penetrarea luminii este sursa de energie pentru fotosinteza prin fitoplancton

lumina soarelui constă din întregul spectru de radiații electromagnetice, care include gamma, X, ultraviolete, vizibile, infraroșii, micro – și unde radio. Cea mai mare parte a radiației solare este sub formă de raze vizibile și infraroșii care variază în lungime de undă.

lumina soarelui care lovește suprafața Pământului este fie absorbită, fie reflectată. Transparența suprafețelor apei variază. Este mai mare pentru apa limpede, când suprafața apei este netedă și între mijlocul dimineții și mijlocul după-amiezii, când razele soarelui sunt cele mai apropiate de verticală cu suprafața Pământului. Latitudinea și sezonul afectează, de asemenea, unghiul razelor soarelui. Când unghiul de incidență al razelor solare este de 60 de grade sau mai puțin, mai puțin de 10% din lumina soarelui incidentă este reflectată în mod normal de o suprafață a apei.

procentul de lumină incidentă reflectată de o suprafață se numește albedo. Albedosul anual al corpurilor de apă variază de la 5 la 7 la sută la ecuator la 12 până la 13 la sută la 60 de grade latitudine. Lunar, albedo-ul apei variază puțin în funcție de perioada anului la ecuator, dar la 60 de grade latitudine, albedo-ul este în jur de 5% la echinocțiul din martie și septembrie și în jur de 55% la începutul iernii.

pătrunderea luminii

lumina care pătrunde pe suprafața apei este împrăștiată și absorbită sau stinsă pe măsură ce trece în jos. Apa se împrăștie, dar nu absoarbe lumina ultravioletă. Absoarbe rapid lumina infraroșie – puțină lumină infraroșie pătrunde mai mult de 2 metri. Lumina este stinsă destul de repede chiar și în apă limpede. Doar aproximativ 25% din lumina incidentă atinge o adâncime de 10 metri în oceanul deschis, unde apa este foarte limpede.

spectrul vizibil este format din lungimi de undă cuprinse între 390 și 750 nanometri (nm, Tabelul 1). Un nanometru este echivalent cu 1 miliardime de metru. Rata de atenuare a luminii vizuale în apă este cea mai mare pentru razele roșii și portocalii, mai puțin pentru razele violete și mai puțin pentru razele galbene, verzi și albastre. Prezența materiei organice dizolvate și a solidelor suspendate împiedică în continuare pătrunderea luminii, iar diferite tipuri de solide absorb preferențial la diferite lungimi de undă.

Boyd, categorii de raze de lumină și culori, Tabel 1

spectru întreg Tip de raze	spectru întreg Lungime de undă	spectru vizibil culoare raze	spectru vizibil Lungime de undă
gama	mai mică de 0,01 nm	–	–
X	0,01-10,00 nm	Violet	390-450 nm
ultraviolete	10.00-389.00 nm	Albastru	450-495 nm
vizibil	390,00-750,00 nm	Verde	495-570 nm
infraroșu	759.00 – 106 nm	Galben	570-590 nm
Micro	106-109 nm	portocaliu	590-620 nm

Tabelul 1. Categorii de raze de lumină și culori în spectrul electromagnetic al luminii solare.

fitoplanctonul absoarbe lumina cel mai bine în partea roșie și portocalie a spectrului, dar absorb alte culori într-o măsură mai mică. Materia organică dizolvată absoarbe cel mai puternic lumina albastră, violetă și ultravioletă. Materia minerală suspendată tinde să absoarbă lumina uniform în spectrul vizibil, în timp ce substanțele anorganice dizolvate nu interferează cu absorbția luminii de către apă. Prin urmare, salinitatea nu are un impact semnificativ asupra luminii subacvatice.

stratificare

când fotonii de lumină sunt absorbiți de apă, ei încălzesc apa. Cantitatea de căldură transmisă apei scade odată cu creșterea adâncimii. Desigur, apa re-radiază radiații de undă lungă în atmosferă și un echilibru între radiațiile de intrare și cele de ieșire tinde să fie atins, plasând limite asupra schimbărilor de temperatură a apei pe o perioadă de 24 de ore sau mai lungă.

în multe corpuri de apă, căldura este câștigată în stratul superior mai repede decât poate fi amestecată în apă mai adâncă de curenții de apă conduși de vânt. Acest lucru are ca rezultat un strat superior de apă caldă de densitate mai mică care se suprapune peste un strat mai adânc de apă mai rece de densitate mai mare. Dacă diferența de densitate dintre cele două straturi devine atât de mare încât apa de suprafață nu poate fi amestecată cu apă mai adâncă prin acțiunea vântului, apare stratificarea termică. Într-un corp de apă stratificat termic, stratul superior se numește epilimnion, stratul inferior este denumit hipolimnion, iar stratul peste care temperatura se schimbă rapid este cunoscut sub numele de termoclină.

