La luce e il reef, i LED e il Full Spectrum

Prefazione
Questo articolo è il seguito di una discussione avuta sul forum di Acquaportal, nata quasi per caso e che mi ha spinto ad approfondire l’argomento tramite ricerche sul WEB. L’origine della discussione ha delle fortuite cause scatenanti che hanno concorso a spingermi in uno pseudo-studio sulla luce e sulla luce prodotta dai LED delle nostre plafoniere. Giocavo con un simpatico tool online che ti permette di calcolare alcuni parametri della luce di una plafoniera, immettendo la fonte luminosa della stessa, tra cui ovviamente i LED. Nello stesso periodo sono stato attratto da alcune discussioni sul forum, inerenti la luce adeguata per le nostre vasche e sono stato rimandato ad un articolo su AdvancedAcquarist.com .

La lettura di questo articolo mi ha “illuminato”; il mio studio è basato in gran parte su questo e si sviluppa sulle considerazioni tratte dall’articolo stesso.

L’articolo di cui parlo è Light in the Reef Aquaria di Dmitry Karpenko e Vahe Ganapetyan (AdvancedAcquarist Volume XI – Ottobre 2012). In seguito ho anche tradotto questo articolo in italiano, per renderlo disponibile sul forum nella sezione Illuminazione Marino, nel topic: Traduzione – Light in the Reef Aquaria

Introduzione
Dato che non mi escono parole migliori di quelle che ho letto, faccio mia l’introduzione dell’articolo in questione, per dare un giusto cappello all’argomento.

La luce è una delle principali risorse per il supporto della vita sul nostro pianeta. Molti invertebrati marini, in quanto fotosintetici, necessitano di luce per vivere; le loro zooxantelle simbionti hanno bisogno di luce per la fotosintesi, per produrre nutrimento sufficiente sia per loro che per il loro corallo ospite.

Probabilmente ogni acquariofilo è disposto a fornire la luce “giusta” per i suoi coralli. Sia la correttezza dello spettro sia una sufficiente intensità sono importanti. Prima di considerare come implementare questa “luce giusta”, si deve cercare di capire che tipo di luce gli organismi marini ricevono nel loro ambiente naturale.

Cos’è la luce e come si misura; alcuni cenni fondamentali.
Cercherò di riportare in maniera più semplice possibile alcune nozioni di base sulla luce, per capire il discorso che stiamo facendo e riuscire a comprendere in maniera più intuitiva il senso dei grafici che riporterò di seguito.

Il termine Luce (dal latino lux) si riferisce alla porzione dello spettro elettromagnetico visibile dall’occhio umano, ed è approssimativamente compresa tra 400 e 700 nanometri di lunghezza d’onda, ovvero tra 790 e 435 THz di frequenza.

Questo intervallo coincide con il centro della regione spettrale della luce emessa dal sole, che riesce ad arrivare al suolo attraverso l’atmosfera. Essenzialmente non è altro che un insieme di onde di pacchetti di energia chiamati “fotoni’ che impacchettati e spediti dal sole arrivano a noi.

Per lunghezza d’onda si intende letteralmente quanto è lunga l’onda formata da questi pacchetti (lunghezza di un periodo da una gobba all’altra) e si misura in nanometri [nm] che equivalgono alla miliardesima parte di un metro.

Parlando di spettri si usa anche il termine frequenza che è l’inverso della lunghezza d’onda
(Frequenza = 1 / Lunghezza); quindi nello spettro, all’aumentare della lunghezza d’onda si ha il diminuire della frequenza. Essenzialmente sono due modi inversi per dire la stessa cosa.

La luce si può misurare in diversi modi, o meglio, diverse grandezze relative alla luce possono essere misurate.

Il più semplice da comprendere è contare proprio il numero di fotoni che ci giungono.
La Radiazione Luminosa o Irradianza è il numero di fotoni che in un secondo colpiscono una superficie di un metro quadro e si misura in ?mol•photons/m2/s (micromoli di fotoni che in un secondo incidono su un metro quadrato) oppure in Watt/m2.

