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Iluminación del acuario plantado - Generalidades

En este artículo se intentan sentar las bases de como deberíamos evaluar la iluminación que recibe nuestro acuario. Se explica porqué parámetros como LUX, Candela, CRI y Temperatura Kelvin no son parámetros apropiados para caracterizar la radiación que recibe un vegetal. Para el cálculo de como obtener un valor razonable de radiación apropiado con el acuario se tienen en cuenta las dimensiones del acuario, perdidas en la columna de agua, tipos de lámpara y especies de plantas a utilizar. El texto del artículo es el original publicado en el año 2003.

por Groel Néstor

Introducción

Este breve resumen intenta corregir algunos mitos y reglas mágicas sobre la iluminación de los acuarios plantados, así como también, orientar al aficionado en la elección y dimensionamiento de la fuente luminosa a utilizar en cada caso. No pretende en absoluto agotar el tema, ya que, debido a la variabilidad de opciones al respecto, sólo tiene la intención de conformarse en una guía de análisis del problema.

A la pregunta de cómo iluminar el acuario plantado, no existe una respuesta única, y la elección de la fuente luminosa dependerá fundamentalmente de las dimensiones del mismo, espacio superior disponible, tipo y densidad de vegetación, presupuesto inicial, gasto mensual admisible y gusto del propietario. Como en muchos otros aspectos de la vida, en este tema también existen varias soluciones posibles, no siempre unívocamente determinadas. Algunas de ellas serán óptimas, otras en cambio serán más económicas pero imperfectas, y otras simplemente, cubrirán las exigencias necesarias utilizando la “fuerza bruta”. Si instalamos una fuente luminosa que excede nuestras necesidades (pero debajo del límite de perjuicio, si es que existe ese límite), seguramente obtendremos el éxito esperado, pero a costa de un mayor desembolso inicial, gasto mensual energético y costo de reposición a futuro.

Este trabajo intenta orientar solamente en cómo elegir la potencia y el espectro de una fuente luminosa que sea óptima para nuestras necesidades, enunciando qué procesos físicos ocurren en nuestro acuario que impiden que toda la energía proporcionada sea utilizada por nuestras plantas. Lógicamente entonces, no intenta ni puede, cubrir todas las posibles soluciones al tema.

Mucho se puede discutir en cuanto a lámparas y su idoneidad para la función exigida pero poco se puede decir de la percepción subjetiva y estética por parte del propietario del acuario. Es habitual observar discusiones acerca del “tono” de la luz del acuario o sobre el “verdadero color” de los elementos y seres vivos exhibidos en su interior. Los dos conceptos entrecomillados corresponden a percepciones individuales, carentes de lógica y, en la medida que se satisfagan las exigencias primarias del acuario en cuestión, son todas equivalentes. Digo carente de lógica, debido a que el concepto “verdadero color” esta plagado en este caso, de vicios de estética y gusto personal.

Con esto no quiero restar importancia al componente estético, que es generalmente uno de los motores principales del acuarista, pero no haré mención (salvo excepciones muy notorias) a la tonalidad final de la iluminación resultante, por considerarlo un factor subjetivo y que tiene que ver incluso, con la percepción final que plasma el acuario en el ambiente que lo rodea.

Para poder entender qué fuentes luminosas debemos seleccionar para iluminar nuestro acuario, debemos entender primero qué significan algunos parámetros que las caracterizan. Para esto es necesario además entender, y sacarle el máximo provecho, los parámetros de las hojas de datos que nos entregan los fabricantes de las distintas luminarias¹ y fuentes luminosas.

En este trabajo tocaré superficialmente temas que poseen implicancias y sutilezas profundísimas en la física, biología o ingeniería lumínica; sepan disculpar los expertos en cada área por la brutal simplificación que deberé hacer para poder acotar el texto a los objetivos y alcances del acuarismo. El lector que desee profundizar en estos temas puede recurrir a la extensa bibliografía existente sobre cualquiera de ellos.

Demás está decir que estoy abierto a cualquier discusión sobre el contenido de dicho trabajo o la corrección de cualquier error que pudiese haber cometido involuntariamente

¿Cómo se describe la radiación emitida por una fuente luminosa desde el punto de vista del ojo humano?

Teniendo en cuenta los alcances de este trabajo, voy a definir como fuente “luminosa” a aquella que emite radiación electromagnética en el espectro visible al ojo humano sano promedio. En algunos casos será necesario ampliar un poco el rango de trabajo para incluir el ultravioleta e infrarrojos cercanos al espectro visible, pero en cada caso haré la aclaración pertinente. Acotaré entonces el término “luminoso” como aquel conjunto de radiaciones electromagnéticas cuyas frecuencias se encuentran en el rango antes citado.

La radiación luminosa que nosotros denominamos comúnmente “blanca”, es el resultado en realidad, de sumar varias radiaciones de distintas frecuencias o colores. Todo el mundo ha visto alguna vez un “arco iris” causado por la difracción de un haz luminoso sobre una superficie² o la transmisión del mismo a través de un medio, transparente o semitransparente, cuyo índice de refracción sea dependiente del “color” de la luz que lo atraviesa (un prisma de cristal o una gota de agua por ejemplo). La percepción de los colores es el resultado de cómo nuestro cerebro interpreta las distintas frecuencias que componen el haz de luz original que fueron recibidas por el ojo. A la radiación luminosa que no está compuesta por la suma de radiaciones de distintos colores, es decir, es de una sola frecuencia, la denominaremos monocromática. El resto serán poli-cromáticas. La luz blanca (solar por poner sólo un ejemplo), es la suma de una cantidad inmensa de componentes monocromáticos distintos y, de acuerdo a cuáles sean las cantidades relativas de cada una de ellas en la suma total, la luz observada tendrá tonalidades distintas. A cada una de estas componentes monocromáticas le corresponde una frecuencia y, justamente, la manera más exacta de describir la radiación emitida por una fuente luminosa, es informando qué cantidad de luz de cada una de estas frecuencias son emitidas por la misma. Esto normalmente se representa mediante un gráfico donde se expresa cantidad de radiación en función de la longitud de onda o curva espectral. Este gráfico es como la “huella digital” de una fuente luminosa, ya que la distingue de las otras. Por ejemplo, la curva espectral en el rango del visible de la radiación solar es la mostrada en la Figura 1.

Puede observarse que en el eje horizontal se representan las frecuencias que la componen, mientras que en el vertical se representan las cantidades relativas o absolutas de cada una de ellas.

Al principio de este apartado, indiqué que me acotaría al espectro de radiación en el rango visible, pero no he definido cuál es ese rango. Para ello debo enunciar primero que el ojo humano es capaz de distinguir sólo un pequeñísimo rango de las frecuencias que componen la radiación electromagnética, y ese rango se encuentra entre los 400 y 700³ nanómetros [nm] (1 nm = 10^-9 metros). Si bien el nanómetro es una medida de longitud, para el caso de la radiación electromagnética viajando en el vacío, puede asignarse inequívocamente una longitud de onda para cada frecuencia y, por ser de uso más extendido y resultar más simple para nuestros objetivos, preferiré el valor de la longitud de onda al de la frecuencia.

El ojo humano no sólo percibe una parte ínfima del espectro electromagnético, sino que además lo hace con distinta eficiencia para cada frecuencia. Si trazase una curva similar a la espectral, pero que represente la cantidad de luz que nuestro ojo percibe para cada longitud de onda observaríamos en la mayoría de los casos, algo similar a Figura 2.

Esta curva experimental, denominada comúnmente fotópica, representa qué tan bien percibe los distintos colores el ojo humano. En este gráfico se puede observar que el ojo humano ve mejor el verde-amarillento (555 nm) que cualquier otro color. Inclusive, podemos observar que es relativamente poco sensible a los rojos y azules, y nulo más allá de los extremos marcados por los 400 y 700nm. Justamente, los nombres de ultravioleta (mas allá del violeta) e infrarrojo (por debajo del rojo) se refieren a las frecuencias que están mas allá de la visión humana promedio a ojo desnudo.

Desde el advenimiento de las fuentes lumínicas artificiales, se intentó buscar algún tipo de parámetro que indicase cuál era la calidad relativa de esa luz con respecto a la luz denominada natural o solar. Comúnmente en los manuales de iluminación y hojas de datos de los distintos fabricantes podemos observar dos de ellos. El coeficiente de reproducción de colores o CRI⁴ y el índice de color correlacionado.

Figura 1: Espectro Solar (Adaptado del publicado por la Universidad de Joensu)

Figura 2: Curva fotópica para luz brillante (visión en colores).

Coeficiente de Reproducción del Color

El CRI es un estándar definido a mediados del siglo XX, que indica qué tanto se aparta la reproducción de ocho colores muy específicos, de la reproducción que tendrían los mismos al ojo humano, si estuviesen expuestos a la luz solar. El valor mínimo es 0 y el máximo es 100. Este coeficiente no describe cómo esta compuesta la curva espectral de la lámpara. De hecho, una fuente luminosa puede no percibirse igual que la luz solar pero tener un CRI cercano a 100.

Es un valor muy útil y utilizado en luminotecnia, ya que el ojo humano, frente a fuentes luminosas de CRI > 90, normalmente tiene una percepción de los colores casi natural. Entenderemos por percepción natural, a aquella que se produce cuando no media ninguna lámpara artificial, se esta a la intemperie, el cielo esta despejado y el sol no esta iluminando directamente el objeto.

Este parámetro sirve por lo tanto para elegir la fuente luminosa apropiada si nuestros fines tienen que ver con reproducciones de colores, teñidos o impresos gráficos, destinados al ser humano y apreciables en el aire y no dentro del agua.

Índice de Color Correlacionado

El índice de color correlacionado es un valor que me indica a qué temperatura debería calentarse un cuerpo opaco (un pedazo de carbón por ejemplo) para observar con nuestros ojos que emite una luz similar a la observada en la fuente luminosa artificial. Es necesario recalcar que si bien está medido en grados kelvin⁵, no representa en la mayoría de los casos la temperatura a la que se halla la fuente luminosa evaluada, sino que es la temperatura a la que se encuentra el cuerpo opaco que se utilizó para comparar.

De la experiencia diaria sabemos que si un trozo de carbón es calentado, comienza a emitir una luz rojiza que se vuelve más amarilla a medida que la temperatura del mismo aumenta.

Las lámparas incandescentes son quizás el único caso donde la temperatura del filamento de la misma, puede decirse que es muy similar al valor de este índice. En el resto de los casos se debe recordar siempre que este hecho no se cumple. Los valores de este índice típicamente van desde los 3.000 ºK de las lámparas incandescentes más económicas, a los 12.000ºK alcanzados en la radiación del cielo azul y algunos tipos de lámparas de descarga.

Como en el caso del CRI, este índice no nos indica cómo esta compuesta la radiación luminosa pero nos da una idea de la tonalidad de la misma, y cuáles son las longitudes de onda predominantes. Por debajo de aproximadamente 5.000ºK la luz se verá rojiza o “cálida” (como le gusta llamarlo a los fabricantes), mientras que valores superiores representan luces azuladas o “frías”. Respectivamente estos casos representan lámparas con emisiones de frecuencias predominantemente rojas o azules. Observar que los términos cálido y frío dados por los fabricantes, están totalmente contrapuestos a la temperatura real del cuerpo negro que se utiliza para comparar, están relacionados sólo con la percepción humana de los mismos.

Lumen, Lux , candelas…

Los dos parámetros anteriores aparentemente definen la calidad de la luz emitida por determinada fuente luminosa, por lo que falta sólo definir la “cantidad” de luz que esa misma fuente emite. Debido a que la mayoría de las lámparas son diseñadas para ser utilizadas por seres humanos, los parámetros de cantidad de iluminación emitida tienen en cuenta en general, sólo la que percibe el ojo humano.

Para definir esta cantidad consideraré, de toda la radiación emitida, sólo la emitida en el rango visible, afectada por la eficiencia con la que nosotros percibimos ese color (curva fotópica). Como existen varias unidades para medir estas cantidades, me acotaré a las definidas por el Sistema Internacional. Utilizaré el lumen como indicador de flujo lumínico y el lux como medida de iluminación. ¿Pero en que se diferencian dichos parámetros?

El lumen mide la “cantidad” de radiación (energía) que emite la fuente por segundo⁶, es decir, cuánta energía lumínica es emitida por una fuente luminosa determinada en un segundo, mientras que el lux mide cuánta de esa energía llega a una superficie dada en el mismo tiempo. La primera conclusión es que la medida en lumen no depende de la geometría del reflector, o de la distancia al objeto ya que tiene en cuenta solamente la cantidad de energía luminosa emitida por la fuente. Este valor sirve para comparar eficiencias entre lámparas distintas o emisión de una en particular, pero en nada indica qué tan iluminado está el ambiente o área deseados. El lux en cambio, indica qué cantidad de iluminación está llegando al objeto a iluminar en cuestión. Las tablas de requerimiento de iluminación están dadas generalmente en Lux, y para poder obtener cuántas lámparas son necesarias para lograr determinado valor, será necesario tener en cuenta el reflector utilizado y la distancia a las lámparas. No se debe olvidar que el valor en lúmenes depende exclusivamente de lo que el ojo humano puede percibir del total emitido.

¿Cómo percibe la radiación emitida por una fuente luminosa un vegetal?

De la misma manera que el ojo humano posee una determinada sensibilidad a las distintas frecuencias que componen la radiación luminosa, las plantas poseen su equivalente. Ellas utilizan la energía lumínica para poder sintetizar sus alimentos a partir de substancias inorgánicas elementales. Para poder absorber la radiación que reciben, desarrollaron mecanismos complejos donde varios pigmentos especializados⁷ interactúan con la radiación lumínica. Si representase en una curva como la fotópica, la sensibilidad de los vegetales a las distintas frecuencias de la luz observaría una gráfica similar a esta.

Figura 3: Curva de respuesta de la clorofila a y b (adaptado de hoja de datos GRO-LUX®)

Y aquí encontramos la primera sorpresa. Los rangos principales de absorción de luz por parte de los vegetales son 430-450 nm y 625-680 nm⁸, mientras que el ojo humano tiene el pico máximo en el 530-590 nm. Justamente, las plantas son sensibles a frecuencias en las cuales el ojo humano es poco sensible y son prácticamente ciegas al color que nosotros mejor vemos que es el verde-amarillento (o amarillo verdoso, depende del gusto del lector). Si bien hay infinidad de estudios de laboratorio llevados a cabo para determinar esto, la comprobación tangible de que las plantas no utilizan el verde, es que justamente las vemos de ese color. El ojo humano es sensible a la luz reflejada que proviene de las hojas de las plantas. Si ha sido reflejada en su mayoría⁹, es que no ha sido absorbida, y por lo tanto no aprovechada por la planta en sus procesos internos.

Existe un problema, y es conciliar las fuentes luminosas para que sean aptas para la vida de los vegetales y a su vez lo sean para el ojo humano. La mayoría de las lámparas se diseñan con la emisión adaptada a la curva fotópica para que la eficiencia de la misma (lumen/Watt) sea óptima. Justamente se intentan evitar las emisiones que se produzcan fuera del rango visible al ojo humano, ya que no reportan mejorías en la emisión en lumen y si representan un consumo que disminuye la eficacia.

Los cuatro valores que habíamos definido para categorizar una fuente luminosa y su nivel de iluminación son el CRI, Índice de correlación de color, lumen y lux. Todos ellos están definidos desde la sensibilidad del ojo humano y no desde lo que necesita un vegetal, por lo que su utilización en las plantas es, si no errónea, al menos poco acertada e ineficiente. Es necesario entonces definir nuevos parámetros que sirvan a nuestro propósito específico.

Buscando la analogía a los parámetros anteriores definiremos primeramente el rango de actividad fotosintética PAR¹⁰, que es igual al rango visible determinado para el ojo humano (400-700 nm), pero esta vez no lo modificaremos con la respuesta del mismo o curva fotópica. Al no evaluar la radiación emitida por la fuente luminosa por la eficiencia con la que el ojo humano la percibe estamos obteniendo el valor de cuánta radiación se emitió en el rango visible. El valor PAR define entonces una medida similar al lumen en cuanto que mide flujo luminoso, pero en lugar de medirlo en unidades de potencia lo hace como cantidad de fotones¹¹ emitidos en el rango visible.

En el proceso de fotosíntesis, no es relevante el color de cada fotón individual que interactúa con el pigmento especializado, sino simplemente si la interacción se produjo o no. Hay que observar que en este caso me estoy acotando al proceso fotosintético en sí. No estoy asegurando que al vegetal le resulte exactamente igual recibir cualquier fotón, sino que el efecto causado una vez que se produce la interacción, es el mismo desde el punto de vista de la fotosíntesis exclusivamente.

Debido a que el PAR mide cantidad de partículas, posee una diferencia importante con el lumen, que mide directamente flujo de energía. En el caso del PAR, es imposible obtener el valor del flujo de energía si no se conoce la curva espectral de la fuente luminosa. Al ser el PAR una medida de cantidad de partículas se mide en moles de fotones o micro moles (mas apropiado a nuestros fines).

Para mejorar la precisión que este valor tendría a nuestro fines en cuanto a la comparación entre distintas fuentes luminosas, y pensando específicamente en los vegetales e intentando obtener un parámetro que nos permita evaluar la calidad de la radiación emitida, afectamos este resultado por la eficiencia con la que los vegetales ven esta radiación (de la misma manera que lo habíamos hecho para el ojo humano en el caso del lumen) y obtenemos el rango usable fotosintético PUR . Este valor representa exactamente cuánto de la emisión de la fuente luminosa puede ser aprovechable por la fotosíntesis en el vegetal. Además podemos distinguir la contribución del PUR por el extremo de los azules y de los rojos para definir dos magnitudes secundarias y complementarias, el PURR (rojo) y PURA (azul). Si bien esta elección es arbitraria, consideraremos dentro del alcance de este trabajo como pertenecientes al PURR a las partículas cuya longitud de onda se encuentre entre los 600 y los 750 nm, mientras que al PURA lo harán las que se encuentran entre los 400-500nm.

Hay que recalcar un dato interesante. No existen equivalentes al CRI y al índice de temperatura correlacionados en el caso de los vegetales, debido a que los mismos no distinguen el color de la radiación absorbida desde el punto de vista de la absorción fotosintética, como sí lo hace el ojo humano. Empíricamente se ha demostrado que el efecto que causa un fotón rojo absorbido por la clorofila B es indistinguible del azul absorbido por la clorofila A. De todas maneras se recomienda mantener las fuentes lumínicas “balanceadas” en el PURR y PURA, debido a que hay resultados experimentales que demuestran alteraciones morfológicas en vegetales que han sido expuestos a sólo uno de los dos extremos del espectro o uno muy deficiente relativo al otro. Esto se origina en que no todos los pigmentos vegetales que interaccionan con la luz se dedican a la fotosíntesis y algunos tienen funciones ligadas a la producción de fitorreguladores o enzimas específicas. La radiación solar tiene normalmente un coeficiente PURA/PURR menor a 1 y mayor a 0,9.

Desgraciadamente casi todas las hojas de datos de las lámparas comerciales carecen de la información acerca de los valores de emisión PUR Rojo y Azul. En la bibliografía y anexos podrán encontrar algunas tablas de estos valores para distintas lámparas comerciales. Sin estas tablas, la única manera de evaluar cuánto realmente de la potencia entregada por la lámpara está siendo aprovechada para la fotosíntesis, es analizando cuidadosamente la curva espectral provista por el fabricante y convirtiendo la potencia emitida en cada longitud de onda a la cantidad de partículas que ella representa.

Es importante destacar que una lámpara que emita casi toda la energía en el rango fotópico (amarillo verdoso) pero poco en el fotosintético, permitirá el crecimiento de los vegetales, pero con un consumo comparativamente mayor que el que hubiese resultado de una lámpara especializada. Si el objetivo final es justamente tener mucha emisión en el rango perceptible al ojo humano, entonces la elección fue adecuada, pero si se desea estimular el crecimiento de las plantas y sólo entregar un nivel de iluminación óptimo para su visualización, entonces la elección fue equivocada. Comúnmente, para lograr el mismo crecimiento que se hubiese obtenido con un espectro optimizado para la fotosíntesis, es necesario agregar más potencia en las lámparas. Muestra de esta práctica usual es la frase tan común como equivocada: “es mejor cantidad que calidad”. Esto no solo constituye un grave error conceptual, sino que también ataca el concepto de uso y consumo responsable de la energía por parte del ser humano. Como acuaristas deberíamos ser de los primeros interesados en un uso responsable de los recursos que invariablemente conlleva a la preservación de los medio-ambientes que deseamos imitar y disfrutar en nuestros acuarios.

Lamentablemente sólo en los últimos años los cultivadores de plantas acuáticas han comenzado a cuantificar el nivel de radiación al que han desarrollado sus plantas. Inclusive hoy en día, se siguen utilizando medidas absolutamente subjetivas como: poco-iluminado, medianamente-iluminado y muy-iluminado. Imprecisiones como esta desorientan al aficionado. ¿Cuánto es muy iluminado?. ¿Significa lo mismo para un acuarista de pueblos nórdicos o sureños, que para uno que habita en el trópico?. Desgraciadamente, algunos aficionados de buena voluntad, quisieron compensar este error, e introdujeron medidas de luminosidad en LUX, logrando sólo agregar más confusión al problema. Es común leer o escuchar críticas a la “poca luminosidad” de las lámparas especializadas para agricultura. Sólo por poner un ejemplo, el tubo fluorescente TLD950 de la firma Philips posee un valor de emisión medido de 2.350 lúmenes y 43 µmol·s^-1, mientras que el GRO-LUX de Sylvania posee 1.200 lúmenes y 42 µmol·s^-1. Si un aficionado introdujo dos lámparas GRO-LUX para llegar al nivel de iluminación en lúmenes que otro acuarista tenía en su acuario con un solo TLD 950, simplemente duplicó el nivel de radiación sobre sus plantas, además de duplicar la inversión inicial y el consumo eléctrico.

Obtener el parámetro PAR para una lámpara.

Lo primero que hay que tener en cuenta antes de intentar obtener los µmol PAR entregados por una fuente luminosa sin medirla con un instrumento apropiado, es que siempre será una tarea inexacta, introduciéndose errores metodológicos y otros debidos a las imprecisiones de los fabricantes. Desde hace unos años, los organismos gubernamentales ligados a la agricultura y cultivo de vegetales, están recomendando a los fabricantes que incluyan estos valores en sus tablas de especificaciones. En un tiempo corto este valor debería estar en todas las hojas de datos y no será necesario su cálculo. A su vez, la comunidad científica seria, está publicando los resultados de los trabajos en µmol en lugar de hacerlos en Lux, que está considerado ya una medida no correcta de la radiación, cuando están involucrados procesos fotosintéticos.

Debido a la poca información actualmente provista por los fabricantes de lámparas, la obtención del número de moles de fotones emitidos por una fuente luminosa solo puede hacerse de tres formas distintas:

• Mediante la medición directa con un instrumento apropiado.
• De la conversión de la curva espectral potencia µmol PAR.
• Mediante las tablas aproximadas para otras lámparas similares obtenidas anteriormente por alguno de los dos métodos anteriores.

Asumo que el método a) no está disponible para el aficionado promedio, por lo que simplemente lo descartaré. La opción c) es la más tentadora y puede observarse en el Anexo I diversas tablas con los valores de conversión aproximados PAR para algunas lámparas comerciales.

Este método adolece del defecto de introducir un factor de error enorme. Si bien personalmente opino, que este queda solapado por las incertezas provenientes de la geometría de los reflectores, coeficientes de absorción/dispersión del agua del acuario, Etc., muchos acuaristas desearán obtener valores más exactos utilizando la curva espectral como fuente de información. Es entonces el método b) el más apropiado para obtener el parámetro PAR de una fuente luminosa específica en forma teórica.

Para poder obtener el número de fotones emitido a partir de la cantidad de energía emitida por la lámpara por longitud de onda¹², es necesario recordar primero que la energía del fotón esta expresada por la ecuación

E = h·c·λ ^-1

Donde:

• E = energía del fotón medida en Joule
• h = constante de Planck 6.63·10^-34J·s
• c = velocidad de la luz ≈ 3·10⁸ m·s^-1
• λ = longitud de onda en m

Reduciendo convenientemente las constantes obtenemos que la ecuación que rige la conversión potencia/cantidad de fotones es

µmol·s^-1= 8.35·10^-3 W· λ

Donde la potencia (W) esta medida en Watt y longitud de onda medida en nanómetros.

Simplemente sumando cada uno de los valores de emisión para cada punto de la curva espectral, obtenemos el numero PAR total y sumando sólo en los rangos definidos previamente para PURR y PURA, obtenemos los correspondientes valores para esos parámetros. El trabajo es tedioso pero sencillo y la precisión del resultado suele valer la pena.

Efectos de la columna de agua en la transmisión de la luz

Los efectos ligados a la alteración que sufre un haz luminoso que se transmite por el seno de un líquido con partículas en suspensión, como es el agua del acuario, es un problema complejo y difícil de modelar¹³. En todos los casos es necesaria una medición empírica que permita cuantificar el problema en cada uno de nuestros acuarios e inclusive, es necesario realizar sucesivas mediciones en el tiempo, debido a que el carácter de los efectos sobre la luz evoluciona durante la vida del acuario. No existen trabajos publicados que esclarezcan el rango de oscilación de este parámetro. Si bien utilizaré resultados obtenidos para diversos ecosistemas naturales, estos resultados no pueden ser tomados como indicativos para los acuarios. Sólo en aquellos casos en los que se pueda realizar una minuciosa equivalencia, podría ser válido asumir los resultados de algún tipo de ecosistema en particular. Es necesario realizar una investigación que caracterice este parámetro en los acuarios, si es que deseamos tener una idea clara de qué sucede con la luz que penetra en los mismos.

De todos modos intentaré plantear los efectos más importantes para dar una idea de qué parámetros debemos cuidar para que la iluminación del seno del acuario no se vea seriamente deteriorada por causas evitables e innecesarias.

Cuando la luz atraviesa la columna de agua sufre cambios en su composición relativa. Si pudiésemos seguir la trayectoria de haces muy finos de luz, que de ahora en adelante llamaremos rayos, que ingresan perpendiculares a la superficie del agua, observaríamos que algunos de ellos simplemente desaparecen en el seno del líquido, mientras que otros repentinamente son desviados y apartados de su camino. Los primeros fueron absorbidos por las moléculas del medio, las partículas inorgánicas y orgánicas en suspensión o por las algas siempre presentes. Según sea el caso, producen calor, degradan substancias o aportan al proceso fotosintético de las algas¹⁴. Los segundos impactaron con alguna partícula de mayor tamaño que las anteriores para ser dispersados en todas direcciones. Ambos efectos son de características físicas diferentes y ambos influyen en la luz que penetra el acuario, reduciendo la radiación disponible para nuestras plantas.

Debido a las dimensiones de los acuarios en general y la calidad de filtración de agua utilizada, podemos utilizar el mismo modelo matemático para representar la cantidad de la radiación luminosa a determinada profundidad (ley de Beer-Lambert).

