lichtpenetratie is energiebron voor fotosynthese door fytoplankton

zonlicht bestaat uit het volledige spectrum van elektromagnetische straling, waaronder gamma -, X -, ultraviolet -, zichtbaar -, infrarood -, micro-en radiogolven. Het grootste deel van de zonnestraling is in de vorm van zichtbare en infrarode stralen die variëren in golflengte.

zonlicht dat het aardoppervlak raakt, wordt geabsorbeerd of gereflecteerd. De transparantie van wateroppervlakken varieert. Het is groter voor helder water, wanneer het wateroppervlak glad is, en tussen halverwege de ochtend en halverwege de middag, wanneer de zonnestralen het dichtst bij verticaal met het aardoppervlak. Breedtegraad en seizoen beïnvloeden ook de hoek van de zonnestralen. Wanneer de invalshoek van de zonnestralen 60 graden of minder is, wordt minder dan 10 procent van het invallende zonlicht normaal gereflecteerd door een wateroppervlak.

het percentage invallend licht dat door een oppervlak wordt gereflecteerd, wordt het albedo genoemd. De jaarlijkse albedos van waterlichamen variëren van 5 tot 7 procent op de evenaar tot 12 tot 13 procent op 60 graden breedtegraad. Op maandbasis varieert de albedo van water weinig met de tijd van het jaar op de evenaar, maar op 60 graden breedtegraad is de albedo ongeveer 5 procent bij equinox in Maart en September, en ongeveer 55 procent aan het begin van de winter.

lichtpenetratie

licht dat een wateroppervlak binnendringt, wordt verstrooid en geabsorbeerd of gedoofd wanneer het naar beneden gaat. Water verstrooit maar absorbeert geen ultraviolet licht. Het absorbeert infrarood licht snel – weinig infrarood licht dringt meer dan 2 meter binnen. Licht wordt vrij snel gedoofd, zelfs in helder water. Slechts ongeveer 25 procent van het invallende licht bereikt een diepte van 10 meter in de open oceaan, waar het water zeer helder is.

het zichtbare spectrum bestaat uit golflengten tussen 390 en 750 nanometer (nm, Tabel 1). Een nanometer is gelijk aan 1 miljardste van een meter. De snelheid van visuele lichtdemping in water is het grootst voor rode en oranje stralen, minder voor violette stralen en het minst voor gele, groene en blauwe stralen. De aanwezigheid van opgeloste organische stoffen en gesuspendeerde vaste stoffen belemmert verder de lichtpenetratie en verschillende soorten vaste stoffen absorberen bij voorkeur bij verschillende golflengten.

Boyd, Categorieën van licht stralen en kleuren Tabel 1

Hele Spectrum Ray Type	Hele Spectrum Golflengte	Zichtbare Spectrum Ray Kleur	Zichtbare Spectrum Golflengte
Gamma	Minder dan 0,01 nm	–	–
X	0.01-10.00 nm	Paars	390-450 nm
Ultraviolet	10.00-389.00 nm	Blauw	450-495 nm
Zichtbare	390.00-750.00 nm	Groen	495-570 nm
Infrarood	759.00-106 nm	Geel	570-590 nm
Micro	106-109 nm	Oranje	590-620 nm

Tabel 1. Categorieën van lichtstralen en kleuren in het elektromagnetische spectrum van zonlicht.

fytoplankton absorbeert licht het best binnen het rode en oranje deel van het spectrum, maar ze absorberen andere kleuren in mindere mate. Opgeloste organische stof absorbeert blauw, violet en ultraviolet licht het sterkst. Gesuspendeerde minerale stoffen absorberen licht gelijkmatig over het zichtbare spectrum, terwijl opgeloste anorganische stoffen geen invloed hebben op de absorptie van licht door water. Zoutgehalte heeft daarom geen significante invloed op het onderwaterlicht.

stratificatie

wanneer lichtfotonen door water worden opgenomen, verwarmen ze het water. De hoeveelheid warmte die aan het water wordt gegeven neemt af met toenemende diepte. Natuurlijk re-straalt water lange-golf straling naar de atmosfeer, en een evenwicht tussen inkomende en uitgaande straling heeft de neiging om te worden bereikt, waardoor grenzen worden gesteld aan de temperatuurveranderingen van het water over een periode van 24 uur of langer.

in veel waterlichamen wordt de warmte in de bovenste laag sneller gewonnen dan door de wind in dieper water kan worden gemengd. Dit resulteert in een bovenste laag warm water met een lagere dichtheid die een diepere laag koeler water met een grotere dichtheid bedekt. Als het verschil in dichtheid tussen de twee lagen zo groot wordt dat het oppervlaktewater door windwerking niet met dieper water kan worden gemengd, vindt thermische stratificatie plaats. In een thermisch gestratificeerd waterlichaam wordt de bovenste laag het epilimnion genoemd, de onderste laag wordt het hypolimnion genoemd en de laag waarlangs de temperatuur snel verandert wordt de thermocline genoemd.

wanneer de oppervlaktelaag afkoelt en de dichtheid toeneemt, of wanneer wind en regen resulteren in een sterkere menging, verdwijnt de thermische stratificatie. Afhankelijk van de kenmerken van waterlichamen en het klimaat en de weersomstandigheden, kan thermische stratificatie zich ontwikkelen en instorten op een dagelijks, seizoensgebonden of sporadisch schema. Sommige meren in tropische klimaten stratificeren voor zeer lange periodes.

