La luce efficace per i coralli

La luce è una delle principali risorse per sostenere la vita sul nostro pianeta ed è composta da vari colori caratterizzati da una ben determinata lunghezza d’onda.

Nel disegno seguente, è possibile individuare alcune caratteristiche basilari dello spettro luminoso.

Molti esseri  marini sono  fotosintetici, ovvero necessitano di luce per vivere. Nel loro tessuto sono presenti le zooxantelle, alghe simbionti che hanno bisogno di luce per la fotosintesi e per produrre nutrimento sufficiente sia per uso proprio e per la crescita del corallo.

Ad ogni acquario di barriera dobbiamo fornire la luce “giusta” per la crescita dei coralli, qualunque esso sia, quindi è necessario avere uno spettro corretto e una sufficiente intensità. Prima di indicare come procedere per raggiungere l’obiettivo, cercheremo di capire che tipo di luce utilizzano gli organismi marini nel loro ambiente naturale.

Come punto di partenza, consideriamo la distribuzione spettrale dell’energia solare presso le isole Fiji nel mese di luglio, fig. 1.

 Fig. 1 distribuzione spettrale dell’energia solare a livello del mare

Cerchiamo di scoprire che tipo di spettro luminoso, è disponibile per gli organismi marini nel loro ambiente naturale, nel tentativo di costruire una plafoniera ideale per i nostri acquari marini, cercando di generare una distribuzione spettrale simile a quella presente in natura.

Diverse specie di corallo vivono a varie profondità: alcuni vivono in acque molto basse, altri coralli, come Bathypates spp., possono essere trovati sui fondali, fino a 8000 mt.

Circa il 20% di tutte le specie di corallo non sono fotosintetici e quindi non richiedono alcuna luce come fonte di cibo, ma la maggior parte dei coralli, tuttavia, sono fotosintetici e queste sono le specie che popolano più spesso gli acquari domestici. Cercheremo di capire che tipo di luce preferiscono.

Osserviamo il grafico di penetrazione della luce solare in acqua marina, a seconda della lunghezza d’onda, elaborato dall’Istituto per l’ambiente e la sostenibilità della Commissione europea (fig. 2).

 Fig 2 penetrazione della luce in acqua di mare, a seconda della lunghezza d’onda

L’asse orizzontale è la lunghezza d’onda luminosa, espressa in nanometri e l’asse verticale, è la profondità espressa in metri. Da questo grafico è chiaro che lunghezze d’onda comprese tra circa 370 e 500nm, raggiungono profondità maggiori. In altre parole il viola e il blu, sono le parti dello spettro che penetrano meglio in acqua di mare, mentre nell’ordine, la luce verde, la luce giallo-arancio e la luce rossa, penetrano sempre meno in profondità.

Dai dati grafici di Fig. 1 e Fig. 2, si può ottenere il diagramma di distribuzione dell’energia luminosa di determinate lunghezze d’onda, ad una data profondità. Come esempio, sullo stesso grafico (Fig. 3) abbiamo indicato la distribuzione spettrale della luce in superficie e alle profondità di circa 5 m, e 15 m. Nota: 15m è la profondità massima alla quale possiamo ancora trovare in natura molti coralli esigenti in fatto di luce. Alle profondità sotto 20m, il numero di specie esigenti in fatto di luce, diminuisce bruscamente.

Fig. 3 Distribuzione spettrale della luce per lunghezza d’onda in rapporto alla profondità: sulla superficie (colore azzurro), a 5m (blu) e 15 m (blu scuro)

L’azzurro chiaro del grafico corrisponde all’ irradiazione luminosa sulla superficie, il grafico blu a 5m di profondità, e il blu scuro a 15m di profondità. Si noti come aumentando  la profondità, la parte rossa dello spettro praticamente scompare.
Durante centinaia di milioni di anni di evoluzione gli organismi marini fotosintetici, si sono adattati a utilizzare al meglio, principalmente il viola e le parti blu dello spettro, che è più abbondante nel loro ambiente, mentre sono poco sensibili al rosso dello spettro (quest’ultimo è più attivamente utilizzato dalle piante terrestri). Le zooxantelle simbiontiche presenti nel tessuto degli organismi fotosintetici marini, sono primitive alghe (Pyrrophyta) contenenti principalmente clorofilla A e C e pigmenti carotenoidi, che presentano un forte assorbimento nello spettro del blu-verde. La Fig. 4 dimostra l’assorbimento della luce da parte delle zooxantelle.

 Fig. 4 assorbimento della luce effettuato dalle zooxantelle

L’asse orizzontale rappresenta la lunghezza d’onda, in nanometri, mentre l’asse verticale è l’assorbimento della luce. Si può vedere dal grafico che il viola e blu, prevale con forza sul rosso (si noti che per lo spettro rosso, è prevalente nella gamma 660-680nm).
La principale conclusione in base a quanto detto, è che viola e azzurro sono le bande di colore, più importanti per gli organismi fotosintetici marini.

Ci sono tre principali fattori che possono influenzare maggiormente il benessere dei coralli:

1. la luce dello spettro e la sua intensità sono importanti per la loro buona salute e la colorazione del tessuto, ma non è stato studiato ancora tutto in modo completo su questo argomento per permettere il mantenimento sicuro di ogni animale che popolano i reef.
2. la quantità di cibo disponibile in acqua perchè i coralli, anche se i polipi corallini ricevono una parte significativa della loro energia dalle zooxantelle, sono in grado di catturare le particelle di cibo nell’ acqua che li circonda. Questo necessità, può essere risolta facilmente dato che ci sono sul mercato un buon numero di alimenti di qualità, prontamente disponibili per i coralli. Allo stesso tempo molti acquariofili credono che, se ci sono pesci che vivono in un acquario, i coralli avranno sufficiente cibo da piccole particelle che restano in circolo nella vasca, ma non è così, è importante fornire nutrimento integrativo che il corallo provvederà a predare.
3. la purezza dell’acqua. Questo ultimo fattore è più facile da controllare, dato che molte tecniche per mantenere in buone condizioni l’acqua negli acquari di barriera corallina, sono ben note.

Prendendo in considerazione il primo punto, ricordiamo che ci sono tre fasce di colori principali all’interno dello spettro, ciascuno sensibile ad una parte specifica dello spettro.  Viola e blu (per brevi lunghezze d’onda), verde e giallo (medie lunghezze d’onda), arancione e rosso (lunghezze d’onda lunghe). Queste tre fasce di colore, sono responsabili della visione del colore per l’occhio umano.

Di conseguenza, sotto una luce con intensità sufficiente, l’occhio umano può rilevare:

• la luce a onde corte (blu) essendo sensibile nell’intervallo 400-500nm con un massimo a 420-440nm.
• le onde medie che rileva la gamma 460-630nm, con un massimo a 534-555nm.
• le onde lunghe le rileva nell’intervallo 500-700 nm con un massimo a 564-580nm.

Gli esseri umani percepiscono visivamente qualsiasi oggetto, come la somma della luce riflessa dagli oggetti stessi, e il loro colore è determinato dal rapporto, in cui diverse lunghezze d’onda colpiscono la sua superficie e vengono assorbiti o riflessi. Per esempio, le foglie verdi assorbono tutte le lunghezze d’onda visibili ad eccezione del verde, che si riflette, quindi noi le percepiamo di colore verde.

Fig 6 gamma di luce percepita dall’occhio

Come abbiamo indicato sopra, l’occhio è più sensibile alla gamma 550nm, e più la luce emessa è vicino a quella lunghezza d’onda, più luminoso sarà percepito dall’occhio stesso. Così, le proteine specifiche disponibili negli organismi marini, assorbono poco le lunghezze d’onda corte (blu e viola) e in questo modo l’occhio percepisce un colore che sembra molto più luminoso. Sotto la luce puramente “attinica”, che contiene solo le lunghezze d’onda più corte, il nostro acquario, mostrerà maggiormente i colori vivaci presenti del tessuto dei coralli, pur essendo una luce quasi invisibile all’occhio.

La fluorescenza più forte sarà osservata nella gamma 400-450 nm, specialmente perché la sensibilità dell’occhio in tale intervallo è molto bassa. La luce in questa gamma è di solito chiamata “luce attinica”.

Sicuramente, le fluorescenze dei coralli, sono uno dei fattori principali per fare risaltare la bellezza degli esseri presenti in una vasca di barriera, ma la luce nella gamma 400-500nm è importante  anche per un altro motivo, è la luce migliore per promuovere la fotosintesi negli animali marini. Quindi questa parte dello spettro è della massima importanza per una vasca di barriera.

Gli esperimenti hanno anche rivelato che le radiazioni nella gamma 430nm sono più efficaci nel promuovere la colorazione brillante protettiva dei coralli e spettralmente corrisponde anche alla banda di assorbimento maggiore per la clorofilla a e c, che la rende adatta per la schermatura efficace del sistema fotosintetico delle zooxanthelle.

L’energia della luce di uguale intensità, in varie parti dello spettro, sarà percepito in modo diverso dall’occhio: una potente fonte d’illuminazione nella gamma 400-450 nm, sarà percepita come luce molto debole e una fonte di luce che emette nella regione infrarossa, sembrerà di colore nero.

Spesso si pensa che la stima dei lumen, sia il modo corretto di valutare l’intensità del flusso luminoso  ma è errato dato che è valido solo per ciò che percepisce l’occhio come intensità dello spettro luminoso. Nel nostro caso, il parametro più appropriato per la determinazione della radiazione luminosa, è il numero di fotoni che in un secondo, colpiscono un metro quadrato di superficie: μmol·photons/m2/s.

Possiamo indicare 80-100 μmol·photons/m2/s come luce bassa, 150-200 luce media e 300-400  luce ottimale. Il limite di saturazione della fotosintesi è di circa 600-700μmol·photons/m2/s.

Nella nostra vasca di barriera, dobbiamo raggiungere un’illuminazione preferibilmente vicino la soglia ottimale di 300-400 μmol·photons/m2/s.

In conclusione, la luce nella gamma 400-500nm è la più vantaggiosa per gli organismi fotosintetici marini, e la porzione delle onde corte (400-450 nm) è la più utile per una loro colorazione brillante.

Finora, i tubi fluorescenti convenzionali non si sono dimostrati così efficienti per l’osservazione delle fluorescenze in una vasca di barriera, rispetto a ciò che possono offrire i led.

I vantaggi degli apparecchi a LED, rispetto alle fonti di luce convenzionali sono molti.

Considereremo solo i principali vantaggi.

1. maggiore efficienza e minore generazione di calore. In primo luogo il LED è circa due volte più efficiente dei tubi fluorescenti convenzionali o delle lampadine ad alogenuri metallici, nel convertire l’energia elettrica in luce. In secondo luogo i LED irradiano solo in una direzione del piano e quindi non limitano l’emissione della luce generata. Utilizzando eventuali lenti, la luce LED può essere facilmente concentrata nella regione desiderata. Le lenti sono di dimensioni compatte e, allo stesso tempo, possono aiutare a trasferire fino al 90% della luce prodotta attraverso la superficie dell’acqua. Per contro, quando si utilizzano lampadine convenzionali con riflettori, di solito solo il 40% di luce penetra la superficie. Si può arrivare a produrre fino a 60% di penetrazione della luce utilizzando grandi riflettori ma in ogni caso la lampadina blocca parzialmente la luce di ritorno dal riflettore. L’efficienza dei migliori apparecchi a LED può essere tre volte più elevata rispetto alle lampadine migliori e generare oltre 4 -5 volte meno calore. Questo praticamente significa che installando un apparecchio LED sopra una vasca di barriera possiamo probabilmente eliminare durante la stagione calda, la necessità di un refrigeratore costoso e il relativo consumo. Così gli, apparecchi a LED possono conseguire risparmi energetici significativi, e ridurre l’ impatto ambientale in modo significativo.
2. lungo ciclo di vita. Quando i LED vengono alimentati alla corrente nominale o meglio inferiore, non si surriscaldano e se sono di qualità, degradano molto lentamente. Ma anche i LED hanno bisogni specifici che devono essere considerati quando si progetta una plafoniera. Tra i migliori LED disponibili sul mercato oggi, sono (XT-E Cree, LUXEON Rebel ES) è la loro efficienza è davvero molto alta, se sono sufficientemente raffreddati. Naturalmente, questi sono nuovi LED e il loro funzionamento non è stato testato per tanti anni, ma può essere stimata una durata utilizzando modelli complessi per valutare la loro vita e il mantenimento della loro luminosità in un determinato periodo. Se sono soddisfatte tutte le condizioni di funzionamento richiesto, potremo ottenere ancora circa il 70% della potenza iniziale di radiazione del LED dopo 40 – 150 mila ore di funzionamento a seconda di come sono stati alimentati e raffreddati mediante opportuni dissipatori e ventole. Queste cifre si traducono in un intervallo che va dai 10 ai 30 anni di funzionamento di un dispositivo di illuminazione, considerando 12 ore di funzionamento giornaliero. Dopo questo periodo il LED continuerà a perdere luminosità, raggiungendo circa il 50% del valore iniziale, dopo 100 – 200 mila ore (il range è sempre valutato in base a come vengono utilizzati i LED). La probabilità di un guasto per i LED su una plafoniera, è abbastanza bassa, circa l’1% durante il periodo di 50 mila ore di funzionamento, e dopo questo periodo la probabilità aumenta del 50% a 200 mila ore. Spesso i LED in una plafoniera sono collegati in più gruppi in serie, e pertanto, se un LED cessa di funzionare, l’intera stringa in serie, si spegnerà. Se guardiamo queste cifre statisticamente, è probabile che per un apparecchio con circa 200 LED questo può accadere in 10 anni.
3. possibilità di regolare l’illuminazione e spettro. Quando si utilizzano driver dimmerabili, la luce emessa dai LED può essere facilmente regolata. Spesso si utilizzano controller speciali per simulare albe e tramonti e i cambiamenti di illuminazione naturale durante il giorno. È importante notare, tuttavia, che i tramonti e le albe nella zona equatoriale sono molto più veloci rispetto alle più alte latitudini, e la durata della notte è uguale al giorno (cioè abbiamo  sempre un fotoperiodo di 12 ore). Guardate il diagramma illustrato nella figura seguente.

