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[译] 礁岩水族馆中的光

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发表于 2019-10-31 21:21 | 显示全部楼层 |阅读模式
  • 专题文章:礁岩水族馆中的光
    原作者:Dmitry Karpenko,Vahe Ganapetyan

    也许每位礁岩爱好者都愿意提供“正确的”光给他的珊瑚-合适的光谱和强度。在考虑如何实施“正确的光”之前,我们将首先尝试了解海洋生物在自然环境中会获得哪种光。
    首先,请看7月份斐济的太阳能光谱分布,图1:
    image20.png
    图1海平面的太阳光能的光谱分布
    图的水平轴是以纳米为单位的波长,垂直轴是以W / m 2 ·nm为单位光谱辐照度。人眼对大约400至700nm之间的辐射敏感,因此我将波长范围短于400nm(紫外线)和长于700nm(红外辐射)标记为黑色,而可见波颜色则是肉眼看到的颜色。
    图1中的图表是使用SMARTS 2.9.5科学模拟软件考虑了大气中各种成分的光吸收和天空的散射光之后从地球大气边界处的太阳光谱获得的。
    现在让我们尝试找出海洋生物在自然环境中可以使用的光谱类型。在为礁岩缸建立理想灯具的尝试中,我们将尝试在水下某些深度产生相似的光谱分布。
    不同的珊瑚种类生活在不同的深度:一些生活在非常浅的水域,而深水珊瑚(如深水珊瑚)则可发现在8000米(约5英里)的深度。所有珊瑚物种中约有20%是非光合作用的。他们不需要任何光作为食物来源。,但是最常在家里水族箱饲养的珊瑚物种大多都是需要光合作用的但。我们将设法弄清他们喜欢哪种光。
    由欧洲委员会环境与可持续性研究所[4]编制的,不同波长的太阳光照射到海水中的图表:(图2):
    image7.jpg
    图2 不同波长透过海水的深度
    横轴是光的波长(以纳米为单位),纵轴是深度(以米为单位),在该深度处该波长的强度等于表面强度的百分之一。从该图清楚可见,大约370至500nm之间的波长最好穿透到深水中。换句话说,光谱中的紫色和蓝色部分最能渗透到海水中,而绿光比较差,橙黄更差,波长大于600nm的红光只能穿透非常浅的海水。
    可以将表面上的光谱定义为函数I 0(λ),其中λ是波长,I 0是零深度处相应波长的强度。因此,深度D处的吸收光谱I a(λ)可确定为
    I a(λ)= I 0(λ)·K(λ)·D(1)
    其中K(λ)是海水对波长的吸附。
    深度D处的光谱等于表面I 0(λ)的光谱减去吸附光谱I a(λ):
    I(λ)= I 0(λ)-I a(λ),
    或通过将(1)代入该表达式,我们将得出:
    I(λ)= I 0(λ)·(1-K(λ)·D)(2)
    从这个表达式中,我们可以得出光渗透到海水中的图d(λ):
    d(λ)=(1- I(λ)/ I 0(λ))/ K(λ))(3)
    假设图2中的图形基于以下假设:指定深度的光强度等于表面强度的1%,即I(λ)= 0,01·I 0(λ),我们可以简化(3):
    d(λ)= 0.99 / K(λ)
    此函数d(λ)是我们的光渗透到海水中的曲线图,如图2所示。使用该图,我们可以确定海水中的光吸收与波长K(λ)的关系:
    K(λ)= 0.99 / d(λ)(4)
    通过将表达式(4)代入(2),我们可以得出给定深度D的光的光谱分布:
    I(λ)= I 0(λ)·(1-0.99·D / d(λ))(5)
    其中,I 0(λ)是表面的光谱,d(λ)是光渗透到海水中的曲线图(图2)。
    使用表达式(5)和图1和图2中的图表数据,我们可以得出给定深度下光能分布与波长的关系图。例如在同一张图(图3)上,我们描绘了光在表面以及5m(约16.4英尺)和15m(49英尺)深度处的相对光谱分布。注:15米是我们仍能找到许多需要光照的珊瑚的最大深度。在20米以下,需要光照的物种数量急剧减少。
    image13.jpg
    图3在5m(蓝色)和15m(深蓝色)深度处的光谱分布与波长的关系(浅蓝色)
    浅蓝色图对应水面上的辐射,蓝色图对应于5m深度,深蓝色对应于15m深度。随着深度的增加,光谱中的红色部分实际上消失了。
    在数亿年的进化过程中,海洋光合作用生物最善于利用光谱中的紫色和蓝色部分,这部分在它们的环境中更为丰富,对红色光谱不是很敏感(相反,红色光谱是陆生植物最积极利用的)。海洋光合生物中的共生虫黄藻是一种原始的卟啉藻类[5],主要含有叶绿素a和c以及类胡萝卜素类色素(橄榄苷、黄嘌呤等),在光谱的蓝绿色部分表现出很强的吸收。(6、7、22)。
    图4[22]为虫黄藻对光的吸附。
    image5.jpg
    图4虫黄藻的光吸收
    横轴是波长(以纳米为单位),纵轴是吸附(以任意单位为单位)。从图中可以看出,紫色和蓝色明显优于红色(注意,对于红色光谱,最好选择660-680nm范围)。
    从以上我们得出的主要结论是,紫色和蓝色光对于海洋光合生物至关重要。

    了解了光谱中珊瑚的天然特性后,我们现在要考虑下一个重要问题:不同光谱范围的辐射如何影响珊瑚的颜色?

