнца и изменение высоты пути солнца по небосводу
• атмосферные факторы, такие как рассеяние молекулами воздуха и частицами пыли, поглощение водяным паром и газами в атмосфере
• уровень облачности
• сезонные колебания (колебания между летом и зимой). Суточная вариация выше для более высоких широт.

На рисунке 1 показан спектральный выход падающего солнечного света над полинезийским рифом между длинами волн 400-700 нм, видимый диапазон и диапазон, используемый для расчета PAR или плотности фотосинтетического фотонного потока (данные любезно предоставлены С. Маритореной). Падающий PPFD около полудня в солнечные дни обычно составлял около 2300 мкмоль/м 2 /с (500 ватт/м 2 ) летом и около 1600 мкмоль/м 2 /с (340 ватт/м 2 ) зимой. Продолжительность дня варьировалась в пределах 11-13 часов, а дневная энергия в диапазоне PAR при ясном небе увеличивалась с 8,15 до 13,5 МДж/м 2 зимой и летом.

Передача излучения через границу раздела воздух-вода

Поверхностное излучение на уровне моря попадает в воду на границе раздела воздух-вода. Часть его отражается обратно (в зависимости от угла падения и показателя преломления воды). Уравнение Френеля определяет количество отраженного света в зависимости от угла падения и показателя преломления. Угол падения меняется в течение дня по мере того, как солнце движется по небосводу. Кроме того, существуют сезонные изменения, связанные с перемещением солнца между двумя тропиками. Угол падения солнца влияет на экологию рифов – некоторые рифовые организмы могут быть затенены в течение некоторой части дня и находиться на ярком свету в течение другой части дня. Этот эффект более выражен на мелководье. На больших глубинах направление света становится менее чувствительным к положению солнца и смещается к вертикали по мере увеличения глубины, а также становится более рассеянным с глубиной. Таким образом, направление света, достигающего кораллов на глубине, относительно не зависит от изменения положения солнца. Однако интенсивность света может измениться из-за зависимости между углом падения и преломления.

где r = отражательная способность

θ_a = угол падения в воздухе

θ_w = угол падения передаваемого луча, определяемый законом преломления Снелла и задаваемый значением θ._w = θ_a / показатель преломления морской воды

Из этого уравнения видно, что отражательная способность остается низкой около 2-3,3% для зенитных углов в диапазоне 0-60 градусов и быстро возрастает после них (см. рис. 2). Зенитный угол – это угол между верхней точкой наблюдателя и таким объектом, как солнце. Зенитный угол равен нулю, если солнце находится прямо над головой, и составляет 90 градусов, когда солнце находится на горизонте. Таким образом, большую часть дня очень мало света теряется из-за отражения на границе раздела воздух-вода, если море относительно плоское.

В действительности поверхность воды не плоская, она обычно шероховатая из-за ветра. Однако это очень мало влияет на отражение солнечного света на больших высотах солнца. При более низких высотах солнца (солнце на горизонте) количество фотонов, отраженных от поверхности, быстро увеличивается при углах более 60 градусов (измеренных от вертикали), шероховатая поверхность, вызванная волнами, может снизить такой эффект.

Рисунок 2: Отражение света от плоской поверхности воды

Поверхностные волны также влияют на интенсивность света. Волны могут действовать как линза и фокусировать свет, создавая “линии блеска”. Эти линии блеска выглядят как вспышки света высокой интенсивности и короткой продолжительности, и было измерено, что их интенсивность в два раза превышает интенсивность света, падающего на поверхность воды (Falkowski et al., 1990). Эти линии блеска возникают только при прямом солнечном свете и не возникают при рассеянном свете (например, когда облако заслоняет солнце). Полезен ли этот мигающий свет для кораллов или нет, неизвестно, но некоторые исследователи обнаружили, что он усиливает фотосинтез у некоторых одноклеточных водорослей (Falkowski et al., 1990). В рифовых аквариумах такие линии блеска могут быть созданы за счет использования точечных источников света (например, металлогалогенных ламп) и поверхностного перемешивания воды. Флоуресцентное освещение является более рассеянным и не создает таких эффектов. В аквариуме свет, как правило, направлен вниз благодаря использованию отражателей, поэтому угол падения обычно невелик. Поэтому можно ожидать, что потери из-за отражения от поверхности воды будут достаточно низкими, около 2-5%.

Подводное световое поле в природе

После того как фотоны света прошли весь путь от солнца и преодолели поверхность воздух-вода на коралловых рифах, давайте посмотрим, что с ними происходит, когда они попадают в воду. Свет, идущий от верхней части поверхности воды к нижней, называется падающим светом. Часть падающего света поглощается, а часть рассеивается растворенными и твердыми частицами в воде и самими молекулами воды. Мутность – это термин, используемый для описания количества твердых частиц. Чем выше мутность, тем больше света поглощается и рассеивается. Поглощение и рассеивание приводят к уменьшению количества падающего света по мере увеличения глубины (Kirk, 1994). Как только фотоны попадают в воду, большинство фотонов в конечном итоге поглощаются – либо поглощающими свет молекулами воды, оптически активными растворенными веществами, твердыми частицами, и, в конечном итоге, фотосинтетическим процессом, происходящим в кораллах и взвешенном фитопланктоне в толще воды.

Кроме того, рассеяние создает некоторое количество восходящего света (обратное рассеяние света). Часть этого восходящего света выходит из воды обратно в воздух и является причиной цвета океана. На коралловых рифах восходящее излучение также усиливается за счет отражения от “белого” субстрата карбоната кальция, находящегося на дне рифа. Фактически, на коралловых рифах это восходящее излучение может составлять значительную часть общего излучения (Dustan 1982). Этот восходящий свет играет важную роль в обеспечении роста кораллов на нижнем этаже рифа. Таким образом, добавление белого субстрата из карбоната кальция в рифовый аквариум также способствует увеличению восходящего излучения, одновременно увеличивая биоразнообразие. Вместо того чтобы покрывать весь песок живыми камнями, хорошей стратегией будет создание больших открытых участков песка для увеличения восходящего излучения.

Природные воды имеют свойства, которые часто называют внутренними и видимыми оптическими свойствами. Собственные оптические свойства (IOP) являются функцией воды и оптически активных веществ в ней и не зависят от геометрической структуры световых полей. IOP обычно определяются в лабораторных условиях, но в настоящее время они также регулярно измеряются in situ и включают следующие параметры (все единицы измерения – м-1 ):

• коэффициент поглощения (a) – доля поглощенного падающего потока, деленная на толщину бесконечно тонкого слоя среды
• коэффициент рассеяния (b) – доля рассеянного падающего потока, деленная на толщину бесконечно тонкого слоя среды
• коэффициент ослабления луча (c) – доля падающего потока, который поглощается и рассеивается, деленная на толщину бесконечно тонкого слоя. Коэффициент ослабления луча является суммой коэффициентов поглощения и рассеяния:

Кажущиеся оптические свойства (AOP) определяются на основе измерений естественных световых полей в водоеме. Они зависят от геометрии световых полей и связаны с поглощением и рассеянием. Наиболее распространенным из этих свойств является коэффициент диффузного ослабления падающего излучения (K_d). Облученность на данной глубине (E_Z) является функцией облученности на поверхности (E0), коэффициента диффузного ослабления и интервала глубин (Z) в соответствии со следующей зависимостью, где e – основание натуральных логарифмов:

Из этого следует, что при проникновении света в воду его интенсивность экспоненциально уменьшается с увеличением глубины. Таким образом, коэффициент диффузного ослабления может быть оценен путем проведения измерений на разных глубинах и использования вышеприведенной формулы для вычисления K_d. Единицами измерения для K_d являются м-1 .

