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Spesso nei cataloghi e nei foglietti informativi delle lampade
sono riportate numerose informazioni tecniche, che potrebbero
essere di grande aiuto nella scelta del sistema illuminante, ma
il cui significato è talvolta abbastanza oscuro oppure
addirittura fuorviante.
Una delle ragioni di ciò è che la maggior parte
delle informazioni disponibili riguarda indici e parametri riferentesi
alle qualità "visive" della luce emessa da una
lampada, che però sono di minore importanza in un sistema
in cui la funzione della luce non è solo quella di "illuminare",
ma soprattutto quella di fornire l'energia raggiante necessaria
a molte funzioni biologiche o fotochimiche. Diviene pertanto interessante
sapere come "convertire" queste informazioni in altre
direttamente collegate alle funzioni di interesse. Il punto di
partenza è capire il significato di alcuni termini e di
alcune proprietà utilizzati in illuminotecnica che non
sono poi di così immediata comprensione. Occorre a questo
punto fare presente che esistono due sistemi ben distinti per
misurare le proprietà della luce emessa dalle lampade.
Si hanno infatti misure fotometriche, in cui vengono
valutate le proprietà visive della luce, e misure radiometriche
per le quali la valutazione è delle proprietà
fisiche della luce. Si può osservare che, anche se le proprietà
fisiche determinano le proprietà visive, i due sistemi
differiscono in quanto la vista è uno "strumento"
di misura della luce troppo limitato ed anche soggettivo per fornire
corrette valutazioni delle precise caratteristiche fisiche delle
radiazioni luminose. Inoltre non esiste ancora un sistema affermato
di misure "fotobiologiche" a cui affidarsi (alcuni tentativi
sono tuttavia stati fatti in questa direzione, ad esempio con
l'introduzione del PAR, Photosythetically Available Radiation,
che verrà descritto più avanti, o di altri indici),
anche se gli studi sugli effetti della luce sui sistemi biologici
sono numerosi, purtroppo con risultati talvolta contrastanti,
a causa principalmente dell'elevato numero di parametri in gioco
in biologia.
Alcuni argomenti sono qui trattati con una certa superficialità
ed anche con poco rigore e sicuramente i più esperti di
radiometria potrebbero trovare alcuni concetti esposti in maniera
non del tutto precisa, ciononostante la discussione dovrebbe contribuire
alla comprensione del significato di alcune comuni specifiche
tecniche delle lampade.
Come tutti sanno, la luce fornita dalle
lampade non è una radiazione monocromatica, cioè
non è costituita da un'unica lunghezza d'onda, bensì
è l'insieme di radiazioni a diversa lunghezza d'onda ciascuna
emessa con una certa intensità per formare nel complesso
quello che è lo "spettro di emissione" della
lampada.
Il campo di radiazioni luminose che interessa maggiormente in
acquariofilia è quello che va circa da 360 nm a 800 nm,
in quanto sono queste le radiazioni che coinvolgono, in diversa
misura, i sistemi biologici di cui fan parte anche i vari organismi
animali ed i vegetali ospitati nelle vasche. È già
fin da ora evidente che la vista umana non copre completamente
questa gamma di lunghezze d'onda, in quanto normalmente lo spettro
"visibile" è meno ampio e spazia approssimativamente
da 400 a 780 nm, mostrando tra l'altro una sensibilità
alle radiazioni molto variabile anche all'interno di questo pur
limitato campo.
D'altra parte anche lo spettro solare, cioè la distribuzione
delle intensità della radiazione in funzione della lunghezza
d'onda che dal sole arrivano sulla superficie terrestre, non è
costante ed è in certe condizioni più ampio ed in
altre più ristretto con una distribuzione spettrale piuttosto
variabile. In effetti la radiazione solare che arriva sulla superficie
terrestre dipende da molti fattori, quali il momento della giornata,
le condizioni meteorologiche, la latitudine, l'altitudine, la
riflessione dall'ambiente circostante ecc. Anche se si volesse
imitare lo spettro solare, ammesso che tecnicamente ciò
sia possibile, non è detto poi che questa sia la soluzione
migliore, perché in fondo non esiste una luce che vada
bene per tutti gli organismi. Ci sono organismi bisognosi di livelli
di luminosità più o meno elevati, ed anche nella
"qualità" della luce le esigenze possono essere
diverse. Ciò è particolarmente vero per gli organismi
acquatici ed ad esempio organismi abituati a vivere in acque basse
e pulite saranno adattati a ricevere una luce diversa da quella
di altri che vivono in acque profonde o torbide magari rese colorate
dalla presenza in acqua di diversi composti o particelle ed ai
quali la luce arriva "filtrata" da un certo spessore
di acqua con un assorbimento che tra l'altro dipende dalla lunghezza
d'onda. È vero che molti organismi sono in grado di adattarsi,
ma tale capacità non è illimitata e quindi, come
punto di partenza, sarebbe bene conoscere (talvolta questo è
il passo più difficile) quali sono le esigenze specifiche
degli organismi allevati. In fondo le soluzioni universali non
esistono e spesso è dunque necessario sperimentare di persona.
