La luce nell'acquario di piante - Parte I
di Luca Specchio - Estratto dal Notiziario GAEM - 12/1998

Premessa
La luce è uno degli argomenti più discussi e controversi dell'acquariofilia. Ognuno di noi vuole capire qual è la luce migliore per il proprio acquario, che sia ricco di piante o meno, marino o d'acqua dolce. E così, ci si ritrova davanti ad una pletora di tubi fluorescenti, lampade a vapori di mercurio (comunemente chiamate HQL, dalla denominazione Osram) e lampade a vapori alogeni (comunemente chiamate HQI, dalla denominazione Osram). Qual è lo spettro migliore? Quale temperatura cromatica? Quale il migliore prezzo? È meglio una fitostimolante o una luce ad ampio spettro? E chi ne ha più ne metta. Lo scopo principale di questo articolo è quello di far capire quali sono i parametri con cui valutare una lampada e, limitatamente alla mia personale esperienza, di fornire dei suggerimenti sulla luce da scegliere per il proprio acquario.

Che cos'è la luce?
Prima di addentrarci in dettaglio sui vari tipi di illuminazione, diamo alcune definizioni che ci aiuteranno, in seguito, a meglio valutare la luce a capirne alcuni aspetti a volte trascurati.

Watt (simbolo W o VA): tutte le lampadine hanno un loro wattaggio. Questa unità esprime la potenza elettrica che viene assorbita dalla lampada. Quindi, esprime il consumo di elettricità e non deve essere confusa con la quantità di luce che viene emessa dalla lampadina. Differenti tipi di lampadine possono essere più o meno luminose ed assorbire la stessa quantità di corrente, tutto dipende dalla tecnologia impiegata nella produzione delle lampade (ad esempio un tubo fluorescente è circa 4 volte più luminoso di una normale lampadina ad incandescenza di pari wattaggio).

Anche all'interno della stessa tecnologia ci possono essere differenze apprezzabili; ad esempio, tutti i tubi fluorescenti da 40W assorbono 430 mA di corrente ma l'efficienza con cui questa corrente viene convertita in energia luminosa lungo tutto l'arco dello spettro può variare sensibilmente. Su molti testi di acquariofilia (specialmente quelli un po' datati) troverete come regola generale, per determinare la corretta quantità di luce da dare, il rapporto Watt/Litri; questo, in virtù delle considerazioni appena espresse, è sempre un metodo molto approssimativo e va solo considerato come una misura molto generica per determinare quale deve essere il giusto apporto di luce da dare al nostro acquario. È, quindi, una grandezza non molto importante da valutare (se non da un punto di vista puramente economico).

Lumen (simbolo lm): questa unità rappresenta il flusso luminoso che una lampadina è in grado di generare. È, quindi, una misura importante che deve essere nota prima di qualsiasi acquisto e commisurata con le dimensioni della propria vasca. Tenete presente che tutte le lampadine perdono parte dei loro lumen col tempo, in una misura che varia a seconda del tipo di tecnologia utilizzata. Ad esempio, i tubi fluorescenti perdono circa il 10-15% della loro luminosità già dopo circa 100 ore di funzionamento, e dopo un anno sono a circa al 50% del loro rendimento iniziale e pertanto andrebbero sostituiti.

È importante mettere in evidenza che i lumen vengono dati sempre su una scala fotometrica in cui il "campione" è la sensibilità alla luce dell'occhio umano, che dipende dalla lunghezza d'onda. Quindi, la misura dei lumen, in pratica, viene a dipendere dallo spettro della luce in esame. È chiaro che in applicazioni il cui fine è quello di illuminare qualcosa per noi umani, con la nostra vista limitata, la scala fotometrica dà risultati più significativi; ma se le applicazioni sono, invece, collegate a processi che necessitano di luce con lunghezze d'onda in cui l'occhio umano e' praticamente cieco (pensate agli UV o agli IR), allora la misura secondo la scala fotometrica non ha sostanzialmente senso e bisogna necessariamente analizzare lo spettro di emissione della lampada. Il processo fotosintetico ne è proprio un esempio; come potete vedere in Figura 1, i picchi di assorbimento della clorofilla A, uno dei più importanti pigmenti, presente in tutti gli organismi vegetali, sono attorno ai 450 nm e 680 nm (potete trovare altri spettri di assorbimento della clorofilla all'indirizzo Internet: http://www.satlab.hawaii.edu/piglet/pigments.

