Oświetlenie w akwariach słodkowodnych

Tekst:   Witold Sławiński 

Wstęp

Częsta zdarza się sytuacja, że akwaryści stają przed niemałym dylematem gdy dochodzi do podejmowania decyzji o doborze oświetlenia dla swojego akwarium. Postanowiłem zebrać dostępną mi wiedzę, tak aby ułatwić zadanie osobom zainteresowanym kwestią oświetlenia akwariów, a w szczególności akwariów ozdobnych z roślinami.
Mam nadzieję, że wiedza ta pozwoli dokonywać świadomego wyboru – zamieściłem tu podstawowe informacje świetle jako takim, o rodzajach źródeł światła odpowiednich dla akwarium, oraz nieco informacji o produktach dostępnych na naszym rynku.

Światło - trochę fizyki i przyrody

 Światło z którym mamy do czynienia na co dzień czyli światło słoneczne jest w sposób naturalny punktem odniesienia dla opisywania i porównywania dla sztucznych źródeł światła. Zastanówmy się czym jest światło i jak można opisać jego parametry.
Fizyczna definicja światła widzialnego mówi, że jest to promieniowanie elektromagnetyczne o długości fali pomiędzy 280 i 780 nanometrów. Każdej długości fali jest przyporządkowany określony kolor światła.

Rys.1 Długość fali świetlnej a jej barwa (długości fali elektromagnetycznej wyrażone w nanometrach)

Światło słoneczne zawiera zmieszane wszystkie kolory światła widzialnego. Proporcje poszczególnych barw mogą się jednak zmieniać. Jak każdy może zauważyć na co dzień, słońce i obiekty przezeń oświetlane inaczej wyglądają rankiem i wieczorem, a inaczej w samo południe. Podobne różnice można zaobserwować porównując światło w różnych punktach kuli ziemskiej – na równiku, na kole podbiegunowym, w górach itd. To nie słońce się zmienia, ale wpływ atmosfery ziemskiej czyli powietrza, które w różnym stopniu pochłania światło i jego poszczególne składniki w zależności od kąta padania promieni słonecznych, wilgotności powietrza, zanieczyszczeń itd.
Podobne zjawisko tj. pochłanianie poszczególnych składników widma światła słonecznego zachodzi w wodzie.
W zależności od koloru, światło niesie ze sobą pewną porcję energii. Największą energię niesie ze sobą światło niebieskie a najmniejszą czerwone. Zarówno w atmosferze ziemskiej jak i w wodzie następuje pochłanianie poszczególnych składników widma – najszybciej pochłaniane są składniki niosące mniejszą energię. W wodzie, począwszy od pewnej głębokości (ok. 1m) ze światła słonecznego pozostaje już praktycznie tylko światło niebieskie, pozostałe składniki widma zostają zaabsorbowane przez wodę w wyższych warstwach.

Zadajmy sobie pytanie: czy rośliny i inne organizmy „widzą” światło tak  samo jak ludzkie oko?
Odpowiedź brzmi: nie! Oko ludzkie w trakcie lat ewolucji tak się ukształtowało, aby jego wrażliwość i możliwości adaptacji do zmiennych warunków świetlnych jak najlepiej odpowiadały potrzebom życiowym i warunkom zewnętrznym. Rośliny jednak mają inne potrzeby na światło i  w inny sposób adoptowały się do istniejących warunków.

Najlepiej to zilustruje wykres. Na wykresie została naniesione dwie krzywe:
-  wrażliwość ludzkiego oka na poszczególne barwy światła
-  szybkość fotosyntezy roślin dla poszczególnych barw światła


Rys.2 Krzywe wrażliwości ludzkiego oka i szybkości fotosyntezy w zależności od barwy światła

Światło naturalne i sztuczne  -  parametry opisujące własności światła

Człowiek dla opisania własności światła wprowadził cały szereg parametrów. Kilka z nich, które mogą okazać się praktyczne dla akwarysty tutaj przytoczę. Z tymi parametrami możemy się spotkać czytając opisy na opakowaniach i dane katalogowe źródeł światła dostępnych w handlu.

Temperatura barwowa światła,  wyrażona w stopniach Kelvina K .

Temperatura barwowa danego źródła światła jest określana poprzez porównanie do światła emitowanego przez tzw. ciało doskonale czarne, które w określonej temperaturze emituje światło o identycznym zestawie barw w stosunku do badanego źródła światła.

Porównanie źródeł światła:
   światło świecy                                    1900 K
   konwencjonalna żarówka                  2700 K
   halogen                                                3000 K
   światło słoneczne w godz. 9-15      5400-5900 K
   światło słoneczne przed godz. 9      ok. 4800 K
   światło słoneczne po godz. 15        ok.  4900 K
   dzień pochmurny                               ok. 7000 K

Współczynnik poprawności oddawania kolorów CRI (Colour Rendering Index), wyrażony w procentach.
Współczynnik ten określa jak dane światło „przekłamuje” kolory oświetlanych przedmiotów. Im wartość CRI jest większa, tym poprawność rozpoznawania kolorów jest lepsza. Naturalnym źródłem światła mającym wysokie CRI jest oczywiście światło słoneczne.

Strumień światła, wyrażony w lumenach lm
Całkowita ilość światła emitowanego z danego źródła. Wielkość tą wyprowadza się ze strumienia energetycznego na podstawie stopnia jego oddziaływania na oko obserwatora. Jest to parametr silnie zależny od wrażliwości ludzkiego oka. Wiadomo że ludzkie oko jest znacznie bardziej wrażliwe na światło zielone niż np. czerwone. Przy tej samej emitowanej mocy światło zielone jest postrzegane jako jaśniejsze od czerwonego czy niebieskiego.

