Spesso nei cataloghi e nei foglietti informativi delle lampade sono
riportate numerose informazioni tecniche, che potrebbero essere di grande
aiuto nella scelta del sistema illuminante, ma il cui significato è
talvolta abbastanza oscuro oppure addirittura fuorviante.
Una delle ragioni di ciò è che la maggior parte delle
informazioni disponibili riguarda indici e parametri riconducibili alle
qualità "visive" della luce emessa da una lampada,
che però sono di minore importanza in un sistema in cui la funzione
della luce non è solo quella di "illuminare", ma soprattutto
quella di fornire l'energia raggiante necessaria a molte funzioni biologiche
o fotochimiche. Diviene pertanto interessante sapere come "convertire"
queste informazioni in altre direttamente collegate alle funzioni di
interesse. Il punto di partenza è capire il significato di alcuni
termini e di alcune proprietà utilizzati in illuminotecnica che
non sono poi di così immediata comprensione. Occorre a questo
punto fare presente che esistono due sistemi ben distinti per misurare
le proprietà della luce emessa dalle lampade. Si hanno infatti
misure fotometriche, in cui vengono valutate le proprietà
visive della luce, e misure radiometriche per le quali
la valutazione è delle proprietà fisiche della luce. Si
può osservare che, anche se le proprietà fisiche determinano
le proprietà visive, i due sistemi differiscono in quanto la
vista è uno "strumento" di misura della luce troppo
limitato ed anche soggettivo per fornire corrette valutazioni delle
precise caratteristiche fisiche delle radiazioni luminose. Inoltre non
esiste ancora un sistema affermato di misure "fotobiologiche"
a cui affidarsi (alcuni tentativi sono tuttavia stati fatti in questa
direzione, ad esempio con l'introduzione del PAR, Photosythetically
Available Radiation, che verrà descritto più avanti, o
di altri indici), anche se gli studi sugli effetti della luce sui sistemi
biologici sono numerosi, purtroppo con risultati talvolta contrastanti,
a causa principalmente dell'elevato numero di parametri in gioco in
biologia.
Alcuni argomenti sono qui trattati con una certa superficialità
ed anche con poco rigore e sicuramente i più esperti di radiometria
potrebbero trovare alcuni concetti esposti in maniera non del tutto
precisa, ciononostante la discussione dovrebbe contribuire alla comprensione
del significato di alcune comuni specifiche tecniche delle lampade.
Come tutti sanno, la luce fornita dalle
lampade non è una radiazione monocromatica, cioè non è
costituita da un'unica lunghezza d'onda, bensì è l'insieme
di radiazioni a diversa lunghezza d'onda ciascuna emessa con una certa
intensità per formare nel complesso quello che è lo "spettro
di emissione" della lampada.
Il campo di radiazioni luminose che interessa maggiormente in acquariofilia
è quello che va circa da 360 nm a 800 nm, in quanto sono queste
le radiazioni che coinvolgono, in diversa misura, i sistemi biologici
di cui fan parte anche i vari organismi animali ed i vegetali ospitati
nelle vasche. È già fin da ora evidente che la vista umana
non copre completamente questa gamma di lunghezze d'onda, in quanto
normalmente lo spettro "visibile" è meno ampio e spazia
approssimativamente da 400 a 780 nm, mostrando tra l'altro una sensibilità
alle radiazioni molto variabile anche all'interno di questo pur limitato
campo.
D'altra parte anche lo spettro solare, cioè la distribuzione
delle intensità della radiazione in funzione della lunghezza
d'onda che dal sole arrivano sulla superficie terrestre, non
è costante ed è in certe condizioni più
ampio ed in altre più ristretto con una distribuzione
spettrale piuttosto variabile. In effetti la radiazione solare
che arriva sulla superficie terrestre dipende da molti fattori,
quali il momento della giornata, le condizioni meteorologiche,
la latitudine, l'altitudine, la riflessione dall'ambiente circostante
ecc. Anche se si volesse imitare lo spettro solare, ammesso
che tecnicamente ciò sia possibile, non è detto
poi che questa sia la soluzione migliore, perché in fondo
non esiste una luce che vada bene per tutti gli organismi. Ci
sono organismi bisognosi di livelli di luminosità più
o meno elevati, ed anche nella "qualità" della
luce le esigenze possono essere diverse. Ciò è
particolarmente vero per gli organismi acquatici ed ad esempio
organismi abituati a vivere in acque basse e pulite saranno
adattati a ricevere una luce diversa da quella di altri che
vivono in acque profonde o torbide magari rese colorate dalla
presenza in acqua di diversi composti o particelle ed ai quali
la luce arriva "filtrata" da un certo spessore di
acqua con un assorbimento che tra l'altro dipende dalla lunghezza
d'onda. È vero che molti organismi sono in grado di adattarsi,
ma tale capacità non è illimitata e quindi, come
punto di partenza, sarebbe bene conoscere (talvolta questo è
il passo più difficile) quali sono le esigenze specifiche
degli organismi allevati. In fondo le soluzioni universali non
esistono e spesso è dunque necessario sperimentare di
persona. Tuttavia perché questi tentativi non siano alla
cieca è indispensabile avere un minimo di conoscenza
delle prestazioni che le lampade sono in grado di offrire. È
questo in fondo l'obiettivo della presente discussione.