Questo significa che l’illuminazione naturale sotto l’acqua non è sufficiente per la fotosintesi fino a quando il sole sorge e non è almeno a circa 15 gradi sopra l’orizzonte. In circa 30 minuti dopo, l’illuminazione aumenta rapidamente a circa la metà del valore massimo giornaliero. Pertanto fotoperiodo effettivo è di circa 9 ore.

Questi sono i fattori che un acquariofilo dovrebbe prendere in considerazione se vuole replicare cicli di luce naturali.

Ora consideriamo lo spettro irradiato dai vari LED. Lo spettro di un LED bianco freddo con temperatura di colore intorno 7000K è mostrato in fig. 7.

Fig. 7 lo spettro di un LED bianco

Questo spettro non è omogeneo, ma ha un significativo abbassamento nella gamma 470-500nm. Questa lacuna può essere compensata facilmente aggiungendo un LED blu. Date un’occhiata alla distribuzione spettrale in base al diverso colore considerando la serie di LED Philips LUXEON Rebel ES (fig. 8).

fig. 8 Distribuzione spettrale dei LED Philips LUXEON Rebel ES in base al colore

La radiazione del LED blu è più adatta a compensare la gamma 470-490nm richiesta. Una migliore corrispondenza potrebbe essere realizzata utilizzando anche un LED con un picco di 475nm. Usare solo due tipi di LED (blu e bianco) non è sufficiente, perché un tale apparecchio mancherà di una quantità significativa di luce nella gamma 400-450 nm . Molto meno di ciò che è misurato in natura, a pochi metri di profondità. La gamma spettrale 450nm può essere facilmente incrementata tramite LED blu royal avente un picco corrispondente a quella lunghezza d’onda. Oltre a questo, lo spettro del LED bianco diminuisce rapidamente nella gamma rosso scuro, intorno a 650-660nm. Secondo il modello illustrato nella fig. 4, questa parte dello spettro è richiesta anche per organismi fotosintetici d’ acque poco profonde inoltre aggiungendo questa gamma contribuiremo ad enfatizzare il colore rosso nella vasca di barriera corallina.

Lo spettro che vogliamo ottenere, è qualcosa di molto vicino a quello che fornirà la maggior energia ai coralli e che faccia risaltare in modo significativo le fluorescenze dei loro tessuti.

Ora cercheremo di stimare la quantità di luce in base agli intervalli di lunghezza d’onda selezionata: 400-440nm, 440-480nm, 480-520nm e 520-700nm. Ogni intervallo può corrispondere a un diverso canale e quindi di colore, in un apparecchio LED, riuscendo in questo modo ad ottenere la migliore miscelazione con appositi driver installati su ogni canale.

L’insolazione sulla superficie del mare, dipende dalla posizione del sole e da altri fattori come la presenza di nuvole. Per le nostre stime ipotizziamo un’insolazione media mensile di 1789 J/cm², sulla base di statistiche di 3 mesi, effettuate presso le isole Fiji. Supponendo un fotoperiodo di 12 ore, questo si traduce in 413 W/m².

Mediante l’integrazione della potenza di radiazione solare secondo la Fig. 3, otterremo la distribuzione di energia di luce visibile che si estende per diverse profondità (tabella 2):

Tabella 2: potenza della luce (in W / mq) per le gamme spettrali definite durante il giorno

Anche se la tabella è basata sulla distribuzione spettrale naturalmente disponibile a profondità specifica, si può notare che l’intervallo 400-500nm è il più ricorrente, in quanto offre la miglior colorazione e fluorescenza in coralli, inoltre la radiazione della lunghezza d’onda più lunga nell’intervallo 500-700nm, è scarsamente utilizzata dagli organismi fotosintetici marini. Allo stesso tempo, come abbiamo detto sopra, l’occhio umano è molto sensibile alla gamma 520-600nm e quindi non abbiamo bisogno di molto potere luminoso in quell’intervallo perchè anche piccole quantità di illuminazione, saranno sufficienti per l’occhio a percepire l’acquario, bene illuminato. Anche l’ aggiunta di LED da 660nm può essere vantaggiosa per gli organismi di acque poco profonde, inoltre questa lunghezza d’onda, in combinazione con la gamma 400-420 nm, promuoverà la corretta formulazione del colore viola.