Подобно коэффициентам поглощения и рассеяния, коэффициент диффузного ослабления не зависит от длины волны и фактически отличается для разных длин волн. Мы можем вычислить это значение K_dΔ для разных длин волн, если мы знаем спектральную кривую на разных глубинах. Эта спектральная кривая обычно получается с помощью подводного спектрорадиометра.

Рисунок 3: Коэффициент диффузного ослабления для различных вод

Используя данные из океана вблизи высокого острова во Французской Полинезии, лагуны высокого острова (Муреа) и лагуны атолла (Такапото), коэффициент диффузного ослабления для этих трех вод показан на рисунке 3 (Maritorena, 1996). Как видно из этого графика, эти три воды имеют слегка различающиеся значения K_d на разных длинах волн. Более высокие значения K_d означает, что проникновение света в эту воду будет меньше.

Когда свет проходит через толщу воды, он ослабляется экспоненциально, и это ослабление не является равномерным для всех длин волн. Таким образом, вода действует как “фильтр”, уменьшая спектр света, который проникает в нее. С увеличением глубины диапазон волн проникающего света сужается. Более короткие длины волн (красные и желтые) поглощаются первыми, а синий свет проникает глубже всего.

Используя эти коэффициенты диффузного ослабления (полученные из измерений спектральной освещенности на разных глубинах в воде), и используя тот факт, что ослабление в воде уменьшается экспоненциально по отношению к глубине (дается уравнением, рассмотренным ранее), мы можем построить спектральную кривую для подводного светового поля на разных глубинах. На рисунке 4 показано спектральное распределение света под водой с использованием значений K_d значения для чистой океанской воды в летний период. Значения PPFD, соответствующие этим спектральным графикам в зависимости от глубины, приведены в таблице ниже.

Рисунок 4: Спектральное распределение света под водой на разных глубинах

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

Световое поле аквариума

В предыдущих статьях о спектральном анализе ламп MH и распределении света благодаря отражателям были приведены данные о спектральных характеристиках и PAR существующего светового поля над аквариумом. Взяв 3 популярные лампы, представляющие 3 основных класса спектральных распределений, доступных аквариумисту: 400W Iwasaki 6500K, Ushio 400W 10000K и Radium 400W 20000K, мы можем теперь провести сравнение этих металлогалогенных ламп с естественным световым полем под водой. Помня о том, что изменение интенсивности лампы масштабирует только спектральное распределение, мы можем создать спектральные графики PPFD, равные естественным водам на разных глубинах, масштабируя спектральные графики этих ламп.

Рисунок 5: Сравнение спектрального распределения 400 Вт 6500K Iwasaki со спектральным распределением на разной глубине

На рисунках 5, 6 и 7 показано, как спектры 3 металлогалогенных ламп будут сравниваться с природными водами, по которым имеются данные. Как видно из рисунка 5, лампа Iwasaki 6500K обеспечивает очень хорошее приближение спектра под водой на глубине 1 м. На других глубинах спектральная освещенность на длинах волн менее 550 нм меньше, чем в природной воде, и выше, чем в природной воде на длинах волн более 550 нм. Для 400-ваттного Ushio видно, что на некоторых длинах волн интенсивность значительно превышает естественный свет, в некоторых случаях в 4-5 раз больше, чем в природе. Radium показывает почти в 8-12 раз больше излучения на длине волны 454 нм, чем в природе. Очевидно, что за исключением Iwaski, который обеспечивает хорошее спектральное соответствие подводному световому полю на расстоянии 1 м, существует большое расхождение в спектральном распределении света в аквариумах по сравнению с естественным световым полем.

Интересен вопрос: “Как влияет это спектральное расхождение на кораллы?”. У меня нет точных ответов, но я могу предположить. Кораллы очень адаптивны в своей способности улавливать свет, и вполне вероятно, что они регулируют светособирающие пигменты, чтобы адаптироваться к доступному спектру света. Возможно, это объясняет, почему дикие кораллы меняют цвет в наших аквариумах, или даже почему цвет кораллов меняется при выращивании под разными источниками света.

Рисунок 6: Сравнение спектрального распределения 400 Вт 10 000K Ushio со спектральным распределением на разной глубине

Влияние воды на световое поле

Большинство SPS и других кораллов в наших рифах обитают на глубине менее 15-20 метров, но наши рифовые аквариумы обычно имеют глубину всего 24-30 дюймов. На такой глубине количество света, теряемого на поглощение водой, довольно мало. Используя коэффициенты рассеивания для океанских вод, представленные выше, количество света с длиной волны 700 нм, поглощенное водой на глубине 2 фута, составляет 33% от света, находящегося под поверхностью. Для света с длиной волны 400 нм этот показатель составляет всего 4%. Таким образом, мы не можем полагаться на воду для создания большой разницы в спектральном распределении в аквариуме и должны полагаться на лампы для обеспечения “правильного” спектрального распределения. Более того, в наших аквариумах основной причиной падения света является “закон обратного квадрата”. Это падение обусловлено тем, что расстояние от источника света намного больше, чем поглощение в воде.

Рисунок 7: Сравнение спектрального распределения 400-ваттной 20 000-килограммовой радиевой лампы на разной глубине

На рисунке 8 показано ослабление света на глубине, равной 2 футам аквариумной воды, при условии, что K_d для океанской воды.

Предполагая те же значения K_d мы можем определить изменение спектра металлогалогенной лампы от поверхности воды до глубины 2 фута под водой. На рисунке 9 показано изменение спектра лампы Iwasaki 6500K только за счет воды. В наших рифовых аквариумах эта потеря довольно мала по сравнению с потерей интенсивности из-за расстояния от лампы и отражателя. Для лампы Iwasaki, расположенной на расстоянии 6″ от поверхности воды, потери из-за 2 футов воды составляют около 14%, тогда как потери из-за изменения расстояния от источника (от 6″ до 30″) составляют около 70-90% на основе закона обратного квадрата света и в зависимости от используемого отражателя. На практике эта потеря будет меньше из-за аддитивного эффекта, вызванного несколькими светильниками, но все равно будет преобладать над потерей света по сравнению с потерей из-за ослабления в воде, если предположить, что вода прозрачная, как в океане.

Другие сравнения естественного света с аквариумным светом

Количество света и спектра, поглощаемого в аквариуме, часто зависит от желтеющих пигментов или гилвина и взвешенных твердых частиц, и на самом деле может быть выше, чем в океане. Жильвин обычно состоит из желтеющего вещества, получаемого из гуминовых кислот в результате разложения разлагающегося растительного материала, стоков из наземных вод, распада фитопланктона и т.д. (Jerlov, 1976). Кривая поглощения гильвина следует экспоненциальной кривой, причем поглощение является наименьшим в красной части спектра и увеличивается с уменьшением длины волны в сторону синего цвета. Наибольшее поглощение наблюдается в УФ-А диапазоне волн. Влияние этого фактора может быть весьма значительным в аквариуме с пожелтевшей водой. Разрушение (и удаление) части гильвина с помощью активированного угля и озона действительно увеличивает излучение, проходящее через воду, особенно в УФ-диапазоне (Bingman 1996).

Рисунок 8: Затухание естественного света на глубине аквариума 2 фута

Свет, достигающий кораллов, не является постоянным. Это один из аспектов естественного света, который обычно не моделируется в большинстве наших аквариумов. Обычно мы подвергаем кораллы почти постоянной интенсивности света с фиксированным углом падения. Движение солнца можно в некоторой степени имитировать с помощью световых движителей, которые доступны в индустрии гидропонного садоводства. Световые движители, которые перемещают свет по кругу или линейно по рельсам, могут быть использованы для обеспечения изменчивости света в течение дня. Однако, учитывая тот факт, что длина большинства домашних аквариумов не превышает 6 футов, эффект от перемещения света не будет таким значительным, как в природе.

