Approfondimenti

Illuminare un acquario marino

Guida alla scelta del miglior sistema d'illuminazione per un acquario marino di barriera

Introduzione

Nell’allestimento di un acquario marino, tra le varie prerogative da ossequiare, occorre dedicare particolare cura alla scelta dell’illuminazione. Se è vero che nell’allevamento di soli pesci la questione si delinea principalmente da una prospettiva di carattere meramente estetico, negli acquari dedicati all’accrescimento di invertebrati e rappresenta invece una questione complessa e di vitale importanza.

Durante la realizzazione della mia ultima vasca (puoi leggere l’articolo cliccando qui), ho lungamente meditato sul sistema d’illuminazione, valutando pro e contro delle numerose soluzioni reperibili sul mercato.

Nel fare questo ho basato le mie riflessioni partendo dall’esigenza di emulare al meglio lo spettro della radiazione solare.

La questione è tutt’altro che banale, e una completa comprensione richiederebbe approfondite spiegazioni che scomoderebbero astrusi principi di fisica e chimica, che, a dirla tutta, poco gioverebbero alla quotidianità dell’acquariofilo medio.

In questo breve articolo cercherò, invece, di chiarire alcuni concetti chiave necessari per una corretta gestione della luce in un acquario marino di barriera.

Lo spettro della radiazione solare e luce visibile

Considerando che ogni forma di vita sulla Terra viene mantenuta dal flusso energetico solare che penetra nella biosfera, è pacifico affermare che la miglior luce per un acquario marino di barriera sia quella che più fedelmente riproduca la radiazione solare.

La radiazione solare non è concentrata su una sola frequenza, ma è distribuita su uno spettro di ampiezza non uniforme che comprende la quasi totalità dello spettro elettromagnetico, dalle radioonde fino ai raggi gamma.

Una volta attraversata l’atmosfera terrestre, una parte dei fotoni interagiscono con i gas che compongono i vari strati dell’atmosfera come idrogeno, vapore acqueo, anidride carbonica e ozono. La porzione di spettro di emissione solare che arriva sulla superficie terrestre, al netto dell’azione filtrante dell’atmosfera, è comunque variabile ed è influenzata dalle condizioni meteo, dall’altitudine, dalla posizione del sole (ora, mese e anno) e anche dall’.

Nell’attraversare l’atmosfera la radiazione solare subisce quindi fenomeni di riflessione, rifrazione, assorbimento e diffusione ad opera dei vari gas atmosferici in misura variabile in funzione della frequenza, così che al suolo lo spettro solare risulta irregolare rispetto a quello rilevato alle soglie esterne dell’atmosfera (TOA), con presenza di tipiche bande di assorbimento o riflessione.

Dello spettro rimanente a seguito dell’azione di “filtro” dell’atmosfera terrestre, soltanto la porzione dei fotoni con lunghezza d’onda compresa tra i 380 e i 780 nanometri risulta visibile, ovvero percepibile dai nostri occhi. Questa parte dello spettro può essere definita “Luce visibile” e rappresenta una piccolissima porzione dell’intero spettro delle radiazioni elettromagnetiche esistenti in natura.

Tutti i fotoni con lunghezza d’onda inferiore ai 380 nm fanno parte della “porzione” ultravioletta, mentre quelli dell’infrarosso partono da lunghezze d’onda oltre i 700 nanometri.

Il massimo di radiazione è centrato nella banda della radiazione visibile o luce, col picco ai 500 nm fuori dall’atmosfera terrestre in base alla legge di Wien, corrispondente al colore Ciano-verde.

Spettro luce solare
Spettro luce solare

 

La banda di radiazioni fotosinteticamente attive (PAR) va dai 400 ai 700 nm, corrisponde alla radiazione visibile ed è pari al 41% della radiazione totale. All’interno del PAR esistono sotto-bande con radiazioni:

  • blu-violette, (400-490 nm), assorbite dai pigmenti, con azione sulla fioritura, sintesi proteica, effetti fototropici, medio effetto sulla fotosintesi;
  • verdi (490-560 nm), le meno attive fotosinteticamente;
  • gialle (560-590 nm);
  • rosso-arancio (590-700 nm), molto attive per la fotosintesi. La colorazione delle piante è tale proprio in virtù del fatto che il verde è colore complementare al rosso, e quindi è in grado di catturare queste bande dello spettro elettromagnetico.