    在我们考虑光谱对珊瑚着色的影响之前,我想指出的是,即使是同一珊瑚的着色也会根据条件而显着变化。不幸的是,即使在同一个水族馆中,也很难为珊瑚提供完全相同的条件-而对于两个不同的水箱则更加困难。如果没有为珊瑚提供合适的条件,那么其他尝试来改善它们的颜色,例如调整光谱,将是徒劳的。
    经验丰富的珊瑚饲养员很清楚,在不同的情况下,同一种珊瑚的颜色是如何变化的。最主要有三个因素影响:
    1.光谱和光照强度
    2.适量的食物(尽管珊瑚虫营养很大一部分来自虫黄藻,但它们也可以使用水螅体捕食有机物残渣),
    3.干净的水体。最后一个因素是最容易控制的:保持礁岩缸水清洁的技术是众所周知的。第二个因素也很容易解决,因为市场上有很多高质量的珊瑚食品。与此同时,许多水族学家认为,如果有鱼生活在一个珊瑚礁水族馆,珊瑚将从喂鱼时漂浮在周围的小颗粒中获得足够的食物(鱼的粪便也会被珊瑚吃掉)。
    光线是保持健康和珊瑚颜色所需的最后一个重要因素,但在珊瑚礁饲养方面尚未进行充分的研究。
    然而,情况相当复杂,因为珊瑚可能非常多变,甚至同一物种可能包含不同的色蛋白(负责着色的蛋白质)——它们的种类和数量也由基因决定,就像人类眼睛的颜色一样。这些蛋白质中有许多是荧光的;就是它们吸附一定波长的光,并反射不同波长的光。
    图5显示了相同物种的四个标本,Acropora millepora,其中主要存在不同的色蛋白:
    image19.png
    图5 带有不同色素蛋白的A属珊瑚:(A)色蛋白浓度低,虫黄藻的颜色占主导;(B)绿色荧光蛋白;(C)红色荧光蛋白;(D)非荧光色蛋白。图片由英国南安普敦大学(University of Southampton)C. D'Angelo博士和J. Wiedenmann博士提供,《珊瑚杂志》,11月/ 12月/2011年
    荧光不仅存在于硬珊瑚中,也存在于水螅珊瑚和纽扣珊瑚中,它们在所谓的短波“光化光”光照射下颜色更亮(注:这里的光化光是指光谱在400-450nm的灯,与生物学释义不同)。
    珊瑚的荧光非常美丽,但并不总是容易观察到。看一下人眼的光度函数(光谱灵敏度图)(图6)。眼睛的光敏元件由两种细胞类型表示——视网膜视锥细胞和视杆细胞。第一个负责区分颜色,第二个负责区分灰色调。视锥细胞在白天工作得最好,而视杆细胞在晚上工作得最好。记住“所有的猫在黑暗中都是灰色的”这句话。这是因为我们主要是在黑暗中观察视杆细胞,而不是视锥细胞。杆状体无法区分颜色:它们只能感知物体的相对亮度。杆状体对光谱中翠绿部分最敏感,其波长约为510纳米(当然,通过杆状体观察时,这种光只被认为是一种更亮的灰色阴影,而不是绿色。

    视锥细胞有三种类型,每一种都对光谱的特定部分敏感。S型视锥细胞对紫色和蓝色敏感(S代表短波长),m型视锥细胞对绿色和黄色敏感(中波),l型视锥细胞对橙色和红色敏感(长波长)。这三种视锥细胞(以及光谱中对草绿色敏感的视杆细胞)负责人类的颜色视觉。这些杆状物含有一种对颜色敏感的色素——视紫红质,它们的光谱特征取决于光照条件。对于弱光,视紫红质吸附峰约为510nm(黄昏时天空的光谱)。因此,当颜色难以分辨时,杆状体就负责黄昏视觉。在较高的光照水平下,视紫红质光漂白剂的灵敏度降低,吸附峰向蓝色区域偏移。因此,在充足的光线下,人的眼睛可以把这些视杆细胞当作短波(蓝色)光探测器。s细胞在400-500nm范围内敏感,最高在420-440nm;m细胞在460-630nm范围内敏感,最大在534-555nm;l细胞在500-700nm范围内敏感,最高在564-580nm[1]。长波长和中波长视锥的灵敏度范围广泛且相互重叠。因此,认为某些锥体类型只对某些颜色起反应是错误的——它们只是对某些颜色的反应比其他[2]更活跃。人的眼睛在M型和l型视锥细胞敏感度之和为555nm的范围内最敏感(黄绿色光)。人眼感受器的整体光谱灵敏度函数[3]如图6所示::
    image6.jpg
    图6眼睛的光度函数
    这里的一个重要结论是,人眼对光的敏感性取决于波长。例如,对于555nm波长,感知到的同等功率辐射要比450nm处的亮度要高27倍。对于420nm,这种差异增加到57倍,对于410nm,这种差异增加到135倍。
    人类在视觉上感知任何物体都是它的反射光和物体的本征发射的总和(如果一个物体在某一波长范围内的总发射量高于该区域内下降的光能,则该物体被认为是发光的)。通常物体只反射光线,它们的颜色是由比率决定的,在这个比率中,不同波长的光线落在物体表面上,被吸附或反射。例如,绿色的叶子可以吸附所有可见的波长,除了被反射的绿色——因此我们认为它是绿色的。当一个物体不仅反射而且发射它自己的光时,眼睛将发射和反射的光谱结合成它所感知的颜色。产生的颜色取决于反射光和发射光的强度和波长的比例。这种颜色的添加最好的说明如图7所示:
    image1.png
    图7加色法的色彩混合
    查看计算机显示器时,您会看到此图所示的效果:屏幕上的每个像素都由三个子像素组成:红色,绿色和蓝色,并且所有颜色都是通过强度结合而获得的。
    请注意,纯紫色及其色调,如品红或紫红色,在非光谱或超光谱方面是独特的:这些颜色没有特定的波长,它们是混合物,其中一个必需的成分是波长约为400nm的紫色[13],和红色。如果一个特定的光源在这个范围内没有辐射,那么整个调色板中多达20%的颜色就会丢失——而这些都是非常明亮的颜色和它们的阴影!同样有趣的是,通过将黄色和蓝色相结合,得到的颜色在视觉上被认为是纯白色。
    色觉主要是遗传的。我们不是在讨论色盲等色觉缺陷,而是每个人都以自己的方式感知颜色,这种差异可能是非常显著的。显然,能够调整灯具的光谱分布,找到一个单独合适的颜色分布是非常重要的。