I_z=I₀·e^{-ε ·z}

Donde:

• I_z es la intensidad de la radiación luminosa a determinada profundidad
• I₀ es la intensidad luminosa inmediatamente debajo de la superficie.
• ε es el coeficiente de absorción o dispersión (según corresponda) medido en m^-1. En el caso en el que el coeficiente se exprese en cm^-1, entonces la profundidad también deberá expresarse en cm.
• z es la profundidad en metros

Comenzando con los procesos de absorción, el primero que hay que tener en cuenta es uno imposible de evitar. El agua pura posee un factor de absorción que depende de la longitud de onda cuyo valor es importante para el extremo rojo. El siguiente gráfico muestra el comportamiento de este parámetro según la longitud de onda.

Figura 4: Absorción espectral del agua pura (Sogandares, 1997)

Observando el gráfico veremos que la radiación en el extremo de los azules prácticamente no es absorbida, pero la radiación en el extremo de los rojos, es afectada apenas ingresa en el medio. Para un acuario de 50 cm de columna de agua, sólo el 80% de la radiación de 640 nm de longitud de onda alcanza el fondo, debido únicamente a la absorción intrínseca al agua pura. Este es un hecho de suma importancia. Asumiendo que la vegetación costera muchas veces se halla sólo a unos cm. de profundidad, al intentar mantener esas mismas plantas en un acuario profundo, debemos realizar el ajuste del extremo rojo del espectro en la iluminación proporcionada. Por ejemplo, una planta que normalmente se encuentra a 10 cm. bajo el agua, recibe el 95% de la radiación alrededor de los 640 nm, mientras que a 50cm de profundidad recibiría el 80%. Si tenemos en cuenta que la relación promedio PURR/PURA de la luz solar es de 1.1, deberíamos entonces ajustar el espectro de la lámpara utilizada a una relación equivalente de 1.3. Tal vez no es casualidad, que varios tubos fluorescentes de espectro especial para acuarios de agua dulce, posee esa misma relación de rojos/azules.

El siguiente efecto relevante, es la absorción causada por el material orgánico disuelto. Esencialmente estos materiales se originan en la descomposición de substancias orgánicas y en la acumulación de ácidos húmicos. Típicamente son substancias de color amarillento o pardo-rojizo que presentan su máxima absorción en el rango de los azules. Algunas de ellas son degradadas además por las radiaciones más allá de este extremo del espectro visible, aportando nutrientes esenciales para los vegetales. Este valor es dependiente exclusivamente de la cantidad y tipo de las substancias disueltas en el acuario, y la única manera de realizar una evaluación del mismo es por la comprobación empírica en el acuario en estudio. En la literatura especializada se observa una profusión de valores medidos para medioambientes salinos y dulceacuícolas, pero ninguno para acuarios. Debido a que los valores para lagos y ríos son relativamente elevados y extremadamente variables (desde .05 a 10 m^-1) es imposible realizar cualquier tipo de predicción con respecto a este factor. Para minimizar este factor de pérdida de radiación, el acuarista debe intentar mantener las substancias orgánicas ligadas al substrato, de manera de que las plantas tengan acceso a las mismas, pero al mismo tiempo no causen pérdidas importantes en la columna de agua. En la bibliografía citada para este punto pueden observarse resultados que sugerirían que en los medioambientes naturales el contenido de compuestos carbónicos orgánicos disueltos DOC¹⁵ está ligado íntimamente con el coeficiente de absorción en el ultravioleta. En la siguiente figura Figura 5 podemos observar uno de estos resultados.

Figura 5: Relación entre la atenuación en el rango PAR (cuadrados) y a 320nm (triángulos) para distintas concentraciones DOC para varios lagos de Nueva Zelanda.

Figura 6: Gráfico mostrando la absorción debida sólo por Clorofila a en un ecosistema marino con un nivel de Chla 2mg·m^-3.

El siguiente factor de importancia es la presencia de algas. Debido a la absorción de energía por parte de los pigmentos fotosintéticos, se produce una fuerte absorción en el rango PUR. Asumiendo que en los acuarios plantados se intenta mantener la columna de agua libre de algas y fuertemente filtrada, me tomaré la libertad de aproximar los valores de atenuación a los correspondientes a un sistema oligotrófico¹⁶. Si bien un acuario no puede modelarse bajo ningún concepto como un ambiente oligotrófico, por la cantidad de nutrientes disueltos, la acción combinada de los filtros mecánicos y la competencia de las plantas con las algas permite aproximar los valores de cantidad de algas por mililitro¹⁷ con la presente en estos medioambientes. Una curva característica pueden observarse en Figura 6.

El efecto de dispersión¹⁸, está asociado también a la presencia de materia (orgánica e inorgánica) en suspensión. Si bien tradicionalmente se lo asocia al concepto de turbidez, son en principio dos conceptos independientes. Debido a que, al igual que la absorción, la única manera de estimar fehacientemente este coeficiente, es mediante una medición real¹⁹, es muy difícil realizar una estimación de este parámetro individual para nuestros acuarios.

En la práctica el coeficiente de atenuación-dispersión suele expresarse como un número único (todos los efectos sumados) y promediado en todo el PAR. Este parámetro es mucho más sencillo de utilizar y nos indica cuanta energía en el rango se pierde en relación a la altura de columna de agua. Para utilizar de referencia, en la tabla que esta a continuación se exponen varios coeficientes de absorción promedios para distintos sistemas dulceacuícolas oligotróficos comparados con los valores sugeridos por una famosa página web para aficionados al acuarismo.

Podemos observar que los rangos generales, los valores totales de ε para lagos claros a semi-turbios, pueden considerarse en el orden 0.2 a 0.9 m^-1. Eso es claramente menor a los valores estimados por algunos aficionados. Creo que un valor de 0.8 m^-1 debe ser el más aproximado a la realidad del acuario plantado correctamente filtrado. No puedo demostrar en este trabajo que esta aseveración sea correcta, debido a que sólo es posible de estimar mediante mediciones empíricas.

De la comparación subjetiva de la transparencia del agua de los acuarios plantados y la correspondiente a la transparencia del agua de lagos oligotróficos, me atrevo a sugerir que los acuarios plantados deben estar dentro del rango aceptable para lagos de este tipo. Es absolutamente necesario realizar un trabajo a futuro que permita obtener los valores máximos y mínimos entre los que se encuentran los coeficientes de absorción total de los acuarios plantados. Debido a que no podemos aseverar un rango en particular, sugiero utilizar dos valores como indicadores de rango en nuestros cálculos. El valor mínimo del coeficiente lo tomaremos del promedio indicado para lagos meso-oligotróficos (.5 m^-1) y el máximo lo tomaremos del promedio indicado en “The Krib” (2.0 m^-1).

La siguiente tabla nos indica el porcentaje de radiación superviviente para distintas profundidades del acuario y distintos coeficientes.

Otros conceptos físicos a tener en cuenta

Los materiales transparentes o semi-transparentes poseen entre sus características intrínsecas un coeficiente denominado de refracción²⁰. Mientras que el aire tiene un coeficiente que aproximaremos a 1, el agua destilada tiene un coeficiente de 1.33 y el vidrio, dependiendo de su estructura y composición, valores que oscilan típicamente entre 1.50 y 1.58, aunque tomaremos 1.52 como el más utilizado en el caso de vidrios comunes de acuarios. Necesitaremos utilizar estos coeficientes en los puntos que siguen.

Un rayo de luz es desviado cuando atraviesa superficies que separan dos materiales de índices distintos. A esta línea de separación entre los dos materiales se la denomina interfaz. El hecho que un rayo de luz cambie su camino al atravesarla, es el motivo por el cual vemos quebrado un lápiz que colocamos dentro de un vaso con agua: los rayos reflejados por el lápiz, cambian de dirección cuando atraviesan la interfaz agua-aire, dando la impresión que proviene de otra posición. Si bien este fenómeno se explica totalmente utilizando ecuaciones de campo, bajo las condiciones de este trabajo, podemos utilizar una sencilla ley que predice este mismo suceso en términos geométricos. La ley de Snell indica en el caso de rayos de luz que llegan a una interfaz, cuál es el ángulo con el que serán transmitidos en función de los índices de refracción y el ángulo de incidencia. Esta ley se puede expresar como

n_i·sen(α) = n_t·sen(β)

Donde:

• α es el ángulo respecto a la normal con el que el rayo luminoso incide en la interfaz
• β es el ángulo respecto a la normal con el que se transmite
• n_i índice del medio desde el cual viene el rayo luminoso
• n_t índice del medio donde el rayo luminoso continúa su camino

Tal vez la siguiente ilustración Figura 7 pueda aclarar un poco los términos utilizados. Del estudio de las leyes que rigen el paso de la radiación electromagnética través de una interfaz, podemos obtener cuatro casos de importancia . El primero es que todo rayo que incide normal (perpendicular) a la interfaz continúa su camino sin alterar su trayectoria.

