Gość Zgłoś odpowiedź Napisano 30 Styczeń 2022 (edytowane) Być może każdy hobbysta rafy jest gotów zapewnić swoim koralowcom „właściwe” światło – ważne jest zarówno prawidłowe widmo, jak i odpowiednia intensywność. Zanim zastanowimy się, jak wdrożyć to „właściwe światło”, najpierw spróbujemy zrozumieć, jakie światło otrzymują organizmy morskie w swoim naturalnym środowisku. Rys. 1 Rozkład widmowy energii słonecznej na poziomie morza Jako punkt wyjścia rozważ rozkład widmowy energii słonecznej na Fidżi w lipcu, ryc. 1: Oś pozioma wykresu to długość fali w nanometrach, a oś pionowa to irradiancja widmowa w W/m2 · nm. Ludzkie oko jest wrażliwe na promieniowanie w zakresie od około 400 do 700 nm, dlatego zakresy długości fal krótsze niż 400 nm (światło ultrafioletowe) lub dłuższe niż 700 nm (promieniowanie podczerwone) zaznaczyliśmy kolorem czarnym, natomiast długości fal widzialnych są barwione tak, jak są postrzegane przez Oko. Wykres na rys. 1 został uzyskany z widma słonecznego na granicy atmosfery ziemskiej za pomocą oprogramowania do symulacji naukowej SMARTS 2.9.5. Symulator ten uwzględnia pochłanianie światła przez różne składniki atmosfery oraz światło rozproszone z nieba. Spróbujmy teraz dowiedzieć się, jakie widmo światła jest dostępne dla organizmów morskich w ich naturalnym środowisku. W naszej próbie zbudowania idealnej oprawy oświetleniowej do naszych zbiorników rafowych spróbujemy wygenerować podobny rozkład widmowy na pewnych głębokościach pod wodą. Rys. 2 Penetracja światła do wody morskiej w zależności od długości fali Różne gatunki koralowców żyją na różnych głębokościach: niektóre żyją w bardzo płytkich wodach, podczas gdy koralowce głębinowe , takie jak Bathypates spp., można spotkać na głębokości do 8000 metrów (około 5 mil). Około 20% wszystkich gatunków koralowców nie jest fotosyntetycznych; nie wymagają żadnego światła jako źródła pożywienia . Większość koralowców jest jednak fotosyntetyczna i są to gatunki najczęściej trzymane w domowych akwariach. Spróbujemy dowiedzieć się, jakie światło preferują. Rozważmy wykres przenikania światła słonecznego do wody morskiej, w zależności od długości fali, opracowany przez Institute for Environment and Sustainability Komisji Europejskiej [4] (rys. 2): Oś pozioma to długość fali świetlnej w nanometrach, a oś pionowa to głębokość w metrach, przy której intensywność tej długości fali jest równa jednemu procentowi natężenia na powierzchni. Z tego wykresu jasno wynika, że najlepiej wnikają w głąb fale o długości od około 370 do 500 nm. Innymi słowy, fioletowe i niebieskie części widma najlepiej wnikają w wodę morską, podczas gdy zielone światło jest znacznie gorsze, żółto-pomarańczowe jest jeszcze gorsze, a czerwone światło o długości fali większej niż 600 nm jest w stanie przebić się tylko do bardzo płytkich wód. Widmo światła na powierzchni można zdefiniować jako funkcję I 0 (λ), gdzie λ jest długością fali, a I 0 jest intensywnością dla odpowiedniej długości fali na głębokości zerowej. Stąd widmo adsorpcji I a (λ) na głębokości D można wyznaczyć jako Ja ( λ) = I 0 (λ) · K (λ) · D (1) gdzie K(λ) to adsorpcja przez wodę morską w funkcji długości fali. Widmo na głębokości D będzie równe widmu na powierzchni I 0 (λ) minus widmo adsorpcji I a (λ): Ja (λ) = Ja 0 (λ) - Ja ( λ), lub, zastępując (1) w tym wyrażeniu, wyprowadzimy: I (λ) = I 0 (λ) · (1 - K (λ) · D) (2) Z tego wyrażenia możemy wyprowadzić wykres przenikania światła do wody morskiej d(λ): d (λ) = (1 - I (λ) / I 0 (λ)) / K (λ)) (3) Zakładając, że wykres na rys. 2 opiera się na założeniu, że natężenie światła na określonej głębokości jest równe 1% natężenia na powierzchni, tj. I(λ) = 0,01 · I 0 (λ), możemy uprościć (3): d (λ) = 0,99 / K (λ) Ta funkcja d(λ) jest naszym wykresem przenikania światła do wody morskiej, który przedstawiono na rys. 2. Korzystając z tego wykresu możemy wyznaczyć adsorpcję światła w wodzie morskiej w funkcji długości fali K(λ): K (λ) = 0,99 / d (λ) (4) Podstawiając wyrażenie (4) do (2), możemy wyznaczyć rozkład widmowy światła na danej głębokości D: I (λ) = I 0 (λ) · (1 - 0,99; D / d (λ)) (5) gdzie I 0 (λ) to widmo światła na powierzchni, a d(λ) to wykres przenikania światła do wody morskiej (rys. 2). Rys. 3 Rozkład widmowy światła w funkcji długości fali na powierzchni (jasnoniebieski), na głębokości 5m (niebieski) i 15m (ciemnoniebieski) Korzystając z wyrażenia (5) oraz danych z wykresów na rys. 1 i rys. 2, możemy otrzymać wykres rozkładu energii światła w funkcji długości fali na danej głębokości. Jako przykład na tym samym wykresie (rys. 3) zobrazowaliśmy względny rozkład widmowy światła na powierzchni i na głębokości 5 m (około 16,4 stóp) i 15 m (49 stóp). Uwaga: 15m to maksymalna głębokość, na której w naturze nadal możemy znaleźć wiele światłożądnych koralowców. Na głębokości poniżej 20m liczba gatunków światłoczułych gwałtownie spada. Jasnoniebieski wykres odpowiada napromieniowaniu na powierzchni, niebieski – do głębokości 5m, a ciemnoniebieski – do 15m głębokości. Zauważ, że wraz z głębokością czerwona część widma praktycznie znika. W ciągu setek milionów lat ewolucji morskie organizmy fotosyntetyczne przystosowane do najlepszego wykorzystania głównie fioletowej i niebieskiej części widma, które jest bardziej obfite w ich środowisku i nie są zbyt wrażliwe na widmo czerwone (które w przeciwieństwie do tego jest najbardziej aktywne). wykorzystywane przez rośliny lądowe). Symbiotyczne zooxantelle w morskich organizmach fotosyntezy to prymitywne glony Pyrrophyta [5] zawierające głównie chlorofil a i c oraz pigmenty karotenoidowe (perydynina, ksantyny itp.), które wykazują silną absorpcję w niebiesko-zielonej części widma. [6,7,22]. Ryc. 4 [22] przedstawia adsorpcję światła przez zooxantellae. Rys. 4 Pochłanianie światła przez zooxantelle Oś pozioma to długość fali w nanometrach, a oś pionowa to adsorpcja w dowolnych jednostkach. Na wykresie widać, że kolory fioletowy i niebieski zdecydowanie przeważają nad kolorami czerwonym (należy zwrócić uwagę, że dla widma czerwonego preferowany jest zakres 660-680 nm). Nasz główny wniosek z powyższego jest taki, że światło fioletowe i niebieskie jest najważniejsze dla morskich organizmów fotosyntezy. Wiedząc, co jest naturalnie dostępne dla koralowców ze spektrum kolorów, rozważymy teraz kolejną ważną kwestię: jak napromieniowanie w różnych zakresach spektralnych wpływa na ubarwienie koralowców? Zanim zastanowimy się nad wpływem widma światła na ubarwienie koralowców, chciałbym zaznaczyć, że nawet ubarwienie tego samego korala może się znacznie różnić w zależności od warunków. Niestety bardzo trudno jest zapewnić koralowcom dokładnie takie same warunki, nawet w tym samym akwarium – a jest to jeszcze