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Luce naturale.
La luce nell'acquario è un fattore di notevole importanza, permette la vita delle piante (fotosintesi) e regola in notevole misura il ritmo vitale degli organismi acquatici. La luce naturale è una forma di radiazioni elettromagnetiche, come già detto (vedi 2.1 - caratteristiche energetiche -) le radiazioni visibili vanno da 380 a 780 nm (nm = nanometer, che corrisponde a 0,000000001 metri) e sono pari al 51% dell'intero spettro solare. Secondo la lunghezza d'onda la luce ha un colore che va dal violetto al rosso scuro, mentre la luce bianca non è altro che la somma dei vari colori delle diverse radiazioni. Nella composizione della luce non bisogna dimenticare le radiazioni che cadono al di fuori del campo visibile come i raggi ultravioletti o i raggi infrarossi. Le radiazioni rosse della luce favoriscono la crescita in lunghezza delle piante, le radiazioni blu quella in grossezza, ma entrambe devono essere nella giusta proporzione tra di loro affinché le piante possano crescere regolarmente, cosa normale in natura ma più difficile con la luce artificiale. Nel buio completo o con illuminazione molto debole i pesci dormono, stanno fermi nell'acqua oppure si ritirano negli anfratti e solo quando viene raggiunta una certa luminosità si svegliano, più o meno rapidamente; naturalmente ci sono delle eccezioni, i pesci notturni. La luce è importante anche nel comportamento dei pesci, nell'ambiente naturale acquatico la luce arriva praticamente solo dall'alto, per cui per i pesci "l'alto" si identifica con la direzione da cui proviene la luce, ne è la riprova il fatto che, se un acquario è scuro in alto e riceve luce solo da una delle pareti laterali allora i pesci orientano il loro corpo in modo tale che il dorso sia rivolto dal lato dove proviene la luce. Il senso dell'equilibrio dice loro dove sta il "sotto", ma la sensibilità alla luce dà loro una falsa sensazione del "sopra". Il risultato è la posizione obliqua. Non tutta la luce attraversa ed illumina l'acqua, una parte dei raggi incidenti del sole viene riflessa sulla superficie, un'altra parte si perde per diffusione, un'altra ancora viene assorbita dall'acqua e trasformata in calore. A bassa lunghezza d'onda, la parte violetta, blu e verde nel campo visibile, le onde per la maggior parte attraversano l'acqua; a cominciare dal giallo (570nm) la permeabilità diminuisce rapidamente, arancione e rosso vengono fortemente assorbiti, i raggi infrarossi ad alta lunghezza d'onda (radiazioni termiche) sono completamente assorbiti anche in acqua limpidissima già ad una profondità di 1 metro. Teoricamente un acquario può essere illuminato sufficientemente sistemandolo in modo tale da ricevere per diverse ore al giorno la luce naturale. In pratica, però, la cosa non è così semplice; in primo luogo i vetri assorbono una parte dei raggi luminosi, alcuni dei quali sono di importanza vitale per lo sviluppo e la crescita delle piante, inoltre una simile illuminazione naturale non è ben controllabile, specie in estate quando, essendo troppo intensa, provoca una rapida crescita delle alghe, senza permettere uno sviluppo sufficiente delle piante. Per assicurare una adeguata illuminazione, che renda possibile la vita agli animali e vegetali, generalmente provenienti dai tropici, dove le condizioni meteorologiche sono molto differenti dalle nostre, è necessario ricorrere all'illuminazione artificiale.
Luce artificiale.
I sistemi per illuminare un acquario con un impianto tecnico sono tre:
1) illuminazione con lampade ad incandescenza
2) illuminazione con lampade fluorescenti
3) illuminazione con lampade a vapori metallici (mercurio)
Prima di trattare questi tre sistemi bisogna, però, soffermarsi su alcuni aspetti tecnici dell'illuminazione, in particolare è necessario conoscere le principali grandezza fotometriche e relative unità di misura.
_Quantità di luce(Q)_
- Una certa sezione S di un fascio luminoso viene attraversata in un tempo t da una determinata quantità di energia raggiante Qen. La stessa quantità misurata nel sistema fotometrico, tenendo conto cioè della visibilità della radiazione, si chiama quantità di luce Q. Per un fascio luminoso di qualsiasi composizione si ha quindi:
Q = Kmax.Vm.Qen
dove :
K = coefficiente di visibilità;
Vm = valore medio ponderale tra i valori che K assumerà per le singole radiazioni costituenti il fascio considerato;
Qen = quantità di energia raggiante (quantità di radiazione elettromagnetica che un fascio cromatico trasporta in un certo tempo).
