Prawidłowa pielęgnacja roślin akwariowych wymaga od hodowcy niezbędnego minimum wiedzy z zakresu różnych dziedzin nauki. Podstawowymi (obok botaniki) są: hydrobiologia, elektronika, chemia, fizyką. A zatem, każdy, kto pragnie, by jego rośliny rosły, ładnie wyglądały i rozmnażały się, winien poznać w różnych aspektach środowisko życia roślin. Ogólnie można uważać, iż życie roślin zależy od trzech czynników: wody, światła, podłoża. Jeśli chodzi o pierwszy czynnik – wodę, to piśmiennictwo akwarystyczne w dostatecznym stopniu go omawia; z podłożem jest nieco gorzej, całkiem źle ze światłem, oczywiście w literaturze. Warto więc uzupełnić i wzbogacić wiadomości. Jest to chyba konieczne, zważywszy, że część akwarystów zapomniała o pewnych prawidłach fizyki, chemii czy botaniki.
Światło. Zakres fal promieniowania elektromagnetycznego, odbieranych przez oko ludzkie, nazwano promieniowaniem widzialnym (światłem). Oko człowieka, przebywającego w jasnej przestrzeni, odbiera fale elektromagnetyczne w zakresie od 380 do 760 nm ¹), czyli w zakresie barw od fioletu do czerwieni (rys. 1). W technice świetlnej obowiązują wielkości i jednostki przyjęte przez Międzynarodową Komisję Oświetleniową, zgodnie z legalnymi jednostkami miar układu Sl. Spośród nich, do podstawowych, użytecznych w akwarystyce, należą: – strumień świetlny – skuteczność oświetlenia – natężenie oświetlenia.
Nieco dalej podanych będzie kilka wzorów, oczywiście nie należy się nimi przerażać, są bardzo proste, a zarazem niezastąpione w przeprowadzaniu określonych obliczeń. Kilka przykładów ich zastosowania praktycznego zawiera część końcowa opracowania. Strumień świetlny Ø (w lumenach – lm) charakteryzuje dane źródło pod względem oddziaływania wysyłanego strumienia energetycznego na odbiornik selektywny, jakim jest oko ludzkie o czułości widmowej przedstawionej na rys. 1. Wielkością zależną od strumienia świetlnego jest skuteczność świetlna ( K/& ) danego źródła światła (w l/W), określana stosunkiem strumienia świetlnego do odpowiadającego mu strumienia energetycznego, czyli
K ( & ) = Ø/P (1)
przy czym: Ø – strumień świetlny źródła światła, lm; P – moc pobierana przez źródło światła z sieci zasilającej W(Watt).
Następną wielkością jest natężenie oświetlenia E (w luxach) lx). Jeżeli na daną powierzchnię pada strumień świetlny, to wytwarza on na tej powierzchni natężenie oświetlenia wprost proporcjonalne do wartości jego strumienia i odwrotnie proporcjonalnie do powierzchni oświetleniowej. A zatem: iloraz strumienia. świetlnego padającego na elementarne pole powierzchni oświetlanej i tego pola stanowi miarę natężenia oświetlenia. Przy obliczaniu natężenia oświetlenia należy uwzględnić wielkość powierzchni, na którą pada strumień świetlny. Tę zależność można przedstawić wzorem:
E = Ø/s (2)
E – natężenie oświetlenia (wartość średnia) lx; Ø – strumień świetlny, padający na daną powierzchnię oświetleniową Im; s – pole powierzchni oświetlanej, m².
Rys. 1.
Krzywa absorpcji światła przez chlorofil. Rodzaj światła: F – fioletowe N – niebieskie Zi – zielone Z – żółte P – pomarańczowe Cz – czerwone
Znaczenie światła w hodowli roślin. W przyrodzie natężenie światła mieści się w dużych przedziałach; na odkrytym terenie, przy jasnym niebie, w południe, latem, natężenie przekracza 100 000 lx, na odkrytym obszarze bez słońca – 1000, w czasie pełni księżyca 0,2-0,5, w bezksiężycową noc 0,0003 lx. Znaczenie światła w hodowli roślin można rozpatrywać w trzech aspektach: – jakość widma światła – intensywność światła – długość naświetlania.