Tuttavia perché questi tentativi non siano alla cieca è
indispensabile avere un minimo di conoscenza delle prestazioni
che le lampade sono in grado di offrire. È questo in fondo
l'obiettivo della presente discussione.
Specifiche delle lampade
Le specifiche che vengono fornite più frequentemente riguardano:
L'informazione che una lampada emette una luce con una certa temperatura
di colore significa semplicemente che questa luce, alla vista
umana, appare di un certo ben determinato "colore".
E questo colore dovrebbe
essere all'occhio umano lo stesso della luce emessa da un "corpo
nero" (cioè da un corpo ideale capace di assorbire
completamente le radiazioni di ogni lunghezza d'onda) portato
a quella temperatura (vi è da notare che un corpo nero
emette una radiazione con uno spettro che segue ben precise leggi
fisiche e che perciò è anche facilmente calcolabile).
Ma un'altra lampada che appare ai nostri occhi emettere luce sempre
dello stesso colore (e che pertanto ha la stessa temperatura
di colore) può possedere una distribuzione spettrale completamente
diversa. E, poiché è quest'ultima la proprietà
della luce più importante in biologia, ottica, fotografia,
acquariologia ecc., allora il valore della temperatura di colore
rappresenta un'informazione che da sola è di ben poca utilità.
Per i tubi fluorescenti, che vengono prodotti in una gamma molto
vasta in cui tra l'altro è possibile scegliere tra tubi
a diverso spettro, ma con medesima temperatura di colore, questo
fenomeno è evidente.
Con le fotografie che seguiranno, scattate con pellicola diapositiva
per luce diurna, si cercherà di illustrare meglio questo
fenomeno, anche se la riproduzione sullo schermo di un computer
soffre di limiti nella fedeltà di riproduzione dei colori.
Nella seguente immagine sono state fotografate le luci emesse
da tre lampade a diversa temperatura di colore. Le lampade sono
Philips della serie TLD 9xx ed in particolare la 930 (temperatura
di colore=3000 K), la 940 (temperatura di colore=4000 K), la 965
(temperatura di colore=6500 K). Immagini del tutto analoghe si
otterrebbero con altre lampade fluorescenti (ad esempio Osram)
presenti sul mercato e di simili caratteristiche.
Si può notare che la tonalità del colore della luce
emessa diventa via via più "fredda" all'aumentare
della temperatura di colore. È bene fare presente già
fin da ora, come si vedrà meglio più avanti, che
tutte queste tre lampade sono a spettro cosiddetto "completo",
per cui l'emissione non è limitata a bande di emissione
(cioè a ristretti campi di lunghezza d'onda), come avviene
in altre lampade fluorescenti, ma distribuita con una certa uniformità
in tutto il campo del visibile. La diversa temperatura di colore
e quindi la diversa tonalità sono dovute alle maggiori
intensità delle emissioni a lunghezza d'onda lunga (verso
il rosso) nel caso delle lampade a minore temperatura di colore,
mentre le lampade a valori più alti della temperatura di
colore mostrano intensità di emissione più elevate
nelle lunghezze d'onda corta (verso il blu).
Nelle due immagini precedenti vengono confrontate tra di loro
lampade con la medesima temperatura di colore. Infatti la 940
e la 840 hanno entrambe una temperatura di colore di 4000 K, mentre
la temperatura di colore è di 6500 K sia per la 965 che
per la 865. Le lampade della serie 8xx mostrano una netta dominante
verdastra, anche se alla vista umana la tonalità della
luce sembra la medesima delle lampade della serie 9xx!!
(Vi è da notare che la diversa esposizione in queste
due ultime foto rispetto alla foto precedente tende a fare apparire
meno saturi i colori delle stesse lampade a causa della diversa
luminosità, ma il confronto all'interno di una stessa foto
rimane significativo).
La pellicola fotografica (con sensibilità alle differenze
"cromatiche" diversa da quella dell'occhio umano) è
invece in grado di rilevare la differenza che appare, d'altra
parte, evidente negli spettri di emissione. Un confronto in termine
di spettri di emissione è perciò riportato nel grafico
seguente dove compare anche lo spettro di emissione del corpo
nero a 4000 K.
