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La luce negli acquari di barriera



La luce negli acquari di barriera
Di Dmitry Karpenko, Vahe Ganapetyan
Traduzione e interpretazione a cura di: Giovanni Bottazzo
La luce è una delle principali risorse di supporto per la vita sul nostro pianeta. Essendo fotosintetici, molti invertebrati marini richiedono luce per vivere, le loro zooxantelle simbionti hanno bisogno di luce per la fotosintesi per produrre nutrimento sufficiente sia per uso proprio sia per il corallo ospitante.

Probabilmente ogni acquariofilo è disposto a fornire la luce "giusta" per i suoi coralli, per fare questo sia lo spettro corretto che un’intensità sufficiente sono importanti. Prima di considerare come implementare questa "luce giusta", si deve cercare di capire qual è il tipo di luce che gli organismi marini ricevono nel loro ambiente naturale.

Come punto di partenza, andiamo a considerare la distribuzione spettrale di energia solare nelle isole Fiji nel mese di luglio, fig. 1:


Fig. 1 distribuzione spettrale di energia solare a livello del mare

L'asse orizzontale del grafico rappresenta la lunghezza d'onda, in nanometri, e l'asse verticale rappresenta l’irradianza spettrale, in W/m2 · nm. L'occhio umano èsensibile alla radiazione nell'intervallo tra circa 400 e 700 nm, quindi abbiamo marcato la lunghezza d'onda più breve di 400nm (luce ultravioletta) o superiore a 700 nm (radiazione infrarossa) in nero, mentre le lunghezze d'onda visibili sono colorate come sono percepite dal nostro l'occhio. 

Il grafico in fig. 1 è stato ottenuto dal spettro solare al confine dell'atmosfera terrestre utilizzando il software di simulazione 2.9.5 scientifica SMARTS. Questo simulatore prende in considerazione l'assorbimento della luce da vari componenti dell'atmosfera e la luce diffusa dal cielo. 

Cerchiamo ora di scoprire che tipo di spettro luminoso ・disponibile per gli organismi marini nel loro ambiente naturale. Nel nostro tentativo di costruire un apparecchio ideale per illuminare i nostri acquari di barriera cercheremo di generare una distribuzione spettrale simile a determinate profondità sottomarine. Diverse specie di coralli vivono a diverse profondità alcuni vivono in acque molto basse, mentre i coralli di profondità come i Bathypates spp, si possono trovare sul fondo fino a 8000 metri (circa 5 miglia). Circa il 20% di tutte le specie di coralli non sono fotosintetiche, non hanno quindi bisogno di alcuna luce come fonte di cibo. 

La maggior parte dei coralli, tuttavia, sono fotosintetici, e queste sono le specie che sono allevate più spesso nei nostri acquari, quindi cercheremo di capire che tipo di luce queste specie 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 (Fig. 2):


Fig. 2 penetrazione della luce nell'acqua di mare, a seconda 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, in cui l'intensità di tale lunghezza d'onda è uguale a l'uno per cento dell'intensità in superficie. E 'chiaro da questo grafico che le 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 in acqua di mare rispetto alla luce verde, e salendo nello spettro giallo-arancio è ancora peggio, in fine la luce rossa con lunghezze d'onda superiori a 600 nm è solo in grado di penetrare acque molto basse.



Lo spettro della luce sulla superficie può essere definito come una funzione I0 (λ), dove λ è la lunghezza d'onda e Iè l'intensità di lunghezza d'onda corrispondente a zero profondità.



Quindi l'adsorbimento dello spettro Ia (λ) alla profondità D può essere determinato come:


Ia (λ) = I0 (λ) · K (λ) · D espr.(1) dove K (λ) è l'adsorbimento di acqua marina in funzione della lunghezza d'onda.

Lo spettro alla profondità D sarà uguale allo spettro sulla superficie I0 (λ) meno l’adsorbimento spettro Ia (λ):

I (λ) = I0 (λ) - Ia (λ)

oppure, sostituendo l’espr.(1) in questa espressione, ricaviamo:

I (λ) = I0 (λ) · (1 - K (λ) · D) espr.(2)

Da questa espressione si può ricavare il grafico di penetrazione della luce nell'acqua di mare d (λ):
d (λ) = (1 - I (λ) / I0 (λ)) / K (λ)) espr.(3)

A condizione che il diagramma di Fig. 2 si basa sul presupposto che l'intensità luminosa della profondità specificata è uguale al 1% dell'intensità sulla superficie, per esempio I (λ) = 0,01 · I0 (λ), è possibile semplificare espr.(3) nel seguente modo:

d (λ) = 0,99 / K (λ)

Questa funzione d (λ) è il nostro grafico di penetrazione della luce nell'acqua di mare, che è raffigurato in fig. 2. Utilizzando questo grafico si può determinare la luce di adsorbimento in acqua di mare come una funzione della lunghezza d'onda K (λ):

K (λ) = 0,99 / d (λ) espr.(4)


Sostituendo l'espressione espr.(4) nella espr.(2), si ricava la distribuzione spettrale della luce ad una data profondità D:

I (λ) = I0 (λ) · (1-0,99 · D / d (λ)) espr.(5)


dove I0 (λ) è lo spettro di luce sulla superficie e d (λ) è il grafico della penetrazione della luce nell'acqua di mare (Fig. 2).


Utilizzando l'espressione espr.(5) ed i dati grafici in Fig. 1 e Fig. 2, si può ottenere il diagramma di distribuzione dell'energia luminosa in funzione della lunghezza d'onda ad una data profondità. A titolo di esempio, sullo stesso grafico (Fig. 3) abbiamo disegnato la relativa distribuzione spettrale della luce in superficie e alle profondità di circa 5 m (16,4 piedi) e 15m (49 piedi). Nota: 15m è la profondità massima alla quale in natura possiamo ancora trovare molti coralli esigenti dal punto di vista della luce. Alle profondità sotto 20m, il numero di specie luce esigenti diminuisce bruscamente.


Fig. 3 Distribuzione spettrale della luce in funzione della lunghezza d'onda.
In superficie (Azzurro), profondità 5m (blu) e profondità 15 m (blu scuro)

Il grafico azzurro corrisponde all’irradiazione sulla superficie, il grafico blu alla profondità di 5m, e il blu scuro alla profondità di 15m. Si noti che con la profondità,  a parte rossa dello spettro praticamente scompare.

Durante centinaia di milioni di anni di evoluzione gli organismi marini fotosintetici si sono adattati per utilizzare al meglio principalmente la parte violetta e le parti blu dello spettro, in quanto sono più abbondanti nel loro ambiente, e non sono molto sensibili allo spettro del rosso (che, al contrario, è più attivamente utilizzato dalle piante terrestri).

Le Zooxantelle presenti negli organismi fotosintetici marini sono alghe primitive di tipo Pyrrophyta [5] contenenti principalmente clorofilla A e C e di pigmenti carotenoidi (peridinine, xantinine, ecc), che presentano un forte assorbimento nella parte blu-verde dello spettro. [6,7,22].

La Fig. 4 [22] dimostra la luce assorbita dalle zooxantelle.


Fig. 4 assorbimento della luce delle zooxantelle

L'asse orizzontale rappresenta la lunghezza d'onda in nanometri, e l'asse verticale rappresenta l'assorbimento, in unità arbitrarie. Si può vedere dal grafico che viola e blu prevalgono nettamente sul rosso, si noti inoltre che per lo spettro rosso sono preferibili lunghezze d’onda nella gamma 660-680nm.

La principale conclusione da quanto precede è che la gamma di lunghezze d’onda che va dal viola all’azzurro è nettamente più importante per gli organismi fotosintetici marini rispetto al resto della gamma di lunghezze d’onda che completano lo spettro della luce visibile.

Sapendo qual’è la gamma di lunghezze d’onda naturalmente a disposizione dei coralli, dobbiamo ora considerare il prossimo importante passo:

come agiscono le varie lunghezze d’onda sulla colorazione dei coralli?

Prima di considerare l'influenza dello spettro della luce sulla colorazione dei coralli vorrei far notare che anche la colorazione del corallo stesso 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 per due vasche diverse. Senza creare le condizioni giuste per i coralli, altri tentativi per migliorare la loro colorazione, quali gli adeguamenti dello spettro della luce, saranno vani.

Gli acquariofili esperti sanno bene com’è variabile la colorazione dello stesso corallo in condizioni diverse. Ci sono tre fattori principali che influenzano la colorazione: la luce e la sua intensità, la quantità di cibo disponibile in acqua (infatti anche se polipi corallini ricevono una parte significativa della loro energia dalle zooxantelle, sono anche in grado di catturare le particelle di cibo in sospensione nell’acqua) , e dalla purezza dell'acqua. 

Quest'ultimo fattore è il più facile da controllare, le tecniche per mantenere l'acqua incontaminata negli acquari di barriera sono ben note e ormai molto efficienti. Il secondo fattore, inoltre, può essere risolto facilmente poiché ci sono una serie di alimenti per i coralli di ottima qualità oggi reperibili sul mercato. Allo stesso tempo, molti acquariofili ritengono che, se ci sono pesci che vivono in un acquario di barriera, i coralli avranno cibo sufficiente, rappresentato da piccole particelle di cibo per pesci o escrementi che fluttuano in acqua.

La luce è l'ultimo fattore importante richiesto per una buona salute e la colorazione dei coralli, e ancora non è stato sufficientemente studiata bene per garantire un ottimo mantenimento dei nostri acquari.

La situazione è piuttosto complessa, poiché i coralli possono essere molto variabili, e anche le stesse specie possono contenere cromoproteine diverse (proteine responsabili della colorazione), il tipo e le quantità di queste cromoproteine sono determinati geneticamente, nello stesso modo, per esempio, del colore dell’occhio umano. Molte di queste proteine sono fluorescenti, cioè assorbono la luce di una certa lunghezza d'onda e per irradiarla ad una lunghezza d'onda differente.

Fig. 5 mostra quattro esemplari della stessa specie, Acropora millepora, in cui prevalgono cromoproteine diversi:



Fig. 5 I campioni Acropora millepora con diverse cromoproteine prevalenti: (A) bassa concentrazione di cromoproteine, il colore delle zooxantelle domina; (B) proteine verdi fluorescenti, (C) proteine fluorescenti rosse, (D) cromoproteine non fluorescenti . Immagine per gentile concessione del Dr. C. D'Angelo e il Dr. J. Wiedenmann, Università di Southampton, Regno Unito, Corallo Magazine, Novembre / Dicembre 2011

Fluorescenza non è una prerogativa dei soli coralli duri, ma, per esempio è presente negli Zoanthidae e polipi Palythoya che presentano colorazioni molto luminose quando vengono irradiate con le cosiddette lunghezze d'onda brevi della luce "attinica".

La fluorescenza dei coralli è molto bella , ma non è sempre facile osservarla. Diamo un'occhiata alla funzione luminosa (grafico sensibilità spettrale) dell'occhio umano (Fig. 6).

Gli elementi degli occhi sensibili alla luce sono rappresentati da due tipi di cellule: i coni retinici e i bastoncelli.
I primi sono responsabili per distinguere i diversi colori, mentre i bastoncelli, per distinguere 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 per vedere in situazioni di buio noi utilizziamo i bastoncelli piuttosto che i coni. I bastoncelli non fanno distinzione tra i colori, riescono solo a farci percepire la luminosità relativa di un oggetto. 

 bastoncelli sono più sensibili alla parte dello spettro relativa al verde smeraldo, con la lunghezza d'onda di circa 510 nm, ovviamente, vedendo con i bastoncelli, questa luce è percepita solo come una tonalità più brillante di grigio invece che verde.
Nel nostro occhio esistono tre tipi di cellule ciascuna delle quali è sensibile ad una parte specifica dello spettro. 

Le cellulle in questione sono:

Tipo-S : dove S sta per lunghezze d’onda corte, quindi questo tipo di coni sono sensibili alla luce viola/blu.

Tipo-M: dove M sta per lunghezze d’onda medie, quindi verde e giallo

Tipo-L: dove L sta per lunghezze d’onda lunghe quindi arancione/rosso.

Questi tre tipi di cellule dette coni insieme ai bastoncelli sono responsabili della visione a colori dell’uomo.

I bastoncelli contengono una molecola molto sensibile alla luce, il suo nome è rodopsina, questa molecola è talmente sensibile da essere attivata anche da un singolo fotone, ecco spiegato il motivo per cui in presenza di bassi livelli di illuminazione entrano in gioco i bastoncelli per garantirci la visione, ma come detto sopra, essendo questi sensibili a lunghezze d’onda di circa 510nm, sono molto efficaci a garantire la visione dell’oggetto ma non i suoi reali colori.

Quando le condizioni di illuminazione sono a livelli più alti o addirittura ottimali, la rodpsina subisce un processo di foto inibizione e la sua sensibilità diminuisce spostando il picco di assorbimento nel campo del blu, ne risulta che a buoni livelli di illuminazione i bastoncelli sono utilizzati come fotoricettori dell’lunghezze d’onda corte e cioè della luce blu.

Sempre a buoni livelli di illuminazione entrano in gioco anche i coni formati dalle tre cellule di tipo S, M ed L, questi come anticipato, hanno per quanto riguarda le cellule di tipo-S un range di assorbimento tra i 400 e i 500nm (onde corte) con un picco tra i 420 e i 440nm, per le cellule di tipo-M un range di assorbimento tra i 460 e i 630 nm con picco tra i 534 e i 555nm, e per le cellule di tipo-L un range di assorbimento tra i 500 e i 700nm con un picco tra i 564 e i 580nm.

Come possiamo notare, nei coni, soprattutto per quel che riguarda le due cellule di tipo M e L, i range di assorbimento sono ampi e sovrapposti, quindi è sbagliato pensare che specifici tipi di coni reagiscono a specifici colori, bensì ogni tipo di cono reagisce a svariati colori ma è sensibile in modo particolare a quelli rappresentati del suo picco di assorbimento massimo.

L'occhio umano è più sensibile nel range in cui si soma la sensibilità dei coni di tipo M e L che equivale a circa 555nm (giallo-verde chiaro). La funzione complessiva sensibilità spettrale [3] dei recettori dell'occhio umano è mostrata in Fig. 6:


Fig. 6 Funzione luminosa dell'occhio

Quello che si capisce da questo diagramma è che la sensibilità alla luce dell’occhio umano dipende dalla lunghezza d’onda, per fare un esempio pratico a parità di potenza la radiazione di lunghezza d’onda di 555nm è percepita dal nostro occhio 27 volte di più rispetto a una lunghezza d’onda di 450nm, di 57 volte maggiore se consideriamo una lunghezza d’onda di 420nm. E addirittura di 135 volte maggiore per 410nm.

L’essere umano percepisce visivamente qualsiasi oggetto come la somma della luce da esso riflessa più l’eventuale luce emessa intrinsecamente dall’oggetto stesso (un oggetto è considerato ad emissione luminosa se la sua emissione totale ad una certa lunghezza d'onda è maggiore dell'energia della luce che cade nella stessa regione).

Di solito gli oggetti riflettono la luce è il loro colore è determinato dal rapporto con la quale vengono assorbite o riflesse le varie lunghezze d’onda che colpiscono la sua superficie. Un classico esempio è quello rappresentato dalle foglie verdi, queste assorbono tutte le lunghezze d’onda visibili tranne il verde che quindi viene riflesso, ecco così che per noi la foglia assume un colore verde.

Quando un oggetto non solo riflette, ma emette luce propria, l’occhio combina lo spettro della luce riflessa con quello della luce emessa, quindi il colore risultante dipenderà dal rapporto tra le intensità delle lunghezze d’onda della luce riflessa e della luce emessa. Questa somma di colori è meglio illustrata nel diagramma di fig.7:


Fig. 7 Somma dei colori

Se noi guardassimo con sufficiente ingrandimento il monitor del nostro PC ci accorgeremmo che ogni pixel è composto come lo schema sopra illustrato, cioè da tre sub-pixel, uno rosso, uno blu e uno verde e tutti i colori sono ottenuti dalla combinazione e dall’intensità di questi singoli colori.

Bisogna notare a questo punto che il puro colore viola e le sue varianti, magenta e fucsia, sono colori extra-spettrali, in pratica sono ottenuti da miscele di colori quali il viola (400nm) e il rosso.

Se una specifica sorgente luminosa non emette radiazioni in questa gamma di lunghezze d’onda, si perde circa il 20% dei colori, colori che risultano essere molto brillanti incluse tutte le sfumature.
Altra cosa interessante è che se combiniamo il giallo e il blu, visivamente percepiamo un colore bianco puro.

La visone dei colori è principalmente ereditata geneticamente, quindi ogni persona percepisce i colori a modo suo, a volte con differenze significative, e questo al di la di specifici difetti tipo il daltonismo, quindi è molto importante trovare un equilibrio del colore della luce che dovrà essere montata sulla vasca.

Per poter osservare le fluorescenze del corallo, noi dobbiamo irradiare le sue proteine fluorescenti con lunghezze d’onda specifiche. Le lunghezze d’onda assorbite dai più comuni pigmenti fluorescenti presenti negli organismi marini sono rappresentate nel grafico di Fig.8:


Fig. 8 di adsorbimento e di emissione lunghezze d'onda per pigmenti fluorescenti disponibili negli organismi marini. La figura è per gentile concessione di Dan Kelley

L’asse orizzontale rappresenta le lunghezze d’onda responsabili della fluorescenza di varie cromoproteine, mentre l’asse verticale rappresenta le lunghezze d’onda emesse che causano la fluorescenza.

Si può notare che quasi tutti i pigmenti assorbono determinate lunghezze d’onda e riemettono lunghezze d’onda superiori. Come detto sopra, l’occhio umano è più sensibile alla gamma intorno ai 550nm, quindi più vicino a questo dato sarà la lunghezza d’onda emessa, maggiore sarà la percezione del nostro occhio.

Una caratteristica dei corali è quella di assorbire lunghezze d’onda poco percepibili al nostro occhio e riemettere lunghezze d’onda che a noi risultano molto più luminose. Ecco perché con le luci attiniche, che sono luci a lunghezza d’onda corta (poco visibile ai nostri occhi) corrisponde poi un esplosione di fluorescenze grazie alla quale i coralli sembrano illuminarsi di luce propria.

Come abbiamo spiegato in precedenza il colore di un oggetto è dovuto alla riflessione della parte di spettro che non viene assorbita e quindi viene riflessa, a tal proposito abbiamo fatto l’esempio della foglia verde, dove tutto lo spettro viene assorbito tranne la parte del verde che viene riflessa facendoci vedere la foglia appunto di questo colore; ma cosa avviene se noi illuminiamo la foglia con una luce priva di spettro verde?? Succede che vedremo l’oggetto nero in quanto tutto lo spettro luminoso viene assorbito, contrariamente invece negli oggetti bianchi tutto lo spettro viene riflesso, quindi l’oggetto assumerà la colorazione a seconda del colore dello spettro o della somma degli spettri che compongono la luce che colpirà l’oggetto.

Lo stesso fenomeno ovviamente accade anche quando parliamo di coralli, facciamo un esempio: se consideriamo un corallo che contiene una cromoproteina che assorbe luce ad una lunghezza d’onda di 420nm restituendocela a 520nm, e supponendo di poter utilizzare una lampada che emette solo quel tipo di lunghezza d’onda (cioè 420nm) noi avremo come risultato che il corallo non rifletterà alcun tipo di luce, bensì cosa accadrà; accadrà che siccome il nostro occhio è poco sensibile alla lunghezza d’onda di 420nm ma molto sensibile alla lunghezza d’onda dei 520nm, il nostro corallo ci apparirà molto luminoso rispetto alla luce che lo sta illuminando che ci sembrerà molto scura.

A questo punto se noi andassimo a cambiare tipo di illuminazione aggiungendo una sorgente carica di spettro intorno ai 520nm automaticamente ai nostri occhi la florescenza del corallo si attenuerebbe in maniera molto sensibile fino a scomparire se tale fonte luminosa dovesse essere sufficientemente potente rispetto alla precedente.

In conclusione possiamo dire che per una migliore osservazione dei nostri animali noi abbiamo bisogno di illuminare la vasca con un tipo di luce che limiti la riflessione che ostacolerebbe appunto la visione delle fluorescenze.

Tali fluorescenze se osserviamo la Fig.8, sono ottenibili grazie ad una gamma di lunghezze d’onda assorbite dalle cromoproteine piuttosto ampia, questa gamma come si può notare è concentrata per la maggior parte nel range tra i 400 e i 500nm, dobbiamo inoltre tener presente che ad organismi diversi appartengono diversi set di cromoproteine, quindi dobbiamo cercare di regolare al meglio l’utilizzo di queste lunghezze d’onda al fine di ottenere una luce capace di mettere in risalto le fluorescenze emesse dai coralli.

Si noti inoltre che i livelli più alti di fluorescenza si hanno illuminando i coralli con luce nella gamma dei 400-450nm, questo accade soprattutto per il fatto che la sensibilità dell’occhio a queste lunghezze d’onda è molto bassa quindi il contrasto è molto forte. La luce in questo range è comunemente chiamata “luce attinica”.

