La luce negli acquari d' acqua dolce
di Igor Caporaso
Nell' acquariofilia moderna, un corretto sistema di illuminazione è ormai fondamentale per una buona crescita delle piante nell' acquario di acqua dolce e, fattore non certo ultimo, per il piacere della visione. Come molti sanno, oggi è possibile scegliere tra molte tipologie : lampade fluorescenti ( standard, compatte e T5 ), lampade HQI, HQL e addirittura le costosissime lampade a fusione, ancora introvabili. Già rimanendo nell' ambito delle fluorescenti le scelte diventano molteplici in termini di parametri apparentemente ignoti come temperatura di colore, resa di colore e spettro. Specialmente per chi approccia per la prima volta all' illuminazione, questa ampia scelta può essere dispersiva e può causare l' acquisto di un articolo completamente errato per i nostri scopi; questo trattato è destinato a fare chiarezza sui parametri sopra citati e a portare l' interessato alla scelta migliore, compatibilmente con i propri gusti. Per entrare nel cuore della questione, una breve introduzione sugli aspetti fisici della luce è doverosa; questo aspetto, di importanza fondamentale, sarà ovviamente ridotto allo stretto indispensabile per non appesantire la trattazione.
La luce : richiamo sugli aspetti fisici
La luce è un' onda elettromagnetica non polarizzata con lunghezza d' onda compresa approssimativamente tra 0.4 e 0.7 micron(1) ( spettro visibile ). Un' onda elettromagnetica, a grande distanza dalla sorgente, è schematizzabile come un' onda piana, in cui campo magnetico(2) e campo elettrico(3) sono ortogonali tra loro ed alla direzione di propagazione dell' onda; nel campo del visibile, il campo magnetico è trascurabile rispetto a quello elettrico e la direzione di propagazione è identificata con il raggio luminoso:
FIGURA 1
Mentre
l' onda si propaga, i campi oscillano intorno al raggio, descrivendo o meno
una certa figura geometrica: questa figura descritta nel tempo dai campi
elettrico e magnetico trasportati dall' onda ne definisce la polarizzazione.
La luce è non polarizzata, nel senso che nel tempo i campi non descrivono
forme geometriche "standard" quali sono un ellisse, un cerchio
o una retta ( in questi casi si parla rispettivamente di polarizzazione
ellittica, circolare e lineare ); oscillano tuttavia ad una certa frequenza.
FIGURA 2
In questo discorso entra la lunghezza d' onda: l' oscillazione è dovuta ad un andamento sinusoidale dei campi, in funzione di tempo e spazio; il periodo spaziale, cioè la distanza tra due punti omologhi dell' onda, è la lunghezza d' onda, ed è legato alla frequenza di oscillazione dalla relazione: L = C/f dove L è la lunghezza d' onda, C è la velocità della luce nel mezzo considerato ( nel nostro caso l' aria ) e f è la frequenza:
FIGURA 3
Nel visibile, alle diverse lunghezze d' onda sono associate diverse reazioni da recettori posti nell' occhio umano, a cui corrispondono i vari colori. Alla lunghezza d' onda inferiore, prossima a 0.38 micron, corrisponde il viola; alla superiore, prossima a 0.78 micron, il rosso. Al di sopra e al di sotto di questi valori, che per l' appunto definiscono i limiti min e max dello "spettro del visibile", abbiamo l' infrarosso e l' ultravioletto; tra min e max troviamo ovviamente tutti gli altri colori.
Lo Spettro e le sue conseguenzeUn' onda elettromanetica trasporta un' energia ( Teorema di Poynting ); lo spettro è la rappresentazione di come l' energia di una luce non monocromatica ( cioè composta da più onde con diverse lunghezze d' onda, cioè contenente più colori ), come è, ad esempio, la luce solare, si distribuisce tra i vari colori:
FIGURA 4
Questa premessa è fondamentale per capire i parametri ben più noti che vengono indicati dai costruttori. Infatti, alla diversa composizione spettrale della luce, si associano:
1) la Temperatura di colore: per definizione, è la temperatura alla quale bisognerebbe portare un corpo nero(4) affinchè produca una luce con le stesse caratteristiche di quella in esame; si misura in gradi Kelvin ( K ). Al di là di questa definizione, quello che serve sapere è che con una predominanza di blu nello spettro si ottiene una "luce fredda" e temperature più alte; con una predominanza di rosso invece, una "luce calda" e temperature più basse. Da notare il paradosso (apparente) che a luci “calde” si associa una “bassa” temperatura di colore e viceversa! Valori tipici vanno dai 2700 K, tipici di una lampadina ad incandescenza e delle fluorescenti usate per l' illuminazione domestica, ai 20000 K disponibili per alcune lampade usate in acquari marini. La temperatura di colore della luce solare è stimata in 5800 K.
