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[align=center]Introdução[/align]
A luz solar é responsável pela existência e criação dos ecossistemas marinhos e terrestres.Aproximadamente a 3 bilhões de anos atrás, algumas bactérias desenvolveram certas habilidades em dividir uma variedade de compostos. Finalmente, um bilhão de anos mais tarde, a alga azul-verde desenvolveu a habilidade de utilizar o composto mais abundante da terra, a água. A fotossíntesse entra em ação como um sofisticado processo químico, utilizando a luz solar como fonte de energia.Desde então existe uma grande variedade de tipos de fotossíntesse no reino das plantas e algas, e a evolução da fotossintesse é um dos responsáveis pelo desenvolvimento da vida no planeta. Sem a Luz solar como fonte de energia, nada disso seria possível.
A importância da luz em nossos aquários não é apenas estética, mas a saúde de nossos animais está intimamente ligado a iluminação. Muitos dos organismos que mantemos em nossos aquários dependem da luz parcialmente ou totalmente, pois grande parte é fotossintetizante. Corais tem uma relação simbiótica com algas que se chamam zooxanthellae ,estas se abrigam dentro do tecido dos corais. As zooxanthellaes oferecem excesso de comida e oxigênio para o coral, e a perda de compostos nitrogenados e dioxido de carbono pelo coral é aproveitado pela zooxanthellae. Essa relação é crucial para os recifes de corais e a luz tem um papel fundamental como fonte de energia para o recife.
Neste artigo, além de apresentar de forma mais teórica o que é a luz, vamos entender as unidades para medir intensidade luminosa, entender o que significa temperatura de cor, comprimento de onda e veremos também seus efeitos e eficiência da penetração da luz sobre nossos aquários de forma prática, assim como a distância ideal entre refletores de lâmpadas HQI.
[align=center]O que é a luz ?[/align]
A luz era aceita somente como uma onda eletromagnética, mas desde a descoberta do efeito fotoelétrico por Einstein e do efeito Compton por Arthur Compton, a teoria ondulatória entrou em cheque. A teoria ondulatória explica de maneira elegante os fenômenos de interferência e difração luminosa, mas não podia explicar o efeito Compton e o efeito fotoelétrico.Desde então, o modo como passamos a entender a luz mudou. Atualmente a luz é aceita como uma dualidade onda-partícula. É possível através de experimentos comprovar o comportamento ondulatório da luz como também é possível comprovar o comportamento particular da mesma. Planck acreditava que as ondas eletromagnéticas se espalhariam pelo espaço na mesma forma que as ondas se espalham na água. Mas Einstein propôs em seu artigo sobre o efeito fotoelétrico que a energia radiante era quantizada em pacotes concentrados, que mais tarde vieram a ser chamados de fótons.
Os físicos tiveram que aceitar a dualidade onda-partícula, e cada pacote de fótons tem energia E = hv.
Onde:
E = energia total do fóton ou pacote de fótons
h = constante de Planck ( introduzida em um artigo de Planck de 1900, artigo sobre a radiação térmica )
v = frequência
Os estados de energia das ondas eletromagnéticas são quantizadas e múltiplas de hv....como 0, hv, 2hv.....nhv
Einstein recebeu mais tarde o prêmio nobel pela descoberta do efeito fotoelétrico.
[align=center]Comprimento de Onda[/align]
Olhando a luz como uma onda eletromagnética ( campos elétricos e magnéticos oscilam entre si perpendiculamente ), a distância que separa duas oscilações é chamado de comprimento da onda , sendo medida em Nanometer (Nm) e o número de oscilações por segundo ( freqüência ) é medida em Hertz (Hz). O comprimento de onda é geralmente citado em aquarismo, dado que os corais fazem fotossíntesse utilizando alguns comprimentos de onda da luz.
Vejamos abaixo a faixa de comprimentos de onda do espectro visível ao olho humano :
Tabela 1 : Cores e comprimentos de onda
Abaixo de 390 Nm estão os raios Ultra Violetas e acima de 770 Nm estão os Infra Vermelhos.
[align=center]Temperatura de Cor[/align]
Lord Kelvin, um físico escocês do século 19, criou uma forma de medir os desvios de proporção na composição da luz branca, ou seja, quando predominava o vermelho, o amarelo, o azul, etc... Por este processo, imaginava-se um objeto hipotético totalmente negro (chamado por ele de "corpo negro" , porque absorveria 100% de qualquer luz que incidisse sobre ele) que, ao ser aquecido, passaria a emitir luz. E, além disso, a luz emitida iria mudando gradualmente de cor. A analogia era feita era com um pedaço de ferro, aquecido cada vez mais, o chamado "ferro em brasa" inicialmente de cor vermelha, e depois passando por várias tonalidades (amarelo, verde, azul) conforme a temperatura subia.
