valon läpäisy on energianlähde kasviplanktonin fotosynteesille

auringonvalo koostuu sähkömagneettisen säteilyn koko spektristä, johon kuuluvat gamma -, X -, ultravioletti -, näkyvä -, infrapuna -, mikro-ja radioaallot. Suurin osa auringon säteilystä on näkyvien ja infrapunasäteiden muodossa, joiden aallonpituus vaihtelee.

maan pinnalle osuva auringonvalo joko imeytyy tai heijastuu. Vedenpintojen läpinäkyvyys vaihtelee. Se on suurempi kirkkaassa vedessä, kun vedenpinta on sileä, ja aamupäivästä iltapäivään, jolloin auringonsäteet ovat lähimpänä pystysuoraa maan pinnan kanssa. Leveysaste ja vuodenaika vaikuttavat myös auringon säteiden kulmaan. Kun auringonsäteiden tulokulma on 60 astetta tai vähemmän, alle 10 prosenttia kohtaavasta auringonvalosta heijastuu tavallisesti vedenpinnasta.

pinnan heijastaman valon prosenttiosuutta kutsutaan albedoksi. Vesistöjen vuosittaiset albedot vaihtelevat päiväntasaajalla 5-7 prosentista 60 leveysasteella 12-13 prosenttiin. Kuukausitasolla veden albedo vaihtelee vain vähän vuodenajan mukaan päiväntasaajalla, mutta 60 leveysasteella albedo on tasauksen aikaan maalis-syyskuussa noin 5 prosenttia ja talven alussa noin 55 prosenttia.

valon läpäisy

veden pintaan tunkeutuva valo siroaa ja absorboituu tai sammuu kulkiessaan alaspäin. Vesi siroaa, mutta ei absorboi ultraviolettivaloa. Se imee infrapunavaloa nopeasti-pieni infrapunavalo tunkeutuu yli 2 metriä. Valo sammuu melko nopeasti kirkkaassakin vedessä. Vain noin 25 prosenttia onnettomuusvalosta saavuttaa 10 metrin syvyyden avomerellä, jossa vesi on hyvin kirkasta.

näkyvä spektri koostuu 390-750 nanometrin aallonpituuksista (nm, Taulukko 1). Yksi nanometri vastaa metrin miljardisosaa. Näkyvän valon vaimeneminen vedessä on suurinta punaisilla ja oransseilla säteillä, vähemmän violeteilla ja vähiten keltaisilla, vihreillä ja sinisillä säteillä. Liuenneen orgaanisen aineksen ja suspendoituneen kiintoaineen läsnäolo vaikeuttaa entisestään valon läpäisyä, ja erityyppiset kiintoaineet absorboituvat mieluiten eri aallonpituuksilla.

Boyd, valonsäteiden ja värien luokat, Taulukko 1

koko spektri Sädetyyppi	koko spektri Aallonpituus	näkyvän spektrin Sädeväri	näkyvän spektrin Aallonpituus
Gamma	alle 0, 01 nm	–	–
X	0, 01-10, 00 nm	Violetti	390-450 nm
ultravioletti	10.00-389.00 nm	Sininen	450-495 nm
näkyvä	390, 00-750, 00 nm	vihreä	495-570 nm
infrapuna	759,00-106 nm	Keltainen	570-590 nm
mikro	106-109 nm	Oranssi	590-620 nm

Taulukko 1. Valonsäteiden ja värien luokat auringonvalon sähkömagneettisessa spektrissä.

kasviplankton absorboi valoa parhaiten spektrin punaisen ja oranssin osan sisällä, mutta ne absorboivat muita värejä vähemmässä määrin. Liuennut orgaaninen aines absorboi voimakkaimmin sinistä, violettia ja ultraviolettivaloa. Suspendoitunut mineraaliaines pyrkii absorboimaan valoa tasaisesti koko näkyvän spektrin alueella, kun taas liuenneet epäorgaaniset aineet eivät häiritse valon imeytymistä veteen. Suolapitoisuudella ei siis ole merkittävää vaikutusta vedenalaiseen valoon.

kerrostuma

kun valon fotonit absorboituvat veteen, ne lämmittävät vettä. Veteen johdetun lämmön määrä vähenee syvyyden kasvaessa. Vesi tietenkin säteilee ilmakehään pitkäaaltoista säteilyä, ja saapuvan ja lähtevän säteilyn välillä vallitsee yleensä tasapaino, mikä asettaa rajat veden lämpötilan muutoksille 24 tunnin tai pidemmän ajanjakson aikana.

monissa vesistöissä lämpöä saadaan ylempään kerrokseen nopeammin kuin tuulen vetämät vesivirrat voivat sekoittaa sitä syvempään veteen. Tämä johtaa siihen, että ylempi kerros lämmintä vettä, jonka tiheys on pienempi, peittoaa syvemmän kerroksen viileämpää vettä, jonka tiheys on suurempi. Jos kahden kerroksen välinen tiheysero kasvaa niin suureksi, ettei pintavettä voi tuulen vaikutuksesta sekoittaa syvempään veteen, syntyy terminen kerrostuma. Termisesti kerrostuneessa vesistössä ylempää kerrosta kutsutaan epilimnioniksi, alempaa kerrosta hypolimnioniksi ja kerrosta, jonka poikki lämpötila muuttuu nopeasti, kutsutaan termokliiniksi.

kun pintakerros jäähtyy ja tiheys kasvaa tai tuuli ja sade johtavat voimakkaampaan sekoittumiseen, terminen kerrostuma häviää. Riippuen vesistöjen ominaisuuksista sekä ilmasto-ja sääolosuhteista, terminen kerrostuma voi kehittyä ja romahtaa päivittäisellä, kausiluonteisella tai satunnaisella aikataululla. Jotkin trooppisen ilmaston järvet kerrostuvat hyvin pitkiä aikoja.