2) la Resa di colore, indicata con RA oppure CRI, un parametro che confronta la luce emessa da una lampada con la luce solare, presa come riferimento, cui si associa il valore max. pari a 100. Valori prossimi a 100 indicano che la lampada restituisce fedelmente i colori, valori inferiori indicano risultati via via più scadenti.
E' importante sapere che l' occhio umano non reagisce in egual misura a tutti i colori: esso è infatti più sensibile alla zona centrale dello spettro, corrispondente ai colori prossimi al giallo. Per questo motivo, molte lampade commerciali ( tra cui quelle assolutamente inadatte per uso acquariofilo ) vengono costruite in modo da avere una maggior componente nel giallo e pertanto sembrare più luminose rispetto ad altre, studiate invece per altri scopi, come una buona resa di colore e una buona fotosintesi clorofilliana delle piante. E' chiaramente a quest' ultimo tipo di lampade che dobbiamo rivolgerci.
Le lampade: principi di funzionamento
Si parla tanto di lampade ma...come funziona una lampada? Ovviamente il funzionamento varia a seconda della tipologia: tralasciando il ben noto principio di funzionamento delle lampadine ad incandescenza, addentriamoci invece nelle più interessanti ( almeno per i nostri scopi ) lampade fluorescenti, a vapori di mercurio (HQL) ed agli alogenuri metallici (HQI).
I tre tipi rientrano nella categoria delle "lampade a scarica"; il perchè sarà chiaro proseguendo nella spiegazione.
Lampade Fluorescenti:
Le lampade fluorescenti sono erroneamente conosciute con il nome di "neon". Erroneamente perchè è pur vero il fatto che queste lampade contengono gas all' interno, ma oggi questo gas è spesso tutt' altro che neon ( che da solo produrrebbe una luce rossa!) e non è neanche unico. Alla base ci sono dei vapori di mercurio: questo gas, quando viene applicata una forte tensione ( maggiore di un certo valore detto "rigidità dielettrica" del gas, dell' ordine dei kV ) ai capi del tubo è percorso da una scarica e si ionizza(5). In questo stato, si assiste al salto di elettroni degli atomi costituenti il gas da un orbitale(6) più interno ad uno più esterno ( cioè da un livello energetico più basso ad uno più alto ), finchè si genera una situazione di equilibrio in cui il numero di elettroni che saltano al livello superiore eguaglia quello di elettroni che ridiscendono a quello inferiore. L' energia necessaria a compiere il salto verso il livello superiore è fornita dall' alimentazione applicata alla lampada; quando l' elettrone "ritorna" ad un livello più basso cede di nuovo questa energia, e la cede sotto forma di un fotone. I fotoni, che assumono direzioni e versi assolutamente casuali e mutevoli, danno luogo ad una radiazione ultravioletta che a sua volta eccita particolari sostanze che rivestono la superficie interna del vetro costituente il tubo, dette fosfori, i quali a loro volta producono una radiazione visibile alla lunghezza d' onda corrispondente alla loro pulsazione naturale(7). Se fosse presente un solo fosforo vedremmo una luce monocromatica ( ad esempio rossa, blu o verde ): infatti sono presenti più fosfori, le cui radiazioni si combinano nella luce prodotta che risulta in generale di colore bianco, seppur di un bianco differente a seconda della miscela di fosfori utilizzati.
FIGURE 5 e 6
Lampade HQL/HQI:
Per le lampade HQL il principio è quasi lo stesso. Si tratta di un tubo, in generale di quarzo, contenente gas Argo a bassissima pressione ed una quantità veramente piccola di mercurio che vaporizza quando percorso da una scarica elettrica fornita dall' alimentazione. Il mercurio agisce da catalizzatore per l' altro gas, cioè facilita i salti elettronici nella miscela che, ionizzandosi, emette radiazioni sia nel visibile che nell' ultravioletto. Proprio per questo motivo, oggi tali lampade ( almeno quelle per uso acquariofilo ) vengono vendute complete di filtro UV-Stop, dal momento che si conosce la nocività dei raggi UV per la maggior parte degli esseri viventi e, tra l' altro, per gli occhi e la pelle dell' uomo.
