ReefCentral.ru для iOS
Бесплатный Tapatalk для ReefCentral.ru
Спектральные данные из неглубокой Гавайской заводи
22.11.2013
Разделы: Освещение
Автор: Дана Риддл

Данная работа – продолжение первой статьи Д. Риддла:  Показатели освещения в гавайской приливной заводи

Выбирая систему освещения и способ ее использования, приходится учитывать многие аспекты. Интенсивность освещения можно оценить визуально (с опытом) или, что еще лучше, при помощи прибора для измерения PAR, а вот для точного измерения спектральных характеристик необходимо специальное оборудование. К счастью, в моей маленькой лаборатории имеются приборы, позволяющие анализировать как интенсивность освещения, так и спектральные характеристики. Если скоординировать два процесса, можно провести различные вычисления, результаты которых должны заинтересовать увлеченных аквариумистов. В частности, мы можем исследовать ширину различных спектральных полос света (например, голубого, зеленого, красного света), попадающего на кораллы на мелководье в Гавайской заводи, и сравнить показатели с освещением кораллов в аквариумах.

На протяжении какого-то времени я размышлял о способах комбинирования этих данных и приглашение выступить на конференции по морской аквариумистике в Северной Америке (MACNA 2013) в Форт-Лодердейле стало стимулом для окончательного запуска проектов и сбора необходимой информации. Я принял приглашение выступить во Флориде и гонка началась. Оставалось всего несколько месяцев до конференции и я осознал, что все мое свободное время придется посвятить этим проектам.

В предыдущей статье мы установили, что в аквариуме можно создать освещение, соответствующее количеству естественного освещения. Но как насчет спектральных характеристик? В данной статье мы подробно остановимся на процедуре и результатах.

image001.jpg
В этой Гавайской заводи преобладают кораллы Porites.

Протокол

Спектральные данные были получены при помощи спектрометра Ocean Optics USB2000 и программы SpectraSuite™ (Ocean Optics, Dunedin, Florida, USA). Этот прибор состоит из дифракционной решетки и Sony IXL511 linear silicon CCD array с 2048 пикс., все в футляре размером с колоду игральных карт. Он (спектрометр) был подключен и питался от компьютера через USB кабель. Прибор получился портативный и удобный для работы в полевых условиях. Небольшие волоконно-оптические кабели были расположены под углом 45 градусов к 99% стандарту коэффициента диффузного отражения (Spectralon; Labsphere, North Sutton, New Hampshire, USA).

equipment.jpg
Рисунок 1. Использовавшийся в данных экспериментах спектрометр Ocean Optics USB2000 и эталон/стандарт
отражательной способности/коэффициента отражения.
Спектрометр – прочный инструмент, исправно прослуживший более десяти лет.

Были получены тысячи значений. На Рисунке 2 отображена одна спектральная характеристика подводного светового поля (на глубине 5 сантиметров) в феврале 2013.

image005.png
Рисунок 2. Графическое отображение спектральных данных подводного светового поля в заводи,
на глубине 5 сантиметров. (7:30 am, Февраль 7, 2013);
используется программа SpectraSuite.

Данные с Рисунка 2 смотрятся красиво, но не слишком информативно, поэтому я перевел данные в другую программу для Excel для дальнейшего анализа. Проще сказать, чем сделать. Спектрометр Ocean Optics «видит» свет в 3 или 4 точках одного нанометра, а эту информацию необходимо было представить с шагом в 1 нм. Пришлось написать программу «суммы и среднего значения» для отдельных групп из 3 или 4 измерительных точек (а спектрометр выдает около 2000). См. Рисунок 3.

image007.png
Рисунок 3. Числовые данные из SpectraSuite™ изменены до шага в 1 нанометр при
помощи специально написанной программы для Excel.
На фото – отображение спектральных данных под водой в 7:30 утра.
Почти 50 таких массивов/наборов данных были объединены с той целью,
чтобы представить динамику спектральных характеристик в Гавайской заводи.

Данная программа разделила полученные данные на следующие спектральные полосы:
· Фиолетовый: 400 - 430 нм
· Голубой: 431 - 480 нм
· Зелено-голубой: 481 - 490 нм
· Сине-зеленый: 491 - 510 нм
· Зеленый: 511 - 530 нм
· Желто-зеленый: 531 - 570 нм
· Желтый: 571 - 580 нм
· Оранжевый: 581 - 600 нм
· Красный: 601 - 700 нм

Далее программа рассчитала процентное содержание света в каждой спектральной полосе. На Рисунке 4 данные отображены графически.

image009.png
Рисунок 4. Спектральные характеристики света в заводи в 7:30 утра на глубине 5 см.
Процентное содержание также представлено в таблице. См. Таблицу 1.