Sicuramente la fluorescenza dei coralli è uno dei fattori principali che determinano la bellezza di un acquario di barriera, ma la luce nella gamma tra i 400 e i 500nm ha anche un’altra funzione importantissima, infatti è la luce ottimale per favorire la fotosintesi marina, pertanto ecco spiegato il motivo dell’estrema importanza di questa tipologia di luce.

Tutto questo si sposa perfettamente anche con la ricerca sperimentale in questo ambito. Talee di Acropora Millepora sono stati mantenuti per 6 settimane esposti alla stessa quantità di luce blu, rossa e verde. 

Il risultato è che la migliore pigmentazione protettiva del corallo e dovuta principalmente alla componente blu della luce, e anche l’accumulo di proteine GFPs osservata sotto la luce verde è da ricondurre comunque al residuo della componente blu che passa dal filtro del verde.

Gli esperimenti hanno inoltre rivelato che la lunghezza d’onda nella gamma dei 430nm è la più efficiente nel promuovere la colorazione protettiva brillante dei coralli.

Tra i PQs e le CPs. Solo le proprietà di assorbimento del CFPs corrisponde spettralmente alla fascia principale di assorbimento della clorofilla A e C (circa 430nm) il che li rende adatti per un funzionamento efficace del sistema fotosintatico delle zooxantelle. (questa parte mi è poco chiara quindi prendetela con le pinze).

Entriamo ora nel vivo dell’argomento luce e cerchiamo di fare chiarezza anche delle varie unità di misura della luce. Purtroppo per spiegare questo argomento dobbiamo entrare nel tecnico e quindi cercate di portare pazienza e fate un piccolo sforzo di comprensione.

Una sorgente luminosa può essere meglio caratterizzata se si considera la distribuzione spettrale dell’energia della radiazione ottica delle differenti lunghezze d’onda che la compongono, in pratica la possibilità di misurare esattamente l’energia ottica emessa per ogni singola lunghezza d’onda che compone l’intero spettro della sorgente luminosa.

Questa caratteristica è in genere rappresentata dalla curva spettrale. Per la maggior parte delle sorgenti luminose la curva spettrale non è disponibile, al suo posto viene fornito il valore del flusso luminoso stimato, questo valore viene espresso in lumen.

Il flusso luminoso espresso in lumen rappresenta la potenza della radiazione luminosa visibile com’è percepita dall’occhio umano in base alla sensibilità dell’occhio nei confronti delle diverse lunghezze d’onda.

Il lumen corrisponde al flusso luminoso totale emesso uniformemente da una sorgente di luce con intensità luminosa di una candela in un angolo solido di uno steradiante (lo steradiante è un cono con angolo di circa 65,5° al vertice).

La candela invece 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 al picco di sensibilità dell'occhio umano), ed ha una intensità radiante in quella 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 di luce abbiamo bisogno di riassumere in lumen tutte le lunghezze d'onda emesse.

È evidente che la parità di energia luminosa in varie parti dello spettro sarà percepito dall'occhio in modo diverso: una fonte potente nella gamma dei 400-450nm sarà percepito come una luce molto debole, e una fonte di luce nella regione infrarossa ci apparirà nera.

Pertanto la stima del flusso luminoso in lumen è valido 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: mmol · photons/m2/s.

Durante i milioni di anni di evoluzione gli organismi marini foto sintetici si sono adattati a diversi livelli di potenza della luce. Per ciascun organismo foto sintetico si possono definire tre valori di soglia della luce:

La prima soglia è il valore minimo necessario per il mantenimento della biomassa nell’organismo fotosintetico, questo è quantità di luce minima che permette al corallo ne di avere un guadagno ne di avere una perdita della biomassa ma semplicemente garantisce il suo mantenimento.

La seconda soglia , quella media, è la quantità di luce che garantisce l’efficienza massima della fotosintesi.

La terza soglia, quella massima, è la quantità di luce massima che può essere utilizzata, a questo livello non si ha un aumento dell’attività fotosintetica.
I valori di queste tre soglie cambiano a seconda degli organismi considerati, ma possiamo comunque utilizzare una stima media per tutti gli organismi che vivono in acque poco profonde.

Possiamo tranquillamente considerare che la soglia minima (scarsa luminosità) si attesti tra 80-100 mmol · photons/m2/s, che la soglia media si attesti tra 150-200 mmol · photons/m2/s, e quella massima (soglia ottimale) tra 300-400 mmol · photons/m2/s.

Il limite di saturazione della fotosintesi si attesta tra 600-700 mmol · photons/m2/s.

Nei nostri acquari noi dobbiamo cercare di ottenere un tipo di illuminazione significativamente migliore rispetto alla soglia minima, cercando di avvicinarsi alla soglia ottimale.

Consideriamo ora un altro esperimento effettuato con le acropore millepore per illustrare la differenza di produzione di cromoproteine in condizioni di scarsa luminosità e luminosità ideale Fig.9.

Illumination
100               400


Red fluorescent


 Green fluorescent


Daylight

Fig.9 Esperimento con Acropora Millepora che illustra un insufficiente produzione di cromoproteine in condizioni di luce scarsa, e il cambiamento in condizione di luce ottimale.

Questo esperimento ha dimostrato che le cromoproteine non si formano sotto livelli di illuminazione inferiori ai 100 mmol · photons/m2, mentre la loro quantità aumenta quasi in maniera lineare con l’aumentare dell’intesità luminosa fino al valore di circa 700 mmol · photons/m2.

Tuttavia è sbagliato pensare che sia buona idea fornire quantità così alte di luce ai nostri acquari in quanto un corallo in funzione dei parametri ambientali presenti nelle nostre vasche, potrebbe andare in difficoltà , infatti in condizioni non ottimali (non sempre triade e nutrienti nelle nostre vasche hanno valori ideali) si può avere un effetto contrario sui nostri animali, e il risultato può trasformarsi in quello che noi conosciamo come fenomeno di bleaching, ossia lo sbiancamento dell’animale.

L’esperimento dimostra quali siano i livelli ottimali di luce che migliorano la crescita e la produzione delle cromoproteine ordinarie e fluorescenti dei nostri coralli.

In conclusione possiamo affermare che la gamma di lunghezze d’onda tra i 400 e i 500nm è molto vantaggiosa per gli organismi foto sintetici marini, e che la porzione di onde corte compresa tra i 400 e i 450nm è molto utile per la formazione di colorazioni brillanti.

Prendiamo in considerazione le fonti di illuminazione attiniche più popolari utilizzate sugli acquari di barriera. Questi sono per lo più le lampadine fluorescenti (neon T5), che irradiano principalmente nella gamma dei 400-500nm, come ad esempio una Giesemann attinica Plus, fig. 10:

Fig. 10 Tubo fluorescente attinico: Giesemann Actinic Plus

Osservando la distribuzione spettrale di questo bulbo possiamo vedere che oltre alla parte dello spettro puro attinica, che è richiesta per ottenere la fluorescenza del corallo, ci sono anche distinti picchi "parassiti" intorno ai 550 nm.

Come abbiamo detto, l'occhio umano è più sensibile di circa 20 volte alle lunghezze d'onda di questa gamma piuttosto che alla gamma "attinico" che causa la fluorescenza (vedi fig. 6).

