przenikanie światła jest źródłem energii do fotosyntezy przez fitoplankton

światło słoneczne składa się z całego spektrum promieniowania elektromagnetycznego, które obejmuje gamma, X, ultrafioletowe, widzialne, podczerwone, mikro – i fale radiowe. Większa część promieniowania słonecznego ma postać promieni widzialnych i podczerwonych, które różnią się długością fali.

światło słoneczne uderzające w powierzchnię ziemi jest pochłaniane lub odbijane. Przezroczystość powierzchni wody jest różna. Jest większy dla czystej wody, gdy powierzchnia wody jest gładka, i między południem a południem, gdy promienie słoneczne są najbliżej powierzchni Ziemi. Szerokość i pora roku również wpływają na kąt promieni słonecznych. Gdy kąt padania promieni słonecznych wynosi 60 stopni lub mniej, mniej niż 10 procent padającego światła słonecznego jest zwykle odbijane przez powierzchnię wody.

procent padającego światła odbijanego przez powierzchnię nazywa się albedo. Roczne albedos zbiorników wodnych wahają się od 5 do 7 procent na równiku do 12 do 13 procent na 60 stopni szerokości geograficznej. W ujęciu miesięcznym albedo wody zmienia się nieznacznie w zależności od pory roku na równiku, ale przy 60 stopniach szerokości geograficznej albedo wynosi około 5 procent w równonocy w marcu i wrześniu, a około 55 procent na początku zimy.

przenikanie światła

światło penetrujące powierzchnię wody jest rozpraszane i absorbowane lub gaszone, gdy przechodzi w dół. Woda rozprasza, ale nie absorbuje światła ultrafioletowego. Szybko absorbuje światło podczerwone-niewiele światła podczerwonego przenika ponad 2 metry. Światło gaśnie dość szybko nawet w czystej wodzie. Tylko około 25 procent padającego światła osiąga głębokość 10 metrów w otwartym oceanie, gdzie woda jest bardzo czysta.

widmo widzialne składa się z długości fal od 390 do 750 nanometrów (nm, Tabela 1). Jeden Nanometr odpowiada 1 miliardowej części metra. Szybkość wizualnego tłumienia światła w wodzie jest największa dla promieni czerwonych i pomarańczowych, mniej dla promieni fioletowych, a najmniej dla promieni żółtych, zielonych i niebieskich. Obecność rozpuszczonej materii organicznej i zawieszonych ciał stałych dodatkowo utrudnia przenikanie światła, a różne rodzaje ciał stałych preferencyjnie absorbują przy różnych długościach fal.

Boyd, kategorie promieni i kolorów światła, Tabela 1

całe spektrum Typ Ray	całe spektrum długość fali	widmo widzialne Kolor Ray	widmo widzialne długość fali
Gamma	mniej niż 0,01 nm	–	–
X	0.01-10.00 nm		390-450 nm
ultrafiolet	10.00-389.00 nm	Niebieski	450-495 nm
widoczny	390.00-750.00 nm	Zielony	495-570 nm
podczerwień	759,00-106 nm	Żółty	570-590 nm
Micro	106-109 nm	pomarańczowy	590-620 nm

Tabela 1. Kategorie promieni świetlnych i kolorów w spektrum elektromagnetycznym światła słonecznego.

fitoplankton najlepiej absorbuje światło w czerwonej i pomarańczowej części widma, ale w mniejszym stopniu absorbuje inne kolory. Rozpuszczona materia organiczna najmocniej absorbuje światło niebieskie, fioletowe i ultrafioletowe. Zawieszona Materia mineralna ma tendencję do pochłaniania światła równomiernie w widmie widzialnym, podczas gdy rozpuszczone substancje nieorganiczne nie zakłócają absorpcji światła przez wodę. Zasolenie nie ma zatem znaczącego wpływu na światło podwodne.

stratyfikacja

gdy fotony światła są absorbowane przez wodę, ogrzewają wodę. Ilość ciepła przekazywanego do wody maleje wraz ze wzrostem głębokości. Oczywiście woda ponownie emituje promieniowanie długofalowe do atmosfery, a równowaga między promieniowaniem przychodzącym i wychodzącym jest zwykle osiągana, co ogranicza zmiany temperatury wody w ciągu 24 godzin lub dłużej.

w wielu zbiornikach wodnych ciepło jest pozyskiwane w górnej warstwie szybciej niż może zostać zmieszane z głębszą wodą przez prądy wodne napędzane wiatrem. Powoduje to, że górna warstwa ciepłej wody o mniejszej gęstości nakłada się na głębszą warstwę chłodniejszej wody o większej gęstości. Jeśli różnica gęstości między dwiema warstwami staje się tak duża, że woda powierzchniowa nie może być mieszana z głębszą wodą przez działanie wiatru, następuje stratyfikacja termiczna. W termicznie stratyfikowanym zbiorniku wodnym górna warstwa nazywana jest epilimnionem, dolna warstwa nazywana jest hipolimnionem, a warstwa, w której temperatura zmienia się szybko, znana jest jako termoklina.