_Flusso luminoso (f)_
- La quantità di luce che attraversa nell'unità di tempo una certa sezione S di un fascio luminoso, si chiama flusso luminoso; esso è definito dal quoziente tra quantità di luce Q e la sua durata t:
f = Q/t
Il flusso luminoso non è costante nel tempo, è necessario introdurre la definizione infinitesimale:
f = dQ/dt
_Illuminamento (E)_
- Si chiama illuminamento il flusso ricevuto dalla unità di aria di superficie S; è quindi il rapporto:
E = f/S
oppure in termini infinitesimi se il flusso non è uniformemente ripartito:
E = df/dS
_Intensità luminosa(I)_
- Si può definire come il flusso emesso da una sorgente puntiforme riferito all'angolo solido (W) avente per asse la direzione considerata:
I = dF/dW
L'angolo solido omega limitato da un arco o da un angoloide è l'angolo sotto il quale viene vista una figura da un dato punto ed è misurato da S/r dove S è l'area della calotta intersecata dalla sfera di raggio r che ha il centro nel punto considerato. Se l'emissione è uniforme in tutte le direzioni:
I = f/4p
_Radianza (F)_
- Questa grandezza è definita per superfici estese. La radianza F o luminosità in un punto 0 di una superficie emittente è il rapporto tra il flusso emesso dall'elemento di superficie che comprende quel punto e l'area dS del medesimo:
F = df/dS
ed in termini finiti:
F = f/S
_Luminanza (L)_
- E' un flusso riferito all'unità di superficie apparente e all'unità dell'angolo solido, ed esprime pertanto quanto un elemento di superficie emette in una data direzione:
L = dI/dS dove S = superficie apparente.
Abbiamo poi le unità di misura delle grandezze fotometriche.
_Unità di intensità luminosa (I): Candela (cd)_
-L'unità di intensità è la candela nuova che si definisce come 1/60 della intensità di 1cmq del corpo nero alla temperatura di fusione del platino (1768°C) ed in direzione normale alla superficie.
_Unità di illuminamento lumen: (lm)_
-L'unità di flusso luminoso è il lumen ossia il flusso emesso nell'angolo solido unitario da una sorgente avente l'intensità uniforme di una candela. Il flusso totale emesso da tale sorgente è 4 plumen.
_Unità di quantità di luce: lumen ora_
-E' la quantità di luce ricevuta nell'unità di tempo da una superficie investita dal flusso di un lumen. Di regola si adotta il lumen ora od il lumen ora/mq.
_Unità di radianza: (lambert)_
- E' una unità di misura 10 volte maggiore del lux.
Unità di luminanza: (stilb)
- E' espressa in candele per mq di aria emittente.
Una sorgente con 1 mq di superficie e intensità di una candela ha l'unità di luminanza, tale unità dicesi nit (nt) che è un multiplo dello stilb. La conoscenza delle grandezze fotometriche e relative unità di misura è importante quando, in seguito, tratterò del calcolo dell'illuminazione in un acquario. Le unità di misura delle grandezze fotometriche che ci riguardano principalmente sono il lumen ed il lux. Sapendo che l'intensità luminosa (lux) è reciproca alla distanza al quadrato tra sorgente luminosa e superficie illuminata, si capisce palesemente che per sfruttare al massimo il flusso luminoso delle lampade conviene applicarle il più vicino possibile alla superficie dell'acqua. Va, inoltre, tenuto in considerazione che qualsiasi materiale, anche il più trasparente, posto tra la fonte luminosa e la parte da illuminare, assorbe una quantità più o meno grande di luce. Se ad esempio poniamo tra lampada ed acqua un cristallo di 6 mm esso assorbe e riflette circa il 15% del flusso luminoso che lo attraversa. Un altro fattore importante è il grado di limpidezza dell'acqua. Un'acqua perfettamente limpida possiede un notevole potere di assorbimento, infatti in queste condizioni già a 50cm di profondità si ha un assorbimento pari al 50% della luminosità iniziale misurata alla superficie dell'acqua. Per stabilire il numero di watt necessario per illuminare bene un acquario, dobbiamo considerare l'intensità di illuminazione presente in natura. In pieno sole, durante una giornata estiva, si possono misurare fino a 100.000 lux, ma bisogna tenere in considerazione vari elementi quali la posizione geografica e meteorologica. In Europa la media giornaliera è di circa 10.000 lux, mentre ai Tropici è intorno ai 17.000 lux. E' da considerare che ai Tropici la giornata solare è molto più lunga, quindi è consigliato illuminare un acquario con piante e pesci tropicali per circa 12-14 ore al giorno. Prima di parlare dell'impianto di illuminazione vero e proprio è opportuno conoscere la quantità di luce necessaria per un acquario. In base ai