Come è apparente nella figura la lampada della serie 8xx
presenta una maggiore discontinuità nello spettro che infatti
risulta meno uniforme di quello della 940 con la presenza di picchi
di emissione più accentuati e basse o bassissime emissioni
a diverse lunghezze d'onda. Inoltre appare notevolmente accentuato
il picco di emissione attorno ai 550 nm (a cui corrisponde una
radiazione giallo-verde). Infatti questo tipo di lampade privilegia
in modo particolare l'emissione a queste lunghezze d'onda essendo
questo il campo di radiazioni a cui l'occhio umano è più
sensibile, cosicché possono apparire più luminose
(ma soltanto alla vista umana) di altre lampade con spettro
più uniforme. Per chiarire ulteriormente questo punto,
nel grafico seguente gli stessi spettri vengono confrontati con
la curva di sensibilità dell'occhio umano (sensibilità fotopica, cioè a livelli medio-alti di illuminazione).
Nessuna meraviglia dunque che le lampade della serie 8xx sembrino
(ma, come detto, solo in apparenza, vale a dire solo alla vista
e quindi anche per le misure fotometriche) emettere più
luce.
Alcune lampade molto utilizzate in acquariofilia come le Interpet Triton, le Sylvania Aquastar e le Philips Aquarelle (tutte lampade trifosforo) sembrano possedere caratteristiche molto simili (ad
esempio temperatura di colore dichiarata dal fabbricante di 10000
K per le Aquastar e le Aquarelle, o dichiarata "non misurabile"
per le Triton) e gli spettri appaiono
essere quantomeno simili. Pure la luce emessa sembra essere per
la vista della medesima tonalità ed anche sulla pellicola
fotografica a luce diurna, come appare nella seguente fotografia,
le differenze nella luce emessa da queste tre lampade sono minime.
La conclusione è che queste tre lampade sono, per quanto
riguarda la radiazione emessa, praticamente equivalenti, anche
se la Triton vanta, a detta dei produttori, particolari qualità
in termini di durata. Si può anche osservare che, in accordo
con l'elevata temperatura di colore (10000 K), la pellicola ha
registrato una luce che sostanzialmente è bluastra, mentre
all'occhio umano la luce di queste lampade appare rosata ad ulteriore
conferma che la vista può essere molto ingannevole nel
giudicare le proprietà radiometriche di una luce.
Nella foto seguente si può osservare invece il confronto
tra la luce emessa da una Aquarelle (10000 K) e da una TLD 965
(6500 K).
Infine è interessante notare come la pellicola fotografica
sia in grado di rilevare la differenza notevole che può
esservi nella luce emessa da alcune delle diverse lampade disponibili
sul mercato. Nella foto seguente il confronto è tra una
Aquarelle (trifosforo da 10000 K), una TLD 930 (a spettro completo
da 3000 K) ed una TLD 840 (da 4000 K).
La differenza registrata dalla pellicola fotografica è
maggiore di quella apparente alla vista umana, che pure per queste
lampade è anch'essa in grado di rilevare una significativa
diversità nella tonalità di luce.
Si è visto che il valore della temperatura di colore fornisce
un'informazione incompleta, che indica soltanto che la luce emessa
appare all'occhio umano approssimativamente
di un certo definito "colore". Oltre alle limitazioni
rilevate nel paragrafo precedente esiste tuttavia un ulteriore
inconveniente. Infatti per due luci diverse avere la stessa temperatura
di colore non comporta necessariamente che gli oggetti illuminati
appaiano poi alla vista dello stesso colore. Anche sotto questo
aspetto perciò la sola temperatura di colore fornisce un'informazione
insufficiente.
Ad esempio uno stesso oggetto porpora illuminato da una lampada
Philips TLD/840 o da una Philips TLD/940 apparirà all'occhio
umano di colore sostanzialmente diverso perché nel campo
delle lunghezze d'onda che contribuiscono alla resa visiva di
tale colore lo spettro d'emissione delle due è molto diverso
nonostante esse sembrino, osservandole direttamente, emettere
la stessa luce, avendo la stessa temperatura di colore di 4000
K. E qui entra in gioco la "resa del colore di sorgenti luminose"
per la cui valutazione il sistema più diffuso è
"l'indice generale di resa del colore Ra".
Il meccanismo su cui si basa è il seguente: "si valutano
le differenze tra i colori che certi oggetti standard presentano
sotto la sorgente in esame e poi sotto la sorgente di riferimento....
La sorgente di riferimento da impiegare è funzione della
temperatura di colore della lampada in prova. Per esempio
per sorgenti in prova con temperature prossimali di colore minori
di 5000 K, esso è il radiatore di Planck o corpo nero.
Per temperature di colore uguali o maggiori di 5000 K, si impiegano
gli illuminanti della serie D (Daylight). Le temperature di colore
delle due sorgenti devono essere le più vicine possibile."
(da "Misurare il colore", Hoepli editore, a cura di
Claudio Oleari). Vi è da notare che gli illuminanti della
serie D forniscono una luce che, come spettro, è piuttosto
vicina a quella della luce solare. Poiché "le lampade
ad incandescenza hanno una distribuzione spettrale di potenza
quasi identica a quella della sorgente di riferimento" (che,
si ricorda, è, fino a 5000 K, il corpo nero) allora il
loro indice di resa del colore è praticamente massimo (Ra=100).
Questo tuttavia non significa che le lampade ad incandescenza
forniscano una luce migliore (o simile a quella solare) perché
per molti fini la loro temperatura di colore è troppo
bassa ed è in effetti di molto inferiore a quella della
luce solare (la luce appare con toni molto più "caldi"
di quelli della luce del sole) e quindi inadatta per molti scopi
(tra cui l'illuminazione in acquario e la fotografia con pellicole
diurne e senza filtri). Ad esempio una normale lampadina ad incandescenza
mostra una temperatura di colore di circa 2500-2800 K , molto
lontana dalla temperatura di colore della luce solare del mattino
o pomeriggio (circa 5000-5500 K) o della luce solare di mezzogiorno
(circa 6000 K, oppure valori anche superiori se il cielo è
velato) (La fonte di alcuni di questi dati è :"Il
libro della fotografia a colori", Feininger, Garzanti ed.).
Questa caratteristica dunque rende inadatte per l'uso in acquari
le sorgenti a temperatura di colore così bassa, almeno
come unica fonte di illuminazione. Per una lampada la combinazione
di una temperatura di colore di 5000-6000 K con un valore elevato
dell'indice di resa del colore (quanto più prossimo a 100)
fornisce invece l'indicazione che molto probabilmente si è
abbastanza vicini alla distribuzione spettrale della luce solare.
Queste lampade esistono e sono quelle a spettro completo con indice
Ra il più alto possibile. Sotto questo punto di vista le
Philips 950 (temperatura di colore=5300 K ed Ra=98) ed Osram Deluxe
12 (temperatura di colore=5400 K ed Ra=98) appaiono tra quelle
che più si avvicinano alla luce solare, insieme eventualmente
alle Osram 72 Biolux e Philips 965 (temperatura di colore=6500
K ed Ra=97-98). Le Philips TLD 950 ed Osram 12 sono tra l'altro
anche quelle più consigliate per le applicazione in cui
occorre fare una valutazione visiva dei colori di oggetti. D'altra
parte ciò è confermato anche dai risultati che si
ottengono fotografando con pellicola tarata per luce diurna degli
oggetti illuminati da lampade a diversa temperatura di colore
e/o indice di resa dei colori. In tale caso le foto fatte di oggetti
illuminati da lampade da 5000-6000 K ed elevato Ra (>95) mostrano
solo leggere dominanti di colore, mentre forti dominanti di colore
sono presenti se la sorgente di colore è ad indice Ra più
basso o caratterizzata da temperatura di colore significativamente
al di fuori del campo 5000-6000K.
Nelle seguenti foto sono riportati i risultati ottenibili fotografando
con pellicola invertibile per luce diurna una tabella di colori
ed il cartoncino grigio Kodak a riflessione 18%, che viene utilizzato
normalmente in fotografia per la valutazione di dominanti cromatiche
e dell'esposizione.
In queste due foto la temperatura di colore della sorgente luminosa
è la stessa (6500 K sia per la 965 che per la 865), ma
l'indice di resa dei colori diversa (Ra=98 per la 965 ed Ra=85
per la 865). Questa differenza comporta che la resa dei colori,
anche nella fotografia, appaia migliore con la lampada ad Ra più
elevato. Infatti i colori ed il grigio del cartoncino sono resi
abbastanza fedelmenti con la 965 e sembra esservi solo una leggera
dominante azzurrina, che invece è piuttosto marcata e tendente
al verde nella foto scattata illuminando con la 865.
Scendendo con la temperatura di colore (nelle foto precedenti
la 940 e la 840 emettono entrambe luce a 4000 K), si osserva uno
spostamento dei colori verso toni caldi cioè tendenti al
giallo-rosso. Questa è la dominante presente nella foto
relativa alla 940, che presenta un Ra elevato e pari a 95, segno
che la luce emessa è abbastanza simile a quella emessa
da un corpo nero (Ra=100) alla temperatura di 4000 K. Nella foto
scattata con la lampada della serie 8xx (la 840 in questo caso)
è ancora presente la solita dominante verdastra a causa
del picco di emissione attorno a 550 nm che le lampade di questa
serie presentano per apparire più luminose alla vista.
Una conseguenza di cioè è che l'indice Ra risulta
più basso (Ra=85) e lo spettro di emissione sarà
abbastanza diverso da quello del corpo nero a 4000 K .