Figura 7: paso de un rayo luminoso a través de una interfaz.(en este caso n_i>n_t)

El segundo caso es el normal y no merece mayores explicaciones. Para el tercero y cuarto caso debe cumplirse que ni>nt. En el tercero, cuando el haz luminoso viaja de un medio de mayor índice de refracción a otro con menor índice, existe un ángulo, denominado crítico o de reflexión interna total, a partir del cual toda la luz que incide es reflejada y nada es transmitido²¹

Para el análisis del ángulo crítico y desde el punto de vista de este resumen, sólo nos interesa el caso, agua-vidrio-aire. Cuando el haz viene desde el agua en el interior del acuario, atraviese el vidrio e intenta salir a la atmósfera. El ángulo crítico vidrio-aire es de aproximadamente 41º, y el ángulo de incidencia dentro del agua debe ser 48º. Pasado este ángulo, debido a que existe reflexión total interna vidrio-aire, el haz es reflejado nuevamente hacia el interior del acuario. Al llegar al ángulo de incidencia dentro del vidrio de 61º, vuelve a existir otro fenómeno de reflexión interna total, pero esta vez en la zona vidrio-agua, por lo que la radiación no escapa y queda atrapada dentro del vidrio hasta que se extingue por dispersión. Normalmente este hecho no sucede debido a que, para que el rayo se transmita con un ángulo de 61º en el interior del vidrio, debería haber incidido con un ángulo mayor a 80º desde el agua.

Otro hecho que debe tenerse en cuenta es que todo rayo que incide en una interfaz es en parte transmitida, y en parte reflejada. Las magnitudes de los rayos transmitidos y reflejados pueden obtenerse (dentro de los límites de este resumen) del coeficiente de reflexión de Fresnel.

R=1/2·[sen²(α-β) · sen²(α+β)^-1 + tan²(α-β) · tan²(α+β)^-1]

Ecuación que puede re-escribirse utilizando la ley de Snell, de manera que todo quede en función del ángulo de incidencia y el cociente de los índices, utilizando la expresión

β = arcsen[ n_i · n_t ^-1 · sen(α) ]

Si además tenemos en cuenta que en todo momento debe cumplirse

R + T = 1

es decir, que lo transmitido más lo reflejado es igual al total incidido, podemos verificar que el porcentaje transmitido al agua, en función del ángulo de incidencia para una interfaz aire-agua, se puede representar en un gráfico como el siguiente. Debe recordarse que el rayo incidente pertenece a la zona de aire y los ángulos están medidos con respecto a la normal,

Figura 8: Curva de transmisión para una interfaz aire-agua, ángulos medidos desde la normal.

Influencia de la elección del reflector utilizado en nuestra lámpara

Teniendo en cuenta que el coeficiente de transmisión de la luz en una interfaz es proporcional al ángulo de incidencia, se puede demostrar que las pérdidas originadas en la interfaz aire-agua, aire-vidrio (para la cubierta superior) y agua-vidrio para las paredes laterales del acuario son mínimas, si los rayos luminosos emitidos por la fuente llegan perpendiculares (o con un ángulo menor a 10º medidos desde la normal) a cada una de las dos primeras interfaces. Esto puede lograrse adosando un reflector a las lámparas utilizadas. Generalmente las lámparas de alta presión son adquiridas con reflectores apropiados, pero no sucede lo mismo con los tubos fluorescentes.

En el caso de no utilizar un reflector en las lámparas del acuario, sólo una muy pequeña parte de la radiación emitida por las mismas cumple esta propiedad, mientras que el resto de los rayos se desvían perdiéndose por transmisión a través de las paredes laterales o reflejándose en la superficie del agua.

No es la intención de este trabajo hacer un estudio de las posibilidades de pérdida en situaciones intermedias, es decir frente a reflectores ineficientes, y sólo se realizará el estudio para las dos situaciones extremas, es decir, un reflector ideal y una fuente luminosa sin reflector. Para el mismo se utilizará la premisa de que existe una lámpara que emite sus rayos en forma radial desde un punto central, y lo hace a lo largo del acuario, de manera tal que puede tomarse un corte cualesquiera y asumir que el resto es similar. Las fuentes que cumplen con dicha condición son generalmente los tubos fluorescentes, aunque debe considerarse, que la intensidad luminosa emitida en el centro del mismo es mayor que en los extremos.

Veremos entonces qué sucede en el caso en el cual no existe reflector alguno. La Ilustración 9 indica las zonas de interés. Para el mismo se asume que la fuente luminosa esta en alguna posición entre el borde del acuario y la superficie del agua, y por comodidad se dibujó solo la mitad. En el caso de existir más de una fuente luminosa deberán rehacerse los cálculos para cada una y para cada lado de la misma. Las consideraciones del siguiente análisis son sólo por óptica geométrica y no tienen en cuenta las perdidas de intensidad en el medio. Para simplificar este ejemplo, y poder aportar un resultado numérico y tangible, que sirva de evaluación, consideraré que h=40 cm, y=10cm y x=20cm ²²

A continuación haré un breve análisis de lo que sucede en las tres zonas delimitadas en la siguiente Ilustración parte A Figura 9.

• Zona I: Es la zona comprendida entre la perpendicular trazada desde el centro de la lámpara al fondo del acuario (0 º para las ecuaciones vistas en el punto anterior) y el ángulo exacto del rayo que incida en el límite entre el vidrio lateral y el substrato. Consideraré que la radiación emitida por la fuente en este rango alcanza el fondo del acuario sin que intervengan efectos de reflexiones internas en las paredes laterales, y por lo tanto la única pérdida de radiación se encuentra en la reflexión en la superficie del agua. El ángulo entonces que actúa de límite puede ser calculado en función de los distintos parámetros y para el caso del ejemplo es aproximadamente 27º30’. Los siguientes resultados los obtendré por integración numérica simple con intervalos de 1º. La ecuación hallada para el coeficiente de transmisión indica que casi todo ha sido transmitido (99.5%), y por lo tanto el 15.2% de la radiación emitida por la lámpara ingresa al acuario en esta zona.
• Zona II: comprendida entre el límite anterior y el punto de unión agua-pared del vidrio lateral. En este ejemplo ese ángulo es de 63º 26’. Utilizando la misma ecuación de transmisión se obtiene que en esta zona ingresa 19.8% de la radiación de la lámpara (99.3%). Debido a la reflexión total interna en la interfaz vidrio-aire de la pared lateral, casi toda la radiación ingresada en esta zona reingresará al acuario. Puede considerarse como aproximación que el 95 % reingresa por reflexión en la pared lateral. El aporte final de esta zona es entonces del 18.8% de lo emitido por la lámpara.
• Zona III: consideraré que la radiación emitida en esta zona es prácticamente perdida en el ambiente y no contribuye a la iluminación del acuario. Metalizar las paredes de la tapa produce notables mejorías, pero que en el mejor de los casos permitiría asumir que un 70% de la radiación de la zona puede ser utilizada en el acuario

La contribución de las dos zonas es de aproximadamente el 34% de la emisión total de la lámpara. Es decir, apenas la tercera parte de lo emitido por un tubo fluorescente suspendido a mitad del acuario y a 10 cm de la superficie del agua, en un acuario de 40cm de columna de agua y 40 cm de ancho, si el acuario no posee un reflector o las paredes internas de la tapa son obscuras, ingresa efectivamente en el acuario.

Agregamos ahora un reflector como indica la Ilustración 10. Como se puede observar en este gráfico, se ha agregado un reflector especialmente diseñado para reflejar toda la radiación emitida por el tubo fluorescente en un ángulo que acote al mínimo las perdidas por reflexión en la superficie del agua. En nuestro caso el menor ángulo debería ser 27º (para iluminar correctamente el substrato) y el máximo sería 50º que es donde la reflexión en la interfaz comienza a ser un valor apreciable.

No existen las zonas II y III debido a que toda la radiación ingresa ahora con el ángulo apropiado para que todos los rayos luminosos alcancen el substrato. En este caso, si se utilizan materiales apropiados en la confección del reflector, el 98% de la radiación emitida penetra hasta el fondo reflejándose apenas el 2%.

Claramente, la diferencia entre los dos extremos es abismal. En el primer caso debo colocar 3 lámparas iguales para compensar las perdidas sufridas e igualar al segundo caso.

De estos dos ejemplos extremos se entiende claramente la importancia de utilizar un reflector diseñado específicamente para su uso en acuarios. En la segunda parte de este trabajo se trabajará el tema apropiadamente y se proporcionaran los diseños de varios reflectores que cumplan estas características.

Figura 9: Ejemplo de acuario A) Sin reflector B) Con reflector.

Efectos de la cobertura de vidrio en nuestro acuario

La cubierta de vidrio que normalmente se coloca en los acuarios para reducir la evaporación y evitar que los peces salten fuera, puede convertirse en una fuente importante de pérdidas lumínicas, en el caso que el mismo estuviese sucio o con incrustaciones. En este trabajo asumiré que el vidrio se halla perfectamente limpio, es transparente y se halla libre de incrustaciones calcáreas. En estas condiciones el vidrio introduce unas perdidas por reflexión mínimas a moderadas, dependiendo claro está del ángulo que subtienda la lámpara con el cristal. Para el caso del acuario anterior, las perdidas originadas por un vidrio ubicado a 5 cm de la lámpara y 5 cm de la superficie del agua²³, y utilizando la ecuación de reflexión citada en el punto anterior, es igual al 6.5% aproximadamente en el caso de no poseer reflector y de apenas el 0.8% en el caso que lo tenga.

Recordar que cuanto más cercana es la posición de la lámpara al vidrio, menor es el ángulo subtendido hacia los extremos del mismo y por lo tanto, aumenta el coeficiente de reflexión en forma considerable. Justamente, si existe un reflector que reduzca el ángulo máximo de incidencia, las pérdidas por reflexión se vuelven insignificantes.