Di conseguenza, questo bulbo è visivamente percepito come molto brillante, quasi bianco, ma con una forte tinta blu-violetto. La fluorescenza risultante sarà parzialmente "oscurata", e questo è il risultato che produce questa radiazione parassita, dovuto a quanto spiegato sopra, in relazione alla miglior sensibilità del nostro occhio alle lunghezze d’onda intorno ai 550nm.

Negli ultimi anni sono stati fatti diversi tentativi per creare modelli di lampade "attiniche" che abbaino una gamma di luce molto stretta nel range ottimale. Una delle migliori è la Giesemann POWERCHROME actinic plus, con una significativa riduzione della porzione di lunghezze d’onda tra i 450 e i 500nm (Fig. 11):




Fig. 11 Spettro lampada POWERCHROME actinic plus

Anche in questo spettro possiamo notare che esiste una parte “parassita” anche se la gamma dei 420-430nm è meglio rappresentata. Tuttavia, anche questa lampada, ai nostri occhi appare ancora abbastanza luminosa a causa del picco ancora presente a 550nm. Fino ad oggi quindi i tubi fluorescenti non sono così efficienti per l'osservazione della fluorescenza in un acquario di barriera.

Comunque niente paura, molto recentemente, c'è stato un passo avanti nel campo di illuminazione a stato solido, e molte lampade dedicate alle vasche di barriera sono ora costruite con l'uso dei LED. I vantaggi deglii apparecchi a LED rispetto alle sorgenti luminose convenzionali sono molti, considereremo solo i principali fattori.

Vantaggio 1: maggiore efficienza e minore generazione di calore

La maggior efficienza dei led è dovuta a due motivi principali. Il primo è che i led hanno oggi un’efficienza di circa il doppio rispetto alle tradizionali fonti T5 e HQI di convertire l’energia elettrica in flusso luminoso, il secondo è che i led irradiano luce verso una sola direzione del piano, questo è importante perché tutta la luce prodotta viene direzionata verso la vasca al contrario delle altre fonti che emettendo luce a 360° hanno bisogno di recuperare il flusso luminoso che altrimenti andrebbe disperso attraverso l’utilizzo di riflettori talvolta anche molto ingombranti.

In più le lampade tradizionali con il loro volume occupato restano da intralcio funzionando come uno scudo al recupero della luce. Tenendo conto di queste considerazioni si può affermare che la resa di una buona lampada led è di circa 3 volte superiore alle tradizionali lampade.

Altra conseguenza importante è che grazie ad una maggiore efficienza dal punto di vista luminoso la quantità di calore prodotto è notevolmente minore, e come sappiamo questo si traduce in un minor utilizzo di apparecchi per il raffreddamento dell’acqua della vasca, ed un miglior impatto ambientale di questa fonte luminosa.

Vantaggio 2: ciclo di vita esteso

Come sorgente luminosa a stato solido, un diodo emettitore di luce non ha parti soggette a rapida usura, come potrebbe essere un filamento incandescente. 

Quando azionato al di sotto della corrente nominale e purché non fatto surriscaldare, un LED di alta qualità degrada molto lentamente, ovviamente anche i LED hanno le loro esigenze specifiche, che devono essere considerate quando si progetta un apparecchio.

La durata dei migliori LED disponibili sul mercato oggi è davvero molto alta, a patto che la dispersione del calore e la potenza d’utilizzo siano correttamente dimensionate.

Attraverso l’utilizzo di modelli complessi si è potuto calcolare la vita di un led, questa vita è espressa in ore di funzionamento ed è strettamente relazionata alle condizioni di utilizzo del led.

Quando facciamo riferimento a questo dato dobbiamo tener presente che la vita di un led non è calcolata dall’accensione fino allo spegnimento del led, ma bensì dall’accensione fino al raggiungimento del 70% del flusso luminoso iniziale, quindi se un led ha 100.000 ore stimate di funzionamento, questo starà a significare che dopo 100.000 ore il led mediamente emetterà il 70% del flusso che emetteva appena acceso.

Tradotto in pratica si potrebbe dire che, considerando metà del valore stimato di funzionamento di 100.000 ore, cioè considerando pessimisticamente 50.000 ore di vita, un led acceso 12 ore al giorno avrà una durata di 4166 giorni che significa oltre 11 anni di vita.

Se ben montato, la probabilità di un led di guastarsi nelle prime 50.000 ore di vita sono dell’1%, quindi bassissime, però essendo comunemente i led montati in serie se questo dovesse accadere l’intera fila di led si spegnerebbe e questo è uno dei pochi svantaggi dei led, anche se le probabilità sono piuttosto remote.

In confronto ai led i tubi fluorescenti devono essere sostituiti ogni 6/8 mesi, questo sta a significare che nell’arco della vita di una plafo led noi sostituiamo circa una ventina di volte tutto il parco lampade, è facile intuire il grosso risparmio sia di tempo ma soprattutto di denaro.

Vantaggio 3: Possibilità di regolare l'illuminazione e lo spettro

Quando si utilizzano i driver dimmerabili, la luce emessa dai LED può essere regolata facilmente. Gli acquariofili generalmente usano i controller dedicati per imitare albe e tramonti, simili alle variazioni di illuminazione naturale durante il giorno.

È importante tuttavia tener presente che, alba e tramonto, nella zona equatoriale, sono molto più veloci rispetto alle latitudini più elevate, e la durata del giorno è pari a quella della notte (cioè vi è sempre un fotoperiodo di 12 ore). Vedere il diagramma di fig. 12:



Fig. 12 La figura mostra come cambia a seconda dell'ora del giorno (AE), l’incidenza dell'angolo della luce solare. Immagine per gentile concessione della NASA Earth Observatory

L’irradianza reale misurata alla superficie dipende da molti fattori, come la torbidità, la quantità di vapore acqueo nell'aria, turbolenza atmosferica ecc… L'irraggiamento misurato sulla Grande Barriera in un giorno tipico è mostrato in fig.13:


Fig. 13 irraggiamento solare relazionato all’elevazione del sole il 2 settembre, 1998 a One  Tree Island, Great Barrier Reef (23 ° 30'S, 152 ° 06'E) (Foto: A. Salih, dati non pubblicati)

Si noti che la luce è quasi completamente riflessa quando i raggi solari colpiscono la superficie dell'acqua con angoli piccoli. La riflessione dipende anche dalla velocità del vento. Queste dipendenze sono illustrate nel diagramma di fig.14:


Fig. 14 riflettanza della luce solare in relazione alla radiazione solare. Percentuale teorica e misurata di luce solare riflessa da una superficie d’acqua completamente liscia in relazione alla elevazione solare (sulla base di calcoli di Weinberg, 1976; Grichenko in Weinberg, 1976)

Tutto ciò sta a significare che l'illuminazione naturale in acqua non è sufficiente per la fotosintesi da quando il sole sorge finché non vengono raggiunti e superati i 15 gradi sopra l'orizzonte.

Circa 30 minuti dopo questo periodo l'illuminazione aumenta rapidamente e raggiunge circa la metà del valore massimo giornaliero. Pertanto il fotoperiodo utile è di circa 9 ore. Questi sono i fattori che un acquariofilo dovrebbe prendere in considerazione se desidera replicare i cicli di luce naturali.

Consideriamo ora le caratteristiche importanti della luce, che sono necessarie per le nostre ulteriori conclusioni.

