Lichtdurchdringung ist Energiequelle für die Photosynthese durch Phytoplankton

Sonnenlicht besteht aus dem gesamten Spektrum elektromagnetischer Strahlung, das Gamma-, X-, Ultraviolett-, sichtbare, Infrarot-, Mikro- und Radiowellen umfasst. Der größte Teil der Sonnenstrahlung liegt in Form von sichtbaren und infraroten Strahlen vor, deren Wellenlänge variiert.

Sonnenlicht, das auf die Erdoberfläche trifft, wird entweder absorbiert oder reflektiert. Die Transparenz von Wasseroberflächen variiert. Es ist größer für klares Wasser, wenn die Wasseroberfläche glatt ist, und zwischen dem Vormittag und dem Nachmittag, wenn die Sonnenstrahlen der Erdoberfläche am nächsten stehen. Breitengrad und Jahreszeit beeinflussen auch den Winkel der Sonnenstrahlen. Wenn der Einfallswinkel der Sonnenstrahlen 60 Grad oder weniger beträgt, werden normalerweise weniger als 10 Prozent des einfallenden Sonnenlichts von einer Wasseroberfläche reflektiert.

Der Prozentsatz des einfallenden Lichts, das von einer Oberfläche reflektiert wird, wird Albedo genannt. Die jährlichen Albedos von Gewässern reichen von 5 bis 7 Prozent am Äquator bis 12 bis 13 Prozent bei 60 Grad Breite. Auf monatlicher Basis variiert die Albedo des Wassers wenig mit der Jahreszeit am Äquator, aber bei 60 Grad Breite beträgt die Albedo etwa 5 Prozent bei Tagundnachtgleiche im März und September und etwa 55 Prozent zu Beginn des Winters.

Lichtdurchdringung

Licht, das in eine Wasseroberfläche eindringt, wird gestreut und absorbiert oder abgeschreckt, wenn es nach unten geht. Wasser streut, absorbiert aber kein ultraviolettes Licht. Es absorbiert infrarot licht schnell-wenig infrarot licht dringt mehr als 2 meter. Licht wird selbst in klarem Wasser ziemlich schnell abgeschreckt. Nur etwa 25 Prozent des einfallenden Lichts erreichen eine Tiefe von 10 Metern im offenen Ozean, wo das Wasser sehr klar ist.

Das sichtbare Spektrum besteht aus Wellenlängen zwischen 390 und 750 Nanometern (nm, Tabelle 1). Ein Nanometer entspricht 1 Milliardstel Meter. Die Rate der visuellen Lichtdämpfung in Wasser ist am größten für rote und orange Strahlen, weniger für violette Strahlen und am wenigsten für gelbe, grüne und blaue Strahlen. Das Vorhandensein von gelöstem organischem Material und suspendierten Feststoffen behindert das Eindringen von Licht weiter, und verschiedene Arten von Feststoffen absorbieren vorzugsweise bei verschiedenen Wellenlängen.

Boyd, Kategorien von Lichtstrahlen und Farben, Tabelle 1

Gesamtes Spektrum Strahltyp	Gesamtes Spektrum Wellenlänge	Sichtbares Spektrum Strahlfarbe	Sichtbares Spektrum Wellenlänge
Gamma	Weniger als 0,01 nm	–	–
X	0,01-10,00 nm	Violett	390-450 nm
Ultraviolett	10.00-389.00 Nanometer	Blau	450-495 Nanometer
Sichtbar	390,00-750,00 nm	Grün	495-570 nm
Infrarot	759,00-106 nm	Gelb	570-590 nm
Mikro	106-109 Nanometer	Orange	590-620 Nanometer

Tabelle 1. Kategorien von Lichtstrahlen und Farben im elektromagnetischen Spektrum des Sonnenlichts.

Phytoplankton absorbiert Licht am besten im roten und orangefarbenen Teil des Spektrums, aber sie absorbieren andere Farben in geringerem Maße. Gelöstes organisches Material absorbiert blaues, violettes und ultraviolettes Licht am stärksten. Suspendierte Mineralstoffe neigen dazu, Licht gleichmäßig über das sichtbare Spektrum zu absorbieren, während gelöste anorganische Substanzen die Lichtabsorption durch Wasser nicht stören. Der Salzgehalt hat daher keinen signifikanten Einfluss auf das Unterwasserlicht.

Stratifizierung

Wenn Photonen des Lichts von Wasser absorbiert werden, erwärmen sie das Wasser. Die dem Wasser zugeführte Wärmemenge nimmt mit zunehmender Tiefe ab. Natürlich strahlt Wasser langwellige Strahlung in die Atmosphäre zurück, und es wird tendenziell ein Gleichgewicht zwischen ein- und ausgehender Strahlung erreicht, wodurch Änderungen der Wassertemperatur über einen Zeitraum von 24 Stunden oder länger begrenzt werden.

In vielen Gewässern wird Wärme in der oberen Schicht schneller gewonnen, als sie durch windgetriebene Wasserströmungen in tieferes Wasser eingemischt werden kann. Dies führt zu einer oberen Schicht aus warmem Wasser geringerer Dichte, die eine tiefere Schicht aus kühlerem Wasser größerer Dichte überlagert. Wenn der Dichteunterschied zwischen den beiden Schichten so groß wird, dass Oberflächenwasser durch Windeinwirkung nicht mit tieferem Wasser gemischt werden kann, kommt es zu einer thermischen Schichtung. In einem thermisch geschichteten Wasserkörper wird die obere Schicht als Epilimnion bezeichnet, die untere Schicht wird als Hypolimnion bezeichnet, und die Schicht, über die sich die Temperatur schnell ändert, wird als Thermokline bezeichnet.