    为了观察珊瑚的荧光,我们将用特定波长的光照射荧光蛋白。请看海洋生物[9]中最常见的荧光色素的吸附和辐射波长图,如图8所示:
    image3.jpg
    图8海洋生物对荧光色素的吸附和反射波长。该图由Dan Kelley提供
    横轴是在各种色素蛋白中引起荧光的波长;纵轴是荧光反射的波长。你可以看到几乎所有的色素都能吸收短波长,释放出长波长。正如我们上面所显示的,眼睛最容易受到550纳米范围的影响,反射的光越接近这个波长,就会越亮。因此,海洋生物中特定的蛋白质可以吸附肉眼可见的短波长,并发出荧光,使它们看起来更明亮。在纯“光化光”光下,光只包含较短的波长,我们的鱼缸会发出明亮的颜色,而来自固定装置本身的光几乎是肉眼看不到的。这给人的印象就像是给每个珊瑚或息肉安装了微型灯泡,它们在黑暗中明亮地发光!

    眼睛所看到的珊瑚颜色还取决于照射光的颜色。我们看到的任何物体的颜色都代表照射光光谱的反射部分。正如我们在上面指出的那样,当用全光谱光照射时,大多数陆生植物的叶子几乎吸收了可见光谱的所有部分,并反射了绿色部分-因此我们将它们感知为绿色。但是,如果我们用缺少光谱的绿色部分的光(例如,红光)照射叶子,则它们对我们来说将是黑色的,因为所有光都被吸收了。以类似的方式,白色物体在全光谱光下看起来是白色的,因为它均匀地反射了光谱的所有部分,但是会“吸收”我们向其投射的任何光的颜色:红色,绿色,蓝色或其组合。

    回到珊瑚-让我们考虑一种含有蛋白质的生物,当受到420nm的光照射时,它会发出520nm的荧光。为了简单起见,假设我们的光源只辐射420nm波长,而珊瑚完全吸附了这种光,没有反射。人眼对这种波长的敏感度极低(几乎看不见),而对珊瑚发出的荧光波长的敏感度最高。我们将在“黑暗”的纯光化光中很好地看到这种荧光。如果光源包含其他波长的辐射,那么海洋生物的颜色就会由荧光和反射光叠加起来。如果光源包含眼睛非常敏感的波长(尤其是在接近550纳米灵敏度峰值的地方),我们将主要看到来自固定装置的光,在这个明亮的背景下,我们对珊瑚荧光的感知将是微弱的。
    我们的结论是,为了更好地观察荧光,我们应该用这样的光照射鱼缸,使它的反射部分对我们观察珊瑚辐射的光的妨碍最小。所有色素蛋白的荧光所需要的波长是很多的,没有一个波长可以用来制造理想的光化光。从图8可以看出,荧光的下降波长范围很广,主要在400 - 500nm之间,不同的生物有不同的荧光蛋白组。为了获得最佳的荧光,我们需要根据特定鱼缸的需要,在400到500纳米范围内调节光谱的能力。
    请注意,在400-450nm范围内将观察到最强的荧光,特别是因为该范围内的眼睛灵敏度非常低。该范围内的光通常称为“光化光”。
    当然,珊瑚的荧光是珊瑚礁池美丽的主要因素之一,但400-500nm范围内的光还有其他的重要性:它是促进海洋光合作用的最理想的光。因此,这一部分的频谱对于礁岩缸至关重要。
    这一结论与该领域的实验研究非常吻合[16]。在相同数量的红,绿和蓝光下,鹿角珊瑚片段存活了六周。该文章的结论是“珊瑚色素沉淀的增强主要取决于光谱中的蓝色成分,并在转录水平上受到调节”,并且“在绿光照射下观察到的gfp样蛋白的光驱动积累可能是由于残留的蓝光通过了绿色滤光片。” 实验还表明,在430nm范围内的辐射最有效地促进了珊瑚的保护性亮色:“在已知的FP和CP中,a和c在约430 nm处,使它们适合有效地屏蔽动物黄藻的光合系统。”