La prima caratteristica è la TCC ovvero la Temperatura di colore correlata

Secondo una convenzione internazionale stabilita dalla CIE (Commissione Internazionale dell’Illuminazione), nel valutare le proprietà della luce delle sorgenti luminose ci si avvale di una grandezza che rende conto del loro contenuto cromatico. Tale grandezza di riferimento è chiamata “temperatura di colore” ed è espressa in gradi Kelvin (°K).

Si definisce temperatura di colore di una data radiazione luminosa, la temperatura che dovrebbe avere un corpo nero ideale, affinché la radiazione luminosa emessa da quest'ultimo appaia cromaticamente la più vicina possibile alla radiazione considerata, bassi valori della temperatura di colore corrispondono a tonalità di colore tendenti al rosso, e viceversa alti valori corrispondono a colori tendenti al blu.

Mettiamo a confronto gli spettri delle radiazioni emesse da due diversi corpi neri assoluti, con temperature di colore diverse [10]. I diagrammi indicano anche la lunghezza d'onda dominante. Fig. 15 lo spettro di una sorgente luminosa con TCC 5500K, e la Fig. 16 con TCC 6500K:


Fig. 15 Spettro di una sorgente di luce con CCT 5500K


Fig. 16 Spettro di una sorgente di luce con 6500K

Come possiamo vedere la lunghezza d’onda dominante aumenta col diminuire della temperatura di colore, si può dunque affermare che una maggiore temperatura di colore corrisponde ad uno spettro dove c’è una maggiore quantità di spettro verso le alte frequenze e quindi minori lunghezza d’onda, e viceversa una minore temperatura di colore corrisponde ad uno spettro con minori frequenze e lunghezze d’onda più alte.

Parlare di temperatura di colore oltre i 20.000 °K non ha senso, tuttavia molti produttori spesso indicano lo spettro della lampada in un intervallo molto breve del suo reale range, offrendo lampade con lo spettro simile a quello rappresentato in Fig.17:


Fig. 17 Spettro di una lampada blu super-25000K

A causa di questa variabilità dei dati legati allo spettro e alla TCC, non è possibile prendere la temperatura di colore come dato per confrontare i vari spettri delle lampade, inoltre a volte ad elevate temperatura di colore non corrisponde uno spettro attinico adeguato.

Un'altra caratteristica importante è il CRI - l'indice di resa cromatica.

Il colore con cui ci appare un oggetto, che non emette luce propria, dipende sia dal suo modo di riflettere la luce (cioè da quali lunghezze d'onda riflette maggiormente), sia dalla luce che lo illumina (cioè dalla composizione spettrale di quest'ultima). 

Dunque, non ha senso parlare di colore reale di un oggetto in senso assoluto, senza specificare anche il tipo di sorgente luminosa. 

uttavia, appare ragionevole associare ad alcune particolari sorgenti luminose un ruolo privilegiato per ritenere naturali i colori con cui appaiono gli oggetti quando sono illuminati da esse: si deve trattare di sorgenti che abbiano uno spettro completo di tutte le lunghezze d'onda nel visibile, in modo che non vengano trascurate particolari lunghezze d'onda rispetto alle altre: per esempio, possiamo considerare la luce diurna oppure la radiazione emessa da un corpo nero ad una determinata temperatura (non inferiore a 1900 K), le quali soddisfano tale requisito.

Pertanto, per definire l'indice di resa cromatica, si prende come riferimento proprio la radiazione emessa da un corpo nero e, data una sorgente luminosa che abbia una certa temperatura di colore, tale indice misura la differenza tra come, in generale, appaiono cromaticamente gli oggetti quando sono illuminati da essa e come appaiono quando sono illuminati da un corpo nero alla stessa temperatura, il quale rappresenterà la sorgente campione: minore è tale differenza, migliore è la resa cromatica della sorgente e, quindi, maggiore è il valore dell'indice.

E’ importante sapere tuttavia che, il CRI è calcolato per sorgenti di luce con una temperatura di colore particolare. Non è pertanto opportuno confrontare una sorgente luminosa da 2700K CRI 82, con una sorgente luminosa da 5000K con CRI 85.

Si noti inoltre che la Temperatura di Colore e l’Indice di Resa Cromatica, sono definiti sorgenti luminose che contemplano l’intero spettro. Se si osservano le figure 15 e 16 si può vedere che quelle sorgenti hanno uno spettro che comincia intorno ai 120nm e finisce intorno ai 3000nm.

Nell’intero range di lunghezze d’onda che compongono le due sorgenti luminose è evidente che esiste un range molto stretto nella quale viene irradiata la maggior parte dell’energia.

Lo spettro di emissione della radiazione di un corpo nero non può avere la forma di una gamma di lunghezze d’onda con un picco così stretto come lo hanno le sorgenti monocromatiche, e quindi per il calcolo della TCC tali sorgenti non hanno senso.

Tutte le lampade HQI e fluorescenti (T5) emettono uno spettro formato da picchi distinti di determinate lunghezze d’onda, mentre la luce solare ha uno spettro continuo. Lo spettro parziale nelle HQI è il risultato della luce emessa da una scarica di corrente fatta scoccare in una miscela di vapori di mercurio o altri metalli, mentre per le lampade fluorescenti è dovuta all’eccitazione dei vari fosfori che emettono strisce di luce visibile a diverse frequenze. LA differenza tra uno spettro
parziale e uno continuo e mostrata nella Fig.18:


Fig. 18 Spettro continuo (sopra) spettro parziale (in basso)

A causa delle lacune delle lunghezze d’onda presenti nelle lampade con gli spettri formati da picchi  distinti alcuni colori non possono essere visualizzati, la conseguenza è che la luce emessa avrà un valore basso di indice cromatico.

Ovviamente i produttori di lampade cercano di evitare lacune profonde nello spettro, come si può vedere negli spettri di queste due lampade della BLV da 10000K e da 14000K mostrati in Fig.19.1 e Fig.19.2:


Fig.19.1 Spettro lamapada BLV 10000K


Fig.19.2 Spettro lampada BLV 14000K

Se si osservano i due spettri notiamo che non ci sono punti in cui questi vanno a zero, quindi questi due spettri possono essere considerati continui, quindi si può calcolarne la resa cromatica, ovviamente però per il fatto che siano presenti dei picchi ben delineati rende nulla la possibilità di delineare con precisione il CRI.

Le differenze più significativa tra le due lampade stanno nel range tra i 400 e i 450nm mentre per entrambe lo spettro dopo i 460nm è molto basso, questo è logico perché i produttori sanno che quello è il range più importante per la fotosintesi e giocano su quello per attrarre il cliente, nonostante ciò, per avere una sufficiente quantità di spettro attinico dobbiamo prendere in considerazione lampade intorno ai 20000K.


Fig.20 Spettro di una lampadina da 400W Radium Hamilton HQI TCC 20000k

Questa lampada irradia una parte significativa della sua potenza nella gamma dei 400-450nm, con un picco notevole a circa 420-430nm. Solo una piccola parte della potenza emessa nella gamma di lunghezza d'onda più lunga rende la sua luce visibile, anziché farla rimanere buia all'occhio umano, come accade per la luce ultravioletta-blu.