Jakość widma światła określana jest jego składem spektralnym, który ma istotny wpływ na wzrost roślin. Fotosynteza zachodzi pod wpływem promieniowania widzialnego o długości fal od 376 do 788 nanometrów. Reakcja oka ludzkiego na poszczególne zakresy promieniowania różni się jednak istotnie od reakcji foto-syntetycznej roślin. Oko człowieka najsilniej reaguje na środkową część widma promieniowania widzialnego, natomiast krzywa absorpcji światła przez chlorofil ma swoje dwa maksima – w zakresie promieniowania niebieskiego i czerwonego, oraz minimum – w zakresie promieniowania zielonego (rys. 1). Nadmierne natężenie promieniowania w zakresie czerwieni i podczerwieni, powoduje intensywne wydłużanie się roślin, natomiast nadmierna intensywność promieniowania fioletowego, niebieskiego, wpływa na zahamowanie wzrostu roślin. Dlatego też rośliny o prawidłowym pokroju można uzyskać, stosując zarówno światło niebieskie, jak i czerwone. Współczesne badania dowiodły również, iż pozytywny wpływ na rośliny ma także promieniowanie niewidzialne, szczególnie ultrafioletowe i podczerwone. Jakość światła ma szczególną wartość przy ocenie przydatności różnych sztucznych źródeł. Intensywność światła ma podstawowe znaczenie dla roślin akwariowych, które uprawiane są przeważnie w środowisku o małej intensywności światła. Z chwilą gdy intensywność światła spada poniżej’ tzw. punktu kompensacji, ubytki asymilatów w procesie oddychania i innych procesach metabolicznych, przewyższają zyski powstałe w procesie fotosyntezy: rośliny przestają rosnąć, tracą liście itp. Długość naświetlania ma dla poszczególnych gatunków różne znaczenie. Jedne gatunki nie wykazują reakcji na długość naświetlania, inne natomiast reagują bardzo ostro. Należy jednak pamiętać, aby doświetlając rośliny, zapewnić im przynajmniej 8-godzinny okres ciemności, niezbędny do prawidłowego wzrostu. Okres ciemności musi przypadać codziennie na te same godziny. Naświetlanie ciągłe, bądź zbyt krótkie (2-4 godziny ciemności) powodują chlorozę, a nawet gnicie roślin. Chcąc właściwie hodować rośliny, trzeba znać ich potrzeby świetlne, szczególnie w różnych porach roku ²).
Charakterystyka źródeł światła stosowanych w akwarystyce. Źródła światła stosowane w akwarystyce można podzielić ze względu na sposób wytwarzania światła – na dwie zasadnicze grupy:
– żarówki, w których wyzyskano zjawisko świecenia rozżarzonego drutu wolframowego na skutek przepływającego prądu elektrycznego,
– lampy wyładowcze, w których wy zyskano zjawisko świecenia, wywoła ne wyładowaniem elektrycznym w gazach i parach metali, przy czym w wielu przypadkach poprawy barwy światła lub zmianę długości promieniowania uzyskuje się, stosując odpowiednie luminofory.
W grupie pierwszej mieszczą się żarówki konwencjonalne tzw. głównego szeregu o mocach od 15 do 500 W – ich parametry zestawiono w tabeli 1.
TABELA 1. Parametry żarówek głównego szeregu (220 V, 50 Hz) o bańce ze szkła przezroczystego
Moc W
Strumień świetlny lm
Wymiary
Typ trzonka
długość mm
średnica mm
25
285
113
60
E-27
40
420
60
630
75
850
128
70
100
1250
150
2090
148
80
200
2920
175
300
4610
240
110
E-40
500
8300
275
130
Trwałość średnia wszystkich typów 1000 h.
Bańka żarówki jest napełniona gazem szlachetnym – argonem, chroniącym żarnik przed utlenianiem. Lampy żarowe emitują dużo energii w zakresie podczerwieni (rys. 2). W zakresie światła fotosyntetycznie aktywnego, promieniowanie lamp jest niewielkie, co świadczy o ich małej przydatności w hodowli roślin.
TABELA 2. Parametry żarówek halogenowych o bańce w kształcie rurki |220-230 V|
Moc W
Strumień świetlny lm
Wymiary
Typ trzonka
długość mm
średnica mm
500
9500
119,6
12
R7s-15
1000
22000
191,1
12
1500
33000
256,1
12
2000
44000
334,4
12
Fa-4
Trwałość średnia 1000-2000 godzin
Do grupy żarówek należy zaliczyć także żarówki halogenowe, w których domieszka związków jodu i bromu umożliwia stosowanie wyższych temperatur żarzenia, a więc uzyskanie lepszej skuteczności świetlnej. W tabeli 2 zestawiono dane znamionowe żarówek halogenowych, stosowanych do oświetlania. Skład spektralny lamp jest bardzo różny i zależy od metalu dodawanego w postaci jodku do par gazu szlachetnego, w którym następuje wyładowanie, oraz od rodzaju gazu. Pozytywne wyniki uzyskuje się z lampą halogenową w której użyto związku litu (rys. 3). Żarówki tego typu mogą być stosowane przy oświetleniu bardzo dużych zbiorników wodnych.
