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 dei 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.
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 infatti la fotografia seguente delle lampade mostra che anche sulla pellicola fotografica a luce diurna le differenze della luce emessa da queste tre lampade è minima.
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 le tre lampade precedenti, 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 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 specificate 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 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.
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
| Potenza raggiante | |||
| mEinstein/s | |||
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.
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
Ultimo aggiornamento 26 dicembre 1999