Oltre alla radiazione visibile una componente energeticamente minoritaria, ma comunque degna di nota per i loro effetti, è costituita dagli infrarossi e soprattutto dai raggi ultravioletti.

Colore Frequenza Lunghezza d’onda
Violetto 668-789 THz 380–450 nm
Indaco 631-668 THz 450–475 nm
Blu 606-631 THz 476-495 nm
Verde 526-606 THz 495–570 nm
Giallo 508-526 THz 570–590 nm
Arancione 484-508 THz 590–620 nm
Rosso 400-484 THz 620–740 nm

Lo spettro della radiazione alle diverse profondità

Come abbiamo osservato, in media, circa il 60 % dell’energia solare che raggiunge l’atmosfera terrestre viene riflessa dalla stessa atmosfera. Circa il 20% è poi riflessa dalla superficie terrestre e il restante 20% è, infine, potenzialmente utilizzabile dagli organismi fotosintetici.

La durata del fotoperiodo, ovvero le ore di illuminazione, variano in funzione:

  • Della latitudine (all’equatore è sempre pari a 12 ore, mentre ai poli è pari a 24 ore nel semestre estivo);
  • Del periodo dell’anno (stagioni);
  • Dalla presenza di formazioni nuvolose;

Al di sotto della superficie del mare il fotoperiodo è di gran lunga inferiore, perché la penetrazione della luce in profondità è correlata all’angolo di inclinazione dei raggi solari. Ad esempio, se la durata dell’illuminazione è di 12 ore, sotto la superficie del mare, a 20 m di profondità, la durata non supera le 8 ore, e a 30 metri non supera le 5 ore (Solazzi 1997).

L’energia della radiazione solare diminuisce quindi all’aumentare della profondità dell’acqua, poiché, come già asserito, la radiazione luminosa è in parte riflessa, in parte assorbita e in parte diffusa.

  • Per riflessione s’intende quel fenomeno fisico per cui il raggio luminoso incide su una superficie variando la propria direzione di propagazione;
  • Per assorbimento s’intende la trasformazione dell’energia radiante in altre forme di energia, (prevalentemente calore ed energia chimica);
  • Per diffusione (o riflessione diffusa) s’intende, ugualmente, una modificazione della direzione di propagazione dei raggi luminosi, ma in ogni direzione. (Ad esempio, quando la luce di una lampada arriva sulla superficie di un foglio di carta, i fotoni della luce sono riflessi in ogni direzione. La luce si “sparpaglia” pertanto in ogni direzione. Oppure nell’acqua torbida la luce si propaga in ogni direzione per diffusione e non più soltanto in linea retta. Quanto più sono minuscole le particelle coinvolte, tanto maggiore è il fenomeno della diffusione della luce).

L’intensità della radiazione in acqua diminuisce dunque in modo esponenziale, e già dopo i primi 50 cm è ridotta del 50%. Solamente l’1% raggiunge i 120-150 m di profondità, mentre oltre tale soglia a dominare è la completa oscurità (o quasi).

Se consideriamo tale fenomeno nelle nostre vasche, dove in media l’altezza della colonna d’acqua può variare dai 30 agli 80 cm, è pacifico ritenere l’assorbimento della radiazione luminosa un aspetto del tutto trascurabile. In natura questo fenomeno è invece determinante per la vita degli organismi acquatici.

In generale le radiazioni con le lunghezze d’onda più ampie sono quelle meno penetranti, ed iniziano ad attenuarsi intorno ai 5 metri.

Le radiazioni con le lunghezze d’onda più ampie, sono quelle meno penetranti, iniziano ad attenuarsi intorno ai 5 metri. Se consideriamo le nostre vasche, dove l’altezza della colonna d’acqua può variare da 30 a 80 cm, risulta evidente che l’assorbimento della radiazione luminosa è del tutto trascurabile

Più precisamente quella zona del mare che va dalla superficie fino a circa 120-150 m di profondità, con valori medi di 50 m, è detta zona eufotica. Tale profondità limite è quella ove giunge solo l’1% della radiazione luminosa incidente in superficie. Tuttavia questo valore è fortemente variabile. Si consideri infatti che ai tropici la radiazione luminosa raggiunge anche i 150 metri di profondità, mentre in altri casi non è superata la profondità di pochi metri. In tale spazio sono assorbite tutte le componenti della radiazione luminosa che vanno dal rosso al blu.