trudniejsze w przypadku dwóch różnych zbiorników. Bez zapewnienia koralowcom odpowiednich warunków inne próby poprawy ich ubarwienia, takie jak korekta widma światła, będą daremne. Doświadczeni hodowcy rafy dobrze wiedzą, jak zmienne może być ubarwienie tego samego korala w różnych warunkach. Istnieją trzy główne czynniki, które mają na to największy wpływ: widmo i intensywność światła, ilość pokarmu dostępnego w wodzie (choć polipy koralowe otrzymują znaczną część swojej energii od zooxantelli, są również w stanie wychwytywać cząsteczki pokarmu z słupa wody) i od czystości wody. Ten ostatni czynnik jest najłatwiejszy do kontrolowania: techniki utrzymywania nieskazitelnej wody w akwariach rafowychsą dobrze znane. Drugi czynnik również można łatwo rozwiązać, ponieważ na rynku dostępnych jest wiele wysokiej jakości pokarmów dla koralowców. Jednocześnie wielu akwarystów uważa, że jeśli w akwarium rafowym są ryby, koralowce otrzymają wystarczającą ilość pożywienia z małych cząstek unoszących się w powietrzu podczas karmienia ryb (a także rybie odchody są zjadane przez koralowce). Światło jest ostatnim ważnym czynnikiem wymaganym dla dobrego zdrowia i ubarwienia koralowców, a jednak nie zostało wystarczająco dobrze zbadane pod kątem utrzymania rafy. Sytuacja jest jednak dość złożona, ponieważ koralowce bywają bardzo zróżnicowane, a nawet ten sam gatunek może zawierać różne chromoproteiny (białka odpowiedzialne za ubarwienie) – ich rodzaj i ilość również są zdeterminowane genetycznie, w taki sam sposób jak np. kolor ludzkie oczy. Wiele z tych białek jest fluorescencyjnych; tj. adsorbują światło o określonej długości fali i emitują fale o innej długości. Ryc. 5 Próbki Acropora millepora z różnymi dominującymi chromoproteinami: (A) niskie stężenie chromoprotein, dominuje kolor zooxantellae; (B) zielone białka fluorescencyjne; (C) czerwone białka fluorescencyjne; (D) chromoproteiny niefluorescencyjne. Zdjęcie dzięki uprzejmości dr C. D'Angelo i dr J. Wiedenmann, University of Southampton, Wielka Brytania, Coral Magazine, listopad/grudzień. 2011 Ryc. 5 przedstawia cztery okazy tego samego gatunku, Acropora millepora , w których dominują różne chromoproteiny: Fluorescencję obserwuje się nie tylko w koralowcach twardych, ale na przykład w polipach Zoanthidae i Palythoya, które po naświetleniu tak zwanym światłem aktynicznym o krótkiej fali wykazują znacznie jaśniejsze zabarwienie . Fluorescencja koralowców jest bardzo pięknaale nie zawsze łatwo to zaobserwować. Przyjrzyj się funkcji świetlnej (wykres czułości spektralnej) ludzkiego oka (rys. 6). Światłoczułe elementy oka są reprezentowane przez dwa typy komórek – tak zwane czopki i pręciki siatkówki. Pierwsze odpowiadają za rozróżnianie kolorów, a drugie – za odcienie szarości. Szyszki najlepiej sprawdzają się w dzień, a kije – w nocy. Pamiętaj o powiedzeniu „wszystkie koty są szare w ciemności”. Dzieje się tak dlatego, że widzimy głównie pręcikami w ciemności, a nie czopkami. Pręciki nie rozróżniają kolorów: wyczuwają jedynie względną jasność obiektu. Pręciki są najbardziej wrażliwe na szmaragdowozieloną część widma, o długości fali około 510nm (oczywiście, patrząc przez pręciki, to światło jest postrzegane tylko jako jaśniejszy odcień szarości, a nie zieleni). Istnieją trzy typy komórek w czopkach, z których każdy jest wrażliwy na określoną część widma. Czopki typu S są wrażliwe na kolor fioletowy i niebieski (S oznacza krótkie długości fal), typu M – na zielone i żółte (średnie długości fal), a typu L – na pomarańczowe i czerwone (długie fale). Te trzy typy czopków (wraz z pręcikami, które są wrażliwe w szmaragdowozielonej części widma) są odpowiedzialne za widzenie kolorów u ludzi. Pręciki zawierają barwiący pigment, rodopsynę, a ich charakterystyka spektralna zależy od warunków oświetleniowych. W przypadku słabego światła szczyt adsorpcji rodopsyny wynosi około 510 nm (widmo nieba o zmierzchu). I dlatego pręciki odpowiadają za widzenie o zmierzchu, kiedy kolory są trudne do rozróżnienia. Przy wyższych poziomach oświetlenia rodopsyna fotowybiela, a jej czułość spada, podczas gdy pik adsorpcji przesuwa się do obszaru niebieskiego. W rezultacie, przy wystarczającym oświetleniu, ludzkie oko może używać prętów jako detektora światła krótkofalowego (niebieskiego). Komórki S są czułe w zakresie 400-500nm z maksimum przy 420-440nm; Ogniwa M są czułe w zakresie 460-630nm, z maksimum przy 534-555nm; Komórki L są czułe w zakresie 500-700nm z maksimum przy 564-580nm [1]. Zakresy czułości czopków o długich i średnich długościach fali są szerokie i nakładają się na siebie. Dlatego błędem jest sądzić, że niektóre rodzaje czopków reagują tylko na określone kolory – po prostu bardziej aktywnie reagują na określone kolory niż na inne [2]. Ludzkie oko jest najbardziej czułe w zakresie, w którym czułości stożków typu M i L sumują się: przy 555 nm (światło żółto-zielone). Ogólną funkcję wrażliwości spektralnej [3] receptorów oka ludzkiego przedstawiono na ryc. 6. Rys. 6 Funkcja świetlna oka Ważnym wnioskiem jest to, że wrażliwość ludzkiego oka na światło zależy od długości fali. Na przykład promieniowanie o tej samej mocy jest odbierane 27 razy jaśniej dla długości fali 555 nm niż dla 450 nm; różnica ta wzrasta do 57 razy dla 420nm i 135 razy (!) dla 410nm. Ludzie wizualnie postrzegają dowolny obiekt jako sumę jego odbitego światła i wewnętrznej emisji obiektu (obiekt jest uważany za emitujący światło, jeśli jego całkowita emisja w pewnym zakresie długości fali jest wyższa niż energia światła padającego w tym samym regionie). Zazwyczaj przedmioty odbijają tylko światło, a ich kolor jest określany przez stosunek, w jakim różne długości fal padających na jego powierzchnię są pochłaniane lub odbijane. Na przykład zielone liście pochłaniają wszystkie widoczne długości fal z wyjątkiem zieleni, która jest odbijana – dlatego odbieramy ją jako zieloną. Kiedy obiekt nie tylko odbija, ale także emituje własne światło, oko łączy widmo emitowanego i odbitego światła w jego postrzegany kolor. Uzyskujący kolor zależy od stosunku intensywności i długości fal zarówno odbijanego, jak i emitowanego światła. Rys. 7 Mieszanie kolorów z dodatkiem Patrząc na monitor komputera, widzisz efekty ilustrowane tym wykresem: każdy piksel na ekranie składa się z trzech subpikseli: czerwonego, zielonego i niebieskiego, a wszystkie kolory uzyskuje się przez kombinację ich intensywności. Zwróć uwagę, że czysty fioletowy kolor i jego odcienie, takie jak magenta lub fuksja, są unikalne, ponieważ są niespektralne lub pozaspektralne: nie ma określonej długości fali związanej z tymi kolorami, są to mieszaniny, a jednym z wymaganych składników jest fiolet, o długości fali około 400nm [13] i czerwonym. Jeśli dane źródło światła nie ma promieniowania w tym zakresie, to tracone jest nawet 20% całej palety barw – a to są bardzo jasne kolory i ich odcienie! Warto również zauważyć, że poprzez połączenie żółtego i niebieskiego koloru uzyskany kolor jest wizualnie postrzegany jako czysta biel. Widzenie kolorów jest głównie dziedziczone genetycznie. Nie mówimy o wadach widzenia barw, takich jak ślepota barw – ale każdy człowiek odbiera kolory na swój sposób, a różnica ta może być bardzo znacząca. Najwyraźniej bardzo ważna jest możliwość dostosowania rozkładu widmowego oprawy oświetleniowej, aby znaleźć indywidualnie odpowiedni rozkład kolorów w zbiorniku rafowym. Aby obserwować fluorescencję koralowców, naświetlimy fluorescencyjne białka światłem o określonej długości fali. Spójrz na wykres długości fal adsorpcji i promieniowania dla najpopularniejszych pigmentów fluorescencyjnych dostępnych w organizmach morskich [9], pokazany na ryc. 8. Rys. 8 Długość fali adsorpcji i emisji dla pigmentów fluorescencyjnych dostępnych w organizmach morskich. Rysunek dzięki uprzejmości Dana Kelley Oś pozioma to długości fal, które powodują fluorescencję w różnych chromoproteinach; oś pionowa to długość fali emitowanej w wyniku fluorescencji. Widać, że praktycznie wszystkie pigmenty adsorbują krótsze fale i emitują dłuższe fale. Jak pokazaliśmy powyżej, oko jest najbardziej podatne na zakres 550 nm, a im bliżej tej długości fali jest emitowane światło, tym jaśniej będzie odbierane. W ten sposób specyficzne białka dostępne w organizmach morskich adsorbują słabo widoczne dla oka krótkie fale i fluoryzują kolorem, który dla naszego oka wydaje się znacznie jaśniejszy. W świetle czysto „aktynicznym”, które zawiera tylko krótsze fale, nasze akwarium będzie świecić jasnymi kolorami, podczas gdy światło z samego urządzenia jest prawie niewidoczne dla oka. Kolor korala, postrzegana przez oko, zależy również od barwy padającego światła. Kolor dowolnego obiektu, który widzimy, reprezentuje odbitą część widma padającego światła. Jak wspomnieliśmy powyżej, przy oświetleniu światłem o pełnym spektrum, liście większości roślin lądowych adsorbują prawie wszystkie części widma widzialnego i odbijają część zieloną – dlatego odbieramy je jako zielone. Jeśli jednak naświetlimy liście światłem, w którym brakuje zielonej części widma – na przykład światłem czerwonym – wydadzą nam się czarne, ponieważ całe padające światło jest pochłaniane. W podobny sposób biały obiekt wygląda na biały w pełnym widmie, ponieważ odbija równomiernie wszystkie części widma, ale „przyjmie” kolor każdego światła, które na niego rzucimy: czerwonego, zielonego, niebieskiego lub ich kombinacji . Wracając do koralowców – rozważmy organizm zawierający białko, które po naświetleniu światłem 420nm będzie fluoryzować na długości fali 520nm. Dla uproszczenia załóżmy, że nasze źródło światła promieniuje tylko przy długości fali 420 nm, a koralowiec całkowicie pochłania to światło, bez odbicia. Ludzkie oko ma wyjątkowo niską wrażliwość na tę długość fali (prawie niewidoczną), podczas gdy najbardziej wrażliwe jest na długość fali emitowanej przez koral w wyniku fluorescencji. Bardzo dobrze zobaczymy tę fluorescencję w „ciemnym” czystym świetle aktynicznym. Jeśli źródło światła zawiera promieniowanie o innych długościach fal, wynikowy kolor organizmu morskiego zostanie zsumowany z fluorescencji i światła odbitego. Jeśli źródło światła zawiera fale,fluorescencja koralowców będzie słaba na tym jasnym tle. Nasz wniosek jest taki, że dla najlepszej obserwacji fluorescencji, oświetlimy zbiornik takim światłem, aby jego odbita część najmniej utrudniała nam zobaczenie światła emitowanego przez koralowce. Długości fal wymagane do fluorescencji wszystkich chromoprotein są liczne i nie ma jednej długości fali, która mogłaby być wykorzystana do wytworzenia idealnego światła aktynicznego. Na podstawie Rys. 8 fluorescencję obserwuje się w dość szerokim zakresie długości fal padającego światła, głównie między 400 a 500 nm, a różne organizmy mają różne zestawy białek fluorescencyjnych. Aby uzyskać najlepszą fluorescencję, potrzebujemy możliwości dostosowania widma światła w zakresie od 400 do 500 nm, zgodnie z potrzebami konkretnego akwarium. Należy zauważyć, że najsilniejsza fluorescencja będzie obserwowana w zakresie 400-450 nm, szczególnie dlatego, że czułość oka w tym zakresie jest bardzo niska. Światło w tym zakresie jest zwykle nazywane „światłem aktynicznym”. Z pewnością fluorescencja koralowców jest jednym z głównych czynników zapewniających piękno zbiornika rafowego , ale światło w zakresie 400-500 nm ma również inne znaczenie: jest to najbardziej optymalne światło do promowania fotosyntezy morskiej. Dlatego ta część spektrum ma ogromne znaczenie dla zbiornika rafowego. Ten wniosek dobrze pasuje do badań eksperymentalnych w tej dziedzinie [16]. Fragmenty kolonii Acropora millepora utrzymywano przez sześć tygodni w porównywalnych ilościach światła czerwonego, zielonego i niebieskiego. Konkluzja artykułu jest taka, że „wzmocnienie pigmentacji koralowców zależy przede wszystkim od niebieskiej składowej widma i jest regulowane na poziomie transkrypcyjnym”, a „spowodowana światłem akumulacja białek podobnych do GFP obserwowana po ekspozycji na zielone światło jest prawdopodobnie spowodowana na szczątkowe niebieskie światło przechodzące przez zielony filtr.” Eksperymenty wykazały również, że promieniowanie w zakresie 430 nm jest najbardziej skuteczne w promowaniu ochronnego jasnego zabarwienia koralowców: „Wśród znanych FP i CP, tylko właściwości absorpcyjne CFP spektralnie pasują do głównego pasma absorpcji chlorofilua i c przy ~430 nm, dzięki czemu nadają się do skutecznego ekranowania systemu fotosyntetycznego zooxantelli.” Intensywność światła jest również bardzo ważna dla wzrostu i aktywnej produkcji chromoprotein fluorescencyjnych. Być może źródło światła można najlepiej scharakteryzować przez widmowy rozkład energii promieniowania optycznego przy różnych długościach fal. Ta charakterystyka jest zwykle reprezentowana przez krzywą widmową. Jednak w przypadku większości popularnych źródeł światła charakterystyka widmowa jest zwykle niedostępna i zamiast tego podaje się szacunkowy strumień świetlny w lumenach. Strumień światła w lumenach to moc promieniowania światła widzialnego, odbierana przez ludzkie oko – w zależności od wrażliwości oka na różne długości fal. Uwaga: Jeden lumen to całkowity strumień świetlny emitowany równomiernie przez źródło światła o natężeniu 1 kandeli w kącie bryłowym jednego steradianu (stożek o kącie około 65,5° na wierzchołku ). Kandela to natężenie światła w określonym kierunku źródła, które emituje promieniowanie monochromatyczne o długości fali 555 nm (tj. długości fali przy szczytowej czułości ludzkiego oka) i ma natężenie promieniowania w tym kierunku 1/683 wata na steradian . Jeden wat mocy optycznej wypromieniowanej przy długości fali 555 nm odpowiada 683 lm. Dla wszystkich innych długości fal jest równa mocy optycznej emitowanej na tej długości fali pomnożonej przez funkcję jasności oka dla tej samej długości fali. Aby określić całkowitą ilość lumenów emitowanych przez źródło światła, musimy zsumować lumeny dla wszystkich emitowanych długości fal. Oczywiste jest, że natężenie równe energii świetlnej w różnych częściach widma będzie odbierane przez oko różnie: silne źródło w zakresie 400-450 nm będzie odbierane jako bardzo słabe światło, a źródło światła emitujące w zakresie podczerwieni będzie wydają się czarne. Dlatego oszacowanie strumienia świetlnego w lumenach jest prawidłowe tylko wtedy, gdy rozkład widmowy światła jest nieistotny, a jedyną rzeczą, która ma znaczenie, jest jasność postrzegana przez oko. W naszym przypadku bardziej odpowiednim parametrem do określenia promieniowania świetlnego byłaby liczba fotonów na sekundę przypadająca na każdy metr kwadratowy: μmol·fotony/m 2 /s. W ciągu setek milionów lat ewolucji morskie organizmy fotosyntetyczne przystosowały się do różnych poziomów mocy światła. Dla każdego organizmu fotosyntetycznego można zdefiniować trzy wartości progowe [14]. Pierwsza (najmniej intensywna) określa minimalne światło wymagane do utrzymania biomasy organizmu fotosyntetycznego – jest to minimalne wymagane światło, które nie spowoduje przyrostu lub utraty masy. Druga wartość progowa dotyczy oświetlenia, przy którym wydajność fotosyntezy jest najwyższa. I wreszcie trzeci, górny próg, to maksymalne światło, które można wykorzystać - nie ma poprawy szybkości fotosyntezy powyżej tego progu. Te trzy progi zależą oczywiście od konkretnych organizmów, ale możemy posłużyć się szacunkami dla morskich organizmów fotosyntezy żyjących w płytkich wodach. Możemy bezpiecznie nazwać 80-100 μmol·fotonów/m2 /s słabe światło, 150-200 – średnie i 300-400 – optymalne. Granica nasycenia fotosyntezy wynosi około 600-700 μmol·fotonów/m 2 /s. W naszym zbiorniku rafowym uzyskamy znacznie lepsze oświetlenie niż minimalny próg – najlepiej w pobliżu optymalnego progu. Rozważmy jeszcze jeden eksperyment z Acropora millepora , aby zilustrować produkcję chromobiałek przy mniej niż optymalnym oświetleniu i kiedy poziom światła ma optymalną wartość dla gatunku (ryc. 9). Oświetlenie 100 400 Czerwona fluorescencyjna Zielony fluorescencyjny Światło dzienne Ryc . 9 Eksperyment z Acropora millepora ilustrujący wytwarzanie chromoprotein niewystarczających do fotosyntezy i intensywności dla optymalnego oświetlenia dla tego gatunku. Odnośnie natężenia światła w pracy stwierdzono również, że chromobiałka nie powstają przy naświetleniu poniżej 100 μmol·fotonów/m 2 ·s, a ich liczba rośnie niemal liniowo wraz ze wzrostem natężenia światła do około 700 μmol·fotonów/m 2 ·s. Jednak nie zawsze dobrym pomysłem jest zapewnienie tak dużej ilości światła w domowych akwariach, ponieważ przy tak wysokim natężeniu oświetlenia koralowiec może stać się bardzo wymagający dla swoich parametrów środowiskowych. W mniej niż idealnych warunkach tak wysoki poziom oświetlenia może dać odwrotny skutek: blaknięcie koralowców. Eksperyment pokazuje, że optymalne poziomy światła poprawiają wzrost i zabarwienie koralowców, zarówno w przypadku zwykłych, jak i fluorescencyjnych chromoprotein. Wnioskując z powyższego, światło w zakresie 400-500 nm jest najbardziej korzystne dla morskich organizmów fotosyntezy, a jego część krótkofalowa (400-450 nm) jest najbardziej użyteczna dla ich jasnego zabarwienia. Rys. 10 Typowa świetlówka aktynowa: Giesemann Actinic Plus Rozważmy najpopularniejsze źródła światła aktynowego do zbiornika rafowego. Są to głównie świetlówki, które promieniują głównie w zakresie 400-500nm, np. Giesmann Actinic Plus, Rys. 10: Patrząc na rozkład widmowy tej bańki, widzimy, że oprócz czystego widma aktynicznego, które jest wymagane do fluorescencji koralowców, istnieją również wyraźne piki „pasożytnicze” w okolicach 550 nm. Jak wspomnieliśmy, oko ludzkie jest ponad 20 razy bardziej wrażliwe na długości fal w tym zakresie niż na zakres „aktynowy”, który powoduje fluorescencję (patrz Rys. 6). W rezultacie żarówka ta jest wizualnie postrzegana jako dość jasna, prawie biała, ale z mocnym niebiesko-fioletowym odcieniem. Powstała fluorescencja zostanie częściowo „przyciemniona” w wyniku tego pasożytniczego promieniowania w zakresie dobrze widocznym. W ostatnich latach podejmowano wiele prób stworzenia bulw „aktynicznych” o wąskim zasięgu. Jednym z najlepszych jest Giesemann POWERCHROME actinic plus, ze znacznie zmniejszoną porcją 450-500nm (ryc. 11): Rys. 11 Widmo żarówki POWERCHROME actinic plus Widzimy, że „pasożytnicza” część widma tej żarówki jest mniejsza, a zakres 420-430 nm jest lepiej reprezentowany. Jednak ta żarówka nadal wygląda dość jasno ze względu na wciąż obecny szczyt przy 550 nm. Jak dotąd konwencjonalne świetlówki nie są tak skuteczne w obserwacji fluorescencji w zbiorniku rafowym. Zdesperowany? Nie! Całkiem niedawno nastąpił przełom w dziedzinie oświetlenia półprzewodnikowego, a wiele opraw oświetleniowych do zbiorników rafowych jest obecnie konstruowanych z wykorzystaniem diod LED. Przewag opraw LED nad konwencjonalnymi źródłami światła jest wiele; rozważymy tylko główne czynniki. Zaleta nr 1: Wyższa wydajność i mniejsze wytwarzanie ciepła Wyższa wydajność ma dwa składniki. Po pierwsze, diody LED są około dwa razy wydajniejsze niż konwencjonalne świetlówki lub żarówki metalohalogenkowe w przekształcaniu energii elektrycznej w światło. Po drugie, diody LED promieniują tylko w jednym kierunku płaszczyzny, a zatem nie blokują własnego światła. Dzięki zastosowaniu odpowiednich soczewek światło LED można łatwo skoncentrować w żądanym regionie. Dobre soczewki LED mają niewielkie rozmiary, a jednocześnie mogą pomóc w przepuszczaniu do 90 procent wytwarzanego światła przez powierzchnię wody. Dla porównania, przy zastosowaniu konwencjonalnych żarówek z odbłyśnikami zwykle tylko 40% światła przenika przez powierzchnię. Najlepsze odbłyśniki (często nieporęczne) potrafią zapewnić do 60% przenikania światła, a sama żarówka częściowo blokuje światło powracające z odbłyśnika. Wydajność wypadkowa najlepszych opraw LED może być nawet trzykrotnie wyższa w porównaniu z najlepszymi żarówkami. W konsekwencji diody LED mogą generować ponad 4,5 razy mniej ciepła. To praktycznie oznacza, że instalując oprawę LED nad zbiornikiem rafowym, prawdopodobnie możemy wyeliminować konieczność stosowania drogiego chillera (który również zużywa znaczną moc). Dzięki temu oprawy LED mogą osiągnąć znaczne oszczędności energii; oprócz efektu ekonomicznego istotny jest również ich wpływ na środowisko!). Zaleta nr 2: Wydłużony cykl życia Jako półprzewodnikowe źródło światła dioda elektroluminescencyjna nie zawiera szybko zużywających się części, takich jak żarnik. Podczas pracy przy prądzie znamionowym lub niższym i pod warunkiem, że nie przegrzewają się, wysokiej jakości diody LED degradują się bardzo powoli. Ale również diody LED mają swoje specyficzne potrzeby, które należy wziąć pod uwagę przy projektowaniu oprawy. Żywotność najlepszych diod LED dostępnych obecnie na rynku (Cree XT-E, LUXEON Rebel ES) jest rzeczywiście bardzo wysoka, jeśli zapewnione jest wystarczające odprowadzanie ciepła i odpowiednio kondycjonowana moc. Oczywiście są to nowe diody LED i ich działanie testowane jest przez dziesiątki lat, ale na podstawie skomplikowanych modeli można oszacować ich żywotność i spadek jasności w tym okresie. Odniesiemy się do dwóch rodzajów takich prognoz: opartych na modelu Cree'a (który nazywamy „scenariuszem najgorszego przypadku” lub „modelem pesymistycznym”), aw nawiasie podajemy liczby oparte na modelu Philipsa dla ich LUXEON Rebel ES (które my nazwać „modelem optymistycznym”). Jeśli wszystkie wymagane warunki pracy zostaną spełnione, po 40 (150) tysiącach godzin pracy nadal będziemy uzyskiwać około 70% początkowej mocy promieniowania LED. Liczby te przekładają się na 10 (33) lat pracy oprawy, zapewniając 12 godzin pracy dziennie! Po tym okresie diody będą nadal tracić jasność, osiągając po 100 (200) tysiącach godzin około 50% początkowej wartości! Prawdopodobieństwo awarii pojedynczej diody LED w oprawie jest dość niskie, około 1% w okresie 50 tys. godzin pracy, a po tym okresie wzrasta do 50% o 200 tys. godzin. Kilka diod LED w oprawie oświetleniowej jest zwykle połączonych szeregowo, a zatem, jeśli jedna dioda LED zgaśnie, cały łańcuch zostanie uruchomiony. Jeśli spojrzymy na te liczby statystycznie, jest prawdopodobne, że w przypadku oprawy z około 200 diodami LED może się to zdarzyć w ciągu 10 lat. Jednak śmierć diody jest zdarzeniem probabilistycznym i może się zdarzyć, że dana dioda elektroluminescencyjna może się „smażyć” już w pierwszych godzinach jej życia. W praktyce, przy dobrych warunkach, żywotność nowoczesnych diod LED jest dość długa. Dla porównania, konwencjonalne świetlówki muszą być wymieniane raz na cztery do sześciu miesięcy. W naszym najgorszym przypadku oznacza to, że będą musiały być wymieniane co najmniej 20 razy w okresie eksploatacji oprawy LED. Zakładając, że koszt specjalistycznych świetlówek do oświetlenia rafy może być dość wysoki, oprawa LED może zapewnić znaczne oszczędności; np. nie tylko pieniężnej, ale także czasu, jaki należało przeznaczyć na zakup i wymianę żarówek. Rys. 12 Ilustracja pokazuje, jak pora dnia (AE) wpływa na kąt padania światła słonecznego. Zdjęcie dzięki uprzejmości NASA Earth Observatory Spróbujmy policzyć możliwe oszczędności wynikające z zastosowania oprawy LED. Oprawa LED o mocy 300 W może zastąpić oprawę 900 W T5 używaną w zbiorniku rafowym SPS o pojemności 160 galonów. Za 10 lat oprawa LED zaoszczędzi ((900 300)/1000)*12*365*10 =26280KWh energii elektrycznej. Koszt energii elektrycznej zależy od tego, gdzie mieszkasz, ile zużywasz i ewentualnie kiedy z niej korzystasz, a stawki od tego samego dostawcy mogą wynosić od 12 do 50 centów za kWh [17]. Do naszego oszacowania użyjemy stawki próbnej 15 centów za kWh, co jest rozsądnym przykładem (możesz dowiedzieć się, ile faktycznie płacisz za energię elektryczną, patrząc na rachunek). W oparciu o przykład 15c na KWH, urządzenie zaoszczędzi 3942 USD na samej mocy. Jeśli przyjmiemy, że średni koszt specjalistycznej żarówki 80W T5 wynosi około 25 USD, dodatkowo zaoszczędzimy 25 * 10 * 20 = 5000 USD na wymianie żarówek. Twoje całkowite oszczędności za 10 lat wyniosą około 8942 USD. To oszacowanie „najlepszego scenariusza” i nie braliśmy pod uwagę wielu dodatkowych wydatków – na przykład koszt agregatu akwariowego do odprowadzania nadmiaru ciepła ze zbiorników, a także kosztów energii związanych z jego eksploatacją. Poza tym są walory niepieniężne – takie jak wygoda braku konieczności konserwacji oprawy oświetleniowej za 10 lat! Dotychczas bezpośrednie oszczędności w okresie eksploatacji są kilkakrotnie wyższe niż koszt nawet najdroższej oprawy LED. Innymi słowy, nie tylko otrzymujesz go za darmo, ale nawet przyniesie ci trochę zysku w ciągu swojego życia! a także koszty energii związane z jego eksploatacją. Poza tym są walory niepieniężne – takie jak wygoda braku konieczności konserwacji oprawy oświetleniowej za 10 lat! Dotychczas bezpośrednie oszczędności w okresie eksploatacji są kilkakrotnie wyższe niż koszt nawet najdroższej oprawy LED. Innymi słowy, nie tylko otrzymujesz go za darmo, ale nawet przyniesie ci trochę zysku w ciągu swojego życia! a także koszty energii związane z jego eksploatacją. Poza tym są walory niepieniężne – takie jak wygoda braku konieczności konserwacji oprawy oświetleniowej za 10 lat! Dotychczas bezpośrednie oszczędności w okresie eksploatacji są kilkakrotnie wyższe niż koszt nawet najdroższej oprawy LED. Innymi słowy, nie tylko otrzymujesz go za darmo, ale nawet przyniesie ci trochę zysku w ciągu swojego życia! Ryc. 13 Napromieniowanie i elewacja słoneczna w dniu 2 września 1998 r. na One Tree Island, Great Barrier Reef (23°30'S, 152°06'E) (Zdjęcie dzięki uprzejmości A. Salih, dane niepublikowane) Zaleta nr 3: Możliwość dostosowania oświetlenia i widma Dzięki zastosowaniu ściemnialnych sterowników światło emitowane przez diody LED można łatwo regulować. Akwaryści często używają specjalnych sterowników do imitowania wschodów i zachodów słońca, podobnie jak zmiany naturalnego oświetlenia w ciągu dnia. Należy jednak zauważyć, że zachody i wschody słońca w strefie równikowej są znacznie szybsze w porównaniu z wyższymi szerokościami geograficznymi, a dzień jest równy nocy (tzn. zawsze występuje 12-godzinny fotoperiod). Spójrz na schemat przedstawiony na Rys. 12 [20]. Rzeczywiste napromieniowanie na powierzchni zależy od wielu czynników, takich jak zachmurzenie, ilość pary wodnej w powietrzu, turbulencje atmosferyczne itp. Nasłonecznienie zmierzone na Wielkiej Rafie Koralowej w typowy dzień pokazano na rys. 13[21]. Rys. 14 Odbicie światła słonecznego w stosunku do promieniowania słonecznego. Teoretyczny i zmierzony procent światła słonecznego odbitego od całkowicie gładkiej powierzchni wody w stosunku do elewacji słonecznej (na podstawie obliczeń Weinberga 1976; Grichenko w Weinbergu 1976) Należy również pamiętać, że światło jest prawie całkowicie odbijane, gdy promienie słoneczne dotykają powierzchni wody pod małymi kątami. Odbicie zależy również od prędkości wiatru. Zależności te ilustruje wykres na rys. 14 [21]. Oznacza to, że naturalne oświetlenie pod wodą nie wystarcza do fotosyntezy, dopóki słońce nie wzejdzie około 15 stopni nad horyzontem. Po około 30 minutach oświetlenie szybko wzrasta do około połowy maksymalnej wartości dziennej. Dlatego rzeczywisty fotoperiod to około 9 godzin. Są to czynniki, które akwarysta powinien wziąć pod uwagę, jeśli chce odtworzyć naturalne cykle światła. Rozważmy teraz ważne cechy światła, które są wymagane do dalszych wniosków. Pierwszą taką cechą jest CCT – Correlated Colour Temperature. CCT danego źródła światła charakteryzuje temperaturę absolutnie czarnego ciała, które promieniowałoby podobnym widmem. Im gorętsze czarne ciało, tym wyższy CCT i tym bardziej niebieskie lub „zimne” będzie światło. Na przykład światło słoneczne ma żółty odcień, podczas gdy niebieskie olbrzymy – ogromne gwiazdy o wysokiej temperaturze powierzchni: 10000 K i wyższej (na przykład Syriusz) – wydają się niebieskawe nawet gołym okiem. Rys. 15 Widmo źródła światła z CCT 5500K Porównajmy widma promieniowania z dwóch różnych absolutnych ciał czarnych z różnymi CCT [10]. Diagramy wskazują również dominującą długość fali. Rys. 15 przedstawia widmo źródła światła przy CCT 5500 K, a Rys. 16 – przy CCT 6500 K: Widać, że dominująca długość fali wzrasta wraz ze wzrostem CCT: jest ona równa 444 nm dla stosunkowo ciepłego światła 6500K CCT. Dla żarówki CCT 8000K obliczona długość fali wynosi około 420nm. Praktycznie rzecz biorąc, CCT powyżej 20000K są bezsensowne. Jednak producenci żarówek często „skracają” widmo do szczególnego zakresu szczególnego zainteresowania, oferując żarówki o widmie zbliżonym do pokazanego na rys. 17. Mimo że dominująca długość fali tej żarówki wynosi około 450nm, ma ona CCT 25000K! [11] Rys. 16 Widmo źródła światła o 6500K W związku z tym CCT nie mogą być stosowane jako kryterium porównywania widm poszczególnych źródeł światła. Co więcej, nawet wysokie wartości CCT nie gwarantują uzyskania wymaganego widma „aktynicznego”. Kolejną ważną cechą jest CRI – wskaźnik odwzorowania barw. Niestety termin ten jest często błędnie interpretowany. Charakteryzuje wpływ źródła światła na postrzeganie koloru obiektu. Ten parametr pokazuje, na ile prawidłowo źródło światła o określonym CCT odda kolor oświetlanego obiektu w porównaniu ze źródłem idealnym – absolutnie czarnym ciałem o tej samej temperaturze barwowej. Aby określić CRI, zestaw 8 standardowych próbek kolorów jest oświetlony źródłem i światłem tylnej części ciała o tej samej temperaturze barwowej. Jeżeli żadna z próbek nie zmienia koloru, CRI wynosi 100. Wskaźnik zmniejsza się odwrotnie proporcjonalnie do liczby zmian koloru w próbkach. Zwykle uważa się, że CRI powyżej 80 jest dobry. Ważne jest jednak, aby wiedzieć, CRI jest obliczany dla źródeł światła o określonej temperaturze barwowej. Nie jest właściwe porównywanie źródła światła 2700 K, 82 CRI ze źródłem 5000 K, 85 CRI. Rys. 17 Widmo żarówki Grassy glow super blue 25000K Należy również zauważyć, że CCT i CRI są zdefiniowane tylko dla źródeł światła o pełnym spektrum. CRI światła monochromatycznego jest bliski zeru, a jego CCT nie można obliczyć. Spójrz na Rys. 15, Rys. 16 – widać szerokie widmo, zaczynające się w okolicach 120nm i kończące się w okolicach 3000nm. W całym tym zakresie obecne jest wyraźne maksimum, a większość energii jest wypromieniowywana w wąskim paśmie długości fal. Widmo promieniowania ciała doskonale czarnego nigdy nie może mieć kształtu wąskopasmowego szpica, podobnego do widma monochromatycznego źródła światła, dlatego obliczanie CCT dla takich źródeł nie ma sensu. Wszystkie żarówki fluorescencyjne i MH mają widmo dyskretne, podczas gdy światło słoneczne ma widmo ciągłe. Widmo dyskretne jest wynikiem zastosowania wyładowania w parach rtęci (i innych metali), z kilkoma pikami przy różnych długościach fal, głównie w zakresie ultrafioletowym. Fosfory na żarówce przekształcają to promieniowanie w wąskie pasma światła widzialnego. Widmo dyskretne vs. ciągłe pokazano na rys. 18. Rys. 18 Widmo ciągłe (powyżej) i dyskretne (poniżej) Przerwy – długości fal, których brakuje w dyskretnym widmie – oznaczają, że niektóre odcienie koloru nie mogą być poprawnie oddane przy takim oświetleniu, a w rezultacie źródło światła będzie miało niski współczynnik oddawania barw (CRI). Oczywiście producenci żarówek starają się unikać głębokich luk w widmie. Spójrz na spektrum popularnych morskich żarówek MH: BLV HIT 10000K i BLV HIT 14000K (rys. 19). Żarówki te nie mają głębokich przerw w swoim widmie, przez co intensywność przy określonej długości fali spadłaby do zera, stąd obie są żarówkami o pełnym spektrum i można określić ich CRI. Jednocześnie wykazują wyraźne, dyskretne piki, co oznacza, że przy użyciu tych żarówek nie można uzyskać dokładnego oddawania barw. Zwróć uwagę, że w tym przykładzie używane są żarówki o różnym CCT: 10 000 kelwinów – 14 000 kelwinów. Ich główna różnica polega na znacznej części promieniowania 400-440nm w drugiej bańce, podczas gdy brakuje piku 460nm. Jest to logiczne i jasne: im wyższa temperatura ciała absolutnie czarnego, tym bardziej jego widmo przesunęłoby się w obszar krótkich długości fal. Ponieważ dla akwarium rafowego najważniejszy jest zakres 400-450 nm, a ponieważ, aby przyciągnąć klienta, producenci często obliczają CCT w celu zaspokojenia swoich interesów, możemy śmiało stwierdzić, że maksymalne promieniowanie w wymaganym zakresie jest osiągane tylko wtedy, gdy zadeklarowany CCT wynosi około 20000K. Spójrz na widmo żarówki metalohalogenkowej Hamilton 400W z 20000K CCT (Rys. 20): Rys. 19 Widmo żarówek metalohalogenkowych BLV HIT 10000K (a). Rys. 19 Widmo żarówek metalohalogenkowych BLV HIT 14000K (b). Ta żarówka emituje znaczną część swojej mocy w zakresie 400-450nm, z zauważalnym szczytem około 420-430nm. Tylko niewielka część wypromieniowanej mocy w dłuższym zakresie fal sprawia, że jego światło jest widoczne, a nie ciemne dla oka jako fioletowo-niebieskie. Żarówki o wysokim CCT często charakteryzują się znaczną częścią promieniowania w zakresie 420-430nm. Doświadczeni akwaryści rafowi polecają żarówki 20000K za zapewnienie najlepszego koloru organizmom morskim. Ta rada, uzyskana dzięki wieloletniej praktyce, dobrze pasuje do wniosków, które wyciągnęliśmy powyżej. Rys. 20 Widmo żarówki metalohalogenkowej Hamilton Radium o mocy 400W i CCT 20000K Oczywiście istnieje wyjątek od każdej reguły. W naszym przypadku takim wyjątkiem są organizmy morskie, które żyją tylko w płytkich wodach w swoim naturalnym środowisku, na przykład w strefie pływów. To ważne zastrzeżenie: istnieją gatunki, które mogą żyć zarówno w płytkich wodach, jak