Fizika | Fénytan, Optika » A korallszirt-akváriumok megvilágítása

Aqualine Buschke http://www.ab-aqualinede A korallszirt-akváriumok megvilágítása Amikor a fizikusok elkezdtek a fény iránt érdeklõdni, már akkor sem értettek egyet és két teljesen különbözõ nézetre jutottak. Isaac Newton a fényt fotonok összességének nevezte, Christian Huyghens viszont úgy gondolta, hogy a fény valami olyasmi, amit kívülrõl lehet mozgásba hozni, valahogy úgy, mint a hangok esetén, amik a levegõ mozgása által jönnek létre (hanghullámok). Még hosszú ideig megoszlottak a vélemények Tehát a fényrõl elsõként azt kell elmondanunk, hogy egy igen bonyolult dolog. A fény hullám alakú szerkezete elektromágneses természetébõl fakad. A fénysugár hullámhosszát nanométerben adják meg: 1 nm = 0,001 mm = 0,000000001 m Minden természetes vagy mesterséges fényforrás a hullámhossz-spektrum bizonyos tartományaiban bocsát ki sugárzást. Ezek a hullámhosszok határozzák meg a fény energiatartalmát, mert a fotonok

energiája különbözõ és a hullámhosszhoz igazodik. Minél nagyobb a hullámhossz, annál kisebb a sugárzás energiája. Egy 380 nm-es ibolyaszín-fotonnak pl kétszer annyi energiája van, mint egy 760 nmes vörös-fotonnak A nap nagyon széles hullámhossz-spektrumban sugároz. Ennek a spektrumnak a látható része - 380-780 nm - elenyészõen kicsi rész. Ezen hullámhosszok mindegyike más-más színû fényt állít elõ, és a fény ezen színeinek összessége alkotja a nappali fényt. Üvegprizma segítségével ezek a színek elkülöníthetõk A 380 nm alatti ultraibolya-sugárzást részben megszûri az ózonréteg. A 780 nm feletti infravörös sugárzás nem látható, de nagyon sok hõenergiát tartalmaz AForrás: fényhttp://www.doksihu paraméterei A fény spektrális összetétele nagyon sokat elárul a fényforrás sugárminõségérõl. Sajnos sok részlet csak szakemberek számára érthetõ. Annak érdekében, hogy a fényforrások megítélése laikusok

számára is lehetséges legyen, néhány olyan mérési módszert hívunk segítségül, amelyek kevésbé pontosak ugyan, de kedvezõbb áron kivitelezhetõk és a tapasztalatlanok számára is kezelhetõk. Soha ne feledjük azonban, hogy ezek a módszerek kevésbé "kifejezõek", mint a professzionális fénymérések 1. ábra - A napsugár sokkal többõl áll, mint látható fény AForrás: fényhttp://www.doksihu színe Egy fényforrás színének hõmérséklete a spektrális részek színkeverékét mutatja meg. A fény színét thermokoloriméter-rel mérik, mértékegysége a kelvin, ez egy olyan skála, amely messzemenõen megfelel a Celsius-skálának (0 K = -273,15 0C). Minél magasabb a szín hõmérséklete, annál kékesebb árnyalatú a fény. Példaként vehetjük a bunzenégõ lángját Ennek a lángnak van egy kék, nagyon forró része és egy narancsvörös, jelentõsen kisebb hõmérsékletû része. De ne várjuk azt, hogy a szín hõmérséklete

felvilágosítást ad a fény spektrális összetételérõl. Két teljesen eltérõ spektrális összetételû fényforrásnak lehet ugyanaz a színe, tehát ugyanolyan kelvin-foka. Ezért a sziklazátonyos akváriumok megvilágításának kiválasztásakor ne a fény színébõl, hanem a spektrális összetételébõl induljunk ki. Színvisszaadási index A színvisszaadási index (RA) megmutatja, hogy egy fénysugár mennyire természethûen reprodukálja a színeket, értéke 1-100-ig terjed. Egy olyan lámpa, melynek sugarai a három elsõdleges színt - a kéket (430 nm), a zöldet (540 nm) és a vöröset (630 nm) - megfelelõ arányban tartalmazzák, nagyon jó színvisszaadó képességû. Ennek ellenére egy ilyen lámpának is lehetnek hiányosságai olyan spektrális tartományokban, amelyek bizonyos biológiai folyamatokhoz fontosak. Ezért a színvisszaadási index fontos lehet esztétikai szempontokból, de nem biológiai szempontokból. Fotonáramlás Hasonló

