a fény behatolása a fitoplankton által végzett fotoszintézis energiaforrása

a napfény az elektromágneses sugárzás teljes spektrumából áll, amely magában foglalja a gamma, X, ultraibolya, látható, infravörös, mikro – és rádióhullámokat. A napsugárzás nagy része látható és infravörös sugarak formájában van, amelyek hullámhossza változó.

a Föld felszínét érő napfény elnyelődik vagy visszaverődik. A vízfelületek átlátszósága változó. Ez nagyobb a tiszta víz esetében, amikor a víz felszíne sima, és a délelőtti és a délutáni közepén, amikor a nap sugarai a legközelebb állnak a föld felszínéhez. A szélesség és az évszak is befolyásolja a nap sugarainak szögét. Ha a napsugarak beesési szöge 60 fok vagy annál kisebb, a beeső napfény kevesebb, mint 10% – át általában a vízfelület tükrözi.

a felület által visszavert beeső fény százalékos arányát albedónak nevezzük. A víztestek éves albedói az egyenlítőn 5-7% – tól 12-13% – ig terjednek 60 szélességi fokon. Havi rendszerességgel a víz albedója az egyenlítőn az évszaktól függően alig változik, de 60 szélességi fokon az albedó a márciusi és szeptemberi napéjegyenlőségnél 5 százalék, a tél elején pedig 55 százalék körül van.

fényáteresztés

a vízfelszínen Áthatoló fény szétszóródik, elnyelődik vagy leáll, ahogy lefelé halad. A víz szétszóródik, de nem szívja fel az ultraibolya fényt. Gyorsan elnyeli az infravörös fényt-kevés infravörös fény hatol be több mint 2 méterre. A fényt még tiszta vízben is elég gyorsan leállítják. A beeső fénynek csak körülbelül 25% – A éri el a 10 méter mélységet a nyílt óceánban, ahol a víz nagyon tiszta.

a látható spektrum 390 és 750 nanométer közötti hullámhosszakból áll (nm, 1.táblázat). Egy nanométer egy méter 1 milliárdodjának felel meg. A vizuális fény csillapításának sebessége a vízben a vörös és a narancssárga sugarak esetében a legnagyobb, kevésbé az ibolyasugarak esetében, és legkevésbé a sárga, zöld és kék sugarak esetében. Az oldott szerves anyagok és a szuszpendált szilárd anyagok jelenléte tovább akadályozza a fény behatolását, és a különböző típusú szilárd anyagok előnyösen különböző hullámhosszon abszorbeálódnak.

Boyd, a fénysugarak és a színek kategóriái, táblázat 1

teljes spektrum sugár típusa	teljes spektrum hullámhossz	látható spektrum sugár színe	látható spektrum hullámhossz
Gamma	kevesebb, mint 0,01 nm	–	–
X	0, 01-10, 00 nm	Ibolya	390-450 nm
ultraibolya	10.00-389.00 nm	Kék	450-495 nm
látható	390,00-750,00 nm	Zöld	495-570 nm
infravörös	759,00-106 nm	sárga	570-590 nm
mikro	106-109 nm	narancssárga	590-620 nm

táblázat 1. A fénysugarak és színek kategóriái a napfény elektromágneses spektrumában.

a fitoplankton a spektrum vörös és narancssárga részében szívja fel a fényt a legjobban, de kisebb mértékben más színeket is elnyel. Az oldott szerves anyag a kék, az ibolya és az ultraibolya fényt szívja fel a legerősebben. A szuszpendált ásványi anyagok hajlamosak egyenletesen elnyelni a fényt a látható spektrumban, míg az oldott szervetlen anyagok nem zavarják a víz fényelnyelését. A sótartalom tehát nincs jelentős hatással a víz alatti fényre.

rétegződés

amikor a fény fotonjait a víz elnyeli, melegítik a vizet. A vízbe juttatott hő mennyisége a mélység növekedésével csökken. Természetesen a víz újra sugározza a hosszú hullámú sugárzást a légkörbe, és a bejövő és kimenő sugárzás közötti egyensúly általában elérhető, korlátozva a víz hőmérsékletének változását egy 24 órás vagy hosszabb időszak alatt.

sok víztestben a felső rétegben gyorsabban nyerik a hőt, mint a szél által vezérelt vízáramok mélyebb vízbe keverhetik. Ennek eredményeként egy alacsonyabb sűrűségű meleg víz felső rétege fedi le a nagyobb sűrűségű hűvösebb víz mélyebb rétegét. Ha a két réteg közötti sűrűségkülönbség olyan nagy lesz, hogy a felszíni vizet szélhatással nem lehet összekeverni a mélyebb vízzel, termikus rétegződés következik be. Termikusan rétegzett víztestben a felső réteget epilimnionnak, az alsó réteget hipolimnionnak, a réteget pedig, amelyen a hőmérséklet gyorsan változik, termoklinnak nevezzük.