TABELA 3. Parametry niektórych świetlówek
Typ
Moc W
Barwa światła
Strumień świetlny lm
Wymiary
długość mm
średnica mm
LF20
20
dzienna
820
590
39
chłodno-biała
935
biała
975
ciepło-biała
975
LF40
40
dzienna
2100
1200
39
chłodno-biała
2400
biała
2500
ciepło-biała
2500
LF65
65
dzienna
33400
1500
39
chłodno-biała
3820
biała
3980
ciepło-biała
3980
Druga grupa obejmuje pozostałe źródła światła, z których powszechnie są stosowane świetlówki. Świetlówka, pod względem budowy i kształtu, znacznie różni się od innych źródeł światła. Także wytwarzanie promieniowania widzialnego odbywa się na innej zasadzie, niż w żarówkach. Strumień świetlny uzyskuje się w lampie dzięki wyładowaniom elektrycznym w parze rtęci o bardzo małym ciśnieniu, ok. 1 N/m² (10-5 at). Istotną, choć nie zawsze zauważalną cechą świetlówki jest 'zależność jej trwałości od częstości wyłączeń. Trwałość ta może przy częstych wyłączeniach zmaleć nawet do połowy. W tabeli 3 zestawiono dane techniczne świetlówek. Warto poinformować, iż Francuzi opatentowali świetlówkę w kształcie żarówki; można ją wkręcać bezpośrednio do standardowych oprawek. Charakterystyczną cechą tych lamp jest promieniowanie w zakresie światła widzialnego, przy braku promieniowania podczerwonego. Lampy te nie nagrzewają się. Ponieważ moc jednostkowa lamp fluorescencyjnych jest niewielka, dla zapewnienia odpowiedniego natężenia promieniowania trzeba je łączyć. Zakres spektralny świetlówek przedstawiono na rys. 4 i 5.
Rys.2.
Lampa żarowa. A – Krzywa absorpcji światła przez chlorofil. B – Skład spektralny energii emitowanej przez lampę żarową. C – Energia przyswajana przez rośliny.
Lampy rtęciowe. Światło w lampach rtęciowych wytwarzane jest przez łuk elektryczny w parach rtęci. Zasada ta jest wykorzystywana również w lampach fluorescencyjnych, jednakże w lampach rtęciowych – z uwagi na zastosowanie krótkiego łuku elektrycznego – zaistniała potrzeba podwyższenia ciśnienia. Pozwoliło to przekształcić emitowane promieniowanie fali długości 253 nanometrów w promieniowanie widzialne. Dalsza; wyraźna poprawa składu spektralnego uzyskana została przez zastosowanie fosforowego luminofora. Lampa rtęciowa z luminoforem fosforowym emituje dużo energii promienistej w zakresie od 600-700 nanometrów, silnie absorbowanych przez chlorofil (rys. 6). Do oświetlenia można stosować lampy rtęciowe typu LRFR z luminoforem fosforowym, o mocy 250 i 400 W. Podstawowe gabaryty tych lamp charakteryzują tabele 4 i 5.
TABELA 4. Parametry rtęciówek LRF
Moc W
Strumień świetlny lm
Wymiary
Typ trzonka
długość mm
średnica mm
80
3200
158
71
E-27
125
5500
184
76
250
12000
227
91
E-40
400
>20000
290
122
700
36000
368
152
1000
51000
410
168
TABELA 5. Parametry rtęciówek z odbłyśnikiem wewnętrznym (zwierciadlanym). Typ LRFR
Moc (W)
Strumień świetlny (lm)
250
10 000
400
18 000
Lampy sodowe. Tak jak poprzednie typy, są to lampy wysokociśnieniowe. Wyładowanie następuje w parach sodu. Z doświadczeń wynika, iż są to najkorzystniejsze lampy, służące doświetlaniu roślin. Produkowane są o mocy 250 i 400 W. Rysunkiem 7 zobrazowano spektralny zakres tych lamp, natomiast w tabeli 6 przedstawiono ich podstawowe parametry. Lampy sodowe osiągają bardzo wysoką skuteczność świetlną, są jednak kłopotliwe w użyciu, ponieważ wymagają dość dużego, dodatkowego oprzyrządowania, także koszt całego urządzenia jest niebagatelny – około 18 tys. złotych.