érvényes a fénymérés más paramétereire is. A fotonáramlás megmutatja a fizikusoknak, hogy egy fényforrás adott idõ alatt milyen mennyiségû fényt állít elõ. A mérések során azonban az emberi szem érzékenységét veszik alapul és nem a növényi fotoszintézis-pigmentekét. A fotonáramlást lumen-ben adják meg (lm), a sugárzás erõsségét luxban (lx), a sugárzás intenzitását candela-ban (cd) Ezen értékek segítségével természetesen megítélhetjük a lámpa burkolatának vagy a reflektornak a minõségét, de semmit nem tudunk meg arról, hogy az adott fény megfelelõ-e a fotoszintézis során a biológiai folyamatokhoz. A fotoszintézis függ az elnyelt fotonok számától. A fotonok energiatartalma itt mellékes, úgyhogy egy igen magas energiatartalmú "kék foton" itt ugyanolyan szerepet játszik, mint egy kisebb energiatartalmú "vörös foton". Ezért a biológusok oly módon mérik a fényerõsséget, hogy meghatározzák

a fotoszintézis szempontjából aktív fotonok mennyiségét Ezt a mérést a kvantum-méter segítségével végzik, a mértékegysége pedig a "négyzetméterenkénti és másodpercenkénti mikromol" (µmol/m2/s). Ez bonyolultan hangzik, de egészen egyszerû: hány mikromolnyi foton ér egy másodperc alatt egy egy négyzetméteres felületet? Sajnos nem lehet minden további nélkül átszámítani a kvantum-méter mérési értékeit lux-értékekre. De összehasonlításképpen a következõket mondhatjuk: a trópusi szélességi köröknél a napfény dél körül kereken 2.000 µmol/m2/s ill 100000 lux ill 900 W/m2 Napfény és tengervíz A napfényben igen egyenletes a spektrumrészek eloszlása, nincsenek felismerhetõ hiányosságok. A fotoszintézis szempontjából aktív sugárzás (PAR) a 350 nm-es ibolyától a 700 nm-es mélyvörösig minden hullámhosszot tartalmaz. Az egyes spektrumrészek víz általi abszorpciója azonban igen különbözõ, úgyhogy

a fény megváltozik a tengervízben, mielõtt a korallok szimbiotikus algáihoz ér. Az alábbi négy tényezõ játszik szerepet a fény abszorpciójában: · Az oldott sók a fénysugarak enyhe szórását okozzák. · A felkavart vízben lévõ lebegõ részecskék elõsegítik mind a fény szórását, mind a fény sugarak abszorpcióját, ezt az akváriumban a mechanikus szûrés segítségével nagy mérték ben meg lehet akadályozni. · A különféle élõ szervezetek anyagcseréjébõl származó "sárga anyagok" "színszûrõként" hatnak és a fény bizonyos spektrumrészeit, elsõsorban a rövidhullámú UV-, ibolya- és kéksugarakat visszatartják, úgyhogy a fény spektrális összetétele megváltozik. Akváriumban aktív szén vagy ózon segítségével tarthatjuk ezen sárga anyagok koncentrá cióját alacsonyan. · A lebegõ algák fotoszintézispigmentjei elnyelik a fotoszintézis szempontjából aktív fénysugarakat. Minél mélyebbre

merülünk a tengerben, annál kékesebb árnyalatú lesz a fény. A víz felszínén a kelvin-érték még 6.500 K, 5 m mélyen már 10000 K Ha 10 méterre merülünk, akkor pedig már 20.000 K fölött van Ez természetesen a fény energiájának csökkenéséhez is vezet A fény irányára is befolyással van. Szórtabb lesz a sugárzás, úgyhogy nagyobb mélységben kevésbé élesek az árnyékok kontrasztjai. Itt a korallok oldalról kapnak több fényt, ami kihat sok korallfajta növekedési formájára. Egyébként az, hogy a fény összetétele hogyan változik, amint egyre mélyebbre hatol a tengervízben, ellentmond a mesterséges megvilágítás alapelvének, a Kruithof-szabálynak, amely azt mondja, hogy az ember fizikai jóléte szempontjából szükséges, hogy a sugárzás erõsségével nõjön a fény színhõmérséklete is. Meglepõ, hogy némely ember ennek ellenére a sziklazátonyok mélységében jól érzi magát. A fénymérés egységei paraméter

