La pénétration de la lumière est une source d’énergie pour la photosynthèse par le phytoplancton

La lumière du soleil comprend tout le spectre du rayonnement électromagnétique, qui comprend les ondes gamma, X, ultraviolettes, visibles, infrarouges, micro et radio. La majeure partie du rayonnement solaire se présente sous la forme de rayons visibles et infrarouges dont la longueur d’onde varie.

La lumière solaire qui frappe la surface de la terre est absorbée ou réfléchie. La transparence des surfaces d’eau varie. Il est plus important pour une eau claire, lorsque la surface de l’eau est lisse, et entre le milieu de la matinée et le milieu de l’après-midi, lorsque les rayons du soleil sont les plus proches de la verticale avec la surface de la terre. La latitude et la saison affectent également l’angle des rayons du soleil. Lorsque l’angle d’incidence des rayons du soleil est de 60 degrés ou moins, moins de 10% de la lumière du soleil incidente est normalement réfléchie par la surface de l’eau.

Le pourcentage de lumière incidente réfléchie par une surface est appelé albédo. Les albédos annuels des plans d’eau varient de 5 à 7% à l’Équateur à 12 à 13% à 60 degrés de latitude. Sur une base mensuelle, l’albédo de l’eau varie peu avec la période de l’année à l’Équateur, mais à 60 degrés de latitude, l’albédo est d’environ 5% à l’équinoxe de mars et de septembre, et d’environ 55% au début de l’hiver.

Pénétration de la lumière

La lumière pénétrant à la surface de l’eau est dispersée et absorbée ou éteinte lorsqu’elle passe vers le bas. L’eau se disperse mais n’absorbe pas la lumière ultraviolette. Il absorbe rapidement la lumière infrarouge – peu de lumière infrarouge pénètre à plus de 2 mètres. La lumière est éteinte assez rapidement même dans de l’eau claire. Seulement environ 25% de la lumière incidente atteint une profondeur de 10 mètres en pleine mer, où l’eau est très claire.

Le spectre visible est constitué de longueurs d’onde comprises entre 390 et 750 nanomètres (nm, Tableau 1). Un nanomètre équivaut à 1 milliardième de mètre. Le taux d’atténuation visuelle de la lumière dans l’eau est le plus élevé pour les rayons rouges et orange, moins pour les rayons violets et moins pour les rayons jaunes, verts et bleus. La présence de matière organique dissoute et de solides en suspension empêche davantage la pénétration de la lumière, et différents types de solides absorbent préférentiellement à différentes longueurs d’onde.

Boyd, Catégories de rayons lumineux et de couleurs, Tableau 1

Spectre entier Type de rayon	Spectre entier Longueur d’onde	Spectre visible Couleur des rayons	Spectre visible Longueur d’onde
Gamma	Inférieur à 0,01 nm	–	–
X	0,01-10,00 nm	Violet	390-450 nm
Ultraviolet	10.00-389.00 nm	Bleu	450-495 nm
Visible	390,00-750,00 nm	Vert	495-570 nm
Infrarouge	759,00-106 nm	Jaune	570-590 nm
Micro	106-109 nm	Orange	590-620 nm

Tableau 1. Catégories de rayons lumineux et de couleurs dans le spectre électromagnétique de la lumière du soleil.

Le phytoplancton absorbe mieux la lumière dans la partie rouge et orange du spectre, mais il absorbe moins les autres couleurs. La matière organique dissoute absorbe le plus fortement la lumière bleue, violette et ultraviolette. Les matières minérales en suspension ont tendance à absorber la lumière uniformément dans le spectre visible, tandis que les substances inorganiques dissoutes n’interfèrent pas avec l’absorption de la lumière par l’eau. La salinité n’a donc pas d’impact significatif sur la lumière sous-marine.

Stratification

Lorsque les photons de lumière sont absorbés par l’eau, ils réchauffent l’eau. La quantité de chaleur transmise à l’eau diminue avec l’augmentation de la profondeur. Bien sûr, l’eau réémet un rayonnement à ondes longues dans l’atmosphère, et un équilibre entre le rayonnement entrant et le rayonnement sortant tend à être atteint, ce qui limite les changements de température de l’eau sur une période de 24 heures ou plus.

Dans de nombreux plans d’eau, la chaleur est gagnée dans la couche supérieure plus rapidement qu’elle ne peut être mélangée à des eaux plus profondes par les courants d’eau entraînés par le vent. Il en résulte une couche supérieure d’eau chaude de densité inférieure superposant une couche plus profonde d’eau plus froide de densité supérieure. Si la différence de densité entre les deux couches devient si grande que l’eau de surface ne peut pas être mélangée à de l’eau plus profonde par l’action du vent, une stratification thermique se produit. Dans un plan d’eau stratifié thermiquement, la couche supérieure est appelée épilimnion, la couche inférieure est appelée hypolimnion et la couche à travers laquelle la température change rapidement est appelée thermocline.

