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Theoretische Einführung

Die Einstrahlungsleistung der Sonne beträgt etwa 4.1020 Megawatt. Nur ein zu vernachlässigender Anteil dieser unglaublichen Energiemenge ? in Form von elektromagnetischer Strahlung (einschließlich des Lichts) - fällt auf die oberen Schichten der Erdatmosphäre und weiter dann auf die Erd- und Ozeanoberflächen. Und ein noch niedrigerer Teil spendet dann den Korallenriffen Licht und ermöglicht die Fotosynthese.

Version 2015-I

Aquariumbeleuchtung – Theoretische Einführung

Zusammenfassung

Die grundsätzlichen Lichtbedingungen unterhalb der Wasseroberfläche von Meeren und Ozeanen (Beleuchtungsintensität [Illuminance] und spektrale Beleuchtungsstärke [Spectral Irradiance]) verändern sich im Laufe des Tages, Monats sowie Jahres und hängen von folgenden Faktoren ab:

  • Eigenschaften des auf die Wasseroberfläche einfallenden Lichts, die wiederum von der
    • geographischen Lage abhängen
    • Höhe der Sonne oberhalb des Horizonts (Elevation)
    • Wetter
  • Charakter der Oberfläche (ruhig/wellig)
  • Wassertrübung
  • Wassertiefe
 

Der Weg von der Sonne bis zum Korallenriff

Sonne

Sun

Die Einstrahlungsleistung der Sonne beträgt etwa 4.1020 Megawatt.

Nur ein zu vernachlässigender Anteil dieser unglaublichen Energiemenge – in Form von elektromagnetischer Strahlung (einschließlich des Lichts) – fällt auf die oberen Schichten der Erdatmosphäre und weiter dann auf die Erd- und Ozeanoberflächen. Und ein noch niedrigerer Teil spendet dann den Korallenriffen Licht und ermöglicht die Fotosynthese.

Die oberen Schichten der Erdatmosphäre

Earth

Der Wert der Gesamtbestrahlungsstärke [Total Solar Irradiance] – die Menge der Strahlungsenergie, die auf die oberen Schichten der Erdatmosphäre einfällt – beträgt in den folgenden Wellenlängen 1.361 W/m2:

  • Ultraviolett - 100 - 380 nm (UV)
  • Sichtbar - 380 - 780 nm (etwa 50% von der Gesamtmenge)
  • Infrarot - 780 – 1.000.000 nm (IR)

Auch wenn die Sonne gelb zu sein scheint, leuchtet sie in Wirklichkeit in den Farben aus allen Spektralbereichen – siehe Spektrale Beleuchtungsstärke [Spectral Irradiance] im Weiteren in diesem Artikel.

Erdoberfläche

Surface

Ein relativ großer Teil (~30%) der Sonnenstrahlung wird von der Erdatmosphäre reflektiert und absorbiert (ein bedeutender Teil von UV- und teilweise auch IR-Strahlen). Die Solare Bestrahlungsstärke [Solar Irradiance] auf der Meeresoberfläche beträgt durchschnittlich ca. 1.000 W/m2 (der Durchschnitt für 24 Stunden beläuft sich auf ca. 250 W/m2) und hängt wesentlich von der konkreten geographischen Lage und dem Wetter ab. Über die tatsächlichen Bedingungen in dem entsprechenden Gebiet gibt deshalb der kumulative Wert besser Auskunft, der in Jahresinsolation [Annual Insolation] ausgedrückt wird und sich je nach Region in einer Spanne von 500 bis 2.500 kWh/m2 bewegen kann.

Insolation

Quelle:
www.greenrhinoenergy.com/solar/radiation/empiricalevidence.php

 

Das Licht, das auf die Meeresoberfläche in tropischen Regionen genau zur Mittagszeit bei klarem Himmel einfällt, weist folgende grundsätzliche Eigenschaften auf:

  • Beleuchtungsintensität [Illuminance] ca. 110.000 lux (direktes Sonnenlicht)
  • Spektrale Beleuchtungsstärke [Spectral Irradiance] – siehe Diagramm unten
    • X-Achse - Wellenlänge
      (UV - ultraviolett, V - sichtbar, IR – infrarot)
    • Y-Achse - Spektrale Beleuchtungsstärke [Spectral Irradiance]
    • Graue Fläche – Gesamtbeleuchtungsstärke der Sonnenstrahlung
      in der oberen Atmosphärenschicht
    • Farbige Fläche - Spektrale Beleuchtungsstärke
      [Spectral Irradiance] an der Meeresoberfläche

Spectral

Meereswasseroberfläche & Wassersäule

Level

Die Eigenschaften der Wasseroberfläche und der Wassersäule beeinflussen aufgrund der folgenden Effekte wesentlich die Lichtbedingungen unterhalb der Wasseroberfläche:

  • Reflexion (1) - Effekt zwischen der Schnittstelle Wasser
    • Luft Senkung der Beleuchtungsintensität
  • Streuung (2) - Effekt der gestreuten Partikel des reflektierten Lichts
    • Lichtdiffusion
    • Senkung der Beleuchtungsintensität
    • Änderung der Spektralen Beleuchtungsstärke
  • Absorbtion (3) - Tiefenfunktion
    • Änderung der Spektralen Beleuchtungsstärke
    • Senkung der Beleuchtungsintensität

Level

Unter der Wasseroberfläche

Underwater
Beleuchtungsintensität [Illuminance]

Die Senkung der Beleuchtungsintensität mit der Tiefe in Küstengewässern zeigt das folgende Diagramm:

X-Achse – Beleuchtungsintensität in % Intensität auf der Wasseroberfläche
Y-Achse – Wassertiefe in Metern

Depth

Die Beleuchtungsintensität an der Wasseroberfläche ist zudem eine Funktion der Sonnenelevation.

Spektrale Beleuchtungsstärke [Spectral Irradiance]

Die Änderung der Spektralen Beleuchtungsstärke unterhalb der Wasseroberfläche wird von der Absorption verursacht, die nicht nur eine Funktion der Tiefe darstellt, sondern auch für jede Wellenlänge unterschiedlich ist. Das folgende Diagramm verdeutlicht die Lichtdurchlässigkeit von reinem Meereswasser:

X-Achse - Wellenlänge
Y-Achse - Tiefe

InDepth

Dieses Diagramm würde für Küstengewässer mit trüberem Wasser (maximale Lichtdurchlässigkeit im grünen Spektralbereich) sowie für Brackwasser (maximale Lichtdurchlässigkeit im roten Spektralbereich) anders ausfallen.

Korallenriff

Underwater

Neben den oben genannten Faktoren gibt es noch einen weiteren entscheidenden Parameter, der zur Senkung der auf die Korallen einfallenden Lichtmenge einwirkt – die Lage:

 

Position

  • Die Position im Schatten des Korallenriffs (1)
    • beeinflusst die Menge des einfallenden Lichts vor allem in den frühen Morgenstunden und in den späten Nachmittagsstunden (allgemein außerhalb der Mittagszeit)
  • Eine verdeckte Position (2)
    • beeinflusst die Menge des einfallenden Lichts den ganzen Tag über

Praktisches Beispiel

Das folgende Beispiel wurde für das Gebiet der ägyptischen Korallenriffe erstellt, um die durchschnittlichen Lichtbedingungen unterhalb der Wasseroberfläche im Verlauