La penetración de la luz es una fuente de energía para la fotosíntesis por fitoplancton

La luz solar consiste en todo el espectro de radiación electromagnética, que incluye ondas gamma, X, ultravioleta, visible, infrarroja, micro y de radio. La mayor parte de la radiación solar está en forma de rayos visibles e infrarrojos que varían en longitud de onda.

La luz solar que golpea la superficie de la tierra es absorbida o reflejada. La transparencia de las superficies de agua varía. Es mayor para el agua clara, cuando la superficie del agua es lisa, y entre media mañana y media tarde, cuando los rayos del sol están más cerca de la vertical con la superficie de la tierra. La latitud y la estación también afectan el ángulo de los rayos del sol. Cuando el ángulo de incidencia de los rayos solares es de 60 grados o menos, menos del 10 por ciento de la luz solar incidente normalmente se refleja en la superficie del agua.

El porcentaje de luz incidente reflejada por una superficie se denomina albedo. Los albedos anuales de cuerpos de agua varían de 5 a 7 por ciento en el Ecuador a 12 a 13 por ciento a 60 grados de latitud. Mensualmente, el albedo de agua varía poco con la época del año en el Ecuador, pero a 60 grados de latitud, el albedo es de alrededor del 5 por ciento en el equinoccio en marzo y septiembre, y alrededor del 55 por ciento al comienzo del invierno.

Penetración de la luz

La luz que penetra en una superficie de agua se dispersa y absorbe o apaga a medida que pasa hacia abajo. El agua se dispersa, pero no absorbe la luz ultravioleta. Absorbe la luz infrarroja rápidamente: poca luz infrarroja penetra más de 2 metros. La luz se apaga con bastante rapidez incluso en agua clara. Solo alrededor del 25 por ciento de la luz incidente alcanza una profundidad de 10 metros en el océano abierto, donde el agua es muy clara.

El espectro visible consta de longitudes de onda entre 390 y 750 nanómetros (nm, Tabla 1). Un nanómetro equivale a 1 mil millonésima parte de un metro. La tasa de atenuación de la luz visual en el agua es mayor para los rayos rojos y anaranjados, menor para los rayos violetas y menor para los amarillos, verdes y azules. La presencia de materia orgánica disuelta y sólidos en suspensión impide aún más la penetración de la luz, y los diferentes tipos de sólidos se absorben preferentemente a diferentes longitudes de onda.

Boyd, Categorías de los rayos de luz y de colores, Tabla 1

Todo el Espectro Ray Tipo	Todo el Espectro longitud de Onda	Espectro Visible Ray Color	Espectro Visible longitud de Onda
Gamma	Menos de 0,01 nm	–	–
X	0.01-10.00 nm	Violeta	390-450 nm
Ultravioleta	10.00-389.00 nm	Azul	450-495 nm
Visible	390.00-750.00 nm	Verde	495-570 nm
Infrarrojo	759.00-106 nm	Amarillo	570-590 nm
Micro	106-109 nm	Orange	590-620 nm

Tabla 1. Categorías de rayos de luz y colores en el espectro electromagnético de la luz solar.

El fitoplancton absorbe mejor la luz dentro de la parte roja y naranja del espectro, pero absorben otros colores en menor grado. La materia orgánica disuelta absorbe la luz azul, violeta y ultravioleta con mayor fuerza. La materia mineral en suspensión tiende a absorber la luz de manera uniforme en todo el espectro visible, mientras que las sustancias inorgánicas disueltas no interfieren con la absorción de luz por el agua. La salinidad, por lo tanto, no tiene un impacto significativo en la luz submarina.

Estratificación

Cuando los fotones de luz son absorbidos por el agua, calientan el agua. La cantidad de calor impartida al agua disminuye con el aumento de la profundidad. Por supuesto, el agua re-irradia radiación de onda larga a la atmósfera, y se tiende a lograr un equilibrio entre la radiación entrante y saliente, poniendo límites a los cambios de temperatura del agua durante un período de 24 horas o más.

En muchos cuerpos de agua, el calor se obtiene en la capa superior más rápido de lo que se puede mezclar en aguas más profundas por corrientes de agua impulsadas por el viento. Esto resulta en una capa superior de agua tibia de menor densidad que se superpone a una capa más profunda de agua más fría de mayor densidad. Si la diferencia de densidad entre las dos capas es tan grande que el agua superficial no se puede mezclar con el agua más profunda por la acción del viento, se produce la estratificación térmica. En un térmicamente estratificado cuerpo de agua, la capa superior es llamado el epilimnion, la capa inferior se conoce como el hipolimnion, y la capa a través de la cual la temperatura cambia rápidamente y es conocida como la termoclina.

Cuando la capa superficial se enfría y aumenta la densidad, o el viento y la lluvia producen una mezcla más fuerte, la estratificación térmica desaparece. Dependiendo de las características de las masas de agua y de las condiciones climáticas y meteorológicas, la estratificación térmica puede desarrollarse y colapsar en un horario diario, estacional o esporádico. Algunos lagos en climas tropicales se estratifican durante períodos muy largos.

Los estanques de acuicultura generalmente son poco profundos, y la estratificación que se desarrolla en días cálidos y tranquilos no persiste por la noche, cuando el calor se pierde por el aire superpuesto. Por supuesto, en los estanques aireados, las corrientes de agua generadas por aireadores mantienen las aguas completamente mezcladas. El hipolimnión de un cuerpo de agua estratificado térmicamente a menudo carece de oxígeno disuelto. La desestratificación térmica, especialmente si es repentina, puede causar el agotamiento del oxígeno disuelto y provocar la muerte de peces. La desestratificación repentina en lagos que contienen jaulas de peces es un riesgo significativo.

Fotosíntesis

La penetración de la luz en el agua también es la fuente de energía para la fotosíntesis por fitoplancton y otras plantas acuáticas. Las plantas usan mejor la luz roja y naranja, pero también usan otras partes del espectro visible. Las longitudes de onda entre 400 y 700 nanómetros se denominan radiación fotosintéticamente activa (PAR), y hay disponibles medidores de luz subacuáticos capaces de medir PAR.

Debido a que la fotosíntesis es una reacción química mediada por energía de fotones de luz capturados por clorofila y otros pigmentos sensibles a la luz en células vegetales, los fotones se tratan como si fueran moléculas en la medición de PAR.

Zona fótica, disco Secchi

Como regla general, el fitoplancton y otras plantas acuáticas no pueden sobrevivir a intensidades de luz inferiores al 1% de la luz recibida en la superficie, ya sea medida como luz total o PAR. La capa de agua que recibe 1 por ciento o más de luz incidente se conoce como zona fótica o eufótica. Debido a que la luz se apaga exponencialmente con la profundidad, el porcentaje de PAR incidente disminuye rápidamente (Fig. 1). Por cierto, el perfil de profundidad para la atenuación de la luz total sería casi idéntico al de PAR.

El perfil de luz subacuática ilustrado en la Fig. 1 es para el mediodía en un día despejado en un estanque de acuicultura tropical con una floración de fitoplancton. La penetración de la luz a diferentes profundidades se estimó con la ecuación de la ley de Lambert. Menos del 20 por ciento de la luz incidente alcanza los 0,50 m, un poco más del 2 por ciento alcanza los 1,00 metros, y la zona fótica tiene solo 1,35 metros de espesor, una situación bastante típica en un estanque de acuicultura.

En estanques con aireación, la circulación inducida del agua lleva continuamente fitoplancton de aguas más profundas a la zona fótica y viceversa. Este fenómeno tiene básicamente el mismo efecto que el aumento del grosor de la zona fótica: aumenta la cantidad de fotosíntesis por unidad de superficie en un cuerpo de agua.

En los lagos, la profundidad de la zona fótica corresponde típicamente a la profundidad a la que se produce la estratificación térmica. No hay fotosíntesis en el hipolimnio para proporcionar oxígeno disuelto. Los lagos en los que se produce el agotamiento hipolimnético del oxígeno disuelto se clasifican como eutróficos, es decir, ricos en nutrientes, a diferencia de los lagos oligotróficos que son pobres en nutrientes.

La profundidad de la zona fótica se puede estimar con la visibilidad del disco Secchi. El valor 1,7 dividido por la visibilidad del disco Secchi en metros ha sido reportado por varios investigadores para proporcionar una buena estimación del coeficiente de extinción de la luz (K) para su uso en la ecuación de la ley de Lambert.

El uso de este método para obtener K y resolver la ecuación de la ley de Lambert para una profundidad de 1 por ciento de penetración de luz sugiere que el grosor de la zona fótica es aproximadamente 2,7 veces la visibilidad del disco Secchi. La profundidad de la zona fótica ha sido reportada de dos a tres veces la visibilidad del disco Secchi basada en estudios de crecimiento de plantas, pero el valor de 2.7 es bueno para propósitos generales.

La turbidez creada por el crecimiento de fitoplancton en estanques a menudo es un medio para evitar el crecimiento de macrófitos submarinos. Con una visibilidad típica de disco Secchi de 40 a 50 cm en estanques de acuicultura, se necesita una profundidad mínima de 110 cm para evitar suficiente iluminación en el fondo para el crecimiento de las plantas.

(Nota del Editor: Este artículo se publicó originalmente en la edición impresa de noviembre/diciembre de 2014 de Global Aquaculture Advocate.)