Anche le HQI conservano il principio dovuto alla scarica in un gas. Quello che cambia è il gas, in questo caso una miscela di alogenuri metallici, che sono letteralmente dei sali composti dagli elementi chimici alogeni ( fluoro, cloro, bromo, iodio e astato, quest' ultimo radiattivo e non usato ) che si combinano con i metalli.
FIGURE 7 e 8
Volendo fare un primo confronto basandoci sulla tecnologia delle lampade, c' è da dire che molti tendono a preferire la luce offerta dalle HQI/HQL, perchè risulta più "focheggiata", meno "soffusa" rispetto alle lampade fluorescenti; questo particolare è particolarmente apprezzato negli acquari marini di barriera, in cui si cerca di ricreare i riflessi prodotti dai raggi del sole, ma trova estimatori anche tra gli amanti del dolce, in quanto la luce prodotta arriva più in profondità nell' acqua e pertanto permette una buona illuminazione anche in acquari piuttosto alti ( da 45 cm in su ), cosa vantaggiosa per alcuni tipi di piante da prato. Tuttavia, da un punto di vista energetico, il confronto è vinto dalle lampade fluorescenti che, a parità di potenza ( Watt, w ), forniscono più luce ( lumen, lm ). Questo fatto, che si quantifica nel valore di efficienza luminosa (lm/w), è dovuto al fatto che una parte dell' energia fornita dall' alimentazione si disperde in calore anzichè "produrre" luce e, come è facile osservare, una lampada fluorescente scalda molto meno di una HQI/HQL. E' sempre possibile toccare un tubo fluorescente acceso, ma non fatelo mai con una lampadina HQI/HQL, a meno che non vogliate provare a rimanervi incollati...
L' eccessivo calore sviluppato dalle HQI/HQL ne rende impossibile l' uso in acquari chiusi, per i quali l' unica scelta rimangono le fluorescenti. Le HQI/HQL sono invece quasi obbligatorie se si decide di fare un acquario aperto, in quanto la sorgente luminosa si trova sempre ad una certa distanza ( da 30 a 50 cm. ) dal pelo dell' acqua.
I coloriAbbiamo detto che la luce solare è composta da più colori; un oggetto illuminato ci appare di un certo colore perchè riflette le radiazioni a quella lunghezza d' onda, mentre assorbe tutte le altre. E' chiaro che allora il colore che ci appare dipende anche dalla quantità di radiazione che la sorgente luminosa produce a quella lunghezza d' onda, e cioè dallo spettro della luce incidente. Ecco perchè lampade diverse che illuminano uno stesso soggetto, ce lo fanno apparire di colori a volte leggermente e a volte profondamente diversi.
E' possibile dimostrare che un qualunque colore può ottenersi con la somma di diverse percentuali di 3 colori detti "fondamentali" : Rosso, Verde e Blu. Questa triade, detta RGB dai nomi inglesi dei colori, da' luogo alla sintesi additiva, e si contrappone alla sintesi sottrattiva, caratteristica ad esempio delle stampanti ink-jet, i cui colori di base sono Ciano, Magenta e Giallo, triade conosciuta come CMY:
FIGURA 9
Proprio per il fatto che bastano percentuali diverse di questi tre colori (RGB), i fosfori normalmente presenti nei tubi fluorescenti sono 3 ( lampade trifosforo ) e normalmente "centrati" proprio a queste lunghezze d' onda. La maggiore o minore presenza di un fosforo da' luogo ad uno spettro diverso da lampada a lampada, e dunque a tutte le considerazioni riguardanti la temperatura di colore, la resa di colore, lo spettro, ecc.. Esistono anche lampade pentafosforo, create sostanzialmente per ottenere uno spettro più completo ed omogeneo ( in generale più simile a quello solare ) di quello offerto dalle trifosforo, ma la qualità si paga, oltre che con il prezzo lievemente superiore, anche con la difficile reperibilità in commercio e con una luminosità apparente lievemente inferiore.
Continuando con il confronto tra HQI, HQL e fluorescenti, da un punto di vista di resa di colore oggi le migliori fluorescenti offrono valori intorno a 98 ( lampade pentafosforo a "spettro continuo" e temperatura di colore tra 5000° e 6000° K ) ma per acquario si preferiscono le trifosforo da 6000°K in su, che comunque offrono un valore di RA elevato ( da 88 in su le migliori ). La resa delle HQI invece, essendo a spettro veramente completo, è veramente eccezionale ( RA prossimo a 100 ). Non fanno così bene le pur buone HQL, che potremmo definire “una variante un po' più economica” delle HQI.