Aquacultuurvijvers zijn meestal ondiep, en de stratificatie die zich ontwikkelt op warme, kalme dagen houdt ‘ s nachts niet aan wanneer er warmte verloren gaat aan de overdekkende lucht. Natuurlijk houden door beluchting gegenereerde waterstromen in beluchter gevormde vijvers het water grondig gemengd. De hypolimnion van een thermisch gestratificeerd waterlichaam is vaak verstoken van opgeloste zuurstof. Thermische destratificatie-vooral als het plotseling is-kan leiden tot opgeloste zuurstof uitputting en leiden tot vissen doden. Plotselinge destratificatie in meren met viskooien is een aanzienlijk risico.

fotosynthese

lichtpenetratie in water is ook de energiebron voor fotosynthese door fytoplankton en andere waterplanten. Planten gebruiken het beste rood en oranje licht, maar ze gebruiken ook andere delen van het zichtbare spectrum. Golflengten tussen 400 en 700 nanometers worden fotosynthetisch actieve straling (PAR) genoemd, en onderwaterlichtmeters die PAR kunnen meten zijn beschikbaar.

omdat fotosynthese een chemische reactie is die wordt gemedieerd door energie uit fotonen van licht die worden opgevangen door Chlorofyl en andere lichtgevoelige pigmenten in plantencellen, worden fotonen behandeld alsof het moleculen in meetmaat zijn.

Fotic zone, Secchi disk

in het algemeen kunnen fytoplankton en andere waterplanten niet overleven bij lichtsterktes van minder dan 1% van het aan het oppervlak ontvangen licht – gemeten als totaal licht of PAR. De laag water die 1 procent of meer invallend licht ontvangt, staat bekend als de fotische of eufotische zone. Omdat het licht exponentieel met de diepte wordt gedoofd, neemt het percentage invallende PAR snel af (Fig. 1). Overigens zou het diepteprofiel voor de demping van het totale licht bijna identiek zijn aan dat Voor PAR.

het in Fig. 1 is voor de middag op een heldere dag in een tropische aquacultuurvijver met een fytoplankton bloei. Lichtpenetratie naar verschillende dieptes werd geschat met de Lambert ‘ s law equation. Minder dan 20 procent van het invallende licht bereikt 0,50 m, iets meer dan 2 procent bereikt 1,00 meter, en de fotische zone is slechts 1,35 meter dik-een vrij typische situatie in een aquacultuurvijver.

in vijvers met beluchting brengt de geïnduceerde watercirculatie fytoplankton uit dieper water voortdurend naar de fotische zone en vice versa. Dit fenomeen heeft in principe hetzelfde effect als het verhogen van de dikte van de fotische zone – het verhoogt de hoeveelheid fotosynthese per oppervlakte-eenheid in een waterlichaam.

in meren komt de diepte van de fotische zone overeen met de diepte waarop thermische stratificatie plaatsvindt. Er is geen fotosynthese in het hypolimnion om opgeloste zuurstof te leveren. Meren waarin hypolimnetic opgeloste zuurstofdepletie optreedt worden geclassificeerd als eutrofisch-wat betekent rijk aan voedingsstoffen-in tegenstelling tot oligotrofe meren die voedingsarm zijn.

de diepte van de fotische zone kan worden geschat met Secchi disk visibility. De waarde 1.7 gedeeld door de Secchi disk visibility in meters is gerapporteerd door verschillende onderzoekers om een goede schatting van de Light extinction coefficient (K) voor gebruik in de Lambert ‘ s law equation.

het gebruik van deze methode voor het verkrijgen van K en het oplossen van de Lambert ‘ s law vergelijking voor diepte van 1 procent lichtpenetratie suggereert dat de dikte van de fotische zone ongeveer 2,7 keer de Secchi disk visibility is. De diepte van de fotische zone is verschillend gerapporteerd als twee tot drie keer de Secchi disk zichtbaarheid op basis van studies van plantengroei, maar de waarde van 2,7 is een goede voor algemene doeleinden.

troebelheid veroorzaakt door de groei van fytoplankton in vijvers is vaak een middel om de groei van macrofyten onder water te voorkomen. Bij een typische Secchi disk zichtbaarheid van 40 tot 50 cm in aquacultuurvijvers, een minimale diepte van 110 cm is nodig om voldoende verlichting aan de onderkant voor de groei van de planten te voorkomen.

(Noot van de redactie): Dit artikel is oorspronkelijk gepubliceerd in de November / December 2014 gedrukte editie van de Global Aquaculture Advocate.)