La zona oligofotica è quella in cui penetrano le componenti della radiazione che hanno maggior energia, quindi i raggi UV. Tale zona si estende tra i 300 e i 600 metri di profondità, (con valori medi di circa 400-450 metri). Essa è inoltre priva di organismi fotosintetici, ma colonizzata da organismi autotrofi (capaci di livelli di eterotrofia molto spinti).

Infine vi è la zona afotica, completamente oscura, che si estende dai 600 metri in poi, caratterizzata da temperature molto basse, ma uniformi ed elevata densità delle acque.

Illuminazione dell’acquario – Flusso luminoso: Lux e Lumen

Dopo una generale panoramica sulla composizione della luce solare, ritengo utile chiarire un ulteriore questione che risulta particolarmente importante in ambito di produzione di luce artificiale per il tramite di lampade:

  • la quantità di luce prodotta o flusso luminoso, la cui unità di misura è il lumen;
  • la misura dell’illuminamento, cioè la quantità di lumen emessi su una superficie avente un’area di 1 mq, espressa in lux;

Per dare un’idea della differenza: I lumen di una lampada sono costanti, indipendentemente da quanto vicini o lontani siano i diversi oggetti illuminati, mentre i lux, con i quali gli oggetti sono illuminati, variano a seconda che ci si avvicini o allontani dalla lampada.

Per questo motivo quando si acquista una lampada si presta attenzione ai lumen, ma per decidere se la quantità di luce sia sufficiente per leggere un libro o per scattare una fotografia si dovrebbero considerare i lux, che di fatto vengono captati dai nostri occhi. Di notte, leggendo un libro, c’è abbastanza luce (lux) anche usando una lampadina debole (pochi lumen) purché molto vicina al libro.

Per facilitare ulteriormente la comprensione: un flusso di 1000 lumen generato da una lampada, concentrato interamente su una superficie di un metro quadrato, illumina quel metro quadrato per 1000 lux. Tuttavia, gli stessi 1000 lumen, distribuiti su una superficie di dieci metri quadrati, producono un’illuminazione di soli 100 lux.

L’illuminamento misurato in lux si riferisce, quindi, all’oggetto illuminato, non alla sorgente. Ciò è fondamentale, perché determina quanto una sorgente sia in grado di illuminare un corpo o una superficie.

Le lampade fluorescenti hanno normalmente una resa pari a 50-60 lumen per ogni singolo watt consumato, le lampade ad alogenuri metallici circa 80 lumen per watt, mentre i led intorno ai 150 lumen per watt.

Naturalmente, al fine di supportare adeguatamente gli organismi allevati, è fondamentale conoscere esattamente la quantità di lux e lumen fornita alla vasca. Numerosi studi evidenziano, ad esempio, come per i coralli più esigenti, il valore ottimale sia compreso tra i 20.000 ed i 30.000 lux. Un eccesso di luce, oltre a determinare un dispendio pleonastico di energia, potrebbe danneggiare gli animali stessi.

Sempre più frequentemente mi imbatto nella lettura di articoli che suggeriscono fantomatiche teorie che suggeriscono all’acquariofilo il dimensionamento dell’impianto d’illuminazione di un acquario, attraverso l’utilizzo di non ben precisate proporzioni tra il numero di watt da impiegare e i litri complessivi del sistema. Tuttavia è naturalmente più corretto effettuare tale scelta valutando attentamente la superficie da illuminare e proporzionare l’intensità luminosa in funzione della sorgente scelta.

Illuminazione dell’acquario marino – Temperatura di colore

La temperatura di colore è una grandezza fisica associata alla tonalità della luce: a ogni temperatura corrisponde una sola tonalità. Si misura in kelvin. Senza scomodare concetti di fisica non banali, come nel caso dei corpi neri ideali, in via del tutto divulgativa ed esemplificata la temperatura indica quale tonalità di colore assume la luce emessa da una sorgente luminosa artificiale.