dati dell'illuminazione naturale ed alle esperienze dei vari acquariofili e delle case costruttrici di acquari per un normale acquario domestico con altezza no superiore ai 50cm, dovrebbe essere di circa 10.000 lux. Torniamo adesso ai tre sistemi di illuminazione artificiale precedentemente detti. L'impianto con lampade ad incandescenza è stato uno dei primi adottati in acquaristica, ma oggi è praticamente superato. La luce che emette una lampada elettrica ad incandescenza è dovuta al riscaldamento elettrico del filamento; all'aumentare della temperatura aumenta il potere emissivo specifico, cioè l'energia emessa al secondo da un cmq di superficie emittente, ma aumenta in maggiore misura l'emissione di radiazioni a bassa lunghezza d'onda e tra queste quelle visibili, con conseguente aumento del rendimento luminoso. Nelle lampadine si verificano due fenomeni: all'aumento della temperatura migliora il rendimento luminoso con minor consumo di energia, ma allo stesso tempo il filamento si consuma più velocemente. Bisogna, quindi, farle funzionare ad una temperatura che renda minima la spesa di esercizio. L'impianto realizzato con questo tipo di lampade presenta diversi inconvenienti: il primo riguarda la durata media di questo tipo di lampade, che di circa 1.000 ore, poi l'efficienza di una buona lampada ad incandescenza è più bassa delle lampade a fluorescenza od a vapori di mercurio, essa varia, per quelle con gas inerte al loro interno, da 7 a 18,2 lm/W a secondo della loro potenza. Si ha quindi un maggiore consumo di energia elettrica ed inoltre una forte emissione di calore, cosa che può renderne complicato il loro uso in un acquario. Un altro fattore da tenere presente, usando questo sistema, è la sicurezza. Come già detto le lampade vanno collocate il più vicino possibile alla superficie dell'acqua e conseguentemente sono esposte all'umidità più o meno intensa; è necessario adottare degli accorgimenti per impermeabilizzare l'impianto. Questo per le lampade ad incandescenza è piuttosto complicato non esistendo in commercio degli impianti di questo tipo già predisposti per essere adoperati in ambienti alquanto umidi. Pertanto l'illuminazione ad incandescenza non è consigliabile per l'uso in acquaristica anche se la spesa iniziale è molto inferiore a quella degli altri tipi di impianti. Oggi è adoperata, con schermature in vetro od altro materiale trasparente, solo per vasche molto piccole fino a 20-30 l e per impianti aggiuntivi di illuminazione, usati per periodi molto brevi (es. quarantena). L'impianto con lampade fluorescenti che più precisamente dovrebbero chiamarsi tubi fluorescenti oggi è il più diffuso in acquaristica. Si basa sulla capacità di alcune sostanze chimiche organiche ed inorganiche di emettere radiazioni nel campo visibile, se sollecitate da raggi ultravioletti. Questa lampade sono costituite da un tubo di vetro rivestito all'interno di composti chimici fluorescenti e con due elettrodi sistemati all'estremità, poi il tubo è riempito con vapore di mercurio a bassissima pressione (qualche mm di colonna d'acqua) o eventualmente con una piccola quantità di gas (neon, elio, argon, azoto) secondo il tipo di lampada. Se viene fornita energia elettrica si ha una differenza di potenziale tra i due elettrodi, che produce un arco attraverso il vapore di mercurio, questo arco determina una piccola radiazione visibile ed una grande quantità di radiazioni ultraviolette alla lunghezza d'onda di 253,7 nm. Queste radiazioni vengono trasformate dai composti chimici fluorescenti in radiazioni luminose. Da ciò si intuisce che tra i principali componenti di un tubo fluorescente ci sono queste sostanze chimiche che prendono il nome di foto-fosfori e che a seconda delle sostanze usate per la loro fabbricazione determinano per buona parte lo spettro luminoso e di conseguenza anche il colore della luce prodotta. Il colore della luce di una lampada è individuato dalla temperatura di colore e rappresenta la temperatura assoluta in °K a cui si dorrebbe riscaldare il corpo nero affinché emetta lo stesso spettro luminoso della luce della lampada presa in considerazione. In base ad accordi internazionali sono state definite tre tonalità di colore dette normali per le lampade fluorescenti:
Bianco caldo Tc = 2900 °K - simile alla luce emessa dalle lampade ad incandescenza.
Bianco Tc = 4300 °K - con luce emessa a colore intermedio tra lampade ad incandescenza e luce diurna.
"Luce diurna" Tc = 6750 °K - con colorazione che si avvicina allo spettro solare.