Nella foto qui sopra la dominante giallo-rossa è ancora
più evidente che nella foto relativa alla 940, in quanto
la temperatura di colore con la 930 risulta ulteriormente più
bassa (3000 K). Il fatto che l'indice Ra sia abbastanza alto (Ra=95)
indica ancora che la radiazione emessa dovrebbe essere abbastanza
simile a quella del corpo nero a 3000 K. Tale radiazione sarà
anche abbastanza simile a quella emessa da una lampada ad incandescenza
in quanto le differenze in termini di temperatura di colore (circa
2700 K per la lampada ad incandescenza e 3000 K per la lampada
in esame) e di indice Ra (circa 100 per la lampada ad incandescenza
e 95 per la lampada in esame) sono abbastanza contenute (questo
significa anche che fotografando sotto questa sorgente luminosa,
si possono ottenere discreti risultati utilizzando le pellicole
tarate per lampade ad incandescenza, cioè al tungsteno).
Per la Sylvania Aquastar, la Philips Aquarelle e la Interpet Triton,
commercializzate per l'utilizzo in acquari, una tonalità
blu appare essere prevalente, segno che lo spettro è ricco
di queste radiazioni con una certa percentuale non trascurabile
anche di raggi UVA. Inoltre le differenze tra queste tre foto
sono minime confermando che le tre lampade si assomigliano molto
per il tipo di luce emessa. La non trascurabile frazione di radiazioni
rosse presenti nello spettro porta anche a rilevare una certa
dominante di questo colore che, ad occhio nudo, è più
avvertibile che attraverso una fotografia.
In conclusione una luce simile a quella solare la si ottiene se
la temperatura di colore è tra 5000 e 6500 K e l'indice
Ra è prossimo a 100. Tuttavia questo non significa che
questo tipo di illuminazione sia in assoluto quello preferibile
e sia la migliore scelta in tutti i casi per l'utilizzo in acquari,
sostanzialmente perché non è detto che la luce solare
sia la migliore da utilizzare in acquario (anche se probabilmente
in molti casi costituisce una buona scelta). Occorre per esempio
considerare che se si ritenesse che le condizioni migliori sono
quelle presenti in natura nelle acque di origine e si volesse
perciò riprodurre tali condizioni, si dovrebbe tenere conto
che lo spessore dell'acqua attua una filtrazione della luce assorbendo
in misura differente radiazioni a diversa lunghezza d'onda, per
cui lo spettro disponibile in realtà (ammesso che sia quello
ottimale) varia anche con la profondità e con le proprietà
"ottiche" (trasparenza, presenza di particelle in sospensione
e/o di sostanze coloranti nell'acqua) dell'acqua attraversata.
Possono esistere anche altri motivi che suggeriscono di allontanarsi
da un'illuminazione simile a quella del sole, come ad esempio
la realizzazione di un maggior potere illuminante (per la vista
umana), la ricerca di speciali effetti sulla biologia di piante
ed organismi, l'ottenimento di particolari risultati cromatici,
ecc.
Per questi motivi non esiste un'unica soluzione ideale, ma occorre
tenere presente le esigenze specifiche dei vegetali e degli animali
ospitati. Questo è il punto di partenza, dopodiché
con i dati tecnici delle possibili sorgenti luminose ed i criteri
di valutazione descritti in questo documento, ognuno dovrebbe
essere libero di scegliere e sperimentare come meglio crede.
Occorre anche considerare che, nella lotta contro le alghe infestanti
ed a favore delle piante acquatiche o di altre alghe superiori,
l'illuminazione costituisce uno solo dei numerosi fattori che
contribuiscono al successo. Inoltre molto probabilmente non esiste
un'illuminazione che sia favorevole per le piante e che allo stesso
tempo inibisca la crescita delle alghe. Si può tuttavia
cercare un'illuminazione ottimale per le piante ospitate, cosicché,
pur se di per sé è apprezzata anche dalle alghe,
alla fine si arrivi nella competizione delle piante con le alghe
alla supremazia delle prime togliendo alle seconde nutrienti,
spazio e possibilità di crescita. Tuttavia, affinché
ciò avvenga, è necessario che anche tutti i rimanenti
fattori (nutrienti, CO2, movimento dell'acqua, parametri
chimico fisici dell'acqua, ecc.) siano ottimali. Inoltre occorre
tenere conto anche dei tempi di adattamento (la capacità
di piante e di alghe di adattarsi parzialmente a diverse condizioni
di luce è un fenomeno ormai assodato), che per le alghe
sono generalmente più brevi che per le piante. Perciò,
quando si cambia il tipo di lampade, anche se le nuove condizioni
di illuminazione sono migliori per le piante, inizialmente il
risultato può essere quello di assistere ad un aumento
(temporaneo si spera) delle alghe, più pronte a beneficiare
delle condizioni migliori. Questo comporta che talvolta sia necessario,
per valutare i risultati, attendere tempi che possono essere anche
piuttosto lunghi ed arrivare ad alcuni mesi.