Già...un buon confronto si deve basare anche sull' economicità del sistema di illuminazione; per fare questo, bisogna ovviamente considerare la potenza di cui si vuole disporre e le dimensioni dell' acquario da illuminare. Facciamo un esempio, supponendo di dover illuminare adeguatamente una vasca dolce da 60x30 cm2, e profonda 40 cm. . Possiamo farlo in più modi: 1) con una HQI da 150 W e rispettiva plafoniera, il tutto acquistato in un negozio specifico per acquari, costo quantificabile in non meno di 350 euro; 2) con una HQI da 150 W e plafoniera autocostruita, estetica dipendente dalla lavorazione, costo circa 150 euro; 3) 4 lampade fluorescenti “acquaristiche” da 20 w nel coperchio, costo circa 80 euro le lampade + 50 euro i gruppi accensione; 4) 4 lampade fluorescenti “commerciali” da 18 w nel coperchio, gruppo accensione autocostruito, costo circa 50 euro; 5) 2 lampade fluorescenti compatte da 36 w “commerciali” nel coperchio, gruppo accensione autocostruito, costo circa 25 euro.
E' evidente che l' illuminazione con le HQI/HQL risulta essere, in generale, la più costosa. In aggiunta a quanto detto, c' è da dire che in commercio si trovano abbastanza facilmente lampade fluorescenti “commerciali” con temperatura di colore da 6000°K e 6500° K, mentre le lampade HQI/HQL “commerciali”, cioè non specifiche per acquari, non sono disponibili con temperature di colore molto fredde ( generalmente se ne trovano sotto i 5000° K, dunque piuttosto calde ); per ottenere almeno 6500° K bisogna rivolgersi a lampade “acquaristiche”, dal costo superiore e spesso non di poco. Un' altra cosa importante è che, almeno per acquari di acqua dolce, uno spettro “completo” può non essere l' ideale: vedremo poi il perchè.
Acquari d' acqua dolce con pianteE' ben noto che la fotosintesi clorofilliana è descritta da una reazione chimica in cui un ruolo fondamentale è svolto da un elettrone: questo elettrone proviene proprio dalla luce, sotto forma di fotone, e fornisce alla pianta l' energia necessaria alla fotosintesi. Tuttavia, anche le piante non sono egualmente sensibili alle varie lunghezze d' onda; l' energia necessaria viene presa in massima parte da radiazioni prossime al blu e al rosso, e dunque in maniera del tutto trascurabile dalle zone intermedie dello spettro:
FIGURA 10
Su questo principio si basano lampade fluorescenti "storiche" come la Sylvaniaya Gro-Lux o la Osram Fluora, che sono state usate in acquario per molti anni. Queste lampade, conosciute come “fitostimolanti” sono adatte a qualunque tipo di vegetazione, e pertanto adattissime, ad es., per una serra, ma esperienze in acquario hanno evidenziato una certa tendenza a stimolare la crescita delle temutissime alghe che tanto affliggono l' acquariofilo e che non vanno certamente "stimolate", fermo restando che un' illuminazione sbagliata non è la sola responsabile di uno sviluppo algale. Tra l' altro, avendo uno spettro pressochè vuoto nella parte centrale, i colori sono restituiti davvero poco fedelmente ( RA < 70 ), profondamente falsati:
FIGURA 11
L'acquariofilia dolce moderna si è diretta via via verso lampade dalla temperatura di colore da fredda a molto fredda ( da 6000° K a 10000° K, con poche eccezioni ), ovviamente con uno spettro in cui siano comunque presenti le radiazioni rossa e blu necessarie alla fotosintesi, ed una certa presenza di verde-giallo per appagare la vista. Molte aziende, specifiche per acquari e non, producono lampade del genere.
Dicevamo che uno spettro completo non sempre è l' ideale per un acquario di acqua dolce: il perchè sta nel fatto che, con opportune condizioni, può favorire uno sviluppo algale. Questo è dovuto al fatto che le alghe contengono pigmenti sensibili a radiazioni diverse da blu e rosso, e pertanto riescono a “prendere energia” per crescere anche dai colori intermedi nello spettro; in quest' ottica, uno spettro non completo, cioè con numerosi “buchi”, può risultare migliore. Tuttavia, le alghe non sono dovute solo alla luce utilizzata, ed un acquario con condizioni dell' acqua corrette può tranquillamente godere della qualità della luce ottenuta da lampade a spettro completo.