TABELA 6. Parametry sodówek wysokoprężnych (WSL)
Moc W
Strumień świetlny lm
Wymiary
Typ trzonka
długość mm
średnica mm
250
20 000
E 40
400
36 000
285
59
E 40
W handlu można kupić również lampy sodowe produkowane w NRD, ich gabaryty są zbliżone do polskich lamp rtęciowych
Natężenie światła sztucznego w akwarium. Rozkład natężenia światła w akwarium jest nierównomierny. Gdyby przyjąć, iż na powierzchnię wody pada określone natężenie światła równe 100%, to już 15 cm niżej natężenie to spadnie do 56-72% (w zależności od przezroczystości wody), a na głębokości 30-40 cm natężenie będzie już 3-4 krotnie mniejsze od powierzchniowego (rys. 8). Warto o tym pamiętać, komponując odpowiednie zestawy roślin w akwarium.
TABELA 7. Wartość wskaźnika oddawania barw typowych źródeł światła stosowanych w akwarystyce
Źródło światła
Wskaźnik oddawania barw Ra
1. Żarówki głównego szeregu 2. Świetlówka o świetle dziennym 3. Świetlówka o świetle białym 4. Świetlówka o świetle ciepło-białym 5. Rtęciówka z luminoforem 6. Sodówka
100 80 61 56 48 25
Oddawanie barw przez sztuczne źródła światła. Z jakością światła wiąże się także zjawisko tzw. oddawania barw. W wielu przypadkach hodowcy świadomie zmieniają barwy ryb, stosując różne zestawy oświetleniowe. Wydaje się celowym przytoczenie tabeli 7, która obrazuje w jakim stopniu różne źródła światła zmieniają barwę. Ponieważ każdorazowe porównanie doświadczalne byłoby zbyt skomplikowane, wprowadzono pojęcie wskaźnika oddawania barw Ra, którego wartość dla żarówek określono jako 100. Przyjęto, że wartość wskaźnika w granicach od 100-75 charakteryzuje się dużą zdolnością oddawania barw, w granicach od 75-50 – średnią, natomiast Ra 50 – małą. Źródła światła o dużym wskaźniku oddawania barw charakteryzują się małą skutecznością świetlną, czyli ilością lumenów, uzyskiwaną z 1 W pobranej energii (przykładem może być żarówka), zaś źródła o dużej wydajności mają małą wartość wskaźnika Ra. Wierność oddawania barw ma mniejsze znaczenie w pielęgnacji roślin, natomiast duże w hodowli ryb; szczególnie podczas konkursów powinno się bezwzględnie przestrzegać zasady i nie dopuszczać źródeł światła, których współczynnik Ra jest mniejszy np. od 90. Praktycznie, jak na razie, mogłyby być stosowane tylko żarówki.
Rys.3.
Lampa litowa. A – Krzywa absorpcji światła przez chlorofil. B – Skład spektralny energii emitowanej przez lampę litową C – Energia przyswajana przez rośliny.
Filtry świetlne. Są to specjalne przybory, przepuszczające tylko określone fale. W zagranicznej akwarystyce stosowane są dwa typy światłofiltrów, tj. twarde i miękkie. Twarde wykonane są ze szkła, kwarcu i różnych tworzyw organicznych, natomiast miękkie – to przede wszystkim roztwory o odpowiedniej kondensacji. Spośród twardych, najbardziej rozpowszechnionymi są światłofiltry wykonane ze szkła optycznego. Można także posługiwać się filtrami żelatynowymi lub wodnymi, które wykonać można samemu. Najprostszym filtrem jest szkło okienne, które nie przepuszcza promieni ultrafioletowych, krótszych od 310-315 nm, i woda, tonizująca promieniowanie podczerwone.
Oświetlenie akwarium. (Obliczenia przykładowe). W celu określenia żarówek (świetlówek) potrzebnych do oświetlenia akwarium można posłużyć się następującym wzorem:
L = PZ/K (3)
gdzie: L – liczba żarówek (świetlówek) potrzebnych do oświetlenia, p – powierzchnia akwarium, m²; Z – pożądane natężenie światła, lx; K – współczynnik skuteczności świetlnej danego źródła, lm/W
Zastosowanie praktyczne.
Przykład nr 1.
Założenia: – akwarium o wymiarach: dł. 100 cm, szer. 40 cm, wys. 40 cm – hodowca decyduje się na założenie akwarium z roślinami wymagającymi natężenia ok. 1000 lx (jest to natężenie bardzo wysokie) – zaplanowano zastosowanie oświetlenia mieszanego, zarówno jarzeniowego (100 W żarówki i 40 W jarzeniówki) w proporcji 1:3, tzn. trzy razy więcej jarzeniówek. Zgodnie ze wzorem 3 otrzymano następujące dane:
P = 1 00 cm x 40 cm = 4000 cm² = 0,4 m² Z = 1000 lx ze wzoru nr 1 należy obliczyć K K = Ø/P
Dla żarówek 1 00 W strumień świetlny K wyniesie (dane z tabeli 1) 1250:100 = = 12,5, dla świetlówek (dziennych, tabela 3) 2100:40 = 52,5. Teraz obliczyć należy (stosując najprostszy sposób) ile potrzeba żarówek 100 W i świetlówek 40 W, by można było uzyskać natężenie 1000 lx.
