la penetrazione della Luce è fonte di energia per la fotosintesi da fitoplancton

La luce solare è costituita dall’intero spettro della radiazione elettromagnetica, che include gamma, X, ultravioletto, visibile, infrarosso, micro e onde radio. La maggior parte della radiazione solare è sotto forma di raggi visibili e infrarossi che variano in lunghezza d’onda.

La luce solare che colpisce la superficie terrestre viene assorbita o riflessa. La trasparenza delle superfici d’acqua varia. È maggiore per l’acqua limpida, quando la superficie dell’acqua è liscia, e tra metà mattina e metà pomeriggio, quando i raggi del sole sono più vicini alla verticale con la superficie terrestre. Latitudine e stagione influenzano anche l’angolo dei raggi del sole. Quando l’angolo di incidenza dei raggi del sole è di 60 gradi o meno, meno del 10% della luce solare incidente viene normalmente riflessa da una superficie d’acqua.

La percentuale di luce incidente riflessa da una superficie è chiamata albedo. Gli albedos annuali dei corpi idrici vanno dal 5 al 7 percento all’equatore al 12-13 percento a 60 gradi di latitudine. Su base mensile, l’albedo dell’acqua varia poco con il periodo dell’anno all’equatore, ma a 60 gradi di latitudine, l’albedo è intorno al 5 per cento all’equinozio di marzo e settembre, e intorno al 55 per cento all’inizio dell’inverno.

Penetrazione della luce

La luce che penetra in una superficie d’acqua viene dispersa e assorbita o estinta mentre passa verso il basso. L’acqua disperde ma non assorbe la luce ultravioletta. Assorbe rapidamente la luce infrarossa – poca luce infrarossa penetra più di 2 metri. La luce si spegne piuttosto rapidamente anche in acqua limpida. Solo circa il 25% della luce incidente raggiunge una profondità di 10 metri nell’oceano aperto, dove l’acqua è molto chiara.

Lo spettro visibile è costituito da lunghezze d’onda comprese tra 390 e 750 nanometri (nm, Tabella 1). Un nanometro equivale a 1 miliardesimo di metro. Il tasso di attenuazione della luce visiva in acqua è maggiore per i raggi rossi e arancioni, meno per i raggi viola e meno per i raggi gialli, verdi e blu. La presenza di materia organica disciolta e solidi sospesi impedisce ulteriormente la penetrazione della luce e diversi tipi di solidi assorbono preferenzialmente a diverse lunghezze d’onda.

Boyd, Categorie di raggi di luce e colori, Tabella 1

Intero Spettro
lunghezza d’Onda Spettro Visibile
Ray Colore Spettro Visibile
lunghezza d’Onda

Intero Spettro Tipo di Raggio
Gamma	a Meno di 0,01 nm	–	–
X	0.01-10.00 nm	Viola	390-450 nm
Ultravioletti	10.00-389.00 nm	Blu	450-495 nm
Visibile	390.00-750.00 nm	Verde	495-570 nm
Infrarossi	759.00-106 nm	Giallo	570-590 nm
Micro	106-109 nm	Arancione	590-620 nm

Tabella 1. Categorie di raggi di luce e colori nello spettro elettromagnetico della luce solare.

Il fitoplancton assorbe meglio la luce all’interno della parte rossa e arancione dello spettro, ma assorbe altri colori in misura minore. La materia organica disciolta assorbe più fortemente la luce blu, viola e ultravioletta. La materia minerale sospesa tende ad assorbire la luce uniformemente attraverso lo spettro visibile, mentre le sostanze inorganiche disciolte non interferiscono con l’assorbimento della luce da parte dell’acqua. La salinità, quindi, non ha un impatto significativo sulla luce subacquea.

Stratificazione

Quando i fotoni di luce vengono assorbiti dall’acqua, riscaldano l’acqua. La quantità di calore impartita all’acqua diminuisce con l’aumentare della profondità. Naturalmente, l’acqua ri-irradia radiazioni a onde lunghe nell’atmosfera, e un equilibrio tra radiazione in entrata e in uscita tende ad essere raggiunto, ponendo limiti alle variazioni di temperatura dell’acqua per un periodo di 24 ore o più.

In molti corpi idrici, il calore viene guadagnato nello strato superiore più velocemente di quanto possa essere miscelato in acque più profonde da correnti d’acqua guidate dal vento. Ciò si traduce in uno strato superiore di acqua calda di densità inferiore sovrapponendo uno strato più profondo di acqua più fredda di maggiore densità. Se la differenza di densità tra i due strati diventa così grande che l’acqua superficiale non può essere miscelata con acqua più profonda dall’azione del vento, si verifica una stratificazione termica. In un corpo idrico termicamente stratificato, lo strato superiore è chiamato epilimnion, lo strato inferiore è indicato come ipolimnion e lo strato attraverso il quale la temperatura cambia rapidamente è noto come termoclino.