Wykresy rozkładu mocy
Dla zilustrowania udziału  poszczególnych kolorów w strumieniu światła emitowanym przez dane źródło światła sporządza się wykresy  rozkładu mocy przypadającej na poszczególnych długości fal światła widzialnego.

Sztuczne źródła światła do oświetlenia akwariów słodkowodnych

 W chwili obecnej w akwariach praktycznie stosowane są następujące źródła światła:
Żarówki tradycyjne, żarówki halogenowe, świetlówki fluorescencyjne - w tym świetlówki kompaktowe zintegrowane, niezintgrowane i świetlówki rurowe, lampy wyładowcze HQI i HQL.

Oświetlenie żarowe, czyli żarówka i halogen

Wciąż do oświetlenia akwariów używa się światła żarowego. Ma ono kilka zalet, ale za to znacznie więcej wad. Do zalet można zaliczyć to że są stosunkowo tanie i łatwe w montażu, umożliwiają łatwą aranżację oświetlenia punktowego.Wady ... No cóż. Zarówno żarówki jak i halogeny dają światło niskiej jakości,  z widmem w zakresie od podczerwieni do zieleni, nie emitują światła niebieskiego. Wraz ze światłem produkowana jest olbrzymia ilość ciepła , a sprawność świetlna pozostawia wiele do życzenia. Sprawa estetyki także jest nie do pominięcia – światło o niskiej temperaturze barwowej nie wydaje się zbyt naturalne w akwarium słodkowodnym. Trwałość żarówek wynosi ok. 1000 godzin, a halogenów ok. 2000 godzin. Halogeny są nieco bardziej efektywne od żarówek, ale za to koszt instalacji halogenów jest wielokrotnie wyższy.

Oświetlenie fluorescencyjne, czyli świetlówki różnego typu

Świetlówki są najbardziej popularnym źródłem światła w akwariach i dlatego im poświęcę najwięcej uwagi. Zasada działania wszystkich świetlówek jest identyczna: wewnątrz szklanej rury znajdują się opary rtęci, które w wyniku przepływu prądu elektrycznego emitują promieniowanie ultrafioletowe. Szklana rura jest pokryta po wewnętrznej stronie luminoforem i to właśnie luminofor pobudzony promieniowanie ultrafioletowym emituje światło widzialne. Od składu chemicznego luminoforu zależy jakie to światło daje dana świetlówka.

Świetlówki rurowe
Świetlówki rurowe są produkowane w kilku standardach, najszerzej stosowane są świetlówki w standardzie  T8 – świetlówki o średnicy 26 mm i długościach i mocach przedstawionych w tabeli.

Tabela 1  Świetlówki rurowe standardu T8 (średnica 26 mm) z trzonkiem G5

 W zależności od przeznaczenia danej świetlówki producenci tak dobierają luminofor aby osiągnąć założone cele. Ze względu na charakter emitowanego światła możemy świetlówki podzielić następująco:

 Świetlówki standardowe przemysłowe -  świetlówki te są tanie i dają dużo światła. Jednak jeżeli spojrzeć na parametry tych świetlówek, to okazuje się że mają słaby współczynnik oddawania barw CRI, a z wykresu emitowanego widma wynika, że emitują one światło w kilku wąskich zakresach z przewagą światła zielonego (oko ludzkie jest najbardziej wrażliwe na to właśnie światło).

 Świetlówki typu „Daylight” – są to świetlówki podobne do przemysłowych, jednak zostało w nich wprowadzone ulepszenie polegające na poprawieniu współczynnika oddawania barw CRI.

 Świetlówki o pełnym zakresie widma słonecznego „Full spectrum” – świetlówki te imitują tak dokładnie jak to jest możliwe naturalne światło słoneczne, emitując wszystkie barwy wchodzące w skład światła słonecznego.

 Świetlówki dla roślin – świetlówki te mają tak dobrany luminofor, aby emitowane światło zawierało w swoim widmie jak najwięcej światła niebieskiego i czerwonego. Były one głównie projektowane dla roślin naziemnych, których potrzeby świetlne nieco się różnią od roślin rosnących w zanurzeniu pod wodą.

 Żywotność świetlówek wynosi zazwyczaj 8000-10000 godzin, ale wskutek zjawiska utraty jasności świecenia wraz z czasem użytkowania, należy świetlówki wymieniać co 6 miesięcy – lub w najgorszym wypadku co 12 miesięcy.
Znaczną poprawę  żywotności świetlówek można osiągnąć dzięki zastosowaniu elektronicznych stateczników. Zastosowanie stateczników elektronicznych niesie za sobą jeszcze dalsze korzyści: polepszenie jakości światła dzięki zwiększeniu częstotliwości „migotania” do 400 Hz, zwiększenie ilości światła, i co nie jest bez znaczenia znacznie mniejszy pobór energii elektrycznej.
W chwili obecnej stateczniki elektroniczne są na rynku coraz łatwiej dostępne i coraz tańsze. Można się spodziewać, że w niedługim czasie staną się zapewne standardem montowanym we wszystkich nowych oprawach oświetleniowych.

Świetlówki kompaktowe

Świetlówki kompaktowe można podzielić na zintegrowane i niezintegrowane. Powszechnie znane są świetlówki kompaktowe zintegrowane, występujące w handlu jako „żarówki energooszczędne”. I w rzeczy samej mogą one zastąpić żarówkę, gdyż mają identyczne mocowanie na gwint. Świetlówki te mają wbudowany elektroniczny statecznik i do pracy nie potrzebują żadnych dodatkowych akcesoriów.