In maniera analoga vengono misurati i PAR (radiazioni fotosinteticamente attive), con la differenza che in questa grandezza si considerano solo le radiazioni (luce) utili alla fotosintesi, ovvero i fotoni con una lunghezza d’onda compresa tra 400 nm e 700 nm.

Lo Spettro della luce non è altro che un grafico in cui si riporta questa ‘potenza’ luminosa suddivindendola per tutte le varie lunghezze d’onda.

Fate molta attenzione a non confondere il Watt di irradianza con i soliti Watt che siamo abituati a conoscere e cioè della potenza elettrica, che con questa faccenda della luce non c’entrano niente. L’illuminamento è un’altro concetto.

Come i PAR tengono conto delle sole radiazioni utili alla fotosintesi, l’illuminamento considera solo le radiazioni che l’occhio umano riesce a vedere (detto anche flusso luminoso).

Il flusso luminoso o potenza luminosa si misura in Lumen in valore assoluto, mentre si esprime in Lux intendendo la quantità di Lumen che colpiscono la superficie di un metro quadrato ( 1 Lux = 1 Lumen al metro quadrato).

Le figure sottostanti riportano gli spettri espressi sia in Watt che in PAR (a sinistra), oltre che lo spettro espresso in Lux (in alto a destra).

Vorrei porre in evidenza il fatto che lo spettro dei Lux equivale a quella parte di spettro dei Watt/PAR che l’occhio riesce a percepire. In sostanza, la quantità di luce che noi riusciamo a vedere (Lux) non è che una minima parte di tutta la luce che è utile alla fotosintesi (PAR).

In viaggio con la Luce
A questo punto può essere interessante fare un viaggio immaginario a cavallo di un fotone, nel percorso che fa dal Sole fino a sopra i nostri amati coralli.
Lo spettro di luce emesso dal Sole ha una forma a campana, su cui non mi dilungherò molto. La forma e la posizione di questa campana dipendono dalla temperatura raggiunta nelle reazioni nucleari al suo interno.
Il Sole emette una determinata quantità di radiazioni, che percorrono indisturbate lo spazio vuoto che separa il Sole dalla Terra, o meglio fino all’inizio dell’atmosfera terrestre.

La luce, entrando nella nostra atmosfera, viene in parte assorbita o riflessa dai vari elementi dell’aria.
Quindi la quantità totale viene attenuata e filtrata attraversando l’atmosfera e questa attenuazione è più o meno accentuata per le diverse lunghezze d’onda.

La figura sotto riporta la differenza tra lo spettro luminoso solare al di fuori dell’atmosfera con quello che si misura sul livello del mare. La differenza è appunto l’attenuazione di cui abbiamo appena parlato.

Nello stesso modo, la luce, entrando in acqua e percorrendo i primi metri fino ad arrivare sul reef, continua ad essere attenuata dall’acqua e dagli elementi in essa contenuti.
La figura sotto mostra l’ulteriore attenuazione della luce andando in profondità nel mare.

Come si può vedere, l’acqua di mare filtra maggiormente la componente calda della luce, ossia dal giallo al rosso, lasciando pressochè invariata la componente attinica che arriva fino in profondità.
Tutto questo per dire che la luce disponibile sul reef ha uno spettro ben definito, con potenza distribuita in maniera diversa sulle varie lunghezze d’onda.

La Luce, le Zooxanthellae e la Fotosintesi
Non mi starò molto a dilungare perchè tutti noi sappiamo cos’è la fotosintesi e soprattutto, in quanto acquariofili conosciamo bene le Zooxanthellae. Riassumendo velocemente, la fotosintesi è un processo naturale attraverso il quale le cellule vegetali trasformano la luce in energia utilizzabile per crescere.

Le Zooxanthellae, essendo alghe, utilizzano lo stesso processo per svilupparsi, ed è molto importante ricordare che la maggior parte dei coralli si cibano degli scarti del processo di fotosintesi delle proprie zooxanthelle simbionti.