Таблица 1. Анализ световых полей представляет собой ценную информацию и позволяет сравнивать различные источники света.
ЦветПроцентное содержание
Фиолетовый7.5655%
Голубой18.818%
Зелено-голубой5.519%
Сине-зеленый11.585%
Зеленый10.756%
Желто-зеленый17.671%
Желтый3.351%
Оранжевый5.728%
Красный19.008%

По мере определения процентного содержания, оно будет использоваться для вычисления суточного спектрального количества света (DLI) посредством умножения количества плотности фотосинтетического потока фотонов (PPFD) на процентное содержание для каждой спектральной полосы. Для этого необходимо знать значения PAR. Для сбора данных PPFD над поверхностью воды и на глубине 5 см использовались регистратор данных WatchDog и датчики PAR (Aurora, Illinois, USA). Воздействие ветра и волн создало «сверкающие линии» и делало световое поле неравномерным, начиная с середины утра и до окончания дневного времени. Для оценки интенсивности освещения под водой была добавлена полиномиальная линия тренда. См. Рисунок 5.

image011.png
Рисунок 5. Показатели интенсивности освещения в мелкой заводи.

Поскольку были получны тысячи измерительных точек, я решил воспользоваться информацией, полученной с момента восхода солнца и до захода солнца с интервалом в 15 минут.
Если мы умножим значения PAR на процентное содержание света для каждой световой полосы (с 15-минутным интервалом), можно определить количество света определнного спектра в течение дня. См. Рисунок 6.

image013.png
Рисунок 6. Мы легко можем увидеть количество PAR каждого цвета в видимой части спектра.
Например, пик красного спектра при значении PAR в 235 µmol·m²·second, тогда как пик голубоко спектра – при 160 µmol·m²·second.

Но это еще не все. Данные, представленные на Рисунке 6 могут быть очищены/детализированы/конкретизированы посредством подсчета:

Суточное количество света (Daily Light Integral, DLI): Суточное количество света – это общее количество света (или плотность фотосинтетического потока фотонов, PPFD), попадающего на определенный участок в течение всего светового периода. Оптимальное сравнение – это сравнение PPFD с дождем. Мгновенное значение PPFD (количество фотонов, попадающих на определенную площадь поверхности за определенное время) эквивалентно количеству капель дождя, падающих на такую же площадь поверхности за такой же промежуток времени. Подход, применяющийся в метеорологических сводках, представляющих дождь как количество капель, упавших на квадратный метр за одну секунду, в нашем случае не подходит. Нам важнее общее количество дождя в дюймах или сантиметрах. Тоже самое касается и света – нас интересует общее количество фотонов за определенный световой период.

В данной статье мы рассмотрим значения DLI более подробно: мы рассчитаем показатели для каждой спектральной полосы (например, голубого, зеленого и красного света) , как описано в разделе «Протокол» (см. выше). Мы просто суммируем количество фотонов каждой спектральной полосы. Результаты представлены на Рисунке 7.

image015.png
Рисунок 7. Общее количество света на спектральную полосу (например, голубого, зеленого, красного света и т. д.) в заводи.

Сейчас, когда мы знаем количество света для каждого цвета, мы можем сравнить показатели с освещением от искусственного источника света/лампы. Описанная выше процедура была повторена для сборки светодиодов от Build My LED. См. Рисунки 8 и 9.

image017.png
Рисунок 8. Спектральные параметры изготовленной на заказ сборки светодиодов, производязей/подающей
преимущественно голубой свет при 450нм и 470нм, с 4500K 'нейтрально белых светодиодов'.

image019.png
Рисунок 9. Количество света, разделенное на падающее на кораллы в рамках эксперимента

Обсуждение

В условиях проводившихся экспериментов очевидно, что в аквариуме кораллы получают больше голубого света, чем в естественной среде, тогда как другие цвета представлены недостаточно. В этом случае, кораллы получают примерно на 65% больше голубого света, чем в естественной заводи (данные основаны на следующих данных. Полученных в аквариуме: 12-часовой световой период при интенсивности ~250 µmol·m²·sec.)

В другом эксперименте мы обнаружили, что в хорошо освещенном аквариуме можно достичь, и даже превзойти, количество света, получаемого кораллами на мелководье Гавайской заводи в зимнее время. Интенсивность света меняется в зависимости от сезона, летние показатели DLI в заводи, скорее всего, будут в два раза выше зимних показателей (примерно так: ~22 зимнее значение DLI и ~45 летнее значение DLI; более подробно - см. Hill et al., 2012 for further details).

Сейчас, когда мы определили интенсивность освещения и ее спектральные компоненты, мы можем выяснить, как такое освещение влияет на кораллы в аквариуме.

Первоисточник: www.advancedaquarist.com
Переведено специально для ReefCentral.ru
Если вы увидели этот материал на другом сайте - значит, он был украден.
Просим сообщать о замеченных фактах на info@reefcentral.ru
Количество показов статьи: 3992