Specifiche delle lampade
Le specifiche che vengono fornite più frequentemente
riguardano:
- la temperatura di colore
- la resa dei colori degli oggetti illuminati
- lo spettro di emissione
- il flusso luminoso o l'efficienza luminosa
Temperatura di colore
L'informazione che una lampada emette una luce con una
certa temperatura di colore significa semplicemente che questa
luce, alla vista umana, appare di un certo ben determinato "colore".
E questo colore dovrebbe essere all'occhio umano lo
stesso della luce emessa da un "corpo nero" (cioè
da un corpo ideale capace di assorbire completamente le radiazioni
di ogni lunghezza d'onda) portato a quella temperatura (vi è
da notare che un corpo nero emette una radiazione con uno spettro
che segue ben precise leggi fisiche e che perciò
è anche facilmente calcolabile).
Ma un'altra lampada che appare ai nostri occhi emettere luce
sempre dello stesso colore (e che pertanto ha la stessa temperatura
di colore) può possedere una distribuzione spettrale
completamente diversa. E, poiché è quest'ultima
la proprietà della luce più importante in biologia,
ottica, fotografia, acquariologia ecc., allora il valore della
temperatura di colore rappresenta un'informazione che da sola
è di ben poca utilità.
Per i tubi fluorescenti, che vengono prodotti in una gamma molto
vasta in cui tra l'altro è possibile scegliere tra tubi
a diverso spettro, ma con medesima temperatura di colore, questo
fenomeno è evidente.
Con le fotografie che seguiranno, scattate con pellicola diapositiva
per luce diurna, si cercherà di illustrare meglio questo
fenomeno, anche se la riproduzione sullo schermo di un computer
soffre di limiti nella fedeltà di riproduzione dei colori.
Nella seguente immagine sono state fotografate le luci emesse
da tre lampade a diversa temperatura di colore. Le lampade sono
Philips della serie TLD 9xx ed in particolare la 930 (temperatura
di colore=3000 K), la 940 (temperatura di colore=4000 K), la
965 (temperatura di colore=6500 K). Immagini del tutto analoghe
si otterrebbero con altre lampade fluorescenti (ad esempio Osram)
presenti sul mercato e di simili caratteristiche.
Si può notare che la tonalità del colore della luce emessa
diventa via via più "fredda" all'aumentare della temperatura
di colore. È bene fare presente già fin da ora, come si
vedrà meglio più avanti, che tutte queste tre lampade
sono a spettro cosiddetto "completo", per cui l'emissione
non è limitata a bande di emissione (cioè a ristretti
campi di lunghezza d'onda), come avviene in altre lampade fluorescenti,
ma distribuita con una certa uniformità in tutto il campo del
visibile. La diversa temperatura di colore e quindi la diversa tonalità
sono dovute alle maggiori intensità delle emissioni a lunghezza
d'onda lunga (verso il rosso) nel caso delle lampade a minore temperatura
di colore, mentre le lampade a valori più alti della temperatura
di colore mostrano intensità di emissione più elevate
nelle lunghezze d'onda corta (verso il blu).
Nelle due immagini precedenti vengono confrontate tra di loro lampade
con la medesima temperatura di colore. Infatti la 940 e la 840 hanno
entrambe una temperatura di colore di 4000 K, mentre la temperatura
di colore è di 6500 K sia per la 965 che per la 865. Le lampade
della serie 8xx mostrano una netta dominante verdastra, anche se alla
vista umana la tonalità della luce sembra la medesima delle lampade
della serie 9xx!! (Vi è da notare che la diversa esposizione
in queste due ultime foto rispetto alla foto precedente tende a fare
apparire meno saturi i colori delle stesse lampade a causa della diversa
luminosità, ma il confronto all'interno di una stessa foto rimane
significativo).
La pellicola fotografica (con sensibilità alle differenze
"cromatiche" diversa da quella dell'occhio umano) è
invece in grado di rilevare la differenza che appare, d'altra parte,
evidente negli spettri di emissione. Un confronto in termine di spettri
di emissione è perciò riportato nel grafico seguente dove
compare anche lo spettro di emissione del corpo nero a 4000 K.