Logicamente le lampade usate per l'illuminazione di acquari sono nella maggioranza dei casi quelle a luce diurna, alcune volte accoppiate con lampade aventi spettri particolari. I vantaggi dei tubi fluorescenti rispetto alle lampade ad incandescenza sono diversi: come primo la durata che mediamente è di circa 7.000 ore e che può arrivare fino a 15.000 per alcuni tipi speciali; quindi il rendimento luminoso che si avvicina a circa 80 lm per ogni watt di potenza ed ancora la limitato produzione di calore, cosa di notevole importanza specie in acquari marini mediterranei ed infine la sicurezza: cioè la praticità di applicazione di queste lampade sia in ambienti umidi che addirittura sott'acqua. Esistono in commercio degli impianti standardizzati già pronti per l'uso in queste condizioni o per esigenze particolari si può ricorrere ai singoli elementi già impermeabilizzati in modo tale da poterli assemblare secondo le nostre esigenze. Ci sono naturalmente anche degli inconvenienti, primo tra tutti il costo. La stessa lampada soprattutto se si tratta di un tipo speciale, come ad esempio le fitostimolanti, ha un prezzo relativamente alto anche in considerazione di una più lunga durata rispetto alla normale lampadina ad incandescenza; inoltre a questo bisogna aggiungere il costo non indifferente dell'impianto costituito da un alimentatore che funziona da limitatore della corrente dell'arco e da un apparecchio per innescare il preriscaldamento dei catodi (starter) più naturalmente due portalampade impermeabilizzati. Nonostante i costi elevati, questo sistema ha avuto tanto successo, poiché con i tubi fluorescenti, al contrario delle lampade ad incandescenza si può ottenere qualsiasi tipo di luce. Gli svariati tipi di foto-fosfori che ricoprono l'interno del tubo permettono di ottenere vari spettri luminosi e si avvicinano moltissimo a quello della luce solare. In pratica, con l'avvento delle cosiddette lampade fitostimolanti, studiate con uno spettro luminoso tale da rispettare le esigenze vitali delle piante acquatiche e non, per quanto riguarda la fotosintesi, è diventato possibile tenere in casa nostra un biotopo naturale lontano migliaia di chilometri da noi. Gli impianti con lampade a vapore di mercurio si stanno diffondendo solo ultimamente. Si tratta di lampade di forma molto compatta simile a quella delle lampadine ad incandescenza, riempite con vapori di mercurio ad alta pressione (circa 1 Kg / cmq) o a sovrapressione. Le prime, denominate HQL, sono il tipo più adoperato in acquaristica. Il tubo di scarica di queste lampade è sistemato in un bulbo tubolare privo d'aria che impedisce la trasmissione di calore per convenzione. Per innescare la scarica viene adoperato l'argon. Durante la vaporizzazione del mercurio la pressione del vapore del tubo arriva fino ad una atmosfera. Il bulbo della lampada è ricoperto internamente da uno strato di polveri fluorescenti al vanadatoditrio. Queste polveri trasformano parzialmente le radiazioni ultraviolette, emesse dai vapori di mercurio in radiazioni visibili, pertanto la luce emessa è bianca ed è molto più corretta della luce tendente al rosso delle normali lampade al mercurio. Come per i tubi fluorescenti questo tipo di illuminazione necessita di uno speciale impianto alimentatore. La loro durata, anche rispetto alle normali lampade a vapore di mercurio è assai notevole, dopo due anni perdono soltanto circa il 20% della loro luminosità iniziale. La potenza varia al variare delle potenze delle lampade; i tipi più usati in acquaristica sono quelli da 80 e 125 W ed hanno un'efficienza di 40 e 75 lm per ogni watt di potenza. Da sottolineare che lo spettro luminoso è molto vicino a quello solare soprattutto per quanto riguarda le necessità vitali delle piante. Il vantaggio principale di questo sistema è che per illuminare un acquario lungo circa un metro, basta una sola lampada con relativo impianto. Per quanto riguarda poi il prezzo, sempre per un acquario da un metro, esso è simile a quello di un impianto con tubi fluorescenti. Naturalmente ci sono anche degli inconvenienti: primo tra tutti è la produzione di calore, per cui tali lampade devono essere applicate ad una certa distanza dall'acqua, circa 40cm, ciò porta all'eliminazione del coperchio della vasca, cosa discutibile con pregi e difetti. La parte della vasca che di solito è riservata al coperchio, contiene gli impianti elettrici per l'illuminazione, viene allontanata dall'acqua, cosa molto positiva, ma allo stesso tempo non a tutti piace vedere una lampada, abbastanza grande, appesa sopra l'acquario. La luce è meno uniforme ma più concentrata di quella dei tubi fluorescenti e l'effetto ottico è molto simile a quello ottenuto con la luce naturale, inoltre lo spettro luminoso di queste lampade favorisce particolarmente la crescita delle piante più delle fitostimolanti e senza coperchio sarà finalmente possibile vedere la fioritura delle piante fuori dall'acqua. Il difetto più grande del senza coperchio è l'eccessiva evaporazione specie se la temperatura esterna è inferiore a quella della vasca. L'acqua che rimane, se non corretta con l'aggiunta di acqua distillata, aumento sensibilmente la sua durezza.