Attualmente esistono è vero alcune tendenze per l'illuminazione
dei diversi tipi di acquari, che sono trattate brevemente nell'ultima
sezione di questo documento, ma che, come ben sa chi ha seguito
la storia e l'evoluzione dell'illuminazione in acquari, sono probabilmente
destinate ad essere superate da nuovi studi, da nuovi prodotti
ed anche, perché no, da nuove mode. Quello che allo stato
attuale sembra tuttavia assodato è che le lampade a spettro
completo siano, per l'utilizzo in acquari, superiori alle altre.
Da notare che le lampade che in genere vengono comunemente indicate
come Daylight, Coolwhite, Warm white ecc. non necessariamente
sono a spettro completo, anzi in genere con questi termini vengono
siglate lampade che presentano parecchie lacune nello spettro.
Temperatura di colore ed indice di resa dei colori sono indici
utili e rapidi per valutare approssimativamente la qualità
di luce emessa, ma, come visto, non del tutto completi, anche
se avere a disposizione entrambi può di fatto fornire già
molte indicazioni. Tuttavia l'informazione più completa
rimane quella fornita dallo "spettro" della luce emessa
dalla lampada in esame, perché contiene tutte i dati per
valutare che la luce possieda le caratteristiche desiderate (cioè
l'opportuna intensità di radiazione ad ogni lunghezza d'onda),
anche se talvolta è difficile sapere quale dovrebbe essere
lo spettro ottimale per ottenere certi risultati od interpretare
le curve spettrali che vengono presentate. L'analisi dello spettro
è particolarmente utile nel caso in cui, come spesso è
opportuno fare, si utilizzi una combinazione di lampade diverse,
in quanto non ha molto senso fare una media delle temperature
di colore o degli indici di resa del colore, mentre una "somma
degli spettri" prendendo in considerazione ogni singola lunghezza
d'onda ha viceversa un significato ed una giustificazione fisica.
Per convenienza vengono riportati, collegati ad una tabella
con altre utili informazioni, molti spettri che possono essere
di interesse.
L'indicazione dell'efficienza luminosa espressa in lumen per watt
(cioè espressa come "flusso luminoso" emesso
per unità di potenza assorbita dalla lampada) non ha in
pratica interesse in acquariologia, mentre trova larga e sensata
applicazione nell'illuminazione di luoghi di lavoro e di soggiorno,
cioè per l'illuminazione di ambienti in cui gli uomini
(dotati del limitato senso della vista) operano e vivono. Questo
perché i lumen (od i lux cioè i lumen che arrivano
sulla superficie illuminata per metro quadrato) sono unità
di misura specifiche della fotometria, che è la branca
della fisica in cui le radiazioni sono valutate in base alle loro
caratteristiche visive, od in altre parole di un sistema che considera
solo la potenza illuminante della radiazione per la vista umana.
Ma la visione dell'occhio umano presenta diversi limiti essendo,
ad esempio, l'occhio molto sensibile a radiazioni di certe lunghezze
d'onda e poco ad altre (ad esempio agli infrarossi ed agli ultravioletti
l'occhio è cieco). Nelle funzioni biologiche attivate dalla
luce ed indispensabili in acquario sono invece fondamentali e
necessarie radiazioni di lunghezza d'onda alle quali l'occhio
umano è poco o per nulla sensibile e che quindi pesano
poco o nulla sull'illuminazione per un osservatore umano. Dunque,
visto che in fotometria vengono tenute in conto le sole esigenze
della vista umana, allora la risposta degli strumenti per la misurazione
dei lumen (e dei lux) tiene conto solo della sensibilità
dell'occhio umano. Esistono norme ben precise in tal senso elaborate
dalla CIE (Commission Internationale de l'Eclairage) che fissa
ad esempio la curva "fotopica" a cui gli strumenti si
devono adeguare per tenere conto della sensibilità dell'occhio
umano nella visione diurna. Ad esempio per lo "osservatore
fotopico" si ha un massimo di sensibilità per la radiazione
a 555 nm (attorno al giallo-verde), ma la sensibilità cala
abbastanza rapidamente per radiazioni a lunghezza d'onda inferiori
o superiori ed ad esempio le sensibilità a 500 nm e 625
nm sono pari solo a circa il 32 % di quella a 555 nm. Questo significa
che, nella misurazione del flusso luminoso in lumen, radiazioni
anche di fondamentale importanza per l'uso in acquario hanno poco
peso (ad esempio nel blu, nel rosso e negli UV-A), mentre il massimo
peso si ha per le radiazioni giallo-verdi che, pur essendo molto
importanti per fornire luce alla visione, hanno relativamente
poca importanza per molti processi biologici (ad esempio le foglie
di molte piante con clorofilla appaiono verdi appunto perché
la radiazione verde viene riflessa e non viene quindi quasi per
nulla assorbita od utilizzata). Quindi, a meno che non si sia
interessati alla sola resa per la vista umana, si rende necessario
un "metro" di valutazione che non faccia riferimento
al flusso luminoso in lumen, ma a qualche altra grandezza più
significativa per piante, animali e microorganismi. Si è
visto che lo studio dello spettro emesso può essere di
aiuto per la "qualità" della luce, ma per la
determinazione del numero di lampade necessarie a fornire la "quantità"
desiderata di luce della qualità voluta occorrerà
fare dunque riferimento a qualche altra grandezza di diretta utilità
che non può essere il flusso luminoso (questo sembra a
questo punto evidente anche se purtroppo spesso si sente affermare
al contrario che è preferibile fare riferimento a quest'ultima
quantità).