Come è apparente nella figura la lampada della serie 8xx presenta
una maggiore discontinuità nello spettro che infatti risulta
meno uniforme di quello della 940 con la presenza di picchi di emissione
più accentuati e basse o bassissime emissioni a diverse lunghezze
d'onda. Inoltre appare notevolmente accentuato il picco di emissione
attorno ai 550 nm (a cui corrisponde una radiazione giallo-verde). Infatti
questo tipo di lampade privilegia in modo particolare l'emissione a
queste lunghezze d'onda essendo questo il campo di radiazioni a cui
l'occhio umano è più sensibile, cosicché possono
apparire più luminose (ma soltanto alla vista umana) di altre
lampade con spettro più uniforme. Per chiarire ulteriormente
questo punto, nel grafico seguente gli stessi spettri vengono confrontati
con la curva di sensibilità dell'occhio umano (sensibilità
fotopica, cioè a livelli medio-alti di illuminazione).
Nessuna meraviglia dunque che le lampade della serie 8xx sembrino (ma,
come detto, solo in apparenza, vale a dire solo alla vista e quindi
anche per le misure fotometriche) emettere più luce.
Alcune lampade molto utilizzate in acquariofilia come le Interpet Triton,
le Sylvania Aquastar e le Philips Aquarelle (tutte lampade trifosforo)
sembrano possedere caratteristiche molto simili (ad esempio temperatura
di colore dichiarata dal fabbricante di 10000 K per le Aquastar e le
Aquarelle, o dichiarata "non misurabile" per le Triton) e
gli spettri appaiono essere quantomeno
simili. Pure la luce emessa sembra essere per la vista della medesima
tonalità ed anche sulla pellicola fotografica a luce diurna,
come appare nella seguente fotografia, le differenze nella luce emessa
da queste tre lampade sono minime.
La conclusione è che queste tre lampade sono, per quanto riguarda
la radiazione emessa, praticamente equivalenti, anche se la Triton vanta,
a detta dei produttori, particolari qualità in termini di durata.
Si può anche osservare che, in accordo con l'elevata temperatura
di colore (10000 K), la pellicola ha registrato una luce che sostanzialmente
è bluastra, mentre all'occhio umano la luce di queste lampade
appare rosata ad ulteriore conferma che la vista può essere molto
ingannevole nel giudicare le proprietà radiometriche di una luce.
Nella foto seguente si può osservare invece il confronto tra
la luce emessa da una Aquarelle (10000 K) e da una TLD 965 (6500 K).
Infine è interessante notare come la pellicola fotografica sia
in grado di rilevare la differenza notevole che può esservi nella
luce emessa da alcune delle diverse lampade disponibili sul mercato.
Nella foto seguente il confronto è tra una Aquarelle (trifosforo
da 10000 K), una TLD 930 (a spettro completo da 3000 K) ed una TLD 840
(da 4000 K).
La differenza registrata dalla pellicola fotografica è maggiore
di quella apparente alla vista umana, che pure per queste lampade è
anch'essa in grado di rilevare una significativa diversità nella
tonalità di luce.
Resa dei colori per gli oggetti illuminati
Si è visto che il valore della temperatura di
colore fornisce un'informazione incompleta, che indica soltanto
che la luce emessa appare all'occhio umano approssimativamente
di un certo definito "colore". Oltre alle limitazioni
rilevate nel paragrafo precedente esiste tuttavia un ulteriore
inconveniente. Infatti per due luci diverse avere la stessa
temperatura di colore non comporta necessariamente che gli oggetti
illuminati appaiano poi alla vista dello stesso colore. Anche
sotto questo aspetto perciò la sola temperatura di colore
fornisce un'informazione insufficiente.
Ad esempio uno stesso oggetto porpora illuminato da una lampada
Philips TLD/840 o da una Philips TLD/940 apparirà all'occhio
umano di colore sostanzialmente diverso perché nel campo
delle lunghezze d'onda che contribuiscono alla resa visiva di
tale colore lo spettro d'emissione delle due è molto
diverso nonostante esse sembrino, osservandole direttamente,
emettere la stessa luce, avendo la stessa temperatura di colore
di 4000 K. E qui entra in gioco la "resa del colore di
sorgenti luminose" per la cui valutazione il sistema più
diffuso è "l'indice generale di resa del colore
Ra".
Il meccanismo su cui si basa è il seguente: "si
valutano le differenze tra i colori che certi oggetti standard
presentano sotto la sorgente in esame e poi sotto la sorgente
di riferimento.... La sorgente di riferimento da impiegare è
funzione della temperatura di colore della lampada in prova.
Per esempio per sorgenti in prova con temperature prossimali
di colore minori di 5000 K, esso è il radiatore di Planck
o corpo nero. Per temperature di colore uguali o maggiori di
5000 K, si impiegano gli illuminanti della serie D (Daylight).
Le temperature di colore delle due sorgenti devono essere le
più vicine possibile." (da "Misurare il colore",
Hoepli editore, a cura di Claudio Oleari). Vi è da notare
che gli illuminanti della serie D forniscono una luce che, come
spettro, è piuttosto vicina a quella della luce solare.