i na średniej głębokości, i dość dobrze tolerują spektrum światła. Jednak niektóre gatunki mogą żyć tylko blisko powierzchni i nie mogą przetrwać nawet na małych głębokościach. Gatunki takie nie przystosowują się dobrze, nie tylko do słabszego oświetlenia, ale także do innego widma. Przykładem tego są niektóre gatunki polipów kolonialnych z rodzaju Zoantidae. Rozważmy teraz widmo emitowane przez różne diody LED. Widmo chłodnobiałej diody LED o CCT około 7000K pokazano na rys. 21. Widmo to nie jest dyskretne, ale ma znaczne ugięcie w zakresie 470-500 nm. Lukę tę można łatwo skompensować, dodając do oprawy niebieską diodę LED. Spójrz na widmowy rozkład mocy dla różnych kolorowych diod LED Philips LUXEON Rebel ES (rys. 22). Rys. 21 Widmo białej diody LED Promieniowanie niebieskiej diody LED jest najbardziej odpowiednie do skompensowania wymaganego zakresu 470-490 nm. Jeszcze lepsze dopasowanie można osiągnąć, stosując diodę LED o szczycie 475 nm – na szczęście takie diody istnieją! Rys. 22 Widmowy rozkład mocy kolorowych diod LED Philips LUXEON Rebel ES Aby to lepiej wyjaśnić, rozważmy termin bin , którym producenci charakteryzują swoje diody LED. Pojemnik to grupa diod LED, które zostały wybrane zgodnie z określonym parametrem. Dostępne są pojemniki wydajnościowe, pojemniki CCT i CRI, a dla monochromatycznych (jednokolorowych) diod LED dostępne są pojemniki z dominującą długością fali (DWL). Pojemniki DWL na niebieskie kolorowe diody LED LUXEON Rebel pokazano w tabeli 1. Dodając diodę LED z kodem DWL bin 4, możemy spłaszczyć krzywą widmową białej diody LED w zakresie długości fali od 430 do 600 nm. Tabela 1 Rozkład pojemników LUXEON LED według długości fali Przejdziemy teraz do faktycznego wdrożenia opraw LED do akwariów rafowych. Rys. 23 Wykres widma wyjściowego oprawy LED Ecotechmarine Radion Użycie tylko dwóch rodzajów diod (białej i niebieskiej) nie jest wystarczające, ponieważ taka oprawa ominie znaczną ilość światła w zakresie 400-450nm – znacznie mniej niż mierzy się to w oceanie, na głębokości zaledwie kilku metrów. Zakres widmowy 450 nm można łatwo zwiększyć za pomocą diod Royal Blue z odpowiednią wartością szczytową. Poza tym widmo białych diod LED szybko maleje w zakresie ciemnoczerwonym, około 650-660nm. Zgodnie z modelem pokazanym na rys. 4, ta część widma jest również wymagana dla płytkowodnych organizmów fotosyntetycznych i dodanie tego zakresu może być korzystne - pomoże również podkreślić czerwony kolor w zbiorniku rafowym. Jakie widmo osiągniemy w rezultacie? Odpowiedź: Coś bardzo zbliżonego do spektrum najlepszych opraw oświetleniowych, które są obecnie dostępne na rynku. Jako ilustracja, ryc.radion , zwycięzca showdownu LED ReefBuilders 2011 [18]. Jak widać, luka w zakresie 480nm jest prawidłowo wypełniona (to urządzenie wykorzystuje niebieskie diody Cree). Poza tym dostępny jest mały szczyt w zakresie 660 nm. Jednak praktycznie brakuje jakichkolwiek długości fal w zakresie 400-430 nm, które mogłyby promować fluorescencję wielu organizmów morskich. Tego zakresu brakuje w większości opraw rafowych LED. Do niedawna na rynku nie było dostępnej diody o odpowiedniej jakości dla zakresu 420nm. Jak na nieliczne dostępne oferty ceny były dość wysokie, krótki czas pracy i słaba wydajność. Jednocześnie wymagane całkowite promieniowanie w tym zakresie długości fal jest dość znaczne, a dodanie odpowiedniej liczby diod LED poważnie wpłynęło na całkowity koszt oprawy. W rezultacie producenci zainstalowali w najlepszym razie niewielki ułamek wymaganej liczby czystych diod aktynicznych. Na początku 2012 roku sytuacja ta ma potencjał do szybkiej zmiany od czasu wprowadzenia wydajnych i stosunkowo niedrogich diod LED 420 nm [15]. Dzięki zastosowaniu tych diod LED nowej generacji w czystym zakresie długości fal aktynicznych, Wielu hobbystów próbowało używać niedrogich chińskich diod LED bez marki w czystej gamie aktynicznej. Ich wydajność jest jednak niska, w wyniku czego kryształ szybko się psuje z powodu przegrzania. Co najgorsze, pogorszenie to jest trudne do oszacowania wzrokowo, ponieważ czułość oka w zakresie 420 nm jest bardzo słaba. Poza tym rozkład widmowy tak niskiej jakości diod LED może być bardzo szeroki (od 350 nm w zakresie ultrafioletu, aż do światła zielonego): te dłuższe fale wpływają na widoczność fluorescencji koralowców. Jednocześnie badania prowadzone przez Wspólne Centrum Badawcze Komisji Europejskiej [12] pokazują, że światło UV o krótszych długościach fal może powodować nieestetyczną fosforescencję drobnych cząstek zawieszonych w wodzie (rys. 24). Rys. 24 Fosforescencja małych cząstek w wodzie w świetle UV Diagram zawiera kilka wykresów fosforescencji cząstek o różnej wielkości. Najbardziej interesują nas cząstki o wielkości około 60 μm, których obficie występuje w zbiorniku rafowym. Po napromieniowaniu falami o długości poniżej 370-380 nm ta fosforescencja może być dość znacząca. Szerokie wykresy spektralne diod LED poprzedniej generacji zawierały znaczną część promieniowania 370nm, które powodowało zauważalną fosforescencję zawieszonych cząstek w akwarium, stąd wielu konstruktorów DIY LED zalecało stosowanie bardzo niewielu czystych diod aktynicznych. Na szczęście najnowsza generacja diod LED ma wydajną szerokość pasma około 30 nm [15], a stosując diody w zakresie 400-430 nm możemy uniknąć fosforescencji zawieszonych cząstek, mimo że całkowita moc promieniowania może być dość wysoka. Spróbujemy teraz oszacować ilość światła w wybranych zakresach długości fal: 400-440nm, 440-480nm, 480-520nm i 520-700nm. Każdy zakres będzie odpowiadał jednemu kanałowi koloru w oprawie LED i można go uzyskać za pomocą jednego typu lub kombinacji kilku rodzajów diod LED. Nasłonecznienie powierzchni oceanu zależy od obecności chmur, położenia słońca i innych czynników. Do naszych szacunków przyjmiemy średnie miesięczne nasłonecznienie 1789 J/cm 2 , na podstawie 3-miesięcznych statystyk dla Fidżi [20]. Zakładając 12-godzinny fotoperiod, przekłada się to na 413 W/ m2 . Poprzez całkowanie mocy promieniowania słonecznego zgodnie z rys.3 otrzymamy rozkład mocy światła widzialnego w powyższych podzakresach dla różnych głębokości (tabela 2): Tabela 2 Średnia moc światła (w W na m2) dla zdefiniowanych zakresów widmowych w ciągu dnia Podzakresy widmowe, nm Głębokość, m (stopy). 