amikor a felületi réteg lehűl és sűrűsödik, vagy a szél és az eső erősebb keveredést eredményez, a termikus rétegződés eltűnik. A víztestek jellemzőitől, valamint az éghajlati és időjárási viszonyoktól függően a termikus rétegződés napi, szezonális vagy szórványos ütemterv szerint alakulhat ki és összeomlik. Néhány trópusi éghajlatú tó nagyon hosszú ideig rétegződik.

az akvakultúra-tavak általában sekélyek, és a meleg, nyugodt napokon kialakuló rétegződés éjszaka nem tart fenn, amikor a hő elvész az átfedő levegő miatt. Természetesen a levegőztetett tavakban a levegőztető által generált vízáramok alaposan összekeverik a vizeket. A termikusan rétegzett víztest hipolimnionja gyakran nem tartalmaz oldott oxigént. A termikus destratifikáció – különösen, ha hirtelen történik-oldott oxigén kimerülést okozhat, és a halak elpusztulásához vezethet. A halketreceket tartalmazó tavak hirtelen elpusztítása jelentős kockázatot jelent.

fotoszintézis

a fény behatolása a vízbe a fitoplankton és más vízinövények fotoszintézisének energiaforrása is. A növények a vörös és a narancssárga fényt használják a legjobban, de a látható spektrum más részeit is használják. A 400 és 700 nanométer közötti hullámhosszokat fotoszintetikusan aktív sugárzásnak (par) nevezzük, és a par mérésére alkalmas víz alatti fénymérők állnak rendelkezésre.

mivel a fotoszintézis egy kémiai reakció, amelyet a klorofill és más fényérzékeny pigmentek által a növényi sejtekben elfogott fény fotonjai által közvetített energia közvetít, a fotonokat úgy kezelik, mintha molekulák lennének a par mérésében.

fotikus zóna, Secchi lemez

általános szabály, hogy a fitoplankton és más vízinövények nem képesek túlélni a felszínen kapott fény 1% – A alatti fényintenzitás mellett – akár teljes fényként, akár PAR-ként mérve. Az a vízréteg, amely 1% vagy annál több beeső fényt kap, fotikus vagy euphotikus zónának nevezik. Mivel a fény a mélységgel exponenciálisan kialszik, a beeső PAR százalékos aránya gyorsan csökken (ábra. 1). Mellesleg, a teljes fény csillapításának mélységprofilja majdnem megegyezik a PAR értékével.

a víz alatti fény profil ábrán látható. Az 1 egy tiszta napon délben van egy trópusi akvakultúra-tóban, fitoplankton virágzással. A fény különböző mélységekbe való behatolását a Lambert-törvény egyenletével becsülték meg. A beeső fény kevesebb, mint 20 százaléka eléri a 0,50 métert, valamivel több mint 2 százaléka eléri az 1,00 métert, a fotikus zóna pedig csak 1,35 méter vastag – ez meglehetősen tipikus helyzet egy akvakultúra-tóban.

a levegőztetett tavakban az indukált vízkeringés folyamatosan hozza a fitoplanktont a mélyebb vízből a fotikus zónába és fordítva. Ennek a jelenségnek alapvetően ugyanaz a hatása, mint a fotikus zóna vastagságának növelésével – növeli a víztest egységnyi felületére jutó fotoszintézis mennyiségét.

tavakban a fotikus zóna mélysége általában megfelel annak a mélységnek, amelyen a termikus rétegződés bekövetkezik. A hipolimnionban nincs fotoszintézis az oldott oxigén biztosítására. Azok a tavak, amelyekben hipolimnetikus oldott oxigénhiány lép fel, eutrofikusnak minősülnek – vagyis tápanyagokban gazdagok–, szemben a tápanyagszegény oligotróf tavakkal.

a fotikus zóna mélysége a Secchi lemez láthatóságával becsülhető meg. Az 1,7-es értéket osztva a Secchi lemez láthatóságával méterben több kutató számolt be, hogy jó becslést adjon a fény kihalási együtthatójáról (K) A Lambert-törvény egyenletében.

ennek a módszernek a felhasználásával k és a Lambert-törvény egyenletének megoldása az 1% – os fényáteresztés mélységére azt sugallja, hogy a fotikus zóna vastagsága körülbelül 2,7-szerese a Secchi-korong láthatóságának. A fotikus zóna mélységét különféle módon jelentették a Secchi lemez láthatóságának két-háromszorosaként a növények növekedésének vizsgálata alapján, de a 2,7-es érték általános célokra jó.

a tavakban a fitoplankton növekedése által okozott zavarosság gyakran eszköz a víz alatti makrofiták növekedésének elkerülésére. Az akvakultúra-tavakban a 40-50 cm-es tipikus Secchi lemez láthatóságánál legalább 110 cm mélységre van szükség ahhoz, hogy az alján elegendő megvilágítás legyen a növény növekedéséhez.

(a szerkesztő megjegyzése: Ez a cikk eredetileg a Global Aquaculture Advocate 2014. novemberi/decemberi nyomtatott kiadásában jelent meg.)