Attenzione: Altra cosa molto importante da tenere presente è quella di evitare al massimo lo spettro 550 – 620nm ovvero quello dove i cyanobatteri, prosperano meglio.

Come abbiamo dimostrato, la gamma 400-480nm è più importante per gli organismi fotosintetici marini. Nel loro ambiente naturale i coralli sono sempre sottoposti a intensità da 52 a 55 w/m² di potenza ottica nella gamma 400-440nm e da 60 a 64W/m² nella gamma 440-480nm.

Se utilizziamo solo queste lunghezze d’onda nella plafoniera, usando l’espressione empirica Watt/m² = 0.21 * L, possiamo raggiungere livelli di illuminazione tra 528 e 567 μmol·photons/m2/s. Come è stato indicato sopra e quindi sufficiente per la corretta crescita e colorazione dei coralli esigenti.

Tuttavia, non è consigliabile utilizzare molta potenza per tutto il fotoperiodo sopra la vasca di barriera per  i seguenti motivi:

• Una potenza di radiazione sopra 400μmol·photons/m2/s può essere troppo alta. La produzione di cromoproteine si ferma sotto 100 μmol·photons/m2/s; cioè, a un livello di illuminazione 4 volte più basso.
• Molti acquariofili utilizzano controller per imitare albe/tramonti e altri effetti, e la potenza irradiata può cambiare in modo significativo durante il giorno. La potenza media durante il fotoperiodo è necessario sia inferiore alla potenza massima.
• Gli organismi fotosintetici marini utilizzano radiazioni con lunghezze d’onda più efficienti intorno a 430nm, e questa gamma stimola anche la loro colorazione più intensa.

La potenza massima di irradiazione luminosa più ragionevole, dovrebbe essere di circa 45W/m² per la gamma 400-440nm e circa 40W/m² per la gamma di 440-480nm.

Nota. Parliamo di potenza (W) dell’ irradiazione ottica, e non di energia elettrica consumata dai LED.

Se la vasca di barriera è illuminata solo in questi intervalli di lunghezza d’onda per 12 ore, con brevi albe e tramonti specifici alla zona equatoriale, otterremo una potenza media di radiazione di 400μmol·photons/m2/s, che è sufficiente per la produzione ottimale di cromoproteine. Poiché la plafoniera è probabile che includa anche LED in altri intervalli di lunghezza d’onda, possiamo tranquillamente avere ulteriori margini di potenza.

Si noti inoltre che anche se 400μmol·photons/m2/s di radiazione potenza, è ottima per la colorazione dei coralli, questa intensa  illuminazione richiede condizioni ottime di trasparenza dell’acqua della vasca. Ricordiamo che una potenza di irradiazione 4 volte inferiore a questo livello è già sufficiente per avviare la produzione di cromoproteine nei coralli. In ogni caso è bene sapere che quando si passa a nuove fonti luminose dotate di LED, è necessario iniziare lentamente, con livelli di illuminazione iniziale di circa 100μmol·photons/m2/s. Nei mesi successivi è possibile aumentare gradualmente l’illuminazione, verificando periodicamente i parametri dell’acqua e la reazione dei coralli. Se il sistema è stabile e tutti i parametri sono nel range ottimale, la potenza ottica può essere gradualmente aumentata fino a 400μmol·photons/m2/s.

Dobbiamo ricordare ancora che per una illuminazione efficace è importante avere una lunghezza d’onda 400-480nm. Purtroppo, molti apparecchi luminosi a LED commercialmente disponibili oggi, utilizzano la gamma dai 450nm in su, trascurando la gamma importante tra 400 e 440nm.

N.B. Ricordiamo che non va considerata la potenza in Watt per litro, ma il Watt va valutato in base alla superficie (metro quadrato). 65 – 75W per metro quadrato è già un buon valore quando si stanno utilizzando azzurri e bianchi insieme. Abbiamo mostrato, tuttavia, che la potenza ottica totale di LED viola dovrebbe essere all’incirca uguale a quella del Blu.