    光的强度对荧光蛋白的生长和活性产生也非常重要。
    也许可以通过不同波长的光辐射能量的光谱分布来描述光源。这种特性通常用光谱曲线来表示。然而,对于大多数普通光源,光谱特性通常是不可用的,取而代之的是以流明来估计光通量。
    流明中的光通量是人眼所感知的可见光辐射功率-取决于眼睛对不同波长的敏感度。注意:一个流明是一个光源在一个球面弧度的立体角(顶点处锥角约为65.5°)上均匀发射的总光通量。坎德拉(Candela)是光源在给定方向上的发光强度,该光源发出555nm波长(即人眼在峰值灵敏度处的波长)的单色辐射,并且在该方向上的辐射强度为每立体角1/683瓦。
    波长555nm处的一瓦特的光功率相当于683 lm。对于任何其他波长,它等于单位时间内某一波段的辐射能量和该波段相对视见率的乘积。为了确定一个光源发出的总流明,我们需要把所有发出波长的流明加起来。
    很明显,在光谱的不同部分,强度相等的光能会被眼睛感知到不同:在400-450nm范围内的强大光源会被认为是非常暗淡的光,而在红外区域发出的光源会看起来是黑色的。因此,仅当光的光谱分布不重要并且只有眼睛能感知的亮度时,才可以对流明中的光束进行估算。
    在我们的情况下,用于确定光辐射的更合适的参数是每秒落在每个平方米上的光子数量:μmol·光子/ m 2 / s。

    在数亿年的进化过程中,海洋光合生物适应了不同的光功率水平。对于每个光合生物,可以定义三个阈值[14]。首先(最低强度)决定了维持光合作用生物的生物量所需的最低光量,即不会导致质量增加或减少的最低光量。第二个阈值与光合效率最高的光照有关。第三个上限是可以利用的最大光-在这个阈值之上,光合速率没有提高。这三个阈值取决于特定的生物体,但我们可以对生活在浅水中的海洋光合生物体进行估算。我们可以安全地称为80-100μmol·光子/ m2 / s 低照度,150-200(中等)和300-400(最佳)。光合作用的饱和极限约为600-700μmol·光子/ m 2 / s。
    在我们的鱼缸中,我们应当实现比最低阈值更好的照明,最好接近最佳阈值。
    让我们考虑另一只用Acropora millepora进行的实验,以说明在非最佳照明条件下,以及当光照水平为该物种的最佳值时,发色蛋白的产生(图9)。

    照明

    100
    400
    红色荧光灯
    image11.jpg
    绿色荧光
    image26.jpg
    日光
    image9.jpg
    图9用Acropora millepora进行的实验说明了缺乏光合作用的色素蛋白的产生,以及该物种的最佳光照强度。
    关于光强度,这项工作还指出,在低于100μmol·光子/ m 2 ·s的光照水平下不会形成色蛋白,并且其数目随着光强度的增加几乎线性增长,直到约700μmol·光子/ m 2·s。
    然而,在家庭水族馆提供尽可能多的光线并不总是一个好主意,因为在如此高的照明水平下,珊瑚可能会对它的环境参数要求非常高。在不完美的条件下,如此高的光照水平会产生相反的结果:珊瑚白化。
    实验表明,对于普通和荧光色蛋白而言,最佳光照水平可以改善珊瑚的生长和着色。
    综上所述,对海洋光合生物最有益对短波是400-500nm,对它们着色最有用是400-450nm。