Lord Kelvin criou então uma escala de temperaturas, a qual deu seu nome e estabeleceu que a temperatura de 1.200 K (graus Kelvin) o corpo negro tornaria-se vermelho. E que quanto mais aquecido, mais sua tonalidade se alterava, correspondendo a temperaturas intermediárias. Assim, a escala Kelvin de temperatura de cor associa cor e temperatura.
Os físicos necessitam trabalhar com o zero absoluto e imaginaram um corpo que quando resfriado não irradiaria energia e teria teoricamente a cor negra (sem cor). Esta situação teórica foi dado o valor zero Kelvin. Esse valor corresponde a -273 º C (zero absoluto).
Referências para temperatura de cor:
Luz de vela ---------------------------1800 K
Lâmpada incandescente --------------2500 K a 3050K
Lâmpada fluorescente ----------------3000 K a 6500K
Luz solar (meio dia) -------------------5500 K
Céu Nublado ---------------------------7000 K
Céu limpo -----------------------------10000 K a 30000K
Tabela 2 : temperaturas de cor .Fonte (Benoît Finet, Florian Lesage)
[align=center]Unidades de Medidas[/align]
Lúmen: Lúmem é uma medida da potência da luz visível.Um lúmem é definido como o fluxo luminoso de 1/683 watt de luz com comprimento de onda de 555Nm. Entretanto, lúmen não mede intensidade. Por exemplo , uma fluorescente de 36W irradia uma quantidade de 3250 lúmens, sendo este o total de luz emitida em todas as direções pela lâmpada.
Lux : Lux é uma medida de iluminância. Um lux é definido como a intensidade do fluxo luminoso que ilumina uma superfície de 1 lúmen por metro quadrado ( 1 lux = 1 lúmen / m² ). Como exemplo, a iluminância do sol ao meio dia no equador é aproximadamente 100.000 lux
Micro Einstein : (µE) mede a quantidade de fótons que é recebida ou emitida por um corpo. Um Einstein é equivalente a um mol de fótons (6.023x10²³ fotóns). Esta unidade não leva em consideração a energia que cada fóton carrega ( a energia depende do comprimento de onda )
PAR : (Photosynthetic Available Radiation) – Radiação disponível para a fotossíntesse, medida em µE/m²/s. O PAR mede o número de fótons que atinge uma superfície, e todos os comprimentos de onda estão na faixa do vísivel ( entre 390 e 770nm ). É nesta faixa do espectro que encontramos os diferentes picos de absorção dos pigmentos fotossintéticos. Como esses pigmentos usam comprimentos de ondas precisos, alguns preferem usar o PUR para quantificar o número de fótons que são realmente usados para a fotossíntesse.
Exemplo entre Lumens, Watts e Temperatura de cor para algumas lâmpadas BLV :
Tabela 3 : Exemplo BLV
Aqui o espectro normalizado de uma Iwasaki de 400W comparado com a luz solar em várias profundidades do oceano.Veja que temos alguns picos no azul , verde e amarelo, mas de maneira geral o espectro é muito parecido com a luz natural
[align=center]Intensidade e a Lei do Inverso do Quadrado da Distância[/align]
Um certo número de fatores afeta quanta luz irradiada de uma fonte de luz alcança um objeto, mas o fator mais importante é a distância entre a fonte de luz e o objeto.É intuitivo que a intensidade seja dissipada com a distância, mas vamos agora quantificar isso com alguns exemplos numéricos para ficar mais claro a lei do inverso do quadrado.
Figura 1: Pulso eletromagético em tempos distintos com Raio1 = 2 cm e Raio2 = 4 cm
Imagine que um pulso de luz é emitido por uma vela. Esse pulso de luz pode ser representado por uma onda esférica no plano. Essa onda se espalha no tempo e quanto mais o tempo passa, maior fica essa onda esférica. Como exemplo, suponha que a energia da onda é 100 ( não importa a unidade ) e que essa energia se conserva no tempo. Podemos então calcular qual a energia por cm² da onda no instante t1 e qual a energia dessa onda no instante t2 .
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Energia por cm2 no istante 1 :
E1 = Energia / pi*r² = 100 / ( 3,14 * 2²) = 7,9618
Energia por cm2 no instante 2 :
E2 = 100 / ( 3,14 * 4² ) = 1,9904
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Notamos claramente que a energia por cm² da onda no instante 2 é exatamente 4 vezes menor que a energia por cm² da onda 1. Aqui fica claro a regra do inverso do quadrado da distância.