Bulbi con elevate Temperature di Colore sono spesso caratterizzati da una porzione significativa della radiazione nella gamma 420-430nm. Gli acquariofili marini esperti consigliano lampadine 20000k per fornire il colore migliore agli organismi marini. Questo consiglio deriva da anni di pratica e si sposa perfettamente con le conclusioni che a cui siamo giunti sopra.

Naturalmente c’è una eccezione a qualsiasi regola. Nel nostro caso, tale eccezione sono gli organismi marini, che vivono solo in acque poco profonde nel loro habitat naturale, ad esempio nella zona di marea. 

Si tratta di un'importante numero di specie: ci sono specie che possono vivere sia in acque poco profonde che a profondità media, e sono abbastanza tolleranti dal punto di vista dello spettro luminoso, alcune specie tuttavia, non riescono a vivere se non vicino alla superficie, e non possono sopravvivere anche a piccole profondità. 

Tali specie non si adattano bene, non solo per ad una illuminazione debole, ma anche ad un diverso spettro. Alcune specie di polipi coloniali del genere Zoantidae sono un esempio di questa mancanza di adattamento.

Prendiamo ora in considerazione lo spettro irradiato da vari LED. Lo spettro di un LED bianco freddo con circa 7000K di TCC è mostrato in fig. 21.


Fig. 21 Spettro LED bianco 7000K

Se osserviamo questo spettro possiamo vedere che non è formato da picchi come quelli delle lampade HQI e fluorescenti, in effetti a parte una carenza nel range tra 470 e 500nm facilmente colmabile con un led blu possiamo affermare che questo è uno spettro continuo.

Diamo un’occhiata alla distribuzione spettrale dei led Philips serie Luxeon Rebel Fig.22:



Fig. 22 distribuzione spettrale dei led di potenza Philips LUXEON Rebel



La radiazione dei led blu è la più adatta a compensare la richiesta della gamma tra i 470-490nm. In questo caso la scelta di un led con un picco intorno ai 475-480nm farebbe al caso nostro, fortuna che questo tipo di lede site sul mercato.

Per spiegare meglio la denominazione dei led dobbiamo spiegare la definizione di “gruppo”(BIN) che i produttori utilizzano per definire le caratteristiche dei led. I led infatti vengono divisi in gruppi, nella quale i led possono essere selezionati per efficienza, lunghezza d’onda dominante (nel caso dei monocromatici), Temperatura di colore o CRI etc…




Tabella suddivisione in gruppi dei led blu Luxeon in funzione della Lunghezza d’Onda Dominante


Con l’aggiunta di led con codice BIN 4, siamo in grado di appiattire la curva dello spettro di un led bianco creando uno spettro continuo dai 430 ai 600nm.
Veniamo ora alla parte interessante di tutta questo articolo, l’effettiva applicazione di tutte le nozioni nella costruzione di una plafo led.

Utilizzando solo due tipi di led, cioè bianco e blu siamo in grado di produrre uno spettro molto completo ma ahimè non sufficiente per la resa in acquariologia, infatti questo spettro sarebbe carente nel range di lunghezze d’onda tra i 400-450nm se confrontato alla quantità di questo spettro misurato in mare alla profondità di pochi metri.

La carenza della lunghezza d’onda di 450nm è facilmente colmabile utilizzando un giusto numero di led RoyalBlu, in più se guardiamo lo spettro dei led bianchi possiamo vedere che questi led sono carenti anche di lunghezze d’onda dai 650-660nm, ma se guardiamo la Fig.4 possiamo notare che in acque poco profonde questa parte di spettro è ben presente, quindi può essere utile inserirla anche
per migliorare la visione del colore rosso in vasca.

Un tipo di spettro come quello indicato in Fig.23 è quello emesso da lampade led sul mercato di note marche:


Fig.23 Spettro lampada led Ecotechmarine


Questo spettro ha un discreto picco intorno ai 660nm, ha la parte intorno ai 480nm colmata, tuttavia è evidentemente scarso nel campo della luce attinica, cioè nel range 400-430nm.

Fino all’anno scorso questa gamma di led non era disponibile sul mercato ne con una qualità sufficiente ne tantomeno a prezzi abbordabili (lo sa bene il sottoscritto traduttore), infatti si trovavano led di scarsa qualità a prezzi da capogiro.

Dal 2012 però sono arrivati sul mercato led di nuova generazione a prezzi decisamente abbordabili, quindi oggi possiamo inserirli nelle giuste quantità per sviluppare le fluorescenze contenendo i costi di una plafoniera a livelli più che accettabili.

Molti appassionati di fai da te oggi utilizzano led da 420nm cinesi di scarsa qualità, questo comporta il fatto che sulle nostre vasche montiamo led che hanno lunghezze d’onda non garantite che possono variare dall’UV puro (365nm) al viola quasi blu, questo può essere molto pericoloso e lo si sconsiglia vivamente, anche perchè con la luce UV non si scherza visto che può essere dannosa alla salute dei nostri occhi, in più questi led si deteriorano molto velocemente perdendo presto di
efficacia.

Allo stesso tempo, una ricerca condotta dal Centro Comune di Ricerca della Commissione Europea [12] mostra che la luce con lunghezze d'onda UV può causare fosforescenze sgradevoli di piccole particelle sospese in acqua come evidenziato nel grafico in Fig. 24:



Fig. 24 Fosforescenza di piccole particelle in acqua in presenza di luce UV

Lo schema contiene diversi grafici che evidenziano la fosforescenza di particelle di dimensioni diverse. Noi siamo per lo più interessati a particelle di dimensioni di circa 60 micron, che sono abbondanti in un acquario di barriera. Quando irradiate con lunghezze d'onda più corte di 370- 380nm, la fosforescenza può essere molto significativa.

La generazione di led attinici precedente aveva ampi diagrammi spettrali nella quale spesso erano contenuta una significativa parte di lunghezze d’onda intorno ai 370nm, che erano causa di una notevole fluorescenza di particelle sospese in acqua, quindi si consigliava di montare un numero esiguo di questi led.

Fortunatamente, l'ultima generazione di LED ha una larghezza di banda efficace di circa 30 nm [15], e utilizzando i LED nella gamma 400-430nm possiamo evitare la fosforescenza di particelle sospese, anche se la radiazione totale in questo range è molto elevata.

Cercheremo ora di stimare la quantità di luce necessaria nei singoli intervalli delle lunghezza d'onda utili per ricreare una luce sufficientemente fotosintetica, questi intervalli sono: 400-440nm, 440-480nm, 480-520nm, 520-700nm e. Ogni intervallo corrisponderà a un canale di colore in un dispositivo LED e può essere ottenuto utilizzando un tipo o una combinazione di diversi tipi di LED.

L’insolazione superficiale dell’oceano dipende dalla presenza di alcuni fattori naturali, quali la presenza di nuvole, la posizione del sole etc…. Per le nostre stime assumeremo come valore un’insolazione media ottenuta in 3 mesi di raccolta dati statistici alle isole Fiji, questo valore è di 1789 J/cm2. Supponendo un fotoperiodo di 12 ore questo si traduce in una potenza di 413 W/m2.