Passato il concetto di collegamento tra luce e zooxanthelle, indico qui di seguito tre figure che riportano lo spettro (o le lunghezze d’onda) di assorbimento delle varie molecole coinvolte nel processo di fotosintesi, ossia:

– Clorofilla A
– Clorofilla B
– B carotene
– Lutaina
– Zeaxitina
– Licopene
– Violaxantina

L’ultima interessantissima figura riporta un’ulteriore molecola: la Phycocianina. Tale molecola è coinvolta nella fotosintesi dei cianobatteri.

Dunque, da quanto detto e visto sopra, si evincono le seguenti conclusioni:

– La luce necessaria alla fotosintesi è compresa tra i 400 e i 520 nm.
– La banda compresa tra i 550 e i 650 nm stimola i cianobatteri.
– Una stretta banda tra 630 e 670 nm è ancora utile alla fotosintesi.

Proseguo citando quasi letteralmente l’articolo ispiratore.

Durante centinaia di milioni di anni di evoluzione, gli organismi marini fotosintetici si sono adattati al tipo di luce disponibile nel loro ambiente. Essenzialmente hanno imparato a sfruttare per la fotosintesi le componenti di luce tendenti al viola perchè più abbondanti, contrariamente ai vegetali terrestri che utilizzano più la luce verso il rosso.
Le alghe simbionti ‘Pyrrophyta’ (Zooxanthellae) contengono maggiormente clorofilla A e C e pigmenti caroteniodi i quali assorbono (si cibano) la luce compresa tra il viola e il verde.

La figura sotto mostra lo spettro di assorbimento delle Zooxanthellae.

Notate che questo spettro di assorbimento non è uguale a quello realmente disponibile sul reef, che ha una forma leggermente diversa. Questo è ciò di cui hanno bisogno le zooxanthelle per svilupparsi, quindi i coralli per crescere.

Quindi a questo punto, verrebbe spontanea una domanda:
Volendo fare una plafoniera ottimale, riproduciamo il sole, o lo spettro di cui hanno bisogno i coralli?

La prima opzione non sarebbe ottimale, dato che faremmo della luce che non servirebbe a nessuno.
Nemmeno la seconda però è realmente implementabile, in quanto la luce avrebbe una componente bassissima sul visibile (da verde al rosso) quindi l’acquario risulterebbe molto buio.
La risposta giusta ovviamente è la via di mezzo utile ai coralli e ai nostri occhi per poterli osservare.

Nella tabella che segue, estrapolata dall’articolo di Dmitry Karpenko, è riportata la quantità di luce misurata sul reef a diverse profondità, suddivisa in 4 bande di frequenze diverse.

Questa tabella sarà una linea guida nella realizzazione della plafoniera ottimale, che dovrà riprodurre più o meno il sole, andando anche incontro allo spettro di assorbimento delle zooxanthellae.

I dati importanti riportati sono:

– Tra i 5 e i 10 metri di profondità si misurano circa 300 Watt (di radiazione luminosa) al metro quadro.
– Di questi 300 W due terzi stanno nella banda attinica (dai 400 ai 500 nm) e il terzo rimanente nella banda di luce visibile (dai 500 ai 700 nm).

Concludo la prima parte di questo articolo invitandovi a proseguire la discussione su questo topic, in quanto, solo confrontando e scambiando le nostre conoscenze ed esperienze, potremo capire di più su un argomento tutt’altro che definito e in continua evoluzione.

Nella seconda parte, ci occuperemo delle più diffuse plafoniere LED in commercio, ma anche dell’applicazione di questi concetti nella costruzione di una plafoniera artigianale.

Riferimenti
– Light in the Reef Aquaria di Dmitry Karpenko e Vahe Ganapetyan (AdvancedAcquarist Volume XI 12/2012)
– Luce – Wikipedia
– Grandezze Fotometriche – Wikipedia
– Grandezze Radiometriche – Wikipedia
– PAR, PPFD, PAR Radiance – Illuminiamoci – Topic Approfondimenti Marino
– Lunghezze d’onda di luce, esigenze dei coralli sps di luce attinica per creare colori