Questo sta a significare che le piante sono praticamente cieche attorno ai 500-600 nm (luce giallo-verde), dove invece l'occhio umano è particolarmente sensibile; allora, se per assurdo, avessimo una lampada che emette moltissimi lumen ma tutti con luce giallo-verde, irradieremmo l'acquario di una luce del tutto inutile per la crescita delle nostre piante. Ma allo stesso modo, quando prendiamo in considerazione una lampada fitostimolante, dobbiamo ricordare che praticamente tutto il flusso luminoso è concentrato attorno ai picchi di sensibilità della fotosintesi e quindi in realtà stiamo dando alle piante molta più luce di quanto a noi non sembri.

Lux (simbolo lx): questa è l'unità dell'illuminamento; in altre parole esprime una misura di quanta luce raggiunge una data superficie (1 lux = 1 lumen/m²). Poiché i lux sono espressi in funzione dei lumen, valgono le considerazioni sopra espresse, soprattutto per quanto riguarda la loro dipendenza dalla scala fotometrica dell'occhio umano. I lux, però, a differenza dei lumen, possono darci una misura dell'effettiva luce che raggiunge l'acquario e valgono quindi molto di più di qualsiasi regola empirica. Ad esempio, possiamo sapere che le lampade dell'acquario emettono 9000 lm, e possiamo rilevare che il fondo della mia vasca che misura 130 cm x 60 cm è illuminato da 3000 lx. Ciò significa che sul fondo della vasca (ammesso per semplicità che sia illuminata uniformemente, cioè che in ogni punto si misurino 3000 lx) arrivano 3000 x 1,3 x 0,6 = 2340 lm. Dunque, in questo caso, dei 9000 lm emessi dalla lampada, 2340 arrivano sul fondo ed i rimanenti 9000-2340 = 6660 lm sono andati altrove (assorbiti nell'acqua, persi per riflessione sulla superficie dell'acqua, persi in altre direzioni, sparati verso l'alto ed assorbiti dal coperchio, ecc.). Per misurare il livello di luminosità, possiamo munirci di un esposimetro portatile, strumento molto preciso ma il cui costo però si aggira sulle L 300.000; oppure, molto più economicamente, fare riferimento all'esposimetro della nostra fotocamera, seguendo il metodo che ho riportato tradotto in italiano qui di seguito (potete trovare la versione originale all'indirizzo Internet: http://www.cco.caltech.edu/~aquaria/Krib/Lights/intensity.html ).

Per far ciò, determiniamo una relazione approssimata per convertire le letture dell'esposimetro della fotocamera in candele (vecchia unità di misura inglese: foot-candles; 1 candela è equivalente a 10,76391 lux - fonte: "Greenhouses--planning, installing and using greenhoses", Ortho Bokks, 1991).

Regolate la macchina fotografica ad una sensibilità di 25 ASA e con un tempo di 1/60 di secondo. Inquadrate e mettete a fuoco in modo che l'oggetto su cui volete misurare l'illuminazione riempia il mirino. Regolate il diaframma fintanto che l'esposimetro non vi segnala che l'esposizione risulta corretta. Se l'oggetto inquadrato è bianco allora si può utilizzare direttamente la seguente tabella:

L'esposimetro di una fotocamera è adatto a leggere soltanto luce riflessa; perciò se si effettua la misura inquadrando qualcosa che è bianco, si ha una buona misura della quantità di radiazione che illumina quell'oggetto. Le piante verdi riflettono molta meno luce (circa il 20%), per cui diventa necessario correggere appropriatamente la lettura fatta dall'esposimetro.

In questo modo abbiamo fra le mani una misura sufficientemente precisa di quanti lux riceve la nostra vasca, e saremo in grado di determinare il momento più opportuno per sostituire le nostre lampade. Se si fa uso di più lampade, è buona norma non sostituirle tutte contemporaneamente per non "investire" la vasca con un notevole aumento di luce che porterebbe in breve alla formazione di alghe indesiderate.

CRI (acronimo inglese che sta per Color Rendering Index); questo indice descrive quanto la sorgente luminosa "renda" bene i colori comparata alla luce solare, usata come riferimento (CRI = 100). È evidente che questo indice non influenza affatto la crescita delle piante ma, poiché noi allestiamo acquari principalmente per poterci beare della loro vista, bisogna pur considerare delle lampade che rendano al meglio i colori dei nostri beniamini.

Temperatura cromatica (simbolo K, grado Kelvin); la temperatura di colore, per definizione, rappresenta la temperatura alla quale un "corpo nero" emette una ben precisa radiazione, dunque con un certo "colore" o tonalità (od energia dei fotoni); viene normalmente misurata con appositi strumenti (colorimetri) che possono dare anche la stessa risposta anche per due spettri diversi di emissione. Quindi, questo valore ci dà una misura del colore della fonte luminosa, ma non ci dice nulla delle sue componenti spettrali. Più questo valore è alto, più la lampada emetterà una luce che sarà "fredda" ai nostri occhi; viceversa, più è basso più la luce avrà una tonalità calda. Ad esempio, la luce di una comune lampadina ad incandescenza è di circa 2700K, mentre la luce solare allo zenit è (almeno alle nostre latitudini) di circa 6500K.

