ljuspenetration är energikälla för fotosyntes av fytoplankton

solljus består av hela spektrumet av elektromagnetisk strålning, som inkluderar gamma, X, ultraviolett, synligt, infrarött, mikro – och radiovågor. Huvuddelen av solstrålningen är i form av synliga och infraröda strålar som varierar i våglängd.

solljus som träffar jordens yta absorberas eller reflekteras. Insynen i vattenytor varierar. Det är större för klart vatten, när vattenytan är slät och mellan mitten av morgonen och mitten av eftermiddagen, när solens strålar är närmast vertikala med jordens yta. Latitud och säsong påverkar också vinkeln på solens strålar. När infallsvinkeln för solens strålar är 60 grader eller mindre, reflekteras mindre än 10 procent av infallande solljus normalt av en vattenyta.

andelen infallande ljus som reflekteras av en yta kallas albedo. De årliga albedos av vattenkroppar sträcker sig från 5 till 7 procent vid ekvatorn till 12 till 13 procent vid 60 grader latitud. På månadsbasis varierar albedo av vatten lite med tiden på året vid ekvatorn, men vid 60 grader latitud är albedo cirka 5 procent vid equinox i mars och September och cirka 55 procent i början av vintern.

ljuspenetration

ljus som tränger in i en vattenyta sprids och absorberas eller släckes när det passerar nedåt. Vatten sprider men absorberar inte ultraviolett ljus. Det absorberar infrarött ljus snabbt-lite infrarött ljus tränger in mer än 2 meter. Ljuset släckes ganska snabbt även i klart vatten. Endast cirka 25 procent av infallande ljus når ett djup på 10 meter i det öppna havet, där vatten är mycket klart.

det synliga spektrumet består av våglängder mellan 390 och 750 nanometer (nm, Tabell 1). En nanometer motsvarar 1 miljarddels meter. Graden av visuell ljusdämpning i vatten är störst för röda och orange strålar, mindre för violetta strålar och minst för gula, gröna och blå strålar. Närvaron av upplöst organiskt material och suspenderade fasta ämnen hindrar ytterligare ljuspenetration, och olika typer av fasta ämnen absorberar företrädesvis vid olika våglängder.

Boyd, kategorier av ljusstrålar och färger, bord 1

hela spektrumet stråltyp	hela spektrumet våglängd	synligt spektrum Strålfärg	synligt spektrum våglängd
Gamma	mindre än 0,01 nm	–	–
X	0,01-10,00 nm	Violett	390-450 nm
ultraviolett	10.00-389.00 nm	blå	450-495 nm
synlig	390,00-750,00 nm	grön	495-570 nm
infraröd	759.00-106 nm	gul	570-590 nm
mikro	106-109 nm	Orange	590-620 nm

Tabell 1. Kategorier av ljusstrålar och färger i det elektromagnetiska spektrumet av solljus.

fytoplankton absorberar ljus bäst inom den röda och orange delen av spektrumet, men de absorberar andra färger i mindre grad. Upplöst organiskt material absorberar blått, violett och ultraviolett ljus starkast. Suspenderat mineralämne tenderar att absorbera ljus jämnt över det synliga spektrumet, medan upplösta oorganiska ämnen inte stör ljusabsorptionen med vatten. Salthalt har därför ingen signifikant inverkan på undervattensljus.

stratifiering

när ljusfotoner absorberas av vatten värmer de vattnet. Mängden värme som tillförs vattnet minskar med ökande djup. Naturligtvis utstrålar vatten långvågsstrålning till atmosfären, och en jämvikt mellan inkommande och utgående strålning tenderar att uppnås, vilket begränsar vattentemperaturförändringar under en 24-timmars eller längre period.

i många vattenkroppar erhålls värme i det övre lagret snabbare än det kan blandas i djupare vatten genom vinddrivna vattenströmmar. Detta resulterar i ett övre lager av varmt vatten med lägre densitet som överlagrar ett djupare lager av kallare vatten med större densitet. Om skillnaden i densitet mellan de två skikten blir så stor att ytvatten inte kan blandas med djupare vatten genom vindverkan, uppstår termisk stratifiering. I en termiskt stratifierad vattenkropp kallas det övre skiktet epilimnion, det nedre skiktet kallas hypolimnion, och skiktet över vilket temperaturen snabbt förändras kallas termoklinen.

när ytskiktet svalnar och ökar i densitet, eller vind och regn resulterar i starkare blandning, försvinner termisk stratifiering. Beroende på egenskaperna hos vattenkroppar och klimat och väderförhållanden kan termisk stratifiering utvecklas och kollapsa på ett dagligt, säsongsmässigt eller sporadiskt schema. Vissa sjöar i tropiska klimat stratifierar under mycket långa perioder.