Poiché "le lampade ad incandescenza hanno una distribuzione
spettrale di potenza quasi identica a quella della sorgente
di riferimento" (che, si ricorda, è, fino a 5000
K, il corpo nero) allora il loro indice di resa del colore è
praticamente massimo (Ra=100). Questo tuttavia non significa
che le lampade ad incandescenza forniscano una luce migliore
(o simile a quella solare) perché per molti fini la loro
temperatura di colore è troppo bassa ed è in effetti
di molto inferiore a quella della luce solare (la luce appare
con toni molto più "caldi" di quelli della
luce del sole) e quindi inadatta per molti scopi (tra cui l'illuminazione
in acquario e la fotografia con pellicole diurne e senza filtri).
Ad esempio una normale lampadina ad incandescenza mostra una
temperatura di colore di circa 2500-2800 K , molto lontana dalla
temperatura di colore della luce solare del mattino o pomeriggio
(circa 5000-5500 K) o della luce solare di mezzogiorno (circa
6000 K, oppure valori anche superiori se il cielo è velato)
(La fonte di alcuni di questi dati è :"Il libro
della fotografia a colori", Feininger, Garzanti ed.). Questa
caratteristica dunque rende inadatte per l'uso in acquari le
sorgenti a temperatura di colore così bassa, almeno come
unica fonte di illuminazione. Per una lampada la combinazione
di una temperatura di colore di 5000-6000 K con un valore elevato
dell'indice di resa del colore (quanto più prossimo a
100) fornisce invece l'indicazione che molto probabilmente si
è abbastanza vicini alla distribuzione spettrale della
luce solare. Queste lampade esistono e sono quelle a spettro
completo con indice Ra il più alto possibile. Sotto questo
punto di vista le Philips 950 (temperatura di colore=5300 K
ed Ra=98) ed Osram Deluxe 12 (temperatura di colore=5400 K ed
Ra=98) appaiono tra quelle che più si avvicinano alla
luce solare, insieme eventualmente alle Osram 72 Biolux e Philips
965 (temperatura di colore=6500 K ed Ra=97-98). Le Philips TLD
950 ed Osram 12 sono tra l'altro anche quelle più consigliate
per le applicazione in cui occorre fare una valutazione visiva
dei colori di oggetti. D'altra parte ciò è confermato
anche dai risultati che si ottengono fotografando con pellicola
tarata per luce diurna degli oggetti illuminati da lampade a
diversa temperatura di colore e/o indice di resa dei colori.
In tale caso le foto fatte di oggetti illuminati da lampade
da 5000-6000 K ed elevato Ra (>95) mostrano solo leggere
dominanti di colore, mentre forti dominanti di colore sono presenti
se la sorgente di colore è ad indice Ra più basso
o caratterizzata da temperatura di colore significativamente
al di fuori del campo 5000-6000K.
Nelle seguenti foto sono riportati i risultati ottenibili fotografando
con pellicola invertibile per luce diurna una tabella di colori
ed il cartoncino grigio Kodak a riflessione 18%, che viene utilizzato
normalmente in fotografia per la valutazione di dominanti cromatiche
e dell'esposizione.
In queste due foto la temperatura di colore della sorgente luminosa
è la stessa (6500 K sia per la 965 che per la 865), ma l'indice
di resa dei colori diversa (Ra=98 per la 965 ed Ra=85 per la 865). Questa
differenza comporta che la resa dei colori, anche nella fotografia,
appaia migliore con la lampada ad Ra più elevato. Infatti i colori
ed il grigio del cartoncino sono resi abbastanza fedelmente con la 965
e sembra esservi solo una leggera dominante azzurrina, che invece è
piuttosto marcata e tendente al verde nella foto scattata illuminando
con la 865.
Scendendo con la temperatura di colore (nelle foto precedenti la 940
e la 840 emettono entrambe luce a 4000 K), si osserva uno spostamento
dei colori verso toni caldi cioè tendenti al giallo-rosso. Questa
è la dominante presente nella foto relativa alla 940, che presenta
un Ra elevato e pari a 95, segno che la luce emessa è abbastanza
simile a quella emessa da un corpo nero (Ra=100) alla temperatura di
4000 K. Nella foto scattata con la lampada della serie 8xx (la 840 in
questo caso) è ancora presente la solita dominante verdastra
a causa del picco di emissione attorno a 550 nm che le lampade di questa
serie presentano per apparire più luminose alla vista. Una conseguenza
di cioè è che l'indice Ra risulta più basso (Ra=85)
e lo spettro di emissione sarà abbastanza diverso da quello del
corpo nero a 4000 K .