Quando lo strato superficiale si raffredda e aumenta di densità, o il vento e la pioggia provocano una miscelazione più forte, la stratificazione termica scompare. A seconda delle caratteristiche dei corpi idrici e delle condizioni climatiche e meteorologiche, la stratificazione termica può svilupparsi e collassare su un programma giornaliero, stagionale o sporadico. Alcuni laghi nei climi tropicali si stratificano per periodi molto lunghi.

Gli stagni di acquacoltura di solito sono poco profondi e la stratificazione che si sviluppa nelle giornate calde e calme non persiste di notte, quando il calore viene perso nell’aria sovrapposta. Naturalmente, negli stagni aerati, le correnti d’acqua generate dall’aeratore mantengono le acque completamente mescolate. L’ipolimnione di un corpo idrico stratificato termicamente è spesso privo di ossigeno disciolto. La destratificazione termica – specialmente se è improvvisa-può causare l’esaurimento dell’ossigeno disciolto e portare a uccisioni di pesci. La destratificazione improvvisa nei laghi contenenti gabbie per pesci è un rischio significativo.

Fotosintesi

La penetrazione della luce nell’acqua è anche la fonte di energia per la fotosintesi da parte del fitoplancton e di altre piante acquatiche. Le piante usano meglio la luce rossa e arancione, ma usano anche altre parti dello spettro visibile. Le lunghezze d’onda comprese tra 400 e 700 nanometri sono chiamate radiazioni fotosinteticamente attive (PAR) e sono disponibili misuratori di luce subacquea in grado di misurare PAR.

Poiché la fotosintesi è una reazione chimica mediata dall’energia dei fotoni di luce catturati dalla clorofilla e da altri pigmenti sensibili alla luce nelle cellule vegetali, i fotoni vengono trattati come se fossero molecole nel misurare il PAR.

Zona fotica, disco Secchi

Come regola generale, il fitoplancton e altre piante acquatiche non possono sopravvivere ad intensità di luce inferiori all ‘ 1% della luce ricevuta in superficie, sia misurata come luce totale o PAR. Lo strato di acqua che riceve l ‘ 1 percento o più di luce incidente è noto come zona fotica o eufotica. Poiché la luce si spegne esponenzialmente con la profondità, la percentuale di PAR incidente diminuisce rapidamente (Fig. 1). Per inciso, il profilo di profondità per l’attenuazione della luce totale sarebbe quasi identico a quello per PAR.

Il profilo della luce subacquea illustrato in Fig. 1 è per mezzogiorno in una giornata limpida in uno stagno di acquacoltura tropicale con una fioritura di fitoplancton. La penetrazione della luce a diverse profondità è stata stimata con l’equazione della legge di Lambert. Meno del 20 percento della luce incidente raggiunge 0,50 m, poco più del 2 percento raggiunge 1,00 metri e la zona fotica è spessa solo 1,35 metri – una situazione abbastanza tipica in uno stagno di acquacoltura.

Negli stagni con aerazione, la circolazione dell’acqua indotta porta continuamente il fitoplancton dalle acque più profonde nella zona fotica e viceversa. Questo fenomeno ha fondamentalmente lo stesso effetto di aumentare lo spessore della zona fotica – aumenta la quantità di fotosintesi per unità di superficie in un corpo idrico.

Nei laghi, la profondità della zona fotica corrisponde tipicamente alla profondità alla quale si verifica la stratificazione termica. Non c’è fotosintesi nell’ipolimnione per fornire ossigeno disciolto. I laghi in cui si verifica la deplezione di ossigeno disciolto ipolimnetico sono classificati come eutrofici, ovvero ricchi di sostanze nutritive, al contrario dei laghi oligotrofi che sono poveri di sostanze nutritive.

La profondità della zona fotica può essere stimata con la visibilità del disco Secchi. Il valore 1.7 diviso per la visibilità del disco Secchi in metri è stato riportato da diversi ricercatori per fornire una buona stima del coefficiente di estinzione della luce (K) per l’uso nell’equazione della legge di Lambert.

L’utilizzo di questo metodo per ottenere K e risolvere l’equazione della legge di Lambert per la profondità di penetrazione della luce 1 per cento suggerisce che lo spessore della zona fotica è circa 2,7 volte la visibilità del disco Secchi. La profondità della zona fotica è stata variamente riportata come due o tre volte la visibilità del disco Secchi sulla base di studi sulla crescita delle piante, ma il valore di 2.7 è buono per scopi generali.

La torbidità creata dalla crescita del fitoplancton negli stagni è spesso un mezzo per evitare la crescita di macrofiti sottomarini. Con una tipica visibilità del disco Secchi da 40 a 50 cm negli stagni di acquacoltura, è necessaria una profondità minima di 110 cm per evitare un’illuminazione sufficiente sul fondo per la crescita delle piante.

(Nota del Redattore: Questo articolo è stato originariamente pubblicato nell’edizione cartacea di novembre/dicembre 2014 del Global Aquaculture Advocate.)