Insolazione superficie dell'oceano dipende dalla presenza di nuvole, posizione del sole, e altri fattori. Per le nostre stime ci si assume una insolazione media mensile del 1789 J/cm2, sulla base di 3 mesi per le statistiche Figi [20]. Supponendo un 12 ore fotoperiodo, questo si traduce a 413 W/m2.

Nella tabella 2 illustrata di seguito troveremo i dati delle potenze ottiche delle singole lunghezze d’onda relativi alle varie profondità a cui si faceva riferimento in Fig.3:


Tabella 2 potenza luminosa media (in W per mq) per gli intervalli spettrali definiti durante il giorno


Guardando la tabella ci accorgiamo immediatamente che al variare della profondità le lunghezze d’onda nella gamma dei 520-700nm decadono in maniera veloce entro già i primi 15metri di profondità, alla stesse profondità è evidente invece che la gamma di lunghezze d’onda tra i 400-520nm non subisce significative riduzioni. Per questo motivo gli organismi marini si sono adattati a tali lunghezze d’onda che quindi sonmo quelle in grado di meglio sviluppare le fluorescenze e le pigmentazioni dei nostri animali. 

Essendo l’occhio umano molto sensibile alle lunghezze d’onda tra i 520e i 600nm è chiaro che per vedere illuminata la nostra vasca sarà sufficiente una piccola quantità di questo range . L’integrazione invece di led a 660nm può risultare utile per tutti gli organismi abituati a vivere in acque basse, mentre una buona combinazione di led da 400-420nm aiuterà alla corretta resa del colore viola.

Come abbiamo dimostrato la gamma di lunghezze d’onda tra 400-480nm è la più importante per gli organismi fotosintetici marini, infatti nel loro ambiente naturale i coralli ricevono ben 52-55 W/m2 di potenza luminosa nel range tra 400 e 420nm e 60-64 W/m2 di potenza luminosa nel range tra i 440 e i 480nm.

Arrivati a questo punto prendendo in considerazione i valori in W/m2 della gamma di lunghezze d’onda tra 400 e 480nm possiamo calcolare la quantità di mmol · photons/m2/s applicando questa formula

Watts/m2 = 0,219 * L

dove L sta per la quantità di mmol · photons/m2/s

Quindi :

L = Watts/m2 / 0.219

nel nostro caso considerando la somma delle due lunghezze d’onda più utili (range 400-480nm)avremo che a 0 metri di profondità:

L = 119 / 0.219 = circa 543 mmol · photons/m2/s

Questo dato come abbiamo visto all’inizio è più che sufficiente a soddisfare le esigenze anche dei coralli più difficili dal punto di vista dell’illuminazione visto che la soglia ottimale si attestava tra 300-400 mmol · photons/m2/s, mentre il limite di saturazione della fotosintesi si attesta tra 600-700 mmol · photons/m2/s.

In conclusione in una plafoniera led per vasche di barriera dobbiamo assicurarci di montare una quantità di led nel range 400-440nm che emettano una potenza ottica di 52-55 W/m2 e nel range 440-480nm di 60-64 W/m2, questo ci permetterà di ottenere un eccellente livello di fotosintesi e fluorescenze.

Questi parametri che abbiamo ricavato sono da considerarsi dati limite, per cui non è consigliabile nelle nostre vasche utilizzare tali valori di potenza ottica, infatti oltre alle lunghezze d’onda menzionate dobbiamo considerare che per un miglior effetto visivo nelle nostre plafoniere montiamo altri tipi di led che contribuiscono a incrementare la potenza ottica totale irradiata (vedi led bianchi che contengono picchi di royalblu).

Se poi consideriamo che la produzione delle cromoproteine si ferma sotto i 100 μmol · photons/m2/s e il suo valore ideale è al massimo di 400 μmol · photons/m2/s possiamo tranquillamente ridurre il valore di W/m2 del range 400-480nm.

Per migliorare ulteriormente la mitigazione della potenza ottica media ci vengono incontro anche dispositivi come la dimmerazione per simulare alba e tramonto.

Alla luce di tutto ciò, noi crediamo che la potenza massima di radiazione più ragionevole dovrebbe essere di circa 45W/m2 per il 400-440nm gamma e sulla 40W/m2 per il 440-480nm gamma.

Nota: Quando parliamo di potenza ci riferiamo alla potenza ottica emessa dai led e non alla potenza elettrica consumata dai LED. Per determinare il numero di LED necessari in un dispositivo e la loro corrente nominale questo dato deve essere convertito in energia elettrica, e questa dipende dall’efficienza dei LED utilizzati. Di questi calcoli, e della selezione di particolari LED piuttosto che di altre questioni relative alla effettiva costruzione di un apparecchio a LED parleremo nel nostro prossimo articolo.

Se la vasca viene illuminata con queste lunghezze d’onda per 12 ore includendo brevi albe e tramonti come sono quelli delle zone equatoriali, applicando gli ultimi valori considerati otterremo un irraggiamento medio di 400 μmol · photons/m2/s più che sufficiente alla produzione ottimale delle cromoproteine.

Dal momento che come abbiamo detto la plafoniera comprenderà anche altri ed con altre lunghezze d’onda possiamo tranquillamente assumere che le cifre citate comprendono un margine di sicurezza.

Essendo l’acqua delle nostre vasche mediamente in condizioni di trasparenza ideale e visto che la produzione di cromoproteine comincia già a valori intorno ai 100μmol · photons/m2/s si consiglia inizialmente di partire con valori di potenza della lampada più bassi da incrementare entro alcuni mesi. 

Dopo questo periodo iniziale, se tutti i valori della vasca sono nel range ottimale possiamo anche spingere la nostra plafoniera fino a valori di 400μmol · photons/m2/s.

Tirando le somme, come abbiamo potuto vedere parametri come CRI (indice cromatico) o TCC (temperatura di colore) piuttosto che i Lumen non sono parametri utili alla costruzione di una plafoniera Led per le vasche di barriera, invece è utile sottolineare l’importanza della quantità di luce nel range di lunghezze d’onda 400-480nm, infatti una volta soddisfatta questa condizione il resto dei parametri della lampada potranno essere scelti secondo i gusti personali (basta ricordarsi di non superare i valori della potenza totale irradiata).







Purtroppo l’unica nota dolente è che sul mercato dei led oggi la gamma fino a 450nm è molto ben rappresentata mentre la gamma tra i 400 e i 440nm purtroppo è ancora piuttosto carente, speriamo che in futuro questo gap venga colmato.

NOTA DEL TRADUTTORE:
in questo articolo si riassumono 4 anni di intuizioni studi e estenuanti discussioni, il sottoscritto non ha seguito corsi di studi di illuminotecnica, ne tanto meno di biologia marina, ma si è limitato solo a leggere studiare e cercare di capire al fine di poter migliorare il nostro hobby senza alcun tornaconto personale. Oggi dopo tanto tempo questo articolo scritto da un ingegnere racchiud e e argomenta tutto quello che io non ho mai potuto dimostrare dal punto di vista scientifico e mi permetto di concedermi solo un piccolo momento di autostima, concedetemelo anche voi e vi prego non giudicatemi un vanitoso 

GIOVANNI BOTTAZZO



Riferimenti:
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2. David H.Hubel, Eye, Brain and Vision. 256p., 1995, ISBN/ASIN: 0716760096
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