Nella foto qui sopra la dominante giallo-rossa è ancora più
evidente che nella foto relativa alla 940, in quanto la temperatura
di colore con la 930 risulta ulteriormente più bassa (3000 K).
Il fatto che l'indice Ra sia abbastanza alto (Ra=95) indica ancora che
la radiazione emessa dovrebbe essere abbastanza simile a quella del
corpo nero a 3000 K. Tale radiazione sarà anche abbastanza simile
a quella emessa da una lampada ad incandescenza in quanto le differenze
in termini di temperatura di colore (circa 2700 K per la lampada ad
incandescenza e 3000 K per la lampada in esame) e di indice Ra (circa
100 per la lampada ad incandescenza e 95 per la lampada in esame) sono
abbastanza contenute (questo significa anche che fotografando sotto
questa sorgente luminosa, si possono ottenere discreti risultati utilizzando
le pellicole tarate per lampade ad incandescenza, cioè al tungsteno).
Per la Sylvania Aquastar, la Philips Aquarelle e la Interpet Triton,
commercializzate per l'utilizzo in acquari, una tonalità blu
appare essere prevalente, segno che lo spettro è ricco di queste
radiazioni con una certa percentuale non trascurabile anche di raggi
UVA. Inoltre le differenze tra queste tre foto sono minime confermando
che le tre lampade si assomigliano molto per il tipo di luce emessa.
La non trascurabile frazione di radiazioni rosse presenti nello spettro
porta anche a rilevare una certa dominante di questo colore che, ad
occhio nudo, è più avvertibile che attraverso una fotografia.
In conclusione una luce simile a quella solare la si ottiene se la temperatura
di colore è tra 5000 e 6500 K e l'indice Ra è prossimo
a 100. Tuttavia questo non significa che questo tipo di illuminazione
sia in assoluto quello preferibile e sia la migliore scelta in tutti
i casi per l'utilizzo in acquari, sostanzialmente perché non
è detto che la luce solare sia la migliore da utilizzare in acquario
(anche se probabilmente in molti casi costituisce una buona scelta).
Occorre per esempio considerare che se si ritenesse che le condizioni
migliori sono quelle presenti in natura nelle acque di origine e si
volesse perciò riprodurre tali condizioni, si dovrebbe tenere
conto che lo spessore dell'acqua attua una filtrazione della luce assorbendo
in misura differente radiazioni a diversa lunghezza d'onda, per cui
lo spettro disponibile in realtà (ammesso che sia quello ottimale)
varia anche con la profondità e con le proprietà "ottiche"
(trasparenza, presenza di particelle in sospensione e/o di sostanze
coloranti nell'acqua) dell'acqua attraversata. Possono esistere anche
altri motivi che suggeriscono di allontanarsi da un'illuminazione simile
a quella del sole, come ad esempio la realizzazione di un maggior potere
illuminante (per la vista umana), la ricerca di speciali effetti sulla
biologia di piante ed organismi, l'ottenimento di particolari risultati
cromatici, ecc.
Per questi motivi non esiste un'unica soluzione ideale, ma occorre tenere
presente le esigenze specifiche dei vegetali e degli animali ospitati.
Questo è il punto di partenza, dopodiché con i dati tecnici
delle possibili sorgenti luminose ed i criteri di valutazione descritti
in questo documento, ognuno dovrebbe essere libero di scegliere e sperimentare
come meglio crede.
Occorre anche considerare che, nella lotta contro le alghe infestanti
ed a favore delle piante acquatiche o di altre alghe superiori, l'illuminazione
costituisce uno solo dei numerosi fattori che contribuiscono al successo.
Inoltre molto probabilmente non esiste un'illuminazione che sia favorevole
per le piante e che allo stesso tempo inibisca la crescita delle alghe.
Si può tuttavia cercare un'illuminazione ottimale per le piante
ospitate, cosicché, pur se di per sé è apprezzata
anche dalle alghe, alla fine si arrivi nella competizione delle piante
con le alghe alla supremazia delle prime togliendo alle seconde nutrienti,
spazio e possibilità di crescita. Tuttavia, affinché ciò
avvenga, è necessario che anche tutti i rimanenti fattori (nutrienti,
CO2, movimento dell'acqua, parametri chimico fisici dell'acqua, ecc.)
siano ottimali. Inoltre occorre tenere conto anche dei tempi di adattamento
(la capacità di piante e di alghe di adattarsi parzialmente a
diverse condizioni di luce è un fenomeno ormai assodato), che
per le alghe sono generalmente più brevi che per le piante. Perciò,
quando si cambia il tipo di lampade, anche se le nuove condizioni di
illuminazione sono migliori per le piante, inizialmente il risultato
può essere quello di assistere ad un aumento (temporaneo si spera)
delle alghe, più pronte a beneficiare delle condizioni migliori.