    让我们考虑一下珊瑚缸中最受欢迎的光化光源。这些大多是荧光灯,主要辐射400-500nm范围,例如Giesemann Actinic Plus,图10:
    image27.jpg
    图10典型的光化荧光灯管:基士文 珊瑚蓝(Giesemann Actinic Plus)
    观察这个灯泡的光谱分布,我们可以看到,除了珊瑚荧光所需的纯光化光谱以外,在550nm附近还存在明显的“寄生”峰。正如我们已经指出的那样,人眼对此范围内的波长的敏感度比对引起荧光的“光化”范围的敏感度高20倍以上(见图6)。
    因此,这个灯泡在视觉上感觉相当明亮,几乎是白色,但带有强烈的蓝紫色,由于这种寄生辐射在可见范围内,所产生的荧光将部分“变暗”。
    近年来,人们多次尝试制造窄范围的“光化”灯泡。其中最好的是Giesemann POWERCHROME actinic plus,显著降低了450-500nm的部分(图11):
    image23.jpg
    图11 Giesemann POWERCHROME actinic plus的光谱
    我们可以看到,这个灯泡的“寄生”部分的光谱更小,而420-430nm的范围则更好。但是,由于在550nm处仍存在峰值,该灯泡也仍然看起来相当明亮。到目前为止,在常规荧光灯下观察珊瑚缸中的荧光并不那么有效。
    绝望吗?不!最近,在固态照明领域有了一个突破,许多用于珊瑚缸的灯具现在都使用了led灯。LED灯具相对于传统光源的优势很多;我们只考虑主要因素。
    优点1:效率更高,产生的热量更少
    提高效率有两个方面。首先,在将电能转化为光的过程中,led的效率是传统荧光灯或金属卤化物灯泡的两倍。其次,led只在平面的一个方向辐射,因此不容易阻挡自身的光线。通过使用合适的透镜,LED光可以很容易地集中在需要的区域。好的LED镜头尺寸紧凑,可以将产生的90%的光传到水下。相比之下,当使用带有反射器的传统灯泡时,通常只有40%的光线穿透水面。最好的反射器(通常很笨重)可以产生高达60%的透光率,灯泡本身会部分阻挡来自反射器的光线。最好的LED灯具的综合效率是最好的(传统)灯泡的三倍。因此,led可以减少4.5倍的热量。这意味着,在珊瑚缸上安装一个LED灯具,我们可能不需要昂贵的制冷设备(这也会消耗大量电力)。因此,LED灯具非常节能,对经济和环境都有好的影响!
    优势2:寿命更长
    作为固态光源,发光二极管没有像白炽灯丝那样快速损耗的部件。当工作在额定电流或低于额定电流,只要它们不会过热,高质量的LED老化的非常缓慢。当然,LED也有其特定的需求,在设计灯具时必须考虑这些特殊的需求。
    如果提供足够的散热和调节到适当的功率,当今市场上最好的LED(Cree XT-E,LUXEON Rebel ES)的使用寿命确实很高。当然,这些是新的LED,其运行已经经过了数十年的测试,使用复杂的模型,可以估算其寿命和该期间的亮度下降。我们将参考两种此类预测:基于Cree模型(我们称为“最坏情况”或“悲观模型”),在括号中,我们提供基于Philips模型的LUXEON Rebel ES的数字(称为“乐观模型”)。如果满足所有要求的运行条件,则在运行40(150)万小时后,我们仍将获得LED初始辐射功率的70%。这些数字相当于一个灯具每天使用12小时的年限为10年(33年),在此之后,led将继续失去亮度,在100(200)千小时后达到初始值的50% !
    灯具上单个LED故障的概率非常低,在5万小时的运行期间约为1%,在此之后,该概率增加到20万小时的50%。灯具中的几个LED通常是串联在一起的,因此,如果一个LED坏了,整根线都会受到影响。如果我们从统计数据上看,对于一个200个led的固定装置来说,这很可能在10年内发生。然而,LED损坏是一个概率事件,一个特定的发光二极管可能会在其生命的最初几个小时内被“烧坏”。实际上,如果条件良好,现代LED的使用寿命将很长。
    相比之下,传统的荧光灯需要每4到6个月更换一次。根据我们最坏的情况,这意味着在一个LED装置的生命周期内,至少要更换20次。如果用于礁石照明的专用灯管的成本可能很高,那么LED灯具可以节省大量成本;不仅是金钱,而且还有购买和更换灯泡的时间。
    让我们来计算一下使用LED装置可能节省的费用。一个300W的LED灯具可以替代在160加仑SPS缸上的900W的T5灯具。10年后,LED灯具将节省((900-300)/1000)*12*365*10=26280KWh的电力。电的价格取决于你住在哪里,用了多少电,可能还取决于你什么时候用,而同一家供应商的电价可能在每千瓦时[17]12c至50c之间。对于我们的估算,我们将使用每千瓦时15c的采样率,这是一个合理的示例(您可以通过查看您的账单了解您实际支付了多少电费)。基于15c每千瓦时的例子,led灯具将为您节省3942美元的电力。如果我们把一个特殊的80W T5灯泡的平均成本定在25美元左右,我们将在灯泡更换上额外节省25*10*20= 5000美元。你10年后的总共节省大约8942美元。这是一个“最好的情况”的估计,我们没有考虑很多额外的费用——例如,一个冷却器散热的成本,以及与它的操作相关的能源成本。除此之外,还有一些非金钱的价值——比如10年内不用为灯具提供维护的舒适感!到目前为止,在运行期间的直接节省比最昂贵的LED灯具的成本高好几倍。换句话说,你不仅可以免费得到它,而且在它的一生中还会给你带来一生的收益!

    优势3:能够调节光谱和强度
    使用可调光驱动可以很容易调节led发出的光时。水族经常使用特殊的控制器来模拟日出和日落,类似于白天的自然光照变化。值得注意的是,与高纬度地区相比,赤道地区的日落和日出要快得多,而且白天与黑夜相等(即总有12小时的光照周期)。如图12[20]所示:
    image8.png
    图12显示了一天的时间(A-E)如何影响入射阳光的角度。图片由NASA地球天文台提供
    地表的实际辐照度取决于多种因素,如云量、空气中的水汽量、大气湍流度等。图13[21]显示了在大堡礁典型日测量到的日照。