Lżar = 0.4 x 1000/12,5 = 32 z tego 1/4 = 8 Lświet = 0,4 x 1000/52,5 = 7,6 z tego 3/4 = 6
Tak więc do oświetlenia wspomnianego zbiornika, aby uzyskać natężenie 1000 lx a także światło o odpowiednim spektrum, warto zastosować (zgodnie z wcześniej przyjętym założeniem) 8 żarówek 100 W i 6 świetlówek 40 W. W sumie pobór mocy wyniesie około 1040 W. Oczywiście, rzadko wymagane jest tak duże natężenie światła, często do prawidłowego wzrostu roślin wystarczy 250-500 lx. Również wyższe natężenie i lepszy rozkład światła można uzyskać, stosując odpowiednie płyty odblaskowe lub lustra. Wystarczy również pomalować na-stawkę na kolor biały, którego współczynnik odbicia wynosi 0,60.
Rys.4.
. Lampa jarzeniowa biała. A – Krzywa absorpcji światła przez chlorofil. B – Skład spektralny energii emitowanej przez jarzeniówkę białą. C – Energia przyswajana przez rośliny.
Synteza. Sztuczne oświetlenie akwarium winno spełniać następujące warunki: Skład spektralny lamp winien odpowiadać potrzebom roślin. Dlatego ważne jest; aby w spektrum były wszystkie składowe światła, a także niewielkie części długich ultrafioletowych i krótkich, podczerwonych promieni. Lampy nie powinny wytwarzać dużych ilości ciepła, ponieważ narusza ono wewnętrzną strukturę roślin, powoduje ich nienormalny wzrost.
Rys.5.
Lampa fluorescencyjna (świetlówka) „Flora” A – Krzywa absorpcji światła przez chlorofil. B Skład spektralny energii emitowanej przez lampę fluoroscencyjną „Flora”. C – Energia przyswajana przez rośliny.
Lampy wraz z oprzyrządowaniem winny być ekonomiczne, tzn. wytwarzać dostateczną ilość fotosyntetycznego światła, przy jak najmniejszym zużyciu energii elektrycznej.
Rys.6.
Lampa rtęciowa próżniowa A – Krzywa absorpcji światła przez chlorofil. B – Skład spektralny energii emitowanej przez lampę rtęciową próżniową C – Energia przyswajana przez rośliny.
Lampy i armatura winny tylko z lekka zacieniać rośliny przed naturalnym oświetleniem, które szczególnie w miesiącach zimowych, jest nieodzowne do prawidłowego funkcjonowania procesów życiowych roślin. Rozmieszczenie lamp i armatury nie powinno zakłócać normalnej obsługi akwarium.
Rys.7.
Lampa sodowa A – Krzywa absorpcji światła przez chlorofil. B – Skład spektralny energii emitowanej przez lampę sodową C – Energia przyswajana przez rośliny.
Lampy i oprzyrządowanie muszą sprostać podstawowym warunkom bezpieczeństwa tym bardziej, że działają w środowisku o zwiększonej wilgotności.
Rys.8. Natężenie światła w różnych warstwach wody w akwarium.
Od recenzenta
Zaleciłbym jednak pewną ostrożność przy propozycji stosowania światła z lampy sodowej. Lampy sodowe posiadają, poza dużymi rozmiarami, jeszcze dwie inne wady, a mianowicie bardzo słabo oddają naturalne barwy ryb i roślin, ponadto, po ich zastosowaniu w pomieszczeniach mieszkalnych, obserwatorzy akwariów często narzekają na bóle oczu i głowy. Trzeba sobie zdać sprawę z tego, że korzystna opinia autora na temat określonego typu oświetlenia stanowi dla Czytelnika sugestię do dokonywania inwestycji. W przypadku lamp sodowych są to dość duże wydatki – a uzyskane efekty mogą rozczarować.
dr Alfred Borkowski
———— * Problem ten był tematem zebrania członków Oddziału PZA w Jaworznie w dniu 26.02.1984 ¹) 1nm = 10 -9 m ²) Te informacje wykraczają poza ramy artykułu, a także kompetencje autora