gdy warstwa powierzchniowa stygnie i zwiększy gęstość lub wiatr i deszcz spowodują silniejsze mieszanie, stratyfikacja termiczna znika. W zależności od charakterystyki zbiorników wodnych oraz warunków klimatycznych i pogodowych, stratyfikacja termiczna może rozwijać się i załamywać w harmonogramie dziennym, sezonowym lub sporadycznym. Niektóre jeziora w klimacie tropikalnym rozwarstwiają się przez bardzo długi czas.

stawy akwakultury są zwykle płytkie, a rozwarstwienie, które rozwija się w ciepłe, spokojne dni, nie utrzymuje się w nocy, gdy ciepło jest tracone przez pokrywające się powietrze. Oczywiście w stawach napowietrzanych prądy wodne generowane przez Aeratory utrzymują wodę dokładnie wymieszaną. Hipolimnion termicznie stratyfikowanej wody często jest pozbawiony rozpuszczonego tlenu. Destratyfikacja termiczna-zwłaszcza jeśli jest nagła – może powodować wyczerpanie rozpuszczonego tlenu i prowadzić do zabijania ryb. Nagła destratyfikacja w jeziorach zawierających klatki ryb jest znaczącym ryzykiem.

fotosynteza

przenikanie światła do wody jest również źródłem energii dla fotosyntezy przez fitoplankton i inne rośliny wodne. Rośliny najlepiej wykorzystują światło czerwone i pomarańczowe, ale wykorzystują również inne części widma widzialnego. Długości fal między nanometrami 400 i 700 nazywane są promieniowaniem fotosyntetycznie aktywnym (PAR), a dostępne są podwodne mierniki światła zdolne do pomiaru PAR.

ponieważ fotosynteza jest reakcją chemiczną za pośrednictwem energii fotonów światła przechwytywanych przez chlorofil i inne wrażliwe na światło pigmenty w komórkach roślinnych, fotony są traktowane tak, jakby były cząsteczkami w pomiarze PAR.

Strefa Fotyczna, Dysk Secchi

zasadniczo fitoplankton i inne rośliny wodne nie mogą przetrwać przy intensywności światła poniżej 1% światła otrzymywanego na powierzchni – niezależnie od tego, czy jest to światło całkowite, czy PAR. Warstwa wody odbierająca 1 procent lub więcej padającego światła jest znana jako strefa fotyczna lub eufotyczna. Ponieważ światło gaśnie wykładniczo z głębokością, procent incydentu par gwałtownie maleje (rys. 1). Nawiasem mówiąc, profil głębokości tłumienia całkowitego światła byłby prawie identyczny z profilem PAR.

profil światła podwodnego przedstawiony na Rys. 1 to południe w pogodny dzień w tropikalnym stawie akwakultury z kwitnieniem fitoplanktonu. Przenikanie światła na różne głębokości oszacowano za pomocą równania prawa Lamberta. Mniej niż 20 procent padającego światła osiąga 0,50 m, nieco ponad 2 procent osiąga 1,00 metra, a strefa fotyczna ma tylko 1,35 metra grubości-dość typowa sytuacja w stawie akwakultury.

w stawach z napowietrzaniem indukowana cyrkulacja wody nieustannie doprowadza fitoplankton z głębszych wód do strefy fotycznej i odwrotnie. Zjawisko to ma zasadniczo taki sam efekt jak zwiększenie grubości strefy fotycznej-zwiększa ilość fotosyntezy na jednostkę powierzchni w zbiorniku wodnym.

w jeziorach głębokość strefy fotycznej zazwyczaj odpowiada głębokości, na której występuje stratyfikacja termiczna. W hipolimnionie nie zachodzi fotosynteza zapewniająca rozpuszczony tlen. Jeziora, w których występuje hipolimnetyczne zubożenie rozpuszczonego tlenu, są klasyfikowane jako eutroficzne – co oznacza bogate w składniki odżywcze – w przeciwieństwie do jezior oligotroficznych, które są ubogie w składniki odżywcze.

głębokość strefy fotycznej można oszacować za pomocą widoczności dysku Secchi. Wartość 1,7 podzielona przez widoczność dysku Secchiego w metrach została zgłoszona przez kilku badaczy, aby zapewnić dobre oszacowanie współczynnika ekstynkcji światła (K) do zastosowania w równaniu prawa Lamberta.

zastosowanie tej metody do uzyskania K i rozwiązania równania prawa Lamberta dla głębokości 1% przenikania światła sugeruje, że grubość strefy fotycznej jest około 2,7 razy większa od widoczności dysku Secchiego. Głębokość strefy fotycznej była różnie podawana jako dwa do trzech razy większa od widoczności dysku Secchiego na podstawie badań wzrostu roślin, ale wartość 2,7 jest dobra dla celów ogólnych.

zmętnienie powstałe w wyniku wzrostu fitoplanktonu w stawach często jest środkiem zapobiegającym wzrostowi podwodnych makrofitów. Przy typowej widoczności dysku Secchi 40-50 cm w stawach akwakultury, minimalna głębokość 110 cm jest konieczna, aby uniknąć wystarczającego oświetlenia na dnie do wzrostu roślin.

(Nota wydawcy: Artykuł ten został pierwotnie opublikowany w wydaniu drukowanym Global Aquaculture Advocate z listopada/grudnia 2014 r.)