Spettro: lo spettro luminoso ci dà una descrizione quantitativa di quali lunghezze d'onda è composta la sorgente luminosa e di quanto queste siano potenti. La luce, infatti, è bianca perché composta da una miscela di colori, e si può scomporre nei suoi colori spettrali con l'aiuto di un prisma, come avviene in natura nel caso dell'arcobaleno.  I vari colori sono legati alle differenti lunghezze d'onda della luce: lo spettro visibile all'occhio umano va da 380 a 780 nanometri (1 nm = 10^-9 metri), dal viola al blu, verde, giallo arancio e fino al rosso scuro. Esistono poi due parti di spettro non visibili all'occhio umano rappresentate dagli UV (ultravioletti, sotto i 380 nm) e dagli IR (infrarossi, sopra i 780 nm).

Efficienza; è una misura che ci dice quanti lumen per ogni watt la lampada è in grado di dare. È un dato che va tenuto in considerazione soprattutto in un'ottica di contenimento dei costi: più una lampada è efficiente, meno watt dovremo impiegare per illuminare a sufficienza il nostro acquario. Ad esempio, l'efficienza luminosa di una lampadina HQI è di circa 80 lm/W, di gran lunga superiore a quella di una HQL. Così una HQL da 80W emette circa 4000 lumen, mentre una HQI da 70W ne emette più di 5000.

Considerazioni
Veniamo adesso al punto cruciale della questione: quale luce scegliere.
Innanzitutto, bisogna tenere in considerazione le caratteristiche della vasca: se avete una vasca aperta (cosa che io personalmente preferisco, in quanto mi permette di godere della vista dall'alto) una luce HQI o HQL diventa una scelta naturale, in quanto sono lampade che per la loro potenza emessa si posizionano sempre a circa 40/50 cm sopra la vasca, lasciando così libera un'ampia visuale sull'acquario. Lo stesso dicasi a riguardo delle vasche molto alte, diciamo con altezze dai 55/60 cm in su; in questo caso, la luce viene assorbita molto rapidamente e siamo costretti a ricorrere ad una sorgente luminosa puntiforme di grande potenza. I neon non sono adatti in questo caso proprio perché non sono una fonte luminosa puntiforme, ma irradiano luce lungo tutta la lunghezza del tubo, riducendo cosi la capacità di penetrazione della luce stessa nella colonna d'acqua.

A favore dei neon c'è sicuramente una maggior scelta di lampade con caratteristiche differenti ed una maggiore praticità d'uso. Il montaggio è semplicissimo e non richiede lavori di muratura o altro. In generale, un neon ha anche una buona efficienza luminosa, anche se inferiore a quella delle lampade HQI; infatti, a seconda dei modelli e delle marche, si va dai 50 ai 70 lm/W. Io, personalmente, non avendo vasche particolarmente alte e non volendo rinunciare alla vista dall'alto dell'acquario, ho adottato una soluzione mista: neon con plafoniera autocostruita a sospensione sulla vasca; in questo modo ho - credo - riunito in meglio di entrambi i sistemi!

Mentre nel caso di lampadine HQL o HQI la scelta anche delle grosse aziende aquaristiche internazionali (vedi Dupla, Dennerle etc.) ricade dichiaratamente su modelli già in produzione su larga scala (vedi Osram o Philips), così non è per quanto riguarda i tubi fluorescenti. Le proposte di vendita di neon studiati ad hoc per l'acquariofilia si sprecano (vedi Interpet, ADA, Dennerle, Euroaquarium etc.) e, molto spesso, con costi per l'acquariofilo di gran lunga superiori a quelli dei neon per uso "normale" (fino a 4/5 volte il prezzo di un comune neon per illuminotecnica da interni). Ora, senza nulla togliere a questi prodotti "specifici", mi permetto di fare solo alcune considerazioni di carattere generale.

1. Le grandi aziende internazionali dell'illuminazione che possiedono la tecnologia per produrre e sperimentare nuove lampade sono poche: Osram, Philips, Nec, e GE. È quantomeno verosimile che molti altri nomi presenti sul mercato non siano altro che rimarcature di prodotti usciti dalle mani di quei colossi. Ora, poiché il volume di vendita del mercato aquaristico è di gran lunga inferiore a quello illuminotecnico, a mio modesto parere, è improbabile che aziende di tal calibro affrontino delle grosse spese di sviluppo per volumi così limitati.

2. È ormai sperimentato da più parti (autore compreso) che tubi fluorescenti per normale uso casalingo hanno dato prova di lavorare ottimamente in congiunzione con acquari dei più svariati tipi e di non avere nulla da invidiare come spettro, efficienza e durata ai loro più blasonati cugini prodotti ad hoc.