Da un'elaborazione dei dati relativi allo spettro ed al flusso
luminoso, che si possono trovare nelle specifiche tecniche di
molte lampade, è possibile tuttavia ricavare il valore
di potenza emessa sotto forma di energia raggiante per molte lampade.
È questo un dato che è sicuramente più interessante
del flusso luminoso in lumen in quanto fa direttamente riferimento
all'energia emessa sotto forma di radiazione indipendentemente
dalla sensibilità dell'occhio umano. Un ulteriore passo
in avanti può essere fatto prendendo in considerazione
il meccanismo con cui viene utilizzata l'energia raggiante in
ogni processo in cui questa interagisce con la materia (e dunque
anche in tutti i processi fotochimici e fotobiologici). In effetti
il "mattone" attraverso cui l'energia raggiante può
essere utilizzata è il fotone, che rappresenta l'entità
elementare di energia luminosa. Perciò è importante
avere una misura di quanti fotoni vengono emessi (nell'unità
di tempo) dalla sorgente in esame. Dal momento che l'energia posseduta
da un singolo fotone dipende dalla lunghezza d'onda della radiazione,
se la radiazione non è monocromatica (cioè non è
costituita da una radiazione ad un'unica lunghezza d'onda) non
è possibile ricavare dal solo valore della potenza raggiante
globalmente emessa il numero di fotoni emessi. Se però
si conosce anche la distribuzione dell'energia emessa in funzione
della lunghezza d'onda (vale a dire se si conosce lo spettro)
questo diventa possibile. Il PAR (Photosythetically Available Radiation) è direttamente collegato al numero di fotoni
nel campo di lunghezze d'onda di interesse (in genere da 400 a
700 nm perché si ritiene che questo sia il campo in cui
la radiazione può essere generalmente utilizzata nei processi
di fotosintesi).
Nella figura seguente è riportata la risposta relativa
di un luxmetro (che segue la curva fotopica) a confronto con quella
che dovrebbe possedere lo strumento ideale per la misurazione
del PAR e con quella mostrata da uno strumento relativamente economico
per misurare il PAR.
Praticamente l'idea del PAR è nata nel 1972 (anche se questo
termine è probabilmente apparso successivamente) dagli
studi di Keith McCree che ha mostrato che uno strumento che conta
i fotoni (quantum meter) è in grado di prevedere con maggiore
precisione la fotosintesi di quanto non riescano a fare i normali
luxmetri! Evidentemente il passo successivo sarebbe quello di
vedere all'interno del campo in cui il PAR viene uniformemente
misurato (400-700 nm) quali sono le lunghezze d'onda che più
contribuiscono alla fotosintesi. Seppure molti studi siano stati
fatti in questa direzione per capire come "vedono alghe e
piante" (ad esempio i lavori di McCree e la curva spettrale
delle piante secondo Elgersma, di cui si parla anche in Aquarium
Oggi, n.2, 1998, pag.48) non esistono forse metodi o curve universalmente
adottati forse proprio perché tutto sommato ogni pianta
ha proprie esigenze, per cui una media abbastanza generica come
quella fornita con il PAR può essere già sufficientemente
significativa e non ha senso andare troppo nel dettaglio, se non
per un sistema ben specifico. Questo tuttavia non significa che
la conoscenza del PAR sia del tutto sufficiente a determinare
l'efficienza di un sistema illuminante per la crescita delle piante
in quanto, pur essendo il PAR un indice sicuramente più
significativo del flusso luminoso, deriva pur sempre da una "media"
fatta all'interno di un campo piuttosto ampio di lunghezze d'onda,
da cui non si evince ad esempio la distribuzione spettrale al
suo interno, che pure può rivestire sicuramente un'importanza
fondamentale.
Dopo questa premessa è interessante vedere come si comportano
le normali lampade fluorescenti in termini di flusso luminoso
fornito, potenza raggiante e PAR. Nella seguente tabella e nel
successivo grafico sono riportati i valori ricavati per alcune
delle lampade prima considerate (poiché in questo caso
l'emissione è per una determinata lampada, il valore riportato
del PAR si riferisce ad una lampada e non all'unità di
superficie).