Scegliere una HQI “acquaristica” è relativamente facile visti i risultati che praticamente ogni lampada di questo tipo può dare, ma porta a una spesa che spesso un principiante, cui principalmente l' articolo è rivolto, non vuole sostenere neanche potendo. Vediamo allora qualche esempio di lampade fluorescenti, cominciando con aziende non specifiche per acquari. Un primo esempio è dato dalle Osram Lumilux 11-860, Lumilux de Luxe 12-965 e Biolux 72-965 per quanto riguarda le lineari; dalle Osram Dulux L 11-860 per quanto riguarda le compatte:
Nelle sigle di queste lampade vanno identificati due numeri: ad es, in 965 il “9” indica resa di colore > 90 e il “65” indica la temperatura di colore di 6500° K; 860 dunque indica resa di colore > 80 e temperatura di 6000 °K. Questo identificativo distingue anche le lampade Philips, nella serie TLD, anch' esse disponibili con le stesse caratteristiche e nelle varianti 8xx e 9xx. Da notare che la Biolux, come la Lumilux de Luxe, è a spettro “completo” mentre non lo sono la Lumilux “normale” e la Dulux L; come già accennato, a dispetto di una luce di qualità superiore, la luminosità delle prime è lievemente inferiore alla seconde che, infatti, hanno un picco nel giallo molto sviluppato.
Passando a lampade “acquaristiche”, abbiamo ad esempio: ADA NA-Lamp, temperatura di colore di 8000° K, resa di colore RA ignota; le Arcadia Fresh Water, temperatura di colore di 7500 °K, RA = 88; le Interpet Triton, temperatura di colore di 10000° K, RA ignota; le Azoo Super Light, temperatura di colore 6500°K, RA ignota:
E' questo un numero molto limitato di esempi, in cui, tra l'altro, mancano le T5, ancora poco conosciute; tuttavia, quello che bisogna imparare a riconoscere è una caratteristica abbastanza simile nello spettro di tutte queste lampade e cioè la presenza significatica di radiazioni Blu, Giallo-Verdi e Rosse. In commercio ci sono molte altre lampade e spesso si sceglie anche in base alla disponibilità nel negozio in cui si capita, ma scegliendo una temperatura “fredda” ed uno spettro con le caratteristiche elencate, in generale le lampade acquistate regaleranno soddisfazione, indipendentemente dall' azienda che le produce e dal nome delle lampade, ma comunque in ovvia dipendenza dalle condizioni dell' acqua e dalla fertilizzazione. Un esempio di quanto detto è la Arcadia Marine White da 9500° K che, come dice il nome, è di fatto una lampada per acquari marini; tuttavia, dal momento che nello spettro queste caratteristiche sono rispettate, si è rivelata un ottima lampada anche per l' acquario dolce con piante.
(1) Micron = lunghezza equivalente ad un milionesimo di metro ( 10-6 m ).
(2) Campo magnetico = per la definizione si rinvia a testi specialistici [Silvestrini/Mencuccini - Fisica 2, elettromagnetismo ed ottica; Franceschetti – Campi Elettromagnetici].
(3)Campo elettrico = come per campo magnetico. In realtà ,campo elettrico e magnetico sono due realtà indiscindibili che formano il campo elettromagnetico, secondo le equazioni di Maxwell.
(4)Corpo Nero = corpo ideale capace di assorbire radiazioni a qualunque lunghezza d' onda.
(5) Ionizzazione = perdita o acquisizione da parte di un atomo elettricamente neutro di un elettrone ( ad es., idrogeno H = H+ + e- ; in questo caso l' atomo di H si è ionizzato positivamente ).
(6)Orbitale = in questa sede, pur commettendo un pesante errore, è possibile paragonare l' orbitale ad un' orbita percorsa dagli elettroni intorno al nucleo, in cui le orbite più esterne sono percorse da elettroni con energia maggiore. In realtà la definizione corretta necessita di considerazioni quantistiche e statistiche. Per approfondimenti si rinvia a testi specialistici [Mahan – Chimica].
(7) Pulsazione naturale = caratteristica propria di ogni sistema naturale o artificiale, con certe proprietà dinamiche, che sotto un opportuno stimolo assume un comportamento oscillatorio ad una certa frequenza, detta appunto pulsazione naturale. Per approfondimenti si rinvia a testi specialistici [Celentano/Balestrino – Teoria dei Sistemi, sistemi a stato vettore].