áramlás sugárzás intenzitás látható sugárzás 1m lux = lm/m2 cd = lm/sr fotoszintézis egységek µmol/s µmol/m2/s - energiaegységek W W/m2 - Néhány fényforrás spektrális eloszlása: természetes napfény (balra fent), HQI nappali fény 6000K-es (jobbra fent), kék lámpa (balra lent) és HQI 20 000K-es (jobbra lent) AForrás: fényhttp://www.doksihu és a korallok Amikor a tudósok elkezdték a sziklazátonyokat tanulmányozni, nehéz volt számukra az ott talált különleges (szokatlan) élõlények számára találó nevet találni. A "virágállatkák" elnevezést, amelyet akkoriban találtak ki, késõbb sem kellett a pontosabb kutatások alapján elvetni, hiszen valóban olyan állatokról van szó, amelyek növényekkel léptek szimbiotikus kapcsolatba. A szimbiotikus algák a gazdaállat anyagcseretermékeibõl profitálnak, a gazdaállat számára pedig elõnyös annak az energiának a használata, ami a szimbiotikus algák

fotoszintézisébõl származik. Ezért a fény a korallszirtek számára - és természetesen a sziklazátonyos akváriumok számára is - létfontosságú tényezõ. A szimbiotikus algák háromféle pigmentet használnak a fotoszintézisükhöz: klorofillt, karotinoidot és phycobilint. A klorofill-a a legfontosabb - mint a szárazföldi növényeknél is Ezen pigmentek mindegyike csak bizonyos hullámhossztartományban mûködik optimálisan. A klorofillek elsõsorban a kék és vörös fénysugarakat veszik fel, a karotinoidok elsõsorban a kékeszöldeket és a phycobilinek elsõsorban a hosszúhullámú sugarakat (narancs és vörös). Mindehhez jön még néhány segédpigment, amelyek bizonyos hullámhossztartományokban vesznek fel fénysugarakat és az elnyelt energiát a klorofill-a-ra vezetik át. Tehát az, hogy bizonyos pigmentek jelen vannak-e a szimbiotikus algákban, határozza meg a gazdaállat azon képességét, hogy egy bizonyos sziklazátony-zónában éljen. De

azt tudnunk kell, hogy egyazon pigment abszorpciós spektruma nem ugyanolyan minden körülmények között. Természetes körülmények között, azaz a gazdaszervezet "kloroplasztjai"-ban a klorofillek és a karotinoidok, amelyek vízben nem oldódnak, proteinekkel kapcsolódnak össze és ezen fehérjeanyagokkal szerves vegyületeket alkotnak. Ha fennáll ez a kapcsolat, akkor a pigmentek abszorpciós spektruma in vivo, azaz természetes körülmények között - a gazdaszervezetben - a vörös irányába tolódik, amely eltolódás akár 40 nm-nyi is lehet. De ha in vitro, azaz mesterséges körülmények között - a laborban - viszgálják õket, akkor jelentõsen alacsonyabb az abszorpció maximuma. A peridin maximuma pl in vitro, laborfeltételek között 470 nm, in vivo, a gazdaszervezetben azonban 500 nm. A korallok és az UV-sugarak Nem hagyhatjuk azonban figyelmen kívül a korallok nem fotoszintetizáló pigmentjeit sem, fõként az akvarisztikában. A

fotoszintézis fényáteresztõ (áttetszõ) szöveteket kíván, hogy a fény eljuthasson a szimbiotikus algákhoz. De eközben káros UV-sugárzás is keresztüljut a fényáteresztõ szöveteken. Annak érdekében, hogy a túl erõs UV-hatás által okozott károkat megelõzzék, sok alga, puhatestû, tüskésbõrû és csalánzó állat olyan anyagokat termel, amelyek bizonyos hullámhosszú UV-sugarakat elnyelnek. Gyakran Mycosporin-hoz hasonló aminosavakról van szó, amelyeket MAA-nak neveznek. Ezek az MAA-k áteresztik a hosszúhullámú UV-sugarakat (350 nm fölött), de igen hatékonyan nyelik el a szöveteket erõsebben károsító 350 nm alatti UV-sugarakat. Fontos tudnia az akvaristának, hogy ezen MAA-k képzõdése a korall növekedésének rovására megy. Ezért soha ne tegyük ki a korallokat az akváriumban rövidhullámú UV-sugárzásnak, pl azért, hogy erõsítsük a színek pigmentációját Sem a fluoreszkáló hatás, sem a pigmentek sûrûsége nem

növekszik meg ezáltal, de a korallok növekedése visszaesik. Érdemes viszont a koralloknak bizonyos mennyiségû hosszúhullámú UV-A-sugárzást juttatni. Ilyen esetben ugyanis sok korallfajta nagyobb mértékben fejleszt fluoreszkáló pigmenteket, amelyek képesek arra, hogy felvegyék az ultraibolya fotonokat és azokat a fluoreszkálás segítségével látható fénysugárrá alakítsák. Míg a fluoreszkálás mechanizmusait idõközben már igen jól ismerjük, keveset tudunk arról, hogy miért alakítanak ki bizonyos színeket a korallok. A korallokban a legtöbb fotoszintézispigment olyan elrendezésben van, hogy a lehetõ legtöbb fényt tudják felvenni. Ezért tûnik a legtöbb szimbiotikus alga barnásnak A koralloknak azonban nem minden színpigmentjének van feladata a fényfelvétel ill. a fotoszintézis területén Pl a Tubastraea aurea erõsen sárga színû, de nincsenek szimbiotikus algái Fémhalogénlámpák, a színspektrumban használat során a

fellépõ eltolódások mérési adatai (Sanjay Joshi és Dave Morgan nyomán) Megvilágítási megoldások a tengeri akváriumokban Az akváriumi megvilágítás kiválasztásakor három különbözõ szempont a döntõ: · a világítóeszköz minõsége (a fénysugár spektrális eloszlása) · a világítóeszköz erõssége (watt-erõsség és hatásfok) · a lámpa gyakorlati alkalmassága (a lámpa burkolata, reflektorok) A sziklazátonynál jellemzõ természetes körülmények közötti fénysugárnak megfelelõen meg kell próbálnunk olyan jól kiegyenlített sugárspektrumot nyújtani, ami a kék tartományban erõsebb. Különbözõ fényforrások kombinálásával ez könnyen elérhetõ Fénycsövek Már rögtön az elején jelentsük ki: a fénycsövek teljességgel alkalmasak még a nagyon fényigényes korallok tartására is. 50 cm-es akváriummagasságig a legtöbb lágykorall és corallimorpharia hagyományos lámpák fényében nõ Alkalmas pl fénycsövek (pl

Osram 12-950 vagy 72-965 Biolux, Philips 950 vagy 965, Sylvania 172 Activa) kombinálása kék lámpákkal (pl. Osram 67, Philips 18) vagy az úgynevezett "szupra-aktínikus" kék lámpákkal (pl Philips 03). A nappali fény és a kék fény közötti egyensúly a döntõ a fény esztétikai hatását illetõen is Az erõsebb UV-teljesítményû aktínikus ibolyalámpák (pl. Philips 05) alkalmazását csak az igen tapasztalt akvaristáknak ajánljuk speciális célokra, mert ezek a lámpák rövidhullámú UV-sugarakat is bocsátanak ki. Kompaktizzós lámpák A hagyományos fénycsövek alternatíváiként használhatók a kompakt-fluoreszkáló-lámpák, amelyeket gyakran "energiatakarékos izzó" néven kínálnak (pl. Osram Dulux-Serie (11), Philips Pl-Serie, Custom SeaLife PowerCompacts). A szorosan tekert U-alakú üvegcilinder miatt ezek az izzók háromszor olyan intenzitásúak, mint a hagyományos izzók és így már némely halogéngõzlámpával is