Para ser mais exato , podemos definir intensidade como sendo a medida de quanta luz alcança uma determinada área, sendo calculada pela fórmula abaixo :
E= ( I / d² ) * cos(@)
Onde :
I é a intensidade luminosa da fonte,
d é a distância entre a fonte e a superfície
@ é o ângulo formado entre a direção da luz e a normal da superfície.
Obs : esta fórmula despreza perda de luz por outros fatores como turbidez e etc.
Vejamos a figura abaixo, onde como exemplo temos uma lâmpada HQI de 150W BLV, que emite segundo o fabricante 7000 lúmens. Imaginando que não existe perda no caminho, vamos observar quantos lúmens por cm2 chegam nas 3 áreas abaixo e as relações entre si :
Figura 2: ( estamos considerando para efeito de simplificação nos cálculos que cos @ = 1 )
Tabela 3:Podemos observar claramento a lei do inverso do quadrado da distância na matriz acima.
Veja que a 60 cm de profundidade, a intensidade luminosa é 400 vezes menor que a 3 cm da superficie da água, e também observamos que a 60 cm de profundidade a intensidade é duas vezes menor do que a 30 cm de profundidade.
Aqui fica claro o recado para os aquaristas. Quanto maior a altura do aquário, menor será a intensidade de luz que chegará até o fundo. É recomendado que aquários marinhos tenham no máximo 70 cm de altura.
Vejam a diferença enorme de intensidade que uma acrópora recebe ao estar perto da superfície da água e no substrato, uma diferença de 400 vezes.Fica claro agora que uma mudança de apenas alguns centimentros pode ser a causa da morte ou branqueamento do coral, devido a abrupta mudança de intensidade de luz.
Isso também nos alerta como é importante fazer a adaptação de alguns corais. Imagine que você acabou de comprar um SPS que estava perto do substrato no aquário do vendedor, e ao chegar no seu aquário, você coloca esse coral perto da superfície. As chances de perda deste coral por branqueamento e stress é enorme, devido a enorme diferença de intensidade no qual o coral estava acostumado.Vale lembrar que no nosso exemplo, estamos desconsiderando perdas da luz ao entrar em contato com a água e demais partículas presente no caminho do raio de luz. Logo, a intensidade em um ambiente real é ainda menor que no nosso exemplo.
Cor, este também é um fator que para alguns SPS variam de acordo com a distância que cada SPS está da lâmpada. Mesmo estando na mesma água e condições similares, alguns SPS apresentam diferenças de cor de acordo com a profundidade. É importante conhecer a característica de cada espécie, e em qual profundida cada espécie se encontra na natureza.
Figura 3 : Vejam a diferença de cor , a muda foi feita da colônia mãe e ambos os corais estão no mesmo aquário. A muda fica a 30 cm da superfície enquanto que a colônia mâe fica a 5 cm da superfície da água. Neste caso, quanto mais perto da luz ,mais rosa fica o coral
[align=center]Posicionamento de refletores para HQI[/align]
É muito comum em novas montagens, o aquarista se precocupar com a iluminação que irá usar. Em geral , uma das dúvidas é sobre quantos refletores usar e qual a distância entre eles para maximizar a área de cobertura pela luz, e para que não fique sombras no canto do aquário. Vamos tentar elucidar e mostrar qual é a distâncua razoável para não perdemos muita intensidade.
Figura 4: Distância Máxima entre os refletores sem causar sombras no substrato
Podemos observar na figura acima, que esta é a máxima distância entre os refletores, para que não tenhamos sombras no fundo do aquário. Essa configuração é intuitiva. Mas repare que a iluminação não atinge o meio da coluna d´agua, não sendo um local apropriado para colocar corais exigentes em relação a luz. Vale lembrar que a luz sofre refração ao colidir com a água, e os raios de luz sofrem desvios e mudam de velocidade, mas para a título de simplificação estamos deixando essa questão de lado.
Figura 5: Distância que mantem a intensidade mais uniforme no substrato
Pela figura 5 acima, podemos observar que existe uma área no substrato aonde existe uma sobreposição do cone 1 com o cone 2 de luz. Essa área, apesar de ser sobreposta, praticamente mantém a intensidade de luz no substrato uniforme, dado o ângulo de incidência @ pela equação de intensidade. Essa é a recomendação de distância entre os refletores para quem quer economia, mas ao mesmo tempo uma intensidade mais uniforme no aquário.
