lysindtrængning er energikilde til fotosyntese af fytoplankton

sollys består af hele spektret af elektromagnetisk stråling, som omfatter gamma, h, ultraviolet, synlig, infrarød, mikro – og radiobølger. Størstedelen af solstråling er i form af synlige og infrarøde stråler, der varierer i bølgelængde.

sollys, der rammer jordens overflade, absorberes eller reflekteres. Gennemsigtigheden af vandoverflader varierer. Det er større for klart vand, når vandoverfladen er glat, og mellem midt om morgenen og midt på eftermiddagen, når solens stråler er tættest på lodret med jordens overflade. Breddegrad og sæson påvirker også vinklen på solens stråler. Når indfaldsvinklen for solens stråler er 60 grader eller mindre, reflekteres mindre end 10 procent af indfaldende sollys normalt af en vandoverflade.

procentdelen af indfaldende lys reflekteret af en overflade kaldes albedo. De årlige albedoer af vandlegemer spænder fra 5 til 7 procent ved ækvator til 12 til 13 procent ved 60 graders breddegrad. På månedsbasis varierer albedo af vand lidt med årstiden ved ækvator, men ved 60 graders breddegrad er albedo omkring 5 procent ved jævndøgn i Marts og September og omkring 55 procent i begyndelsen af vinteren.

lysindtrængning

lys, der trænger ind i en vandoverflade, spredes og absorberes eller slukkes, når det passerer nedad. Vand spreder, men absorberer ikke ultraviolet lys. Det absorberer infrarødt lys hurtigt-lidt infrarødt lys trænger mere end 2 meter. Lyset slukkes ret hurtigt selv i klart vand. Kun omkring 25 procent af indfaldende lys når en dybde på 10 meter i det åbne hav, hvor vandet er meget klart.

det synlige spektrum består af bølgelængder mellem 390 og 750 nanometer (nm, tabel 1). Et nanometer svarer til 1 milliarddel af en meter. Hastigheden af visuel lysdæmpning i vand er størst for røde og orange stråler, mindre for violette stråler og mindst for gule, grønne og blå stråler. Tilstedeværelsen af opløst organisk stof og suspenderede faste stoffer forhindrer yderligere lysindtrængning, og forskellige typer faste stoffer absorberer fortrinsvis ved forskellige bølgelængder.

Boyd, kategorier af lysstråler og farver, bord 1

hele spektret stråletype	hele spektret bølgelængde	synligt spektrum Strålefarve	synligt spektrum bølgelængde
Gamma	mindre end 0,01 nm	–	–
	0, 01-10, 00 nm	Violet	390-450 nm
Ultraviolet	10.00-389.00 nm	blå	450-495 nm
synlig	390.00-750.00 nm	grøn	495-570 nm
infrarød	759.00-106 nm	Gul	570-590 nm
mikro	106-109 nm	Orange	590-620 nm

tabel 1. Kategorier af lysstråler og farver i det elektromagnetiske spektrum af sollys.

fytoplankton absorberer lys bedst inden for den røde og orange del af spektret, men de absorberer andre farver i mindre grad. Opløst organisk stof absorberer blåt, violet og ultraviolet lys stærkest. Suspenderet mineralstof har tendens til at absorbere lys ensartet over det synlige spektrum, mens opløste uorganiske stoffer ikke forstyrrer lysabsorptionen med vand. Saltholdighed har derfor ikke nogen væsentlig indflydelse på undervandslys.

stratificering

når fotoner af lys absorberes af vand, opvarmer de vandet. Mængden af varme, der tilføres vandet, falder med stigende dybde. Naturligvis udstråler vand langbølgestråling til atmosfæren, og en ligevægt mellem indgående og udgående stråling har tendens til at opnås, hvilket sætter grænser for vandtemperaturændringer over en 24-timers eller længere periode.

i mange vandområder opnås varme i det øverste lag hurtigere, end det kan blandes i dybere vand af vinddrevne vandstrømme. Dette resulterer i et øvre lag af varmt vand med lavere densitet, der overlejrer et dybere lag af køligere vand med større densitet. Hvis forskellen i densitet mellem de to lag bliver så stor, at overfladevand ikke kan blandes med dybere vand ved vindvirkning, forekommer termisk stratificering. I et termisk lagdelt vandlegeme kaldes det øverste lag epilimnion, det nedre lag kaldes hypolimnion, og det lag, over hvilket temperaturen ændrer sig hurtigt, er kendt som termoklin.

når overfladelaget afkøles og øges i tæthed, eller vind og regn resulterer i stærkere blanding, forsvinder termisk stratificering. Afhængig af egenskaberne ved vandlegemer og klima-og vejrforhold kan termisk stratificering udvikle sig og kollapse på en daglig, sæsonbestemt eller sporadisk tidsplan. Nogle søer i tropiske klimaer stratificerer i meget lange perioder.