Wenn die Oberflächenschicht abkühlt und an Dichte zunimmt oder Wind und Regen zu einer stärkeren Vermischung führen, verschwindet die thermische Schichtung. Abhängig von den Eigenschaften der Gewässer sowie den Klima- und Wetterbedingungen kann sich die thermische Schichtung täglich, saisonal oder sporadisch entwickeln und zusammenbrechen. Einige Seen in tropischen Klimazonen schichten sich über sehr lange Zeiträume.

Aquakulturteiche sind normalerweise flach, und die Schichtung, die sich an warmen, ruhigen Tagen entwickelt, bleibt nachts nicht bestehen, wenn Wärme an die darüber liegende Luft verloren geht. Natürlich halten in belüfteten Teichen durch Belüfter erzeugte Wasserströmungen das Wasser gründlich gemischt. Das Hypolimnion eines thermisch geschichteten Wasserkörpers ist oft frei von gelöstem Sauerstoff. Thermische Destratifikation – besonders wenn sie plötzlich auftritt – kann zu einem Abbau von gelöstem Sauerstoff führen und zu Fischsterben führen. Plötzliche Destratifikation in Seen mit Fischkäfigen ist ein erhebliches Risiko.

Photosynthese

Das Eindringen von Licht in Wasser ist auch die Energiequelle für die Photosynthese durch Phytoplankton und andere Wasserpflanzen. Pflanzen verwenden am besten rotes und orangefarbenes Licht, aber sie verwenden auch andere Teile des sichtbaren Spektrums. Wellenlängen zwischen 400 und 700 Nanometern werden als photosynthetisch aktive Strahlung (PAR) bezeichnet, und Unterwasserlichtmesser, die PAR messen können, sind verfügbar.

Da die Photosynthese eine chemische Reaktion ist, die durch Energie von Photonen des Lichts vermittelt wird, die von Chlorophyll und anderen lichtempfindlichen Pigmenten in Pflanzenzellen eingefangen werden, werden Photonen so behandelt, als wären sie Moleküle im PAR.

Photische Zone, Secchi–Scheibe

Phytoplankton und andere Wasserpflanzen können in der Regel nicht bei Lichtintensitäten unter 1 Prozent des an der Oberfläche empfangenen Lichts überleben – egal ob als Gesamtlicht oder PAR gemessen. Die Wasserschicht, die 1 Prozent oder mehr des einfallenden Lichts empfängt, wird als photische oder euphotische Zone bezeichnet. Da Licht mit zunehmender Tiefe exponentiell abgeschreckt wird, nimmt der Prozentsatz des einfallenden PAR schnell ab (Abb. 1). Übrigens wäre das Tiefenprofil für die Dämpfung des Gesamtlichts nahezu identisch mit dem für PAR.

Das in Fig. 1 ist für Mittag an einem klaren Tag in einem tropischen Aquakulturteich mit einer Phytoplanktonblüte. Das Eindringen von Licht in verschiedene Tiefen wurde mit der Lambertschen Gleichung geschätzt. Weniger als 20 Prozent des einfallenden Lichts erreichen 0,50 m, etwas mehr als 2 Prozent erreichen 1,00 m und die photische Zone ist nur 1,35 Meter dick – eine ziemlich typische Situation in einem Aquakulturteich.

In Teichen mit Belüftung bringt die induzierte Wasserzirkulation kontinuierlich Phytoplankton aus tieferem Wasser in die photische Zone und umgekehrt. Dieses Phänomen hat im Grunde den gleichen Effekt wie die Erhöhung der Dicke der photischen Zone – es erhöht die Menge an Photosynthese pro Flächeneinheit in einem Wasserkörper.

In Seen entspricht die Tiefe der photischen Zone typischerweise der Tiefe, in der die thermische Schichtung auftritt. Es gibt keine Photosynthese im Hypolimnion, um gelösten Sauerstoff bereitzustellen. Seen, in denen ein hypolimnetischer Abbau von gelöstem Sauerstoff auftritt, werden als eutroph – dh nährstoffreich – eingestuft, im Gegensatz zu oligotrophen Seen, die nährstoffarm sind.

Die Tiefe der photischen Zone kann mit Secchi disk visibility geschätzt werden. Der Wert 1,7 geteilt durch die Secchi-Scheibensichtbarkeit in Metern wurde von mehreren Forschern gemeldet, um eine gute Schätzung des Lichtextinktionskoeffizienten (K) für die Verwendung in der Lambertschen Gleichung zu liefern.

Die Verwendung dieser Methode zur Gewinnung von K und die Lösung der Lambertschen Gleichung für die Tiefe von 1 Prozent Lichtdurchlässigkeit legt nahe, dass die Dicke der photischen Zone etwa das 2,7-fache der Secchi-Scheibensichtbarkeit beträgt. Die Tiefe der photischen Zone wurde verschiedentlich als das Zwei- bis dreifache der Secchi-Scheibensichtbarkeit basierend auf Studien des Pflanzenwachstums angegeben, aber der Wert von 2,7 ist für allgemeine Zwecke gut.

Trübung durch Phytoplanktonwachstum in Teichen ist oft ein Mittel, um das Wachstum von Unterwassermakrophyten zu vermeiden. Bei einer typischen Secchi-Scheibensichtbarkeit von 40 bis 50 cm in Aquakulturteichen ist eine Mindesttiefe von 110 cm erforderlich, um eine ausreichende Beleuchtung am Boden für das Pflanzenwachstum zu vermeiden.

(Anmerkung der Redaktion: Dieser Artikel wurde ursprünglich in der November / Dezember 2014 Printausgabe des Global Aquaculture Advocate veröffentlicht.)