versenyképesek. Egy átlagos méretû akváriumot megfelelõ erõsségû fénnyel tudnak ellátni, amely nagymértékben homogén eloszlású. Fémhalogénlámpák A fémhalogénlámpákat a sziklazátony-akvarisztikában színhõmérsékletük alapján csopor tosítják: · Az 5.000-5500 K-es típusok olyan fényspektrumot állítanak elõ, ami nagyon hasonlít a napfényéhez. Ezeket a lámpákat már évek óta sikeresen alkalmazzák Igen sok 420 nm-es ibolyasugarat állítanak elõ, de kevés kéksugarat. De ezt a kék-hiányt könnyen ki lehet küszöbölni kék fénycsövekkel. Ez a lámpakombináció sok különféle sziklazátonyos akváriumtípusnál kiemelkedõ eredményeket hozott és a kõkorallokat is színpigmentek ter melésére serkenti. · A 6.000-6500 K-es típusokat szinte "kvarcüvegköpenyes napfény"-nek lehet nevezni Kiválóan alkalmasak a sekélyvízi biotop "utánzására" és kék fénycsövekkel vagy spek trumszûrõk segítségével

is korrigálhatók. · A 10.000 K-es típusokat speciálisan a sziklazátonyos akváriumok megvilágítására fejlesztették ki. Nincs meg náluk az 5000-6500 K-es típusokra jellemzõ kék-hiány és olyan fényt adnak, amely kb. az 5 méteres tengermélység fényének felel meg Ezenkívül ezek a lámpák erõs UV-A-sugárzást is adnak, ami serkenti a fluoreszkáló színpigmentek képzõdését. · A 20.000 K-es típusokat eredetileg épületek megvilágítására fejlesztették ki és a tengeri akvarisztikában egy meglepõ véletlen miatt kerültek alkalmazásra: legerõsebb, 475 nm-es sugárzásuk pontosan abban a hullámhossztartományban van, ami a leginkább behatol a tengervízbe. Ezért kiválóan alkalmas arra, hogy a 10 méter alatti sziklazátonyok körüli életteret az akváriumban megteremtsük. Ezenkívül rendkívül alacsony az UV-sugárzásuk, úgyhogy az UV-sugárzásra érzékeny állatok tartása esetén is alkalmazhatók. Persze nem szabad ezen

kelvin-értékek szerinti beosztásról automatikusan egy bizonyos színre következtetni. A fémhalogénlámpa tényleges színe ugyanis nem mindig felel meg a gyártó által megadott kelvin-értéknek, és elsõsorban a 10.000 K-es típusoknál fordulhatnak elõ igen nagy eltérések. Ezért ez a beosztás csak irányadó lehet A megvilágítás erõssége négyzetméterenként 300 és 800 Watt közötti legyen (W/m2), attól függõen, hogy a sziklazátony mely élettérrészét kívánjuk megteremteni ill. hogy milyen fényszükségletük van az adott állatoknak. A világító eszközökhöz természetesen megfelelõ lámpaburkolatra és reflektorokra van szükség és lehetõleg egy magasfrekvenciájú elõkapcsolóval legyenek ellátva. Fontos a világítótest rendszeres cseréje is, mert a sugárzás spektruma a használat során jelentõsen változik. Természetesen egy ilyen áttekintés az akváriumok megvilágításáról sok egyéb paramétert nem tud figyelembe

venni. A sziklazátonynál a fény nem statikus, hanem folyamatosan változik, napi 24 órán át. Az idõ mint tényezõ a fény esetében bizonyos fokig egyfajta "negyedik dimenzió", amit az akvaristának is figyelembe kell vennie koralljai megvilágításánál Csak az összes többi paraméterrel együtt válik az akvárium azzá a kicsi mesterséges ökológiai rendszerré, amitõl egy akvárium oly nagyszerû oktató- és taneszköz. Dr. Stephane Fournier nyomán http://www.ab-aqualinede