Distintos tipos de fuentes luminosas artificiales.

Esta sección no intenta agotar bajo ningún aspecto todos los tipos de dispositivos para la emisión de luz, sino que sólo intenta caracterizarlos y colocar sus características principales e interesantes desde el punto de vista del acuarista. Disponibles para el aficionado existen esencialmente dos tipos de fuentes luminosas (existe un tercer tipo que es la emisión por semiconductores pero aún son demasiado onerosas para justificar su utilización):

Lámparas incandescentes

Las fuentes incandescentes son lámparas extremadamente económicas que logran emitir fotones a costa de elevar la temperatura de un filamento de algún material apropiado. Todas, sin excepción, producen enormes cantidades de rojos y muy pocos azules. Debido a que casi toda la emisión es en la zona del espectro infrarrojo, gran parte de la potencia consumida se emite en longitudes de onda fuera del visible, por lo que son lámparas de baja eficiencia en el rango fotópico. A su favor podemos nombrar que son de fácil instalación y no necesitan grandes cantidades de espacio, adaptándose a casi cualquier medida de acuario. Los nuevos reflectores dicroicos poseen además un poder de penetración en la columna de agua muy apto para acuarios mayores a 50 cm. iluminados solo con tubos fluorescentes, que permite mejorar el PURR a nivel del substrato. Algunos elementos contaminantes agregados al filamento, producen mejoras en el espectro de salida (como el neodimio que mejora notablemente la producción de azules), pero a costos de adquisición varias veces mayores que los estándar.

La relación PUR/Watt consumido es pobre y debe tenerse en cuenta el calor producido. Debido a que los fotones son emitidos por excitación térmica, la curva espectral es de pendiente “suave y continua”, prácticamente idéntica a la emitida por un cuerpo negro a la misma temperatura del filamento. Con estos términos ambiguos, “suave y continua”, quiero indicar que la curva no presenta un valor de emisión para una longitud de onda determinada abruptamente mayor que el que se observa en la vecindad de ese punto. En términos simples, esto implica que dos valores cercanos son sólo un poco mayores o un poco menores, y no radicalmente distintos. Una curva espectral típica de una lámpara dicroica estándar y una enriquecida con neodimio pueden observarse a continuación. Figura 10

Figura 10: Espectros de lámparas de tungsteno. A la izquierda “Airam LongLife 60w” y a la derecha “BLV Eurostar 50w” (dicroica especial con neodimio)

Lámparas de descarga

Las lámparas de descarga son lámparas que basan su funcionamiento en la emisión de fotones de energía relativamente alta (zona ultravioleta), generados por la relajación de los niveles energéticos de los últimos orbitales de los átomos de un gas ionizado, que se aloja en el interior de la lámpara y que es excitado por la corriente de alimentación. En otras palabras, la energía suministrada a la lámpara es momentáneamente almacenada por el gas que se halla en su interior, quien a cambio aumenta a un nivel de energía mayor, pero en un estado inestable. Esta energía “excedente” es liberada una fracción de tiempo después, en forma de radiación ultravioleta, al volver el átomo a un estado de equilibrio estable. Los posibles niveles de energía que pueden almacenar los átomos del gas no pueden tomar cualquier valor (son cantidades discretas o escalonadas perfectamente definidas). Los emitidos a su vez por el recubrimiento de la lámpara al recibir un fotón ultravioleta, tampoco pueden ser cualquier valor y también están distribuidos de manera particular según el material utilizado. Debido a este fenómeno, estas lámparas sí poseen curvas espectrales dominadas por picos de valores de emisión abruptos, rodeados de zonas de prácticamente no emisión u al menos emisión significativamente menor. De acuerdo a la presión del gas alojado en el interior de la lámpara y la tecnología que se utilice para convertir luego la radiación ultravioleta en luz visible, podemos hallar una cantidad enorme de tipos de fuentes luminosas. Las más comunes para el aficionado al acuarismo son:

Fluorescentes de baja presión: La luz es emitida por el efecto de fosforescencia+fluorescencia que se produce por la incidencia de los fotones ultravioletas sobre un material luminiscente. Debido a que es el material utilizado el que determina qué frecuencias de luz serán emitidas, se contamina con distintos tipos de elementos el fósforo en el recubrimiento, para obtener curvas espectrales más eficientes de acuerdo a la aplicación. Algunas de estas lámparas han sido formuladas específicamente para que posean los picos de emisión en zonas muy cercanas a los rangos óptimos de absorción de la clorofila, otros han sido diseñados para obtener la máxima emisión en la zona de sensibilidad del ojo humano y otros se han diseñado para obtener un índice de reproducción de colores excepcional (CRI>98). De estos últimos, y de acuerdo a la tonalidad final de la luz emitida, comercialmente, se los encuentra en variantes cálidas (rojizos), frías (azulados) o luz día (neutrales-verdosos).

Si bien puede verificarse que entre distintas compañías los espectros de los tubos luz-día (por poner un ejemplo) son similares, es importantísimo analizar siempre el espectro de emisión dado por el fabricante del mismo, para verificar si sirve a nuestros propósitos. Las lámparas fluorescentes de baja presión son lámparas económicas, de simple instalación y muy eficientes en los dos aspectos de interés PAR/Watt y lumen/Watt, debido a que generalmente casi no poseen emisión fuera del espectro visible.

En la siguiente ilustración Figura 11 podemos observar las curvas espectrales de tres lámparas fluorescentes distintas, observando cómo varía la distribución de potencia en función de la longitud de onda.

Lámparas de alta presión: Existe una inmensa cantidad de tipos diferentes, inclusive de distintos gases y hasta existen modelos que poseen un filamento incandescente para calentamiento previo del gas. La emisión en el espectro lumínico puede producirse por fosforescencia en la superficie de la lámpara, como en el caso anterior, o puede producirse por la emisión lumínica directa de las impurezas agregadas al gas.

Es imposible caracterizarlas en una sola explicación, sin entrar en detalles de cada una. Es de recalcar, que en este tipo de lámparas, es más importante aún que en el caso de las anteriores, analizar si el espectro de emisión se adapta a nuestros usos. Salvo los tipos más modernos de lámparas, no suelen tener factores de reproducción de colores elevados, por lo que su elección debe ser cuidadosa si se desea obtener una tonalidad de luz agradable al ojo humano.

Es de vital importancia prestar atención en el reflector utilizado en las lámparas en general. Mientras que en las lámparas de baja presión comúnmente no se utilizan reflectores o están pobremente diseñados, en las de alta presión suele contarse con reflectores sumamente eficientes y correctamente diseñados.

Este hecho, sumado a que la cantidad relativa de PURR emitida por las lámparas de alta presión es mayor, las hace ideales para su uso en acuarios “profundos” o con columnas de agua superiores a los 50 cm.

En el caso de escoger correctamente las lámparas de baja presión (predominancia de rojos, PURR relativo elevado) y dotarlos de un reflector diseñado específicamente a nuestros fines, es perfectamente posible reemplazar las lámparas de alta presión para su uso en acuarios profundos.

Un efecto secundario que algunos acuaristas aprecian en el caso de las lámparas de alta presión, es que tardan unos minutos en tomar su máximo brillo y esto permite a los peces adaptarse paulatinamente. Los tubos fluorescentes tradicionales tienen un encendido más brusco, pero el efecto puede compensarse o bien iluminando primero con una luz exterior o bien conectándolos en forma diferida mediante el uso de temporizadores.

Figura 11: Espectros de emisión de lámparas de descarga. A la izquierda tres fluorescentes habituales. De arriba hacia abajo, Philips TLD/54, TLD/840 y TLD/950. A la derecha tres lámparas de mercurio de alta presión de tecnologías diferentes. De arriba hacia abajo, ML 250w, HPI Plus 400w y CDM/942.

Mitos en la elección de fuentes luminosas

Es recién en este punto que ingresamos al tema de nuestro interés, cómo elegir la iluminación del acuario. Existen entre los aficionados muchos prejuicios en detrimento o exceso de determinadas fuentes luminosas, que perturban nuestra decisión a la hora de seleccionar determinado sistema de iluminación y me parece importante eliminarlos antes de continuar.