3. Le stesse grandi marche (vedi Philips, GE, Osram, nonché Sylvania) hanno in catalogo neon frutto di anni di ricerche e dichiaratamente per uso acquariofilo. Però, ad un prezzo nettamente inferiore! In più, la comparazione degli spettri di alcuni tubi per uso acquariofilo con altri presenti nei cataloghi di grandi marche, mette in evidenza delle somiglianze molto singolari.

Un'ultima, importante considerazione sui consumi energetici: mentre una normale lampadina ad incandescenza si presenta come un puro carico resistivo alla linea elettrica, e di conseguenza assorbe quanto effettivamente dichiarato dal costruttore, non si può dire lo stesso delle lampadine a vapori metallici (HQI, HQL) e dei tubi fluorescenti. Queste non sono un carico puramente resistivo e si presentano alla linea elettrica come un carico resistivo maggiorato dello sfasamento (rispetto ai dati di targa della lampadina). Poiché in Italia la corrente si paga in base al solo carico resistivo, se questo aumenta si ha anche un aumento dei costi. Allora diventa importante verificare che l'alimentazione delle lampadine sia sempre rifasata correttamente.

Analisi
Ciò premesso, ci concentreremo sull'analisi dei tubi fluorescenti presenti nei cataloghi di Philips ed Osram e sul confronto di questi con altri presenti in commercio.

ADA (Aqua Design Amano)
L'ADA (sito Internet: http://www.adana.co.jp) è venuta alla ribalta grazie alle grandi doti di gusto estetico e di conoscenze di microbiologia del suo fondatore, Takashi Amano. L'azienda giapponese produce un solo tipo di tubo fluorescente, NA Glow, in diversi wattaggi. Qui, come di seguito, tutti i dati saranno riferiti al modello da 18W (20W normalizzato).

In Figura 3 potete vedere lo spettro dei tubi ADA rispettivamente di I e di II generazione.

Nella II generazione sono state aggiunte delle "buche" antialghe attorno ai 520 nm (indicate dalla freccia), diminuendo così la radiazione blu complessiva. Lo spettro ha un picco di emissione massimo nel verde (parte centrale dello spettro), particolarità che viene giustificata dall'ADA sostenendo che le piante acquatiche hanno sviluppato, a differenza delle loro sorelle terricole, una maggior capacità di sfruttare la luce verde. Che i picchi di assorbimento della clorofilla delle piante acquatiche si discostino da quelli delle piante terrestri ci pare francamente strano, ma attendiamo fiduciosi delle smentite scientifiche sull'argomento. Di fatto, il tubo ADA ha uno spettro di una fitostimolante depotenziata, nel senso che i picchi nel blu (parte sinistra dello spettro) e nel rosso (parte destra dello spettro) non raggiungono il 100% dell'emissione ma si attestano attorno ad un 60%; a questo punto, il picco nel verde è stato voluto - a parer mio - per compensare gli altri due ed avere una resa cromatica sensibilmente migliore. Infatti, il CRI dichiarato è molto alto. Diversamente, per avere un'illuminazione gradevole della vasca, non sarebbe stato possibile proporre il tubo ADA da solo, ma avrebbe dovuto essere accoppiato a tubi con rese cromatiche migliori. Inoltre, poiché la quasi totalità delle piante è di colore verde, è evidente che la radiazione di quel colore viene riflessa dalle piante stesse (e proprio per questo motivo appaiono verdi a nostri occhi!
È la radiazione riflessa a determinare il colore degli oggetti) e quindi non assorbita; questo ne limita sicuramente l'utilità ai fini della crescita ma conferisce un aspetto più gradevole alla vegetazione, esaltandone i colori con verdi più profondi e carichi. Cosa che, negli acquari giardino dell'artista Takashi Amano, risulta quanto mai gradita. Il rendimento è alto, tipico di un tubo trifosforo, e questo significa che, almeno dal punto di vista dell'occhio umano, queste lampade emettono molta luce.

Come analogo commerciale dei tubi ADA abbiamo l'Osram Lumilux 11-860

Come potete osservare, l'andamento spettrale delle due lampade è molto simile: abbiamo un picco massimo nel verde ed altri due picchi nel rosso (più marcato) e nel blu. Qui il rosso è un po' più marcato, da cui la temperatura cromatica un po' più bassa. Il rendimento cromatico è buono ma è pur sempre quello di una trifosforo e quindi non ottimo (CRI 90). Il rendimento luminoso, invece, è molto alto. La durata dichiarata dalla Osram è di 7500-9000 ore con alimentatori convenzionali.

<...continua...>

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