Questo comporta che talvolta sia necessario, per valutare i risultati,
attendere tempi che possono essere anche piuttosto lunghi ed arrivare
ad alcuni mesi.
Attualmente esistono è vero alcune tendenze per l'illuminazione
dei diversi tipi di acquari, che sono trattate brevemente nell'ultima
sezione di questo documento, ma che, come ben sa chi ha seguito la storia
e l'evoluzione dell'illuminazione in acquari, sono probabilmente destinate
ad essere superate da nuovi studi, da nuovi prodotti ed anche, perché
no, da nuove mode. Quello che allo stato attuale sembra tuttavia assodato
è che le lampade a spettro completo siano, per l'utilizzo in
acquari, superiori alle altre. Da notare che le lampade che in genere
vengono comunemente indicate come Daylight, Coolwhite, Warm white ecc.
non necessariamente sono a spettro completo, anzi in genere con questi
termini vengono siglate lampade che presentano parecchie lacune nello
spettro.
Lo spettro di emissione
Temperatura di colore ed indice di resa dei colori sono
indici utili e rapidi per valutare approssimativamente la qualità
di luce emessa, ma, come visto, non del tutto completi, anche
se avere a disposizione entrambi può di fatto fornire
già molte indicazioni. Tuttavia l'informazione più
completa rimane quella fornita dallo "spettro" della
luce emessa dalla lampada in esame, perché contiene tutte
i dati per valutare che la luce possieda le caratteristiche
desiderate (cioè l'opportuna intensità di radiazione
ad ogni lunghezza d'onda), anche se talvolta è difficile
sapere quale dovrebbe essere lo spettro ottimale per ottenere
certi risultati od interpretare le curve spettrali che vengono
presentate. L'analisi dello spettro è particolarmente
utile nel caso in cui, come spesso è opportuno fare,
si utilizzi una combinazione di lampade diverse, in quanto non
ha molto senso fare una media delle temperature di colore o
degli indici di resa del colore, mentre una "somma degli
spettri" prendendo in considerazione ogni singola lunghezza
d'onda ha viceversa un significato ed una giustificazione fisica.
Per convenienza vengono riportati, collegati ad una tabella
con altre utili informazioni, molti spettri che possono essere
di interesse.
Il flusso luminoso e l'efficienza luminosa
L'indicazione dell'efficienza luminosa espressa in lumen
per watt (cioè espressa come "flusso luminoso"
emesso per unità di potenza assorbita dalla lampada)
non ha in pratica interesse in acquariologia, mentre trova larga
e sensata applicazione nell'illuminazione di luoghi di lavoro
e di soggiorno, cioè per l'illuminazione di ambienti
in cui gli uomini (dotati del limitato senso della vista) operano
e vivono. Questo perché i lumen (od i lux cioè
i lumen che arrivano sulla superficie illuminata per metro quadrato)
sono unità di misura specifiche della fotometria, che
è la branca della fisica in cui le radiazioni sono valutate
in base alle loro caratteristiche visive, od in altre parole
di un sistema che considera solo la potenza illuminante della
radiazione per la vista umana. Ma la visione dell'occhio umano
presenta diversi limiti essendo, ad esempio, l'occhio molto
sensibile a radiazioni di certe lunghezze d'onda e poco ad altre
(ad esempio agli infrarossi ed agli ultravioletti l'occhio è
cieco). Nelle funzioni biologiche attivate dalla luce ed indispensabili
in acquario sono invece fondamentali e necessarie radiazioni
di lunghezza d'onda alle quali l'occhio umano è poco
o per nulla sensibile e che quindi pesano poco o nulla sull'illuminazione
per un osservatore umano. Dunque, visto che in fotometria vengono
tenute in conto le sole esigenze della vista umana, allora la
risposta degli strumenti per la misurazione dei lumen (e dei
lux) tiene conto solo della sensibilità dell'occhio umano.