• “Los tubos fluorescentes para plantas (tipo Gro-Lux® o similar) iluminan poco”: Esto es absolutamente cierto desde el punto de vista del ojo humano (lumen) ya que distribuyen toda la potencia en emitir luz apta en los picos de fotosíntesis (alto PUR). Es tal vez uno de los casos más notorios junto con las lámparas de sodio, donde la relación PUR/potencia es mucho mayor que la relación lumen/potencia. Son tubos perfectamente aptos y recomendables. Sólo es necesario compensar la tonalidad violácea de la luz en el caso que el acuario sea de exposición.
• “Cuanto mayor sea el índice de correlación en grados kelvin mejor”: ¿Mejor para qué? Poco y nada tiene que ver este índice con la eficiencia de fotosíntesis, pero es cierto que tienen mejor penetración en la columna de agua. Desde el punto de vista del ojo humano, cuanto mayor sea este número, por el sólo hecho que las componentes son en general más azuladas y el agua absorbe primero las componentes rojas que las azules.
• “Hay que usar lámparas de alto CRI para que las plantas crezcan bien”: esto sólo es verdadero si la lámpara tiene un espectro apropiado en el rango de fotosíntesis. Por lo demás un elevado CRI asegura que los colores de los peces se reproducirán en forma bastante similar a los que se hubiesen visto bajo el sol a menos de un metro de profundidad y en aguas perfectamente transparentes con baja carga de ácidos húmicos.
• “Cuanto más costosa es la lámpara mejor”: nunca el parámetro del costo representa necesariamente una ventaja y sí puede significar una desventaja. Del análisis del espectro de emisión obtenemos si una lámpara es idónea o no para nuestro uso. La tecnología a la que pertenezca no le otorga éxito o fracaso automático.
• “Las lámparas incandescentes no sirven”: falso, en pequeños acuarios a veces son la única solución y si el acuario es plantado, y se utilizan plantas de poca exigencia lumínica, pueden desarrollarse perfectamente. Por otro lado una lámpara incandescente y una lámpara de mercurio hacen una combinación bastante interesante y de gran poder de penetración.
• “El espectro solar es plano y por lo tanto se deben usar lámparas de mercurio halogenado que también poseen el espectro plano”: Falso en ambas afirmaciones. Sólo un profundo desconocimiento del tema puede provocar una afirmación así. El espectro solar Figura 1 esta bastante lejos de ser “plano”, o suave en el sentido de una lámpara incandescente Figura 10, o una línea horizontal si se representa la emisión por longitud de onda. Ciertamente el único atributo que se podría utilizar para este tipo de lámparas es el de ‘completo’, en cuanto a la emisión en distintas longitudes de onda. El espectro de las lámparas de mercurio halogenado es más abrupto aún que el solar pero más completo que el de las lámparas fluorescentes estándar.
• “Las lámparas de mercurio halogenado son más eficientes”: primero que nada habría que compararlas en relación a una lámpara específica y definir los fines para los cuales se las compara. En caso de la iluminación del acuario plantado poseen eficiencias comparables (si no menores) a las lámparas de baja presión de calidad, pero con una relación costo/beneficio mucho menor. Si el objetivo buscado con estas lámparas es aumentar la radiación para fotosíntesis, es más eficiente combinar lámparas de mercurio normal con lámparas de vapor de sodio²⁴
• “Los tubos Gro-Lux® fueron diseñados usando algas y por lo tanto aportan más al crecimiento de las algas que de las plantas”: Falso, las algas son vegetales y son bastante similares en cuanto a las necesidades fotosintéticas al resto de las plantas presentes en los acuarios. Es cierto que las algas se adaptan mejor a la calidad pobre de iluminación y algunas poseen pigmentos que les permite asimilar la radiación amarillo-verdosa, pero por lo demás necesitan de la misma calidad de iluminación que una planta superior. Si algo hay que resaltar en el espectro de las lámparas diseñadas para optimizar la fotosíntesis, es que en general se utilizaron plantas terrestres, y por lo tanto carecen de un pequeño exceso de rojo que compensaría las perdidas en la columna de agua. En caso de tener exceso de algas se debe verificar el resto de los parámetros y su armonía en cuanto a la iluminación, antes de cargar la culpa directamente a la fuente luminosa escogida.

¿Cómo calcular la radiación necesaria para cada acuario?

Todo este resumen tiene sentido sólo para justificar este último punto. Calcular cuantas lámparas, y de que tipo, debo utilizar en el acuario plantado para asegurar el éxito de las especies que deseo mantener. No hay una sola respuesta a esta pregunta y cada aficionado deberá encontrar la suya. Reglas de X potencia por litro son leyes que pueden funcionar y pueden no hacerlo. Cualquier regla mágica que no tenga en cuenta el tipo de lámpara a utilizar, características del reflector utilizado, dimensiones del acuario, tipo de plantas y régimen a las que se desea mantenerlas, es una regla en principio equivocada.

Puede ser que en determinado rango de dimensiones de acuario, la regla funcione y en otro rango de casos aporte energía en exceso y por lo tanto otorgue un determinado grado de éxito, pero no será de uso general y, lo más importante desde mi punto de vista, no le da al aficionado ningún criterio de modificación o conocimiento sobre qué se está haciendo. Indicar el nivel de iluminación por cantidad de litros del acuario, es igual que recetar cierta cantidad de fertilizante por volumen sin tener en cuenta todo el resto de parámetros y necesidades. En el anexo 4 se detallan varios casos prácticos que pueden ser utilizados como guías para otros casos particulares.

Calcular la cantidad de µmol·s^-1 y calidad del espectro de emisión que necesito en un acuario se puede resolver en 6 pasos:

• Averiguar cuantos PAR necesito para las plantas que deseo cultivar y el ritmo de crecimiento que deseo para ellas.
• Fijar a qué profundidad estarán todas las plantas.
• Verificar cuál de todas las combinaciones PAR/profundidad es la más relevante.
• Con el valor hallado en c, averiguar cuál es el nivel de intensidad necesario en la superficie.
• Aplicar la eficiencia de nuestros reflectores, más posibles perdidas por cubiertas de vidrio del acuario, al valor anteriormente hallado.
• Elegir qué fuentes luminosas cubren con las expectativas de radiación espectro.

Veremos entonces qué implican cada uno de estos pasos. Antes que nada debemos definir qué tipo de crecimiento deseamos de nuestras plantas. De acuerdo al nivel de intensidad lumínica seleccionado, calcularemos el nivel de radiación²⁵.

• Nivel de intensidad lumínica mínimo: apenas arriba del punto de compensación de la fotosíntesis: sólo mantiene vivas las plantas, casi no se produce aumento de la masa corporal de las mismas. La actividad fotosintética se encuentra en su punto mínimo. Es un punto de equilibrio interesante, la planta consume una cantidad mínima de nutrientes y no produce prácticamente crecimiento vegetativo. El volumen de oxígeno producido es mínimo, al igual que el nivel de CO₂ necesario. Es realmente difícil que se produzcan casos de infestaciones de algas, pero pueden presentar problemas con las cianobacterias. No es necesario podar las plantas, el acuario permanece prácticamente invariante en el tiempo. El factor limitante suele ser justamente la cantidad de luz.
• Nivel de intensidad lumínica medio: entre el punto de compensación y de saturación: las plantas crecen vegetativamente a ritmos similares al promedio en la naturaleza. La necesidad de abonado externo es relativa, si el substrato está bien constituido, es innecesario el agregado de más nutrientes. El factor limitante es el CO₂: si no es aportado en forma externa, las plantas consumen todo el dióxido de carbono producido por los peces, procesos bacterianos y difusión atmosférica. El nivel de oxígeno suele ser apropiado para la cantidad de peces albergada en el acuario. El podado es espaciado pero constante.
• Nivel de intensidad lumínica máximo: igual o mayor al punto de saturación: la planta crece en la medida que el abonado se lo permita. El factor limitante es el CO₂ o el fertilizado externo, el substrato no puede sostener el nivel de crecimiento pasados los primeros meses de vida del acuario. El oxígeno se encuentra saturado, si no se agrega suficiente fertilizante de calidad o el CO₂ es menor al necesario, puede producirse clorosis y daño en los tejidos. Este tipo de acuarios es difícil de equilibrar, pero el crecimiento rápido de las plantas permite tomar medidas drásticas y corregirlas rápidamente en el tiempo. El podado es continuo y necesario para mantener el equilibrio. En general, es la única manera de mantener en acuarios plantas con alta exigencia luminosa.

Tomando en cuenta el tipo de acuario que uno desea mantener, es necesario elegir uno de estos niveles de iluminación. Realizado esto debe verificarse las necesidades de radiación de las plantas que serán adquiridas, verificando que están de acuerdo con nuestra elección. En general todas las plantas se desarrollan bien en el nivel intermedio, pero algunas necesitan ser mantenidas en algunos de los extremos. Teniendo en cuenta que es muy poca la información que existe sobre el nivel PAR necesario para cada planta, detallo en el Anexo II los datos que he podido recopilar, y que irán incrementándose con el aporte de todos.

Una vez obtenido este valor debemos tener en cuenta que las necesidades de radiación de las plantas suelen estar indicadas en las tablas por unidad de superficie. Si este fuese el caso, deberemos ajustar nuestro valor obtenido. Para ello multiplicaremos el nivel de µmol hallado por la superficie de nuestro acuario. Por ejemplo, si nos indican que las cryptocorynes necesitan un nivel de radiación de 45 µmol·s^-1·m^-2, y nuestro acuario tiene como medidas de base 120cm x 40cm, es decir 0.48 m² entonces necesitaremos 22 µmol·s^-1·m^-2 en el fondo de nuestro acuario para cubrir las mismas exigencias.

El siguiente punto es realizar las cuentas para obtener cuantos µmol·s^-1 necesito en la superficie de mi acuario.

Entiendo por superficie el punto dentro del agua más cercano a la superficie de la misma, es decir, ya penetrada la interfaz aire-agua. Utilizando la ecuación de Beer-Lambert podemos obtener la radiación en la superficie del acuario en función de la deseada a determinada profundidad. Esto sería

I_z=I₀·e^-ε·z

Por simplificación, utilizaremos la Tabla 2 previamente calculada y expresaremos la relación anterior como:

I_superficie = 100 · I_calculada · C%^-1

Donde C% es el porcentaje obtenido de la Tabla 2 para los valores de ε y profundidades apropiados.