400-440 440-480 480-520 520-700 Całkowita moc 0 (0) 55 64 62 232 413 5 (16.4) 54 63 60 163 340 10 (32.8) 53 61 57 94 266 15 (49.2) 52 60 55 26 193 Chociaż tabela opiera się na naturalnie dostępnym rozkładzie widma na określonych głębokościach, należy pamiętać, że zakres 400-500 nm jest najbardziej wymagany, ponieważ zapewnia najlepsze ubarwienie i fluorescencję koralowców; podczas gdy promieniowanie o większej długości fali w zakresie 500-700 nm jest słabo wykorzystywane przez morskie organizmy fotosyntetyczne. Jednocześnie oko ludzkie jest bardzo wrażliwe na zakres 520-600nm i dlatego nie potrzebujemy zbyt dużej mocy promieniowania w tym zakresie: nawet niewielkie natężenie oświetlenia wystarczy, aby oko odebrało zbiornik jako jasno oświetlony. Tymczasem uzupełnienie diod LED 660 nm może być korzystne dla organizmów płytkowodnych. Jednocześnie ta długość fali, w połączeniu z zakresem 400-420nm, będzie promować prawidłowe odwzorowanie fioletowego koloru. Jak wykazaliśmy, dla morskich organizmów fotosyntetycznych najważniejszy jest zakres 400-480 nm. W swoim naturalnym środowisku koralowce uzyskują od 52 do 55W/m2 mocy optycznej w zakresie 400-440nm oraz od 60 do 64W/m2 w zakresie 440-480nm. Jeśli w oprawie zastosujemy tylko te długości fal, używając empirycznego wyrażenia Watts/m2 = 0,21*L [19], możemy osiągnąć poziomy oświetlenia od 528 do 567 μmol·fotonów/m 2 /s. Jak pokazano powyżej, jest to wystarczające do prawidłowego wzrostu i wybarwienia światłożądnych koralowców. Nie zalecamy jednak używania tak dużej mocy promieniowania przez cały czas nad zbiornikiem rafowym i należy wziąć pod uwagę następujące czynniki: Oprócz wspomnianych zakresów długości fal, większość hobbystów będzie używać diod LED z innych zakresów, aby uzyskać lepszy efekt wizualny. Te diody LED przyczynią się również do całkowitej wypromieniowanej mocy optycznej. Moc promieniowania powyżej 400 μmol·fotonów/m2 / s może być zbyt wysoka. Produkcja chromoprotein zatrzymuje się poniżej 100 μmol·fotonów/m 2 /s; tj. przy poziomie oświetlenia 4 razy mniejszym. Wielu akwarystów używa kontrolerów do imitowania wschodów/zachodów słońca i innych efektów, a moc promieniowania może się znacznie zmieniać w ciągu dnia. Średnia moc podczas fotoperiodu jest mniejsza niż moc maksymalna. Morskie organizmy fotosyntetyczne najskuteczniej wykorzystują promieniowanie o długości fali około 430 nm, a zakres ten stymuluje również ich najintensywniejsze zabarwienie. Uważamy, że najbardziej rozsądna maksymalna moc promieniowania powinna wynosić około 45W/m2 dla zakresu 400-440nm i około 40W/m2 dla zakresu 440-480nm. Uwaga: W tym miejscu i powyżej wspominamy raczej o mocy promieniowania optycznego niż energii elektrycznej zużywanej przez diody LED. Aby określić liczbę diod LED wymaganych w oprawie i ich prąd znamionowy, wartości te należy przeliczyć na moc elektryczną, która zależy od wydajności faktycznie użytych diod LED. O tych wyliczeniach, doborze poszczególnych diod LED i innych kwestiach związanych z faktyczną konstrukcją oprawy LED omówimy w kolejnym artykule. Jeśli zbiornik rafowy będzie oświetlony tylko w tych zakresach długości fali przez 12 godzin, z krótkimi wschodami i zachodami słońca charakterystycznymi dla strefy równikowej, uzyskamy średnią moc promieniowania 400 μmol·fotonów/m 2 /s, która jest wystarczająca do optymalnej produkcji chromoproteiny. Ponieważ oprawa oświetleniowa prawdopodobnie będzie zawierać również diody LED w innych zakresach długości fali, możemy śmiało założyć, że liczby te obejmują pewien margines mocy. Należy również zauważyć, że chociaż moc promieniowania 400 μmol·fotonów/m 2 /s jest optymalna dla zabarwienia koralowców, tak silne oświetlenie wymaga nieskazitelnych warunków wodnych w zbiorniku. Już 4-krotnie poniżej tego poziomu moc promieniowania wystarcza do rozpoczęcia produkcji chromoprotein w koralowcach. Zalecamy zacząć powoli, z początkowym poziomem oświetlenia zbliżonym do dolnej granicy około 100 μmol·fotonów/m 2 /s. W ciągu kilku miesięcy można stopniowo zwiększać oświetlenie, uważnie monitorując parametry wody i reakcję koralowców. Jeżeli układ jest stabilny i wszystkie parametry mieszczą się w optymalnym zakresie, moc optyczną można stopniowo zwiększać do 400 μmol·fotonów/m 2 /s. Jak widzieliśmy, parametry formalne, takie jak CRI i CCT, nie są zbyt przydatne do określenia, czy konkretna oprawa oświetleniowa nadaje się do zbiornika rafowego. Jednocześnie musimy ponownie podkreślić, że wystarczająca moc w zakresie długości fal 400-480 nm jest niezwykle ważna. Jeżeli ten warunek jest spełniony, pozostałe parametry oprawy można dobrać w oparciu o indywidualne preferencje właściciela (wystarczy upewnić się, że sumaryczna moc wypromieniowana nie przekracza zalecanych wartości). Musimy niestety przyznać, że większość dostępnych obecnie na rynku opraw oświetleniowych wykorzystuje tylko zakres 450 nm i wyższy, podczas gdy ostatecznie ważny zakres między 400 a 440 nm jest zwykle pomijany lub jest niewystarczająco reprezentowany. Bibliografia http://en.wikipedia.org/wiki/Color_vision David H.Hubel, Oko, mózg i wzrok . 256p., 1995, ISBN/ASIN: 0716760096 http://www.ecse.rpi.edu/~schubert/Light-Emitting-Diodes-dot-org/Sample-Chapter.pdf http://ies.jrc.ec.europa.eu/uploads/fileadmin/Documentation/Reports/Global_Vegetation_Monitoring/EUR_2006-2007/EUR_22217_EN.pdf http://rybafish.umclidet.com/zooksantella-%E2%80%93-nevolnica-korallov.htm http://afonin-59-bio.narod.ru/4_evolution/4_evolution_self/es_13_algy.htm http://medbiol.ru/medbiol/botanica/000a984c.htm http://batrachos.com/node/442 http://reefcentral.com/forums/showpost.php?p=20296037&postcount=27 http://www.photo-mark.com/notes/2010/nov/19/plancks-despair/ http://reefbuilders.com/2010/06/17/grassy-glow-25000-k-metal-halide-bulb-from-volx-japan-hits-the-mark-for-blue-light-addicts/ http://ies.jrc.ec.europa.eu/uploads/fileadmin/Documentation/Reports/Global_Vegetation_Monitoring/EUR_2006-2007/EUR_22217_EN.pdf – 26 s. RWBurnham, RMHanes, CJBartleson Kolor: Przewodnik po podstawowych faktach i koncepcjach. Nowy Jork: John Wiley, 1953 Thai K. Van, William T Haller i George Bowes Porównanie cech fotosyntetycznych trzech zanurzonych roślin wodnych. www.plantphysiol.org/content/58/6/761.abstract http://www.led-professional.com/products/leds_led_modules/semileds-achieves-40-external-quantum-efficiency-for-ultraviolet-uv-led-chips C.D'Angelo, J.Wiedenmann, Niebieskie światło i jego znaczenie dla barwy koralowców kamiennych, Coral Magazine, listopad/grudzień. 2011 Ile kosztuje prąd i jak cię one obciążają Radion XR30w firmy Ecotech Marine wygrywa pojedynek LED Reef Builders 2011 http://www.onsetcomp.com/support/knowledgebase/unit-conversion http://earthobservatory.nasa.gov/Features/EnergyBalance/page2.php http://reefkeeping.com/issues/2002-09/atj/feature/index.php Leletkin VA, Popova LI, Pochłanianie światła przez perydyninę karotenoidową w komórce zooxantellae i osadzanie koralowców hermatypycznych na głębokości, Zh. Obszcz. Biol. 2005 maj-czerwiec;66 (3) Edytowane 30 Styczeń 2022 przez Gość Udostępnij tę odpowiedź Odnośnik do odpowiedzi Udostępnij na innych stronach