Vesiviljelyaltaat ovat yleensä matalia, eikä lämpiminä, tyyninä päivinä kehittyvä kerrostuma säily öisin, jolloin lämpö häviää peittyvälle ilmalle. Ilmastetuissa altaissa ilmastimien synnyttämät vesivirrat pitävät tietenkin vedet hyvin sekoittuneina. Termisesti kerrostuneen vesistön hypolimnionissa ei usein ole liuennutta happea. Terminen destratisoituminen-varsinkin jos se on äkillistä-voi aiheuttaa liuennutta happea ja johtaa kalojen tappamiseen. Kalahäkkejä sisältävissä järvissä äkillinen tuhoutuminen on merkittävä riski.

fotosynteesi

valon tunkeutuminen veteen on myös kasviplanktonin ja muiden Vesikasvien yhteyttämisen energianlähde. Kasvit käyttävät punaista ja oranssia valoa parhaiten, mutta ne käyttävät myös muita näkyvän spektrin osia. 400-700 nanometrin aallonpituuksia kutsutaan fotosynteettisesti aktiiviseksi säteilyksi (PAR) ja vedenalaisia valomittareita, joilla pystytään mittaamaan PAR.

koska fotosynteesi on kemiallinen reaktio, joka välittyy klorofyllin ja muiden valoherkkien pigmenttien keräämien valon fotonien energiasta kasvisoluissa, fotoneja käsitellään ikään kuin ne olisivat molekyylejä mittauksessa PAR.

Photic zone, Secchi disk

pääsääntöisesti kasviplankton ja muut vesikasvit eivät selviä valovoiman ollessa alle 1 prosentti pinnalta saadusta valosta – mitattiinpa se kokonaisvalona tai PAR-arvona. Vesikerros, joka vastaanottaa 1 prosentin tai enemmän kohtausvaloa, tunnetaan foottisena tai euforisena vyöhykkeenä. Koska valo sammuu eksponentiaalisesti syvyydellä, tapahtuman par prosenttiosuus pienenee nopeasti (Kuva. 1). Muuten, syvyysprofiili vaimennus kokonaisvalon olisi lähes sama kuin PAR.

Vedenalainen valoprofiili kuvitettu Kuvassa. 1 on keskipäivällä kirkkaana päivänä trooppisessa vesiviljelyaltaassa, jossa on kasviplanktonin kukinta. Valon tunkeutumista eri syvyyksiin arvioitiin Lambertin lain yhtälöllä. Alle 20 prosenttia tapahtuma valo saavuttaa 0,50 m, hieman yli 2 prosenttia saavuttaa 1,00 metriä, ja photic vyöhyke on vain 1,35 metriä paksu – melko tyypillinen tilanne vesiviljely lampi.

ilmastuksellisissa lammissa indusoitu vedenkierto tuo jatkuvasti syvemmästä vedestä kasviplanktonia foottiselle vyöhykkeelle ja päinvastoin. Ilmiöllä on periaatteessa sama vaikutus kuin foottisen vyöhykkeen paksuuden lisäämisellä – se lisää fotosynteesin määrää pinta-alayksikköä kohti vesistössä.

järvissä foottisen vyöhykkeen syvyys vastaa tyypillisesti sitä syvyyttä, jolla terminen kerrostuminen tapahtuu. Hypolimnionissa ei ole yhteyttämistä liuenneen hapen tuottamiseksi. Järvet, joissa esiintyy hypolimneettistä liuennutta happikatoa, luokitellaan eutrofisiksi eli runsasravinteisiksi, erotuksena niukkaravinteisista oligotrofisista järvistä.

fotisen vyöhykkeen syvyys voidaan arvioida Secchi-kiekon näkyvyydellä. Useat tutkijat ovat raportoineet arvon 1,7 jaettuna Secchi-levyn näkyvyydellä metreinä, joka antaa hyvän arvion valon ekstinktiokertoimesta (K) käytettäväksi Lambertin lain yhtälössä.

käyttämällä tätä menetelmää K: n saamiseksi ja Lambertin lakiyhtälön ratkaisemiseksi 1 prosentin valonläpäisevyyden syvyydelle voidaan päätellä, että fotisen vyöhykkeen paksuus on noin 2,7 kertaa Secchi-kiekon näkyvyys. Foottisen vyöhykkeen syvyydeksi on kasvien kasvua koskevien tutkimusten perusteella ilmoitettu vaihtelevasti kaksi-kolme kertaa Secchi-kiekon näkyvyys, mutta arvo 2,7 on yleiskäyttöön hyvä.

lammikoissa kasviplanktonin kasvun aiheuttama sameus on usein keino välttää vedenalaisten makrofyyttien kasvua. Kun tyypillinen Secchi-kiekon näkyvyys vesiviljelyaltaissa on 40-50 cm, vähintään 110 cm: n syvyys on tarpeen, jotta pohjassa ei ole riittävästi valaistusta kasvien kasvua varten.

(toimittajan huomautus: Tämä artikkeli on julkaistu alun perin Global Aquaculture Advocate-lehden marras-joulukuun 2014 painoksessa.)