Ahora sólo resta utilizar el factor de rendimiento de nuestro reflector y tener en cuenta las posibles pérdidas por reflexión en la superficie del vidrio que se utilice como cobertura del acuario. En la sección correspondiente ya hemos analizado este problema y podemos aplicar los coeficientes que correspondan según el caso.

Calculada la cantidad de radiación total, sólo nos falta un detalle para poder seleccionar las lámparas más apropiadas.

En la Tabla 3, se esbozan algunas recomendaciones de relación PURR/PURA según los distintos coeficientes de absorción y profundidades del acuario. Esta tabla está basada en la pérdida de rojos causada por absorción del agua, más un proporcional debido a la incidencia de la clorofila y el material orgánico disuelto.

Utilizando este coeficiente, buscamos las lámparas que en total mejor satisfagan nuestras necesidades. Por ejemplo, si el coeficiente es igual a 1.4 y debemos colocar dos lámparas, podemos utilizar una que ya posea esa relación PURR/PURA o utilizar dos de igual radiación, que posean individualmente una relación 0.9 y 1.9 para que en promedio sigan representando el coeficiente deseado. En el caso que las lámparas a sumar posean individualmente valores PAR diferentes, utilizar un promedio ponderado para obtener el coeficiente resultante.

Cabe aclarar en este punto que existen varios estudios que permiten afirmar que, en algunas especies, las plantas acuáticas han desarrollado pigmentos que les permiten absorber la radiación ubicada en el rango fotópico. Debido a que no existe un resultado taxativo, general y determinante al respecto, preferiré seguir intentando conservar el balance PURR/PURA que la planta hubiese recibido de la radiación solar en el caso de estar apenas sumergida. Si bien hay evidencia clara que indica que el fitoplancton absorbe más radiación en el extremo azul, resultados de trabajos en laboratorios indicaron un crecimiento foliar mayor en plantas iluminadas con un leve exceso de rojos.

Creo entonces apropiada la utilización de la Tabla 3, sobretodo en acuarios profundos donde se desee mantener plantas acuáticas tipo césped.

Conclusiones

Se ha presentado el método exacto para calcular con propiedad el nivel de iluminación necesario en un acuario determinado, sin utilizar reglas vagas o de dudoso origen. El aficionado que desea calcular apropiadamente su sistema de iluminación para optimizar el desembolso inicial y el gasto mensual ya posee herramientas para evaluar los distintos aspectos involucrados. Para cada punto se ha explicado brevemente los factores que intervienen en los cálculos y se obtienen del análisis de los mismos cuatro conclusiones importantes.

• Los factores más relevantes en el cálculo de la iluminación requerida por un acuario son las necesidades específicas de las distintas especies, el factor de absorción/scattering y la eficiencia del reflector utilizado.
• Es necesario presionar a los productores de plantas acuáticas para que comiencen a indicar en sus catálogos consideraciones más exactas en el nivel de iluminación necesario para cada especie. De la misma manera que nos indican el rango de dureza del agua en forma cuantitativa, debemos exigir que lo hagan con el nivel de iluminación.
• Es absolutamente necesario para la completitud de este primer trabajo, realizar un estudio pormenorizado que permita obtener la forma de un reflector ideal para acuarios que minimice las pérdidas por reflexión en la superficie y vidrios laterales.
• Es necesario llevar a cabo mediciones del coeficiente de absorción/dispersión en distintos acuarios, para obtener una cuantificación de la calidad óptica del agua de los mismos. Este estudio arrojaría un rango válido, así como también una media, que permita ajustar el cálculo de iluminación a niveles óptimos según los usos y características de nuestro acuario.

En el anexo 4 se presentan ejemplos de cálculos en distintas situaciones que pueden clarificar el uso de las tablas y métodos descriptos en este trabajo.

25 de agosto de 2003

Enlaces al resto del artículo:

Anexo I – Lista de factores de conversión Lumen – PAR

Anexo II – Requerimientos lumínicos para distintas plantas acuáticas

Anexo III – Información resumida de distintas fuentes luminosas

Anexo IV – Algunos cálculos de acuarios específicos

Notas

1) Distingo el término ‘luminaria’ de ‘fuente luminosa’ debido a que en algunos países de habla hispana se denomina luminaria al aparato que contiene la fuente luminosa. Durante este trabajo utilizare sólo el termino ‘lámpara’ como sinónimo de fuente luminosa.

2) El caso más común de este tipo de fenómeno en los últimos años, es la “reflexión” de la luz sobre el lado de información de un disco compacto para lectura óptica.

3) El rango de radiaciones consideradas en el visible, varía ligeramente entre distintos autores, pero tomaré el más general.

4) Por sus siglas en ingles, Colour Reproduction Index

5) La escala Kelvin se utiliza para medir temperaturas absolutas o termodinámicas. Hay que destacar que es incorrecto hablar de “grados kelvin” ya que debe decirse simplemente Kelvin, pero su uso es extendido y bastante aceptado por la comunidad científica. A los alcances de este trabajo sólo es necesario saber que está definida de manera tal que los 0ºC y 100ºC equivalen respectivamente a 273.15K y 373.15K.

6) El procedimiento exacto para definir qué cantidad experimental es asociada con 1 lumen está fuera de los alcances de este resumen, pero debido a que se utiliza como patrón la radiación de un cuerpo negro a una temperatura que ubica el centro de emisión en los 556 nm (punto de solidificación del platino), el resultado es una medición “acomodada” a lo aprovechable sólo por el ojo humano.

7) Los pigmentos principales son la clorofila A y B y los carotenos.

8) Según los autores y la especie estudiada existen pequeñas variaciones a estos dos rangos.

9) Parte de la radiación emitida puede originarse en fluorescencias de algunos de los pigmentos vegetales, pero debido a la poca incidencia de esto en el total emitido no lo tendré en cuenta

10) Por sus siglas en ingles, Phosynthetic Active Radiation.

11) El fotón es la entidad definida por la física como partícula portadora de la energía de la radiación electromagnética.

12) Esta es la forma más usual de los espectros entregados por los fabricantes, quienes poseen la longitud de onda en las abscisas y la potencia emitida en la ordenada. Verificar previamente las unidades de la ordenada y convertir a las que resulten apropiadas.

13) Modelar, para los alcances de este trabajo, implica representar la realidad mediante una o varias ecuaciones matemáticas, verificando que los resultados predichos por las mismas se ajustan con determinada aproximación a la medición empírica.

14) Existen otros motivos de absorción pero son relativamente de menor importancia.

15) Por sus siglas en ingles, Disolved Organic Carbon

16) Nombre que se da a los sistemas dulceacuícolas bajos en nutrientes y plantas, con alto oxigeno disuelto.

17) Se mide en la literatura como cantidad de Clorofila a disuelta. Habitualmente se considera 2 µg·l^-1 como un valor apropiado para este tipo de ambientes.

18) En la literatura se lo denomina por su nombre en ingles “scattering”.

19) Existen varios modelos matemáticos para representar la dispersión en medios líquidos, pero en todos los casos es necesario realizar una comprobación de campo que valide el modelo a utilizar.

20) La definición de ese coeficiente o su obtención a partir de las modificaciones que el material hace sobre un campo electromagnético está fuera de los objetivos de este trabajo.

21) Los términos “todo” y “nada” se utilizan como muy buenas aproximaciones dentro de los límites de este resumen.

22) Estos valores corresponderían, por ejemplo, a un acuario de 50cm de altura y 40 cm de ancho. La fuente luminosa a 5 cm del borde superior y en el centro del acuario.

23) En este caso el ángulo subtendido lámpara-vidrio es 76º en el extremo del acuario.

24) Esta combinación es una práctica habitual en invernaderos donde es necesario ampliar el foto período. En muchos casos inclusive, sólo es necesario utilizar lámparas de sodio, debido a que durante el día se compensa la radiación azul faltante en esta lámpara, con la aportada por la radiación solar.

25) Los términos ‘puntos de compensación’ y de ‘saturación’ se refieren a qué niveles de radiación son necesarios para mantener la fotosíntesis al mínimo sin pérdidas de reserva para la planta o para saturar las posibilidades fotosintéticas de la misma respectivamente.

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Glosario

• Agua destilada: Agua sometida a un proceso de evaporación y recondensación. Este proceso produce un agua muy pura ya que todo sólido disuelto queda retenido en el primer paso.
• Dureza o GH: Se define como dureza al contenido de iones de Calcio y Magnesio en agua. Históricamente se lo definió como dureza debido a que los jabones no formaban espuma en aguas duras. Los jabones son ácidos grasos de cadena larga cuyas sales de calcio y magnesio no son solubles en agua y precipitan. Se expresa habitualmente como mg/L de CaCO₃, aunque el calcio y el magnesio puedan provenir de cloruros, sulfatos, nitratos, etc. Para más información sobre este término...
• Solución: Acción y efecto de resolver una duda o dificultad. En química dicese de la mezcla homogénea de dos o más sustancias. Suele llamarse soluto al que esta en menor proporción y solvente al que esta en mayor, pero no siempre es así. El agua del acuario es una solución de numerosos solutos, siendo el agua el solvente.

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