Akvakulturdamme er normalt lavvandede, og stratificering, der udvikler sig på varme, rolige dage, vedvarer ikke om natten, når varmen går tabt til den overliggende luft. I luftede damme holder naturligvis beluftningsgenererede vandstrømme vandet grundigt blandet. Hypolimnion af et termisk lagdelt vandlegeme er ofte blottet for opløst ilt. Termisk destratificering-især hvis den er pludselig – kan forårsage udtømning af opløst ilt og føre til fiskedrab. Pludselig destratificering i søer, der indeholder fiskebure, er en betydelig risiko.

fotosyntese

lysindtrængning i vand er også energikilden til fotosyntese af fytoplankton og andre vandplanter. Planter bruger rødt og orange lys bedst, men de bruger også andre dele af det synlige spektrum. Bølgelængder mellem 400 og 700 nanometer kaldes fotosyntetisk aktiv stråling (PAR), og undervandslysmålere, der er i stand til at måle PAR, er tilgængelige.

fordi fotosyntese er en kemisk reaktion medieret af energi fra fotoner af lys fanget af klorofyl og andre lysfølsomme pigmenter i planteceller, behandles fotoner som om de er molekyler i måling af PAR.

Photic område, Secchi disk

som hovedregel kan fytoplankton og andre vandplanter ikke overleve ved lysintensiteter under 1 procent af det lys, der modtages på overfladen – uanset om det måles som totalt lys eller PAR. Laget af vand, der modtager 1 procent eller mere af indfaldende lys, er kendt som det fotiske eller euphotiske område. Fordi lyset slukkes eksponentielt med dybden, falder procentdelen af hændelsesparet hurtigt (Fig. 1). I øvrigt ville dybdeprofilen til dæmpning af totalt lys være næsten identisk med den for PAR.

den undersøiske lysprofil illustreret i Fig. 1 er til middag på en klar dag i en tropisk akvakulturdam med en fytoplanktonblomstring. Lysindtrængning til forskellige dybder blev estimeret med Lamberts lovligning. Mindre end 20 procent af indfaldende lys når 0,50 m, lidt over 2 procent når 1,00 meter, og det fotiske område er kun 1,35 meter tykt – en temmelig typisk situation i en akvakulturdam.

i damme med beluftning bringer induceret vandcirkulation kontinuerligt fytoplankton fra dybere vand ind i det fotiske område og omvendt. Dette fænomen har stort set samme virkning som at øge tykkelsen af det fotiske område – det øger mængden af fotosyntese pr.

i søer svarer dybden af det fotiske område typisk til den dybde, hvor termisk stratificering forekommer. Der er ingen fotosyntese i hypolimnionen for at tilvejebringe opløst ilt. Søer, hvor hypolimnetisk udtømning af opløst ilt forekommer, klassificeres som eutrofe – hvilket betyder rig på næringsstoffer – i modsætning til oligotrofe søer, der er næringsfattige.

dybden af det fotiske område kan estimeres med Secchi disk synlighed. Værdien 1, 7 divideret med Secchi-diskens synlighed i meter er blevet rapporteret af flere forskere for at give et godt skøn over lysudryddelseskoefficienten (K) til brug i Lamberts lovligning.

brug af denne metode til opnåelse af K og løsning af Lamberts lovligning for dybde på 1 procent lysindtrængning antyder, at tykkelsen af det fotiske område er cirka 2,7 gange Secchi-disksynligheden. Dybden af det fotiske område er blevet rapporteret forskelligt som to til tre gange Secchi-disksynligheden baseret på undersøgelser af plantevækst, men værdien på 2,7 er god til generelle formål.

turbiditet skabt af fytoplanktonvækst i damme er ofte et middel til at undgå vækst af undervands makrofytter. Ved en typisk Secchi-disksynlighed på 40 til 50 cm i akvakulturdamme er en minimumsdybde på 110 cm nødvendig for at undgå tilstrækkelig belysning i bunden til plantevækst.

(Redaktørens Note: Denne artikel blev oprindeligt offentliggjort i november / December 2014 trykte udgave af Global akvakultur Advocate.)