Esistono norme ben precise in tal senso elaborate dalla CIE
(Commission Internationale de l'Eclairage) che fissa ad esempio
la curva "fotopica" a cui gli strumenti si devono
adeguare per tenere conto della sensibilità dell'occhio
umano nella visione diurna. Ad esempio per lo "osservatore
fotopico" si ha un massimo di sensibilità per la
radiazione a 555 nm (attorno al giallo-verde), ma la sensibilità
cala abbastanza rapidamente per radiazioni a lunghezza d'onda
inferiori o superiori ed ad esempio le sensibilità a
500 nm e 625 nm sono pari solo a circa il 32 % di quella a 555
nm. Questo significa che, nella misurazione del flusso luminoso
in lumen, radiazioni anche di fondamentale importanza per l'uso
in acquario hanno poco peso (ad esempio nel blu, nel rosso e
negli UV-A), mentre il massimo peso si ha per le radiazioni
giallo-verdi che, pur essendo molto importanti per fornire luce
alla visione, hanno relativamente poca importanza per molti
processi biologici (ad esempio le foglie di molte piante con
clorofilla appaiono verdi appunto perché la radiazione
verde viene riflessa e non viene quindi quasi per nulla assorbita
od utilizzata). Quindi, a meno che non si sia interessati alla
sola resa per la vista umana, si rende necessario un "metro"
di valutazione che non faccia riferimento al flusso luminoso
in lumen, ma a qualche altra grandezza più significativa
per piante, animali e microrganismi. Si è visto che lo
studio dello spettro emesso può essere di aiuto per la
"qualità" della luce, ma per la determinazione
del numero di lampade necessarie a fornire la "quantità"
desiderata di luce della qualità voluta occorrerà
fare dunque riferimento a qualche altra grandezza di diretta
utilità che non può essere il flusso luminoso
(questo sembra a questo punto evidente anche se purtroppo spesso
si sente affermare al contrario che è preferibile fare
riferimento a quest'ultima quantità).
Da un'elaborazione dei dati relativi allo spettro ed al flusso
luminoso, che si possono trovare nelle specifiche tecniche di
molte lampade, è possibile tuttavia ricavare il valore
di potenza emessa sotto forma di energia raggiante per molte
lampade. È questo un dato che è sicuramente più
interessante del flusso luminoso in lumen in quanto fa direttamente
riferimento all'energia emessa sotto forma di radiazione indipendentemente
dalla sensibilità dell'occhio umano. Un ulteriore passo
in avanti può essere fatto prendendo in considerazione
il meccanismo con cui viene utilizzata l'energia raggiante in
ogni processo in cui questa interagisce con la materia (e dunque
anche in tutti i processi fotochimici e fotobiologici). In effetti
il "mattone" attraverso cui l'energia raggiante può
essere utilizzata è il fotone, che rappresenta l'entità
elementare di energia luminosa. Perciò è importante
avere una misura di quanti fotoni vengono emessi (nell'unità
di tempo) dalla sorgente in esame. Dal momento che l'energia
posseduta da un singolo fotone dipende dalla lunghezza d'onda
della radiazione, se la radiazione non è monocromatica
(cioè non è costituita da una radiazione ad un'unica
lunghezza d'onda) non è possibile ricavare dal solo valore
della potenza raggiante globalmente emessa il numero di fotoni
emessi. Se però si conosce anche la distribuzione dell'energia
emessa in funzione della lunghezza d'onda (vale a dire se si
conosce lo spettro) questo diventa possibile. Il PAR (Photosythetically
Available Radiation) è direttamente
collegato al numero di fotoni nel campo di
lunghezze d'onda di interesse (in genere da 400 a 700 nm perché
si ritiene che questo sia il campo in cui la radiazione può
essere generalmente utilizzata nei processi di fotosintesi).
Nella figura seguente è riportata la risposta relativa
di un luxmetro (che segue la curva fotopica) a confronto con
quella che dovrebbe possedere lo strumento ideale per la misurazione
del PAR e con quella mostrata da uno strumento relativamente
economico per misurare il PAR.
Praticamente l'idea del PAR è nata nel 1972 (anche se questo
termine è probabilmente apparso successivamente) dagli studi
di Keith McCree che ha mostrato che uno strumento che conta i fotoni
(quantum meter) è in grado di prevedere con maggiore precisione
la fotosintesi di quanto non riescano a fare i normali luxmetri! Evidentemente
il passo successivo sarebbe quello di vedere all'interno del campo in
cui il PAR viene uniformemente misurato (400-700 nm) quali sono le lunghezze
d'onda che più contribuiscono alla fotosintesi. Seppure molti
studi siano stati fatti in questa direzione per capire come "vedono
alghe e piante" (ad esempio i lavori di McCree e la curva spettrale
delle piante secondo Elgersma, di cui si parla anche in Aquarium Oggi,
n.2, 1998, pag.48) non esistono forse metodi o curve universalmente
adottati forse proprio perché tutto sommato ogni pianta ha proprie
esigenze, per cui una media abbastanza generica come quella fornita
con il PAR può essere già sufficientemente significativa
e non ha senso andare troppo nel dettaglio, se non per un sistema ben
specifico. Questo tuttavia non significa che la conoscenza del PAR sia
del tutto sufficiente a determinare l'efficienza di un sistema illuminante
per la crescita delle piante in quanto, pur essendo il PAR un indice
sicuramente più significativo del flusso luminoso, deriva pur
sempre da una "media" fatta all'interno di un campo piuttosto
ampio di lunghezze d'onda, da cui non si evince ad esempio la distribuzione
spettrale al suo interno, che pure può rivestire sicuramente
un'importanza fondamentale.