Vattenbruksdammar är vanligtvis grunda och stratifiering som utvecklas på varma, lugna dagar kvarstår inte på natten när värmen går förlorad för den överliggande luften. Naturligtvis, i luftade dammar, håller luftningsgenererade vattenströmmar vatten grundligt blandat. Hypolimnion av en termiskt stratifierad vattenkropp saknar ofta upplöst syre. Termisk destratifiering – särskilt om det är plötsligt-kan orsaka upplöst syreutarmning och leda till fiskdöd. Plötslig förstöring i sjöar som innehåller fiskburar är en betydande risk.

fotosyntes

ljuspenetration i vatten är också energikällan för fotosyntes av fytoplankton och andra vattenväxter. Växter använder rött och orange ljus bäst, men de använder också andra delar av det synliga spektrumet. Våglängder mellan 400 och 700 nanometer kallas fotosyntetiskt aktiv strålning (PAR), och undervattensljusmätare som kan mäta PAR finns tillgängliga.

eftersom fotosyntes är en kemisk reaktion medierad av energi från ljusfotoner som fångats av klorofyll och andra ljuskänsliga pigment i växtceller, behandlas fotoner som om de är molekyler i mätning av PAR.

Photic zone, Secchi disk

som en allmän regel kan fytoplankton och andra vattenväxter inte överleva vid ljusintensiteter under 1 procent av ljuset som tas emot vid ytan – oavsett om det mäts som totalt ljus eller PAR. Vattenskiktet som tar emot 1 procent eller mer av infallande ljus är känt som den fotiska eller eufotiska zonen. Eftersom ljus släckes exponentiellt med djup minskar andelen infallande PAR snabbt (Fig. 1). För övrigt skulle djupprofilen för dämpning av totalt ljus vara nästan identiskt med det för PAR.

undervattensljusprofilen illustrerad i Fig. 1 är för middag på en klar dag i en tropisk vattenbruksdamm med en fytoplanktonblomning. Ljuspenetration till olika djup uppskattades med Lamberts lagekvation. Mindre än 20 procent av infallande ljus når 0, 50 m, drygt 2 procent når 1, 00 meter och den fotiska zonen är bara 1, 35 meter tjock – en ganska typisk situation i en vattenbruksdamm.

i dammar med luftning leder inducerad vattencirkulation kontinuerligt fytoplankton från djupare vatten till den fotiska zonen och vice versa. Detta fenomen har i princip samma effekt som att öka tjockleken på den fotiska zonen – det ökar mängden fotosyntes per ytenhet i en vattenkropp.

i sjöar motsvarar djupet av den fotiska zonen typiskt det djup vid vilket termisk stratifiering sker. Det finns ingen fotosyntes i hypolimnionen för att ge upplöst syre. Sjöar där hypolimnetisk upplöst syreutarmning inträffar klassificeras som eutrofisk – vilket betyder rik på näringsämnen – i motsats till oligotrofa sjöar som är näringsfattiga.

djupet av den fotiska zonen kan uppskattas med Secchi disk synlighet. Värdet 1.7 dividerat med Secchi-skivans synlighet i meter har rapporterats av flera forskare för att ge en bra uppskattning av ljusutrotningskoefficienten (K) för användning i Lamberts lagekvation.

med denna metod för att erhålla K och lösa Lamberts lagekvation för djup av 1 procent ljuspenetration antyder att tjockleken på den fotiska zonen är cirka 2,7 gånger Secchi-skivans synlighet. Djupet av den fotiska zonen har på olika sätt rapporterats som två till tre gånger Secchi-skivans synlighet baserat på studier av växttillväxt, men värdet av 2.7 är bra för allmänna ändamål.

grumlighet som skapas av fytoplanktontillväxt i dammar är ofta ett sätt att undvika tillväxt av makrofyter under vattnet. Vid en typisk Secchi – skivsynlighet på 40 till 50 cm i vattenbruksdammar är ett minsta djup på 110 cm nödvändigt för att undvika tillräckligt med belysning i botten för växttillväxt.

(Redaktörens anmärkning: Denna artikel publicerades ursprungligen i November / December 2014-utgåvan av Global Aquaculture Advocate.)