Generalmente, più basso è il valore dei gradi Kelvin, più caldo sarà il colore della luce. Quindi una temperatura calda intorno ai 2700K tenderà verso una colorazione gialla. Al contrario, una temperatura fredda, intorno ai 6500K, apparirà più vicina ad una colorazione bluastra. Una temperatura intorno ai 2 000 K corrisponde al colore arancione. A valori di temperatura inferiori corrispondono il rosso e, ancora più in basso, l’infrarosso, non più visibile; mentre in ordine crescente la luce è dapprima bianca, quindi azzurra, violetta e ultravioletta.

Al contrario di quanto possa suggerirci l’intuito, quindi, la luce definita nel linguaggio comune come “calda” (ovvero con tonalità tendenti al rosso-giallo), ha in effetti una temperatura inferiore a quella definita “fredda” (tendente all’azzurro chiaro-bianco). Questo è dovuto al fatto che le onde elettromagnetiche responsabili della trasmissione di calore, sono in realtà quelle con frequenza più bassa, da cui la comune associazione dell’idea di “caldo” a tonalità di colore prossime all’infrarosso e “freddo” a quelle invece tendenti all’ultravioletto.

Spesso può accadere che la temperatura di colore venga confusa con l’indice di resa cromatica. Questi due concetti sono differenti. L’indice di resa cromatica misura la capacità di una sorgente luminosa di riprodurre i colori. Nello specifico, viene espresso con una percentuale da 0 a 100. Maggiore è questo valore, migliori saranno i colori mostrati da una lampada.

Al contrario, la temperatura di colore si riferisce al colore della luce. Tutto ciò premesso ritengo utile confrontare gli spettri luminosi di quattro delle tra le più comuni tipologie di lampade presenti sul mercato: HQI, T8, T5 e LED.

Illuminazione dell’acquario marino – Tipologie di lampade

Attualmente sono reperibili sul mercato quantità enormi di sorgenti luminose: incandescenza, alogene, fluorescenti, fluorescenza tubolare e neon, fluorescenti compatte, induzione magnetica, ioduri metallici e led sono alcuni esempi.

Tutte le tipologie si differenziano per caratteristiche tecniche, prestazioni, design e prezzi, ma in questo articolo ho deciso di considerare solamente le 4 tipologie più diffuse e maggiormente performanti in ambito acquariofilo:

Sono inoltre molto diffuse plafoniere che includono varie combinazioni di queste tipologie di lampade.

Illuminazione dell’acquario marino – Lampade T8 e T5

Il principio di funzionamento dei neon T8 e T5 è ragionevolmente simile, poiché, le cosiddette lampade fluorescenti, emettono luce non direttamente attraverso una scarica elettrica, ma per il tramite della ionizzazione di un gas nobile (neon, argon o xeno), eccitato dalle sostanze fosforate presenti sulla parete del tubo.

Tale caratteristica rappresenta di fatto anche il principale limite di questa tipologia di lampade, poiché ogni elemento fosforato produce luce in un range limitato di lunghezze d’onda. Per far fronte a tali limiti, e tentare di ottenere una maggiore omogeneità dello spettro luminoso, sono state sviluppate le lampade trifosforo e penta fosforo.

Tubi a neon
Tubi a neon

Pro

  • Minori consumi energetici rispetto agli alogenuri metallici (HQI)
  • Emissione di calore inferiore rispetto ali alogenuri metallici (HQI)
  • Costo iniziale relativamente basso

Contro

  • Frequenza di sostituzione dei tubi al neon relativamente elevata
  • Il costo dei tubi di ricambio relativamente elevato
  • Una sorgente luminosa diffusa che non produce linee di sfumature
  • Non penetra nella profondità della colonna dell’acqua come l’alogenuro metallico o il LED

Illuminazione dell’acquario marino – Lampade a Ioduri metallici (HQI)

Le lampade HQI, ovvero le lampade ad alogenuri metallici, attraverso una scarica elettrica, eccitano una miscela di gas alogenati che raggiungono temperature tali da emettere una luce molto intensa. Lo spettro di emissione risulta essere più omogeneo rispetto alle lampade fluorescenti, benché lontano dallo spettro solare e scarso di intensità nella zona tra i 600 ed i 700 nm.