В дополнение к этим вариациям, другие естественные вариации вносятся метеорологическими и биологическими событиями. Облака над рифами модулируют интенсивность света. Штормы могут непосредственно уменьшить количество света, попадающего на риф, а также взбаламутить субстрат, увеличивая мутность и перекрывая доступ света к кораллам. Сезонное цветение планктона также может увеличить мутность воды. Как правило, в большинстве домашних аквариумов эти изменения не имитируются, хотя некоторые аквариумисты создают имитацию “полуденных” облаков, выключая часть освещения в произвольном порядке в течение дня на короткий период времени. В продаже появляются и другие устройства, такие как светорегуляторы. Эти устройства приглушают свет примерно на 25-40 процентов и могут быть запрограммированы на создание имитации облачности в разное время в течение дня. Полезны ли эти вариации для кораллов, пока не установлено.

Рисунок 9: Затухание лампы Ushio 4004W на расстоянии 6″ от поверхности из-за 2 футов воды

Лунный свет

Луна точно отражает солнечный спектр, поэтому спектр света, исходящего от Луны, не меняется. Интенсивность солнечного излучения составляет около 500 Вт/м 2 , в то время как интенсивность полной луны составляет около 1 мВт/м 2 (1 милли Ватт). Таким образом, интенсивность полной луны в 0,5 миллиона раз меньше интенсивности полуденного солнечного света. Поскольку спектр такой же, как у солнечного света, океанские воды будут иметь такой же коэффициент диффузного ослабления для лунного света, как и для солнечного. Поэтому, несмотря на то, что луна имеет тот же спектр света, что и солнце, объекты, освещенные лунным светом, не имеют цвета, в основном из-за низкой интенсивности света и реакции человеческого глаза на низкую освещенность.

В индустрии рифовых аквариумов и хобби для имитации лунного света стали использовать синие светодиоды. Понятно, что это очень отличается от естественного лунного света.

Выводы

В этой статье было представлено сравнение естественного подводного света (на основе конкретных данных из природных вод) со светом над нашими аквариумами. Несмотря на то, что в природных водах можно ожидать некоторые отклонения, общая форма спектрального распределения под водой будет весьма схожей. Очевидно, что существует большое расхождение между спектральной освещенностью, обеспечиваемой MH, и естественным световым полем под водой. Мы знаем из опыта, что можем выращивать кораллы под всеми 3 основными классами металлогалогенных ламп 6500K, 10000K и 20000K, поэтому кораллы должны либо адаптироваться к спектру, либо игнорировать его качество. К сожалению, у меня нет окончательных ответов на этот вопрос, надеюсь, дальнейшие исследования смогут дать более точные ответы.

Ссылки

1. Бингман, К. 1996. Количественные отношения между видимым цветом воды и ультрафиолетовым пропусканием. Aquarium Forntiers 3(4):12-16.
2. Falkowski, P. G., P. L. Jokiel and R. A. Kinzie. 1990. Irradiance and corals. В Экосистемы мира, том 25 Коралловые рифы. Z. Dubinsky (Ed.):89-107.
3. Джерлов, Н. Г. 1976. Морская оптика. Elsevier Scientific Pub., Amsterdam. Pp. 231.
4. Kirk, J. T. 1994. Light And Photosynthesis In Aquatic Ecosystems, 2nd Edition . Cambridge University Press. Pp. 509.
5. Maritorena, S. 1996. Дистанционное зондирование ослабления воды в коралловых рифах: тематическое исследование во Французской Полинезии. Int. J. Remote Sensing, 17(1): 155-166.
6. Maritorena, S., C. Payri, M. Babin, H. Claustre, L. Bonnafous, A. Morel and M. Rodire. 2002. Фотоакклиматизация в зооксантеллах Pocillopora verrucosa и сравнение с пелагическим водорослевым сообществом. Oceanologica Acta. 25(3-4): 125-134.

Source: reefs.com