Lorsque la couche superficielle se refroidit et augmente en densité, ou que le vent et la pluie entraînent un mélange plus fort, la stratification thermique disparaît. Selon les caractéristiques des plans d’eau et les conditions climatiques et météorologiques, la stratification thermique peut se développer et s’effondrer selon un horaire quotidien, saisonnier ou sporadique. Certains lacs dans les climats tropicaux se stratifient pendant de très longues périodes.

Les étangs d’aquaculture sont généralement peu profonds, et la stratification qui se développe les jours chauds et calmes ne persiste pas la nuit, lorsque la chaleur est perdue dans l’air recouvrant. Bien sûr, dans les étangs aérés, les courants d’eau générés par l’aérateur maintiennent les eaux bien mélangées. L’hypolimnion d’un plan d’eau stratifié thermiquement est souvent dépourvu d’oxygène dissous. La déstratification thermique – surtout si elle est soudaine – peut entraîner un épuisement de l’oxygène dissous et entraîner la mort des poissons. La déstratification soudaine dans les lacs contenant des cages à poissons représente un risque important.

Photosynthèse

La pénétration de la lumière dans l’eau est également la source d’énergie de la photosynthèse par le phytoplancton et d’autres plantes aquatiques. Les plantes utilisent mieux la lumière rouge et orange, mais elles utilisent également d’autres parties du spectre visible. Les longueurs d’onde comprises entre 400 et 700 nanomètres sont appelées rayonnement photosynthétiquement actif (PAR), et des compteurs de lumière sous-marine capables de mesurer le PAR sont disponibles.

Parce que la photosynthèse est une réaction chimique médiée par l’énergie des photons de la lumière capturés par la chlorophylle et d’autres pigments sensibles à la lumière dans les cellules végétales, les photons sont traités comme s’ils étaient des molécules dans la mesure du PAR.

Zone photique, disque de Secchi

En règle générale, le phytoplancton et les autres plantes aquatiques ne peuvent survivre à des intensités lumineuses inférieures à 1% de la lumière reçue à la surface – qu’elles soient mesurées en lumière totale ou PAR. La couche d’eau recevant 1% ou plus de lumière incidente est connue sous le nom de zone photique ou euphotique. Comme la lumière est éteinte de façon exponentielle avec la profondeur, le pourcentage de PAR incident diminue rapidement (Fig. 1). Incidemment, le profil de profondeur pour l’atténuation de la lumière totale serait presque identique à celui du PAR.

Le profil de lumière sous-marine illustré à la Fig. 1 est pour midi par temps clair dans un étang d’aquaculture tropical avec une floraison de phytoplancton. La pénétration de la lumière à différentes profondeurs a été estimée avec l’équation de la loi de Lambert. Moins de 20% de la lumière incidente atteint 0,50 m, un peu plus de 2% atteint 1,00 mètre et la zone photique n’a que 1,35 mètre d’épaisseur – une situation assez typique dans un étang d’aquaculture.

Dans les étangs à aération, la circulation d’eau induite amène continuellement le phytoplancton des eaux plus profondes dans la zone photique et vice versa. Ce phénomène a essentiellement le même effet que l’augmentation de l’épaisseur de la zone photique – il augmente la quantité de photosynthèse par unité de surface dans un plan d’eau.

Dans les lacs, la profondeur de la zone photique correspond typiquement à la profondeur à laquelle se produit la stratification thermique. Il n’y a pas de photosynthèse dans l’hypolimnion pour fournir de l’oxygène dissous. Les lacs dans lesquels l’appauvrissement en oxygène dissous hypolimnétique se produit sont classés comme eutrophes – c’est–à-dire riches en nutriments – par opposition aux lacs oligotrophes pauvres en nutriments.

La profondeur de la zone photique peut être estimée avec la visibilité du disque Secchi. La valeur 1,7 divisée par la visibilité du disque de Secchi en mètres a été rapportée par plusieurs chercheurs pour fournir une bonne estimation du coefficient d’extinction de la lumière (K) pour une utilisation dans l’équation de la loi de Lambert.

L’utilisation de cette méthode pour obtenir K et résoudre l’équation de la loi de Lambert pour une profondeur de pénétration de la lumière de 1% suggère que l’épaisseur de la zone photique est d’environ 2,7 fois la visibilité du disque de Secchi. La profondeur de la zone photique a été diversement rapportée comme deux à trois fois la visibilité du disque de Secchi sur la base d’études sur la croissance des plantes, mais la valeur de 2,7 est une bonne valeur à des fins générales.

La turbidité créée par la croissance du phytoplancton dans les étangs est souvent un moyen d’éviter la croissance des macrophytes sous-marins. Pour une visibilité typique du disque de Secchi de 40 à 50 cm dans les étangs d’aquaculture, une profondeur minimale de 110 cm est nécessaire pour éviter un éclairage suffisant au fond pour la croissance des plantes.

(Note de l’éditeur: Cet article a été initialement publié dans l’édition imprimée de novembre/décembre 2014 du Global Aquaculture Advocate.)