Dopo questa premessa è interessante vedere come si comportano
le normali lampade fluorescenti in termini di flusso luminoso fornito,
potenza raggiante e PAR. Nella seguente tabella e nel successivo grafico
sono riportati i valori ricavati per alcune delle lampade prima considerate
(poiché in questo caso l'emissione è per una determinata
lampada, il valore riportato del PAR si riferisce ad una lampada e non
all'unità di superficie).
Tabella per lampade da 36 W
| - |
Flusso luminoso
|
Potenza raggiante
|
PAR
|
| - |
lm
|
W
|
mEinstein/s |
|
TLD 840
|
3350
|
11.1
|
47.9
|
|
TLD 940
|
2350
|
10.2
|
45.5
|
|
TLD 965
|
2300
|
9.8
|
42.6
|
|
Aquarelle
|
2450
|
12.1
|
47.1
|
L'aspetto più interessante da notare è che, nonostante
il flusso luminoso sia sensibilmente più alto per la lampada
della serie 8xx (serie, come si è detto, che privilegia la luminosità
per la vista umana, emettendo specialmente nel campo dove l'occhio è
più sensibile), per quanto riguarda potenza raggiante e soprattutto
PAR le differenze risultano significativamente più ridotte. Dunque
anche se la "efficienza luminosa" in lm/W (intendendo come
luminosità quella per l'occhio umano) è maggiore per le
lampade della serie 8xx, l'effettiva resa energetica e la resa in termini
di numero di fotoni emessi variano invece molto meno da una lampada
all'altra. Considerando inoltre che, come discusso in precedenza, la
distribuzione spettrale non è certo ottimale
per quanto riguarda le lampade 8xx ed equivalenti, allora appare evidente
che le lampade a spettro completo (9xx ed equivalenti) sono più
adatte per l'uso in acquari. In altre parole le lampade a spettro di
emissione più uniforme (normalmente ad Ra molto elevato), anche
se risultano avere valori più bassi dell'efficienza luminosa
(e pertanto ai nostri occhi appaiono meno luminose) rispetto a lampade
con spettro più ricco di radiazione giallo-verde, risultano più
"efficienti" per l'uso in acquario. Il discorso può
essere allargato anche alle cosiddette "fitostimolanti"
che solo in apparenza sono meno luminose, essendo invece ottimizzate
ed efficienti per l'uso a cui sono destinate, cioè per emettere
alcune radiazioni che si suppongono utili alla crescita di piante (soprattutto
terrestri in quanto quelle acquatiche hanno esigenze generalmente diverse).
Un'altra conseguenza è che, visto che il rapporto tra energia
emessa ed energia assorbita dipende poco dalla lampada che si è
scelta, allora per indicare la quantità di luce necessaria si
può tranquillamente con buona approssimazione fare riferimento
direttamente alla potenza assorbita dalle lampade, come d'altra parte
è quasi sempre stato fatto in acquariologia con le solite prescrizioni
di calcolare un certo numero di watt ogni litro di acqua nella vasca.
Va comunque osservato che, anche se la resa varia poco da un tipo di
lampada all'altro, allo stato attuale le lampade fluorescenti più
efficienti dal punto di vista energetico sono quelle da 36 W, perché
la geometria della lampada con le dimensioni delle lampade da 36 W è
tale da rendere massima la trasformazione dell'energia elettrica assorbita
in energia raggiante. Inoltre praticamente tutti i tipi di lampade fluorescenti
esistenti vengono prodotti in questa potenza e di conseguenza la varietà
e la reperibilità sono molto superiori a quelle per le altre
potenze. Pertanto, anche in fase di acquisto o di costruzione dell'acquario,
la possibilità di montare lampade da 36 W può essere uno
dei tanti fattori da tenere in considerazione nella scelta delle dimensioni
della vasca.
Risposte alle domande più frequenti sull'illuminazione in
acquari
Nota: rispondendo a domande del tipo: "qual
è la migliore lampada da utilizzare ? ", l'unica
certezza è che si cadrà nella generalizzazione
e di conseguenza anche nella superficialità. I motivi
possono essere diversi e riassumibili principalmente nella limitatezza
delle conoscenze attuali, nel continuo sviluppo degli impianti
di illuminazione, nella variabilità delle esigenze dei
sistemi da illuminare, nei diversi obiettivi che ciascuno si
propone, nel peso che il giudizio personale ha. In pratica non
esiste una risposta definitiva e quindi ogni risposta va valutata
con senso critico. Tuttavia ritengo che sia forse opportuno
cercare di rispondere (anche se le risposte fornite saranno
volutamente abbastanza sintetiche e non esaustive) se non altro
per fornire argomenti di base ad una discussione che possa favorire
un progresso nelle conoscenze. Pertanto si considerino le seguenti
risposte come un giudizio personale o contingente e non assoluto.
Nota: Inviare eventuali suggerimenti ed osservazioni a G.
Camera Roda
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