    image24.jpg
    图13 1998年9月2日大堡礁One Tree Island的辐照度和太阳高度(南纬23°30',东经152°06')(图片由A. Salih提供,未公开数据)
    还要注意,当太阳光以小角度接触水面时,光线几乎完全反射。反射也取决于风速。这些依赖关系由图14[21]中的图表说明。
    image14.png
    图14阳光反射率与太阳辐射的关系。从完全光滑的水面反射的太阳光相对于太阳高度的理论和测量百分比(基于Weinberg,1976年的计算; Grichenko in Weinberg,1976年)
    这意味着,直到太阳在地平线上升起大约15度时,水下的自然光照才足以进行光合作用。在此之后约30分钟内,照度迅速增加到每日最大值的一半。因此,实际的光周期约为9小时。这些是水族复制自然光周期应考虑的因素。
    为了得出进一步结论,现在让我们考虑光的重要特性。
    首先是是跟色温相关的CCT。给定光源的CCT描述了绝对黑体辐射出类似光谱的温度。黑体越热,CCT越高,光越蓝或“冷”。作为一个例子,阳光有一个黄色的色调,而蓝色的巨人——表面温度很高的巨大恒星:10000K以上(例如天狼星)——用肉眼看起来也是蓝色的。

    让我们比较两个不同CCT的绝对黑体在不同条件下的辐射光谱 [10]。图中还显示了主要的波长。图15为5500K CCT光源的光谱,图16 -为6500K CCT光源的光谱:
    image10.png
    图15 CCT 5500K光源的光谱
    image21.jpg
    图16 6500K光源的光谱
    您可以看到,主波长随CCT的增加而增加:对于6500K CCT的相对较暖的光,它等于444nm。对于8000K CCT灯泡,计算出的波长约为420nm。实际上,超过20000K的CCT毫无意义。但是,灯泡制造商经常将光谱“缩小”到特定的特殊范围,从而提供具有类似于图17所示光谱的灯泡:
    可以看出,主波长随着CCT的增加而增加:相对较暖的6500K CCT的主波长为444nm。对于一个8000K的CCT灯泡,计算的波长大约是420nm。通常来说超过20000K的CCT毫无意义。但是灯泡制造商经常将光谱“缩短”到一个特殊范围,从而提供具有类似于图17所示光谱的灯泡:
    image25.png
    图17 Grassy glow超级蓝25000K灯泡的光谱
    即使此灯泡的主要波长约为450nm,其CCT仍为25000K![11]
    因此,CCT不能作为比较特定光源光谱的标准。此外,即使CCT值很高,也不能保证我们得到所需的“光化”光谱。
    另一个重要特征是CRI-显色指数。不幸的是,这个术语经常被错误地解释。它描述了光源对物体颜色感知的影响。该参数显示了与理想光源(具有相同色温的绝对黑体)相比,具有特定CCT的光源如何正确地呈现被照亮物体的颜色。为了确定CRI,一套8个标准颜色样品分别用光源和具有相同色温的背板灯照射。如果没有一个样本改变颜色,CRI等于100。该指数与样本颜色变化的数量成反比。一般认为CRI在80以上是好的。然而,重要的是要知道,CRI是为具有相同色温的光源计算的。比较2700K, 82 CRI光源和5000K, 85 CRI光源是不合适的。

    请注意,CCT和CRI只适用于全光谱光源。单色光的CRI接近于零,其CCT无法计算。看看图15,图16,你可以看到一个很宽的光谱,从120nm开始到3000nm结束。在这整个范围内,存在一个明显的最大值,大部分能量在一个窄波段内辐射。黑体的辐射光谱永远不会像单色光源的光谱那样具有窄带尖峰的形状,因此计算此类光源的CCT是没有意义的。
    所有的荧光灯和MH灯泡均具有不连续的光谱,(而太阳光有一个连续的光谱)。离散光谱是在汞(和其他金属)蒸气放电的结果,在不同波长处有几个峰值,大部分在紫外线范围内。灯泡上的荧光粉可将这种辐射转换成窄带的可见光。离散频谱与连续频谱的关系如图18所示:
    image2.png
    图18连续频谱(上方)和离散(下方)光谱
    间隙-离散光谱中缺少波长-意味着在这种照明下无法正确呈现某些色彩,因此,光源的显色指数(CRI)较低。当然,灯泡制造商试图避免光谱上的巨大差距。看看流行的珊瑚MH灯泡的光谱:BLV HIT 10000K, BLV HIT 14000K(图19)。
    image17.jpg
    图19金属卤化物灯泡BLV HIT 10000K(a)的光谱。
    image15.jpg
    图19金属卤化物灯泡BLV HIT 14000K的光谱(b)。
    这些灯泡在光谱上没有使得某一特定光谱强度降为零的很深的间隙,因此都是全光谱灯泡,并且可以确定其CRI。同时,它们表现出清晰的离散峰,这意味着当使用这些灯泡时,无法实现精确的色彩再现。请注意,在本示例中使用了具有不同色温的灯泡:10000k-14000k。它们的主要区别在于第二个灯泡中400-440nm辐射显著,而460nm峰缺失。这是合乎逻辑和清楚的:一个绝对黑体的温度越高,它的光谱就越会转移到短波区。由于400-450nm的范围对于珊瑚缸来说是最重要的,而且为了吸引客户,制造商通常会计算CCT来满足他们的兴趣,我们可以放心地说,仅当声明了大约20000K的CCT时,才能实现所需范围内的最大辐射。看看具有20000K CCT的400W Hamilton金属卤化物灯泡的光谱(图20):

    image12.jpg
    图20具有20000K CCT的400W Hamilton金属卤化物灯泡的光谱
    该灯泡在400-450nm范围内辐射出很大一部分功率,在420-430nm附近有一个明显的峰值。在较长波长范围内,只有一一小部分辐射功率使其可见光可见,而不是像紫罗兰色那样对眼睛是暗的。
    高CCT灯泡的特点是在420-430nm范围内有很大一部分辐射。经验丰富的珊瑚养殖者推荐20000K灯泡为海洋生物提供最佳的颜色,这个经过多年实践得出的建议与我们上面得出的结论很吻合。
    当然,任何规则都有例外。在我们的情况中,这种例外是仅生活在自然栖息地的浅水中的珊瑚,例如在潮汐地带。还有一种不确定因素:有些物种既能生活在浅水中,也能生活在中等深度,它们对不同光谱的耐受性很强。然而,某些物种只能生活在接近水面的地方,它们甚至不能在稍微有点深的地方生存。这样的物种不仅不能很好地适应较弱的光照,也不能适应不同的光谱。Zoantidae属的某些珊瑚就是这样的。

    现在让我们考虑各种LED辐射的光谱。图21显示了CCT约为7000K的冷白色LED的光谱。
    image22.jpg
    图21白色LED的光谱
    该光谱不是离散的,但在470-500nm范围内有明显的凹陷。通过向灯具添加蓝色LED可以轻松地补偿此间隙。查看Philips LUXEON Rebel ES系列不同颜色led的光谱功率分布(图22)。
    image16.jpg
    图22飞利浦LUXEON Rebel ES彩色LED的光谱功率分布
    蓝色LED的辐射最适合补偿所需的470-490nm范围。甚至可以使用峰值为475nm的LED来实现更好的匹配——幸运的是,这样的LED确实存在!
    为了更好地解释这一点,让我们考虑bin(注:led封装完成后会进行光选,经过分类的光源会按照不同电压电流光通量输出,被分成多个种类,即为bin(档位)。)这个术语,制造商用它来表示他们的led灯。bin是一组根据特定参数选择的led。效率bin,CCT和CRI  bin,和主导波长(DWL)bin可用于单色(单色)led。表1中显示了用于蓝色LUXEON Rebel彩色LED的DWL bin。

    image4.jpg
    表1 LUXEON LED bin的波长分布
    加入一个带有DWL bin码4的LED,我们可以在430到600nm波长范围内展平白色LED的光谱曲线。



    现在,我们将转向礁岩水族馆的LED灯具的实际实现。
    仅使用两种类型的LED(白色和蓝色)是不够的,因为这样的灯具会丢失400-450nm范围内的大量光-而这部分光在几米深的海洋中大量存在。通过使用带有相应峰值的皇家蓝LED可以轻松扩大450nm光谱范围。除此之外,白色LED光谱在暗红色范围(约650-660nm)中迅速减小。根据图4所示的模型,浅水光合生物也需要这一部分光谱,增加此范围可能是有益的-它还将有助于增强礁岩缸中的红色。我们应该得到什么样的光谱呢?答:非常接近目前市面上最好的灯具的光谱。作为一个例子,图23显示了ReefBuilders 2011 LED 对战冠军[18]Ecotechmarine Radion的光谱。
    image28.jpg
    图23 Ecotechmarine Radion LED灯具的输出光谱图
    如您所见,已正确填充了480nm范围内的间隙(此灯具使用Cree的蓝色LED)。此外,在660nm范围内有一个小峰。但是,缺失了可以促进许多海洋生物的荧光的400-430nm范围的波长。
    大多数珊瑚礁LED灯具都缺少此范围。直到最近,市场上还没有合适质量的420nm的led。对于少数可用产品,价格很高,而且操作时间短且效率低。同时,在此波长范围内所需的总辐射量非常大,并且添加适当数量的LED严重影响了灯具的总成本。结果,制造商最多只能安装所需数量的纯光化LED的一小部分。在2012年初,随着高效率和相对便宜的420nm led[15]的引入,这种情况有可能迅速改变。通过在纯光化波长范围内使用这些新一代LED,
    通过使用这些新一代在纯光化波长范围内的LED有可能创造一个可以负担的起和适当珊瑚需要的频谱的的LED灯具。
    许多业余爱好者尝试使用纯光化范围内的廉价杂牌中国LED。然而,它们的效率很低,会由于过热,晶体迅速劣化。最糟糕的是,这种恶化很难从视觉上估计,因为眼睛在420nm范围内的灵敏度很差。此外,此类劣质LED的光谱分布可能非常宽(从紫外线范围的350nm到绿光):这些较长的波长会影响珊瑚荧光的可见性。同时,由欧洲委员会联合研究中心[12]进行的研究表明,波长较短的紫外线可能会导致悬浮在水中的小颗粒发出难看的磷光(图24)。
    image14.png
    图24紫外线照射下水中小颗粒的磷光现象

    图中包含了几个不同大小粒子的磷光图。我们主要是对在珊瑚缸大量存在的粒子大小约60μm的粒子感兴趣感。当波长小于370-380nm时,这种磷光会非常明显。
    上一代LED的宽光谱图包含了相当大一部分的370nm辐射,这引起了鱼缸中悬浮粒子的明显磷光,因此许多DIY的LED灯具制造商推荐使用非常少的纯光化LED。
    幸运的是,最新一代的LED具有大约30nm的有效带宽15],通过使用400-430纳米范围的led,即使总辐射功率很高也可以避免悬浮颗粒的磷光。
    我们现在将试着估算选定波长范围内的光量:400-440nm、440-480nm、480-520nm和520-700nm。每个范围将对应于一个LED灯具中的一个颜色通道,可以通过使用一种类型或几种类型的LED组合来实现。
    海洋表面的日照量取决于云层的存在、太阳的位置和其他因素。根据我们对斐济3个月的统计[20],我们将假设平均每月日照为1789 J / cm 2。假设光周期为12小时,则转换为413 W / m 2
    通过根据图3积分太阳辐射功率,我们将获得上述子范围内不同深度的可见光功率分布(表2):
    表2白天定义的光谱范围内的平均光功率(以W/m2为单位)


    光谱子范围,nm

    深度,米(英尺)。
    400-440
    440-480
    480-520
    520-700
    总功率
    0(0)
    55
    64
    62
    232
    413
    5(16.4)
    54
    63
    60
    163
    340
    10(32.8)
    53
    61
    57
    94
    266
    15(49.2)
    52
    60
    55
    26
    193


    虽然该表所依据的是特定深度的自然光谱分布,但请注意,400-500nm范围是我们最需要的,因为它为珊瑚提供了最佳的色彩和荧光。而海洋光合生物无法充分利用500-700nm范围内的较长波长辐射。同时人眼对520-600nm的范围非常敏感,因此我们在该范围内不需要太多的辐射功率:即使少量的照明也足以让眼睛感觉水族箱箱很明亮。同时,补充660nm LED可能对浅水生物有益并且该波长与400-420nm范围结合将促进紫色的正确再现。
    正如我们所展示的,对于海洋光合生物而言,400-480nm的范围最重要。在自然环境中,珊瑚在400-440nm范围内的光功率为52至55W / m 2,在440-480nm范围内的光功率为60至64W / m 2。
    如果灯具只使用这些波长,则根据经验表达式Watts / m 2 = 0.21 * L [19],我们可以实现528至567μmol·光子/ m 2 / s的照明水平。如上所示,如上图所示,这足以让需要光照的珊瑚正常生长和着色。
    然而,我们不建议在礁岩缸上一直使用那么多的辐射功率,应该考虑以下因素:

    • 除了以上提到的波长范围,为了改善视觉效果,大多数爱好者也会在其他范围内使用led。这些发光二极管也将增加总辐射光功率。
    • 辐射功率超过400μmol·光子/ m2 / s可能太高了。色蛋白在100μmol·光子/ m2 / s;停止产生,即,照明水平是它的4倍。
    • 许多水族馆的人使用控制器来模仿日出/日落和其他效果,并且白天的辐射功率可能会发生显着变化。光周期期间的平均功率小于最大功率。
    • 海洋光合生物利用波长在430纳米左右的辐射最有效,这一范围也刺激了它们最强烈的发色。


    我们认为在400-440nm范围合理的最大辐射功率约为45W / m 2,在440-480nm范围内约为40W / m 2。注意:在这里和上面,我们提到的都是光辐射功率,而不是LED消耗的电能。为了确定灯具所需的LED数量及其额定电流,必须将这些数字转换为电能,这取决于实际使用的LED的效率。我们的下一篇文章将考虑这些计算,特定LED的选择以及与LED灯具的实际结构有关的其他事项。
    如果仅在这些波长范围内照亮珊瑚缸12个小时,并且日出日落比赤道区域的日出和日落时间短,我们将获得400μmol·光子/ m 2 / s 的平均辐射功率,这足以优化生产色蛋白。由于灯具可能还包括其他波长范围的LED,因此我们可以放心地假设这些数字包括一定的功率裕量。

    还要注意,尽管400μmol·光子/ m 2 / s的辐射功率最适合用于珊瑚的着色,但如此高的照明需要非常好的水质条件。辐射强度低于这个水平4倍已经足以开始在珊瑚中产生色素蛋白。我们建议慢慢提升光照强度,初始照明水平应接近下限约100μmol·光子/ m2 / s。在几个月内,你可以逐步提高照明度,同时密切监测水质参数和珊瑚的反应。如果系统稳定且所有参数都在最佳范围,光功率可以逐渐增加到400μmol·光子/ m2 / s。

    正如我们已经看到的那样,诸如CRI和CCT之类的形式参数对于某一特定灯具是否适合用于珊瑚缸并不是很有用。同时,我们需要再次指出,在400-480nm波长范围内提供足够的功率至关重要。如果满足此条件,则可以根据拥有者的个人喜好选择灯具的其他参数(只要确保总辐射功率不超过建议值)。不幸的是,我们必须承认,当今大多数商用灯具仅使用450nm及以上的波长范围,而通常忽略或没有充分体现出最终重要的400至440nm范围。

    参考文献



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发表于 2019-10-31 21:55 | 显示全部楼层
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