珊瑚礁水族光照[转帖]

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作者 Dmitry Karpenko, Vahe Ganapetyan

原文地址：http://www.advancedaquarist.com/2012/10/aafeature

光照是我们这个星球上维持生命的主要资源之一。作为光合生物，许多海洋无脊椎动物依赖光照存活：他们的共生虫黄藻需要光照来进行光合作用，为他们自己以及宿主珊瑚制造足够的养分。

也许每个珊瑚爱好者都愿意为他们的珊瑚提供“正确”的光照——正确的光谱和充足的强度都很重要。在我们考虑如何实现这个“正确光照”之前，我们应该先试着了解一下自然环境中，海洋生物获得的光照是怎样的。

作为开始，看一下七月斐济的日光能量的频谱。图 1:

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图 1 海平面上的日光能量频谱

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图的横坐标是波长，单位纳米，纵坐标是频谱强度，单位瓦/米2·纳米。人眼可以感受到大约400到700纳米范围内的光，因此我们把比400纳米更短（紫外线）和比700纳米更长（红外线）的波长部分标为黑色，而可见光部分以人眼看到的颜色标明。


图 1的图标数据是根据地球大气层边缘的太阳光谱用SMARTS 2.9.5科学仿真软件仿真得到的。该软件考虑到了大气中的各种成分对光的吸收以及天空的散射。


现在让我们试着找出海洋生物在自然环境中的光照光谱。当我们为我们的珊瑚缸设立一个照明设备的时候，我们应该努力产生一个和一定深度海水下同样的光谱分布。

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不同种类珊瑚生活在不同的深度下：一些生活在非常浅的水中，而深水珊瑚例如Bathypates spp.可以在8000米的深度下被发现 (约5英里)。大约20%的珊瑚种类是非光合的：他们完全不需要光照作为营养源。然而，大多数珊瑚是光合的，这些也是我们常常在家里的珊瑚缸里饲养的品种。我们应该找出他们喜欢什么样的光照。


看看Institute for Environment and
Sustainability of the European Commission 绘制的不同波长日光在海水中的穿透深度图 (图 2):

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Fig. 2 不同波长光线在海水中的穿透深度

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横坐标是波长，单位纳米，纵坐标是该波长下光强下降到水面强度1%的深度。这张图清楚地显示370纳米到500纳米波长范围内的光的穿透深度最大。换而言之，紫色和蓝色的频谱光线在海水里的穿透力最强，而绿色要差许多，黄色橙色更差，而600nm以上的红色职能穿透很浅的水深。


水面的光谱可以定义为函数I0(λ)，其中λ是波长，I0是0深度中该波长下的光强。这样，深度D中的吸收光谱Ia(λ)可以如下确定：


Ia(λ) = I0(λ) · K(λ)
· D (1)


其中K(λ)是不同波长下海水的吸收函数。

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深度D中的光谱就等于水面光谱I0(λ)减去吸收光谱Ia(λ):


I(λ) = I0(λ) - Ia(λ),


把(1)带入上式，可得：


I(λ) = I0(λ) · (1 - K(λ) · D)
(2)


从上式，我们可以得到穿透深度d(λ):


d(λ) = (1 - I(λ) / I0(λ)) /
K(λ)) (3)


因为图 2 中的深度下，光照强度等于水面强度的1%。即I(λ) = 0,01 · I0(λ)，我们可以把 (3)简化为:

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d(λ) = 0.99 / K(λ)


这个函数d(λ)就是图 2，不同波长光线在海水中的穿透深度。使用该图，我们就能确定不同波长的光的在海水中的吸收函数K(λ):


K(λ) = 0.99 / d(λ) (4)


把(4)带入(2)，我们就能推导出给定深度D中的频谱分布:


I(λ) = I0(λ) · (1 - 0.99 · D /
d(λ)) (5)


其中I0(λ)是水面的光照频谱，d(λ)是图2的不同波长光的海水穿透深度。


用公式(5)以及图1图2中的数据，我们能够获得给定深度下的光能对波长的图表。例如，在同一个图上（图3），我们画出了水面上，5米深度（16.4英尺）中和15米（49英尺）深度中的相对光谱分布。注：15米是自然界中，我们能够发现大量需要光线的珊瑚的最大深度。20米深度向下，需要光线的种类将锐减。

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图 3 不同波长光谱分布，水面(浅蓝色)，5米深(蓝色)和15米深(深蓝色)

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浅蓝色的图对应水面的光照，蓝色对应5米深度，深蓝色对应15米深度。可以看到，随着深度增加，光谱中的红色部分几乎消失了。


在亿万年的进化过程中，海洋光合生物已经适应于充分利用光谱中的蓝色紫色部分，这些在他们的环境中是充足的，而对于红色光谱不那么敏感（正相反，红色是陆生植物最高效利用的）。海洋光合生物中的共生虫黄藻是原始的Pyrrophyta algae [5]。他们主要包含chlorophyll a ， c 以及胡萝卜素(peridinine, xanthins, 等) ，这些强烈吸收光谱中的蓝绿成分 [6,7,22]。 图 4 [22] 显示了虫黄藻对光线的吸收率。