A distância ideal entre os refletores deveria ser igual a zero, um do lado do outro, para ter o efeito máximo da intensidade da luz sobre o aquário. Mas infelizmente o custo disso seria muito alto, e teríamos em geral problemas com temperatura elevada da água e um alto custo financeiro. Portanto, para achar a distância ideal do exemplo acima, basta ligar apenas uma lâmpada no meio do aquário e medir o alcance da luz no substrato. É importante salientar que essa distância muda de acordo com a altura do aquário e a altura do refletor em relação a superfície da água. Logo, dois aquários com mesmo volume mas com alturas diferentes podem ter recomendações de refletores e quantidade de lâmpadas diferentes.
[align=center]Absorção da Luz[/align]
A água absorve luz, mesmo em águas cristalinas. Cerca de 60% da radiação total que entra na água é absorvida no primeiro metro de profundidade, e cerca de 80% é absorvida nos primeiros 10 metros.(Gross, 1977). Além disso, cerca de 3% - 50% é refletida pela superfície da água, dependendo do ângulo de incidência. (Tait, 1972).
Ao meio dia, a luz penetra basicamente com um ângulo perpendicular a água, sendo que dessa maneira a refleção é quase nula, mas tanto no amanhecer quanto no final da tarde, a quantidade de luz refletida é grande.
A água absorve diferentes comprimentos de ondas em diferentes taxas. A luz vermelha é absorvida rapidamente nos 3 primeiros metros de profundidade, em contrapartida, a luz azul penetra na água até 40 metros ou mais. Radiação UV-A também chega perto dos 20 metros de profundidade
A diferença de absorção por comprimento de onda, muda e afeta a cor que alcança os recifes de corais e mar aberto.
[align=center]HQI x Sol[/align]
Aquaristas são extremamente preocupados em criar em seus sistemas uma iluminação parecida como a encontrada na natureza.Sabemos que na natureza, com o por do sol e com o cruzamento do sol pelo horizonte ao longo do dia, a radiação e intensidade de luz que um recife de coral recebe diariamente muda completamente ao longo do dia com o passar do tempo. Imitar este tipo de condição hoje em dia é possível, dado que já existe sistemas para imitar o nascer do sol, horário de pico e por do sol.
Um aquário com lâmpadas HQI se compara ao Sol ?
Pensando em números de fótons, a resposta seria sim. Uma medida de energia do sol sobre um recife de coral, seria a quantidade total de fótons por área que atingem o recife ao longo do dia, chamada de TIDLI ( luz do dia total ). Essa medida difere do conceito de intensidade de luz, que muda a cada momento devido a posição do sol em relaçao ao recife.
Se nós compararmos o total de fótons por dia que atingem um recife de coral com uma iluminação feita por HQI, é possível que algumas HQI forneçam mais fótons para o aquário do que ele receberia do sol.
Como exemplo, na superfície das águas do equador encontramos aproximadamente 50 mol / m2 em um típico dia de verão ( Harker, 1999). É possível usando um fotoperíodo de 12 horas por dias , alcançar 100 mol / m2 na superfície da água de nossos aquários com a utilização de HQI, sendo este o dobro do encontrado nas águas do equador. Fica claro que com este exemplo, que um aumento na energia sobre um aquário não é apenas função da fonte de luz do aquário, mas também do fotoperíodo utilizado pelo aquarista. Caso você ache que seu aquário receba pouca luz, ao invéz de aumetar a potência das lâmpadas, é possível conseguir mais energia aumentando seu fotoperíodo.Entretanto, aumentar a intensidade pode ser recomendado para conseguir benefícios em alguns corais, como coloração em SPS.
[align=center]Conclusão[/align]
Mostramos neste artigo o que é a luz , suas propriedades e sua influência em relação a intensidade , espectro e temperatura de cor. Não é necessário o entendimento completo de todos os conceitos para se ter um aquário bonito e saudável, mas é interessante entender os conceitos da luz e sua interação com a vida em nossos aquários. Entendemos que a profundidade é extremamente importante e agora sabemos o quanto ela é importante na queda da intensidade da luz em nossos aquários. Talvez esse conhecimento evite erros da construção de aquários com altura superior a 70 cm. Espero que a leitura tenha sido proveitosa como fonte de informação e conhecimento.
Referências :
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* Física Quântica, Eisberg e Resnick
* Lighting the Reef Aquarium - Spectrum or Intensity ? ,Dana Riddle, Miguel Olaizola
* Underwater Light Field and its Comparison to Metal Halide Lighting, Sanjay Joshi, Ph.D
* The Properties of Light, Andrew Trevor – Jones
* Underwater Lighting Coditions, Andrew Trevor – Jones
* The reef aquarium, J. Charles Delbeek and Sprung
* Dynamic Aquaria , Adey and Loveland
* Aquariuns Coral, Eric Borneman
* Light, Colors and Corals, Benoit Finet, Florian Lesage
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