Lampada HQI
Lampada HQI

Pro

  • Fornisce una luce molto intensa in uno spazio relativamente piccolo
  • Penetra in profondità nella colonna d’acqua
  • Un punto di luce che produce linee di sfumature esteticamente gradevoli

Contro

  • Produce tantissimo calore e consuma molta energia
  • Il costo di sostituzione delle lampadine è relativamente alto

Illuminazione dell’acquario marino – Lampade a LED

I LED, acronimo di Light Emitting Diode, sono costituiti da un materiale semiconduttore che emette luce se sottoposto ad un campo elettrico.

Una delle caratteristiche più interessanti dei led, specialmente applicata al campo acquariofilo, è la capacità di produrre uno spettro luminoso che si avvicina allo spettro solare, pur non replicandolo esattamente. Essendo realizzate con materiali semiconduttori, garantiscono una vita operativa molto più lunga e consumi energetici assai più contenuti a parità di emissione luminosa (rispetto a tutte le altre tipologie di lampade).

Plafoniera a led
Plafoniera a led

Pro

  • Penetra in profondità nella colonna d’acqua
  • Basso consumo di energia e produzione di calore
  • Durata funzionale potenzialmente molto lunga
  • Produce linee piacevoli di sfumature
  • Programmabile per differenti sistemi di illuminazione

Contro

  • Alto prezzo di acquisto iniziale
  • Ancora una tecnologia relativamente nuova e in evoluzione

Spettri luminosi a confronto

Nei diagrammi sotto riportati, è possibile apprezzare le differenze tra lo spettro della luce solare e quello delle fonti d’illuminazione citate in questo articolo.

L’importanza della luce nell’allevamento degli invertebrati

Dopo una generale panoramica ritengo utile aprire una brevissima parentesi sull’importanza dell’illuminazione negli acquari di barriera.

La maggior parte dei coralli, anemoni e altri invertebrati che alleviamo nelle nostre vasche affidano la loro esistenza al rapporto simbiotico con altri organismi, le alghe zooxanthellae (puoi approfondire l’argomento cliccando qui).

Zooxanthella è un genere di alghe unicellulari, più esattamente , dette comunemente zooxantelle, che vivono tipicamente in simbiosi con alcune specie di coralli, foraminiferi e radiolari. La simbiosi a cui danno origine le zooxantelle è una tipica endosimbiosi: il simbionte vive all’interno del corpo dell’ospite. Ciò accade anche nel caso di ospiti unicellulari. Negli strati superficiali dei mari caldi le zooxantelle si sviluppano assorbendo il diossido di carbonio liberato dall’ospite e forniscono in cambio diverse sostanze nutrienti necessarie alla sua sopravvivenza.

Questo mirabile adattamento consente agli invertebrati di prosperare nelle acque tipicamente nutrienti che circondano le barriere coralline.

Per un corretto e soddisfacente mantenimento di questi invertebrati in acquario, occorre pertanto prevedere un’illuminazione della qualità e dell’intensità appropriata alla vita delle zooxanthellae.

Conclusioni

Tutte le tipologie di illuminazione illustrate in questo articolo sono indubbiamente valide ai fini di una corretta conduzione di un acquario marino di barriera. Nelle mie numerose vasche (8 al momento della scrittura di questo articolo), sperimento quotidianamente con successo tutti i tipi di illuminazione citati, benché le mie preferenze ricadano indubbiamente sulla tecnologia Led.

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Buon reefing!

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Luca Langiu

Ho conseguito una laurea in Scienze Politiche, ma ho intrapreso la carriera di imprenditore. Le mie più grandi passioni sono l'acquariofilia, la tecnologia e la musica. Adoro scoprire le meraviglie dei reef e vivo in Sardegna, un paradiso dal quale non potrei mai separarmi.  Il mio desiderio è sempre stato quello di curare un blog sull'acquariofilia marina, perché ritengo che la condivisione di conoscenze e informazioni sia la base della nostra passione. Forte della mia conoscenza tecnica e pratica, unita agli studi e agli approfondimenti teorici, ho deciso di guidare il lettore in un’esperienza formativa alternativa, autentica e personale, che getta le basi sul crono-racconto della mia quotidianità “acquariofila”. La sensibilizzazione del lettore a tematiche relative alla tutela dell’ambiente marino-costiero, alle fonti di inquinamento marino, alla sostenibilità ambientale, al capitale naturale e al rispetto per gli animali, è stuzzicata e sollecitata costantemente in ogni mia trattazione.

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