Tabella per lampade da 36 W
|
|
Flusso luminoso
|
Potenza raggiante
|
PAR
|
|
|
lm
|
W
|
mEinstein/s
|
|
TLD 840
|
3350
|
11.1
|
47.9
|
|
TLD 940
|
2350
|
10.2
|
45.5
|
|
TLD 965
|
2300
|
9.8
|
42.6
|
|
Aquarelle
|
2450
|
12.1
|
47.1
|
L'aspetto più interessante da notare è che, nonostante
il flusso luminoso sia sensibilmente più alto per la lampada
della serie 8xx (serie, come si è detto, che privilegia
la luminosità per la vista umana, emettendo specialmente
nel campo dove l'occhio è più sensibile), per quanto
riguarda potenza raggiante e soprattutto PAR le differenze risultano
significativamente più ridotte. Dunque anche se la "efficienza
luminosa" in lm/W (intendendo come luminosità quella
per l'occhio umano) è maggiore per le lampade della serie
8xx, l'effettiva resa energetica e la resa in termini di numero
di fotoni emessi variano invece molto meno da una lampada all'altra.
Considerando inoltre che, come discusso in precedenza, la distribuzione
spettrale non è certo ottimale
per quanto riguarda le lampade 8xx ed equivalenti, allora appare
evidente che le lampade a spettro completo (9xx ed equivalenti)
sono più adatte per l'uso in acquari. In altre parole le
lampade a spettro di emissione più uniforme (normalmente
ad Ra molto elevato), anche se risultano avere valori più
bassi dell'efficienza luminosa (e pertanto ai nostri occhi appaiono
meno luminose) rispetto a lampade con spettro più ricco
di radiazione giallo-verde, risultano più "efficienti"
per l'uso in acquario. Il discorso può essere allargato
anche alle cosiddette "fitostimolanti"
che solo in apparenza sono meno luminose, essendo invece ottimizzate
ed efficienti per l'uso a cui sono destinate, cioè per
emettere alcune radiazioni che si suppongono utili alla crescita
di piante (soprattutto terrestri in quanto quelle acquatiche hanno
esigenze generalmente diverse). Un'altra conseguenza è
che, visto che il rapporto tra energia emessa ed energia assorbita
dipende poco dalla lampada che si è scelta, allora per
indicare la quantità di luce necessaria si può tranquillamente
con buona approssimazione fare riferimento direttamente alla potenza
assorbita dalle lampade, come d'altra parte è quasi sempre
stato fatto in acquariologia con le solite prescrizioni di calcolare
un certo numero di watt ogni litro di acqua nella vasca.
Va comunque osservato che, anche se la resa varia poco da un tipo
di lampada all'altro, allo stato attuale le lampade fluorescenti
più efficienti dal punto di vista energetico sono quelle
da 36 W, perché la geometria della lampada con le dimensioni
delle lampade da 36 W è tale da rendere massima la trasformazione
dell'energia elettrica assorbita in energia raggiante. Inoltre
praticamente tutti i tipi di lampade fluorescenti esistenti vengono
prodotti in questa potenza e di conseguenza la varietà
e la reperibilità sono molto superiori a quelle per le
altre potenze. Pertanto, anche in fase di acquisto o di costruzione
dell'acquario, la possibilità di montare lampade da 36
W può essere uno dei tanti fattori da tenere in considerazione
nella scelta delle dimensioni della vasca.
Risposte alle domande più frequenti sull'illuminazione
in acquari
Nota: rispondendo a domande del tipo: "qual è la
migliore lampada da utilizzare ? ", l'unica certezza è
che si cadrà nella generalizzazione e di conseguenza anche
nella superficialità. I motivi possono essere diversi e
riassumibili principalmente nella limitatezza delle conoscenze
attuali, nel continuo sviluppo degli impianti di illuminazione,
nella variabilità delle esigenze dei sistemi da illuminare,
nei diversi obiettivi che ciascuno si propone, nel peso che il
giudizio personale ha. In pratica non esiste una risposta definitiva
e quindi ogni risposta va valutata con senso critico. Tuttavia
ritengo che sia forse opportuno cercare di rispondere (anche se
le risposte fornite saranno volutamente abbastanza sintetiche
e non esaustive) se non altro per fornire argomenti di base ad
una discussione che possa favorire un progresso nelle conoscenze.
Pertanto si considerino le seguenti risposte come un giudizio
personale o contingente e non assoluto.
Nota: Inviare eventuali suggerimenti ed
osservazioni a G. Camera Roda
Prima stesura: dicembre 1998
Ultima modifica: 2 ottobre 2000
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