când stratul de suprafață se răcește și crește densitatea, sau vântul și ploaia duc la o amestecare mai puternică, stratificarea termică dispare. În funcție de caracteristicile corpurilor de apă și de condițiile climatice și meteorologice, stratificarea termică se poate dezvolta și se poate prăbuși într-un program zilnic, sezonier sau sporadic. Unele lacuri din climatele tropicale se stratifică pentru perioade foarte lungi.

iazurile de acvacultură sunt de obicei superficiale, iar stratificarea care se dezvoltă în zilele calde și calme nu persistă noaptea, când căldura se pierde din aerul suprapus. Desigur, în iazurile aerate, curenții de apă generați de aerator mențin apele bine amestecate. Hipolimnionul unui corp de apă stratificat termic este adesea lipsit de oxigen dizolvat. Destratificarea termică – mai ales dacă este bruscă-poate provoca epuizarea oxigenului dizolvat și poate duce la uciderea peștilor. Destratificarea bruscă în lacurile care conțin cuști de pește reprezintă un risc semnificativ.

fotosinteza

pătrunderea luminii în apă este, de asemenea, sursa de energie pentru fotosinteza prin fitoplancton și alte plante acvatice. Plantele folosesc cel mai bine lumina roșie și portocalie, dar folosesc și alte părți ale spectrului vizibil. Lungimile de undă cuprinse între 400 și 700 nanometri se numesc radiații fotosintetice active (PAR) și sunt disponibile contoare de lumină subacvatice capabile să măsoare PAR.

deoarece fotosinteza este o reacție chimică mediată de energia fotonilor de lumină captată de clorofilă și alți pigmenți sensibili la lumină din celulele vegetale, fotonii sunt tratați ca și cum ar fi molecule în măsurarea PAR.

zona Fotică, discul Secchi

ca regulă generală, fitoplanctonul și alte plante acvatice nu pot supraviețui la intensități ale luminii sub 1% din lumina primită la suprafață – măsurată ca lumină totală sau PAR. Stratul de apă care primește 1% sau mai mult din lumina incidentă este cunoscut sub numele de zona fotică sau eufotică. Deoarece lumina este stinsă exponențial cu adâncimea, procentul de par incident scade rapid (Fig. 1). De altfel, profilul de adâncime pentru atenuarea luminii totale ar fi aproape identic cu cel pentru PAR.

profilul luminii subacvatice ilustrat în Fig. 1 este pentru prânz într-o zi senină într-un iaz tropical de acvacultură cu o floare de fitoplancton. Pătrunderea luminii la diferite adâncimi a fost estimată cu ecuația Legii lui Lambert. Mai puțin de 20 la sută din lumina incidentă atinge 0,50 m, puțin peste 2 la sută atinge 1,00 metri, iar zona fotică are doar 1,35 metri grosime – o situație destul de tipică într-un iaz de acvacultură.

în iazurile cu aerare, circulația indusă a apei aduce continuu fitoplanctonul din apa mai adâncă în zona fotică și invers. Acest fenomen are practic același efect ca și creșterea grosimii zonei fotice-crește cantitatea de fotosinteză pe unitatea de suprafață dintr-un corp de apă.

în lacuri, adâncimea zonei fotice corespunde de obicei adâncimii la care are loc stratificarea termică. Nu există fotosinteză în hipolimnion pentru a furniza oxigen dizolvat. Lacurile în care apare epuizarea hipolimnetică a oxigenului dizolvat sunt clasificate ca eutrofe – adică bogate în nutrienți – spre deosebire de lacurile oligotrofe care sunt sărace în nutrienți.

adâncimea zonei fotice poate fi estimată cu vizibilitatea discului Secchi. Valoarea 1.7 împărțită la vizibilitatea discului Secchi în metri a fost raportată de mai mulți cercetători pentru a oferi o bună estimare a coeficientului de extincție a luminii (K) pentru utilizare în ecuația Legii lui Lambert.

utilizarea acestei metode pentru obținerea K și rezolvarea ecuației Legii lui Lambert pentru adâncimea de penetrare a luminii de 1% sugerează că grosimea zonei fotice este de aproximativ 2,7 ori vizibilitatea discului Secchi. Adâncimea zonei fotice a fost raportată diferit ca fiind de două până la trei ori vizibilitatea discului Secchi pe baza studiilor de creștere a plantelor, dar valoarea de 2,7 este una bună în scopuri generale.

turbiditatea creată de creșterea fitoplanctonului în iazuri este adesea un mijloc de a evita creșterea macrofitelor subacvatice. La o vizibilitate tipică a discului Secchi de 40 până la 50 cm în iazurile de acvacultură, este necesară o adâncime minimă de 110 cm pentru a evita suficientă iluminare în partea de jos pentru creșterea plantelor.

(Nota editorului: Acest articol a fost publicat inițial în ediția tipărită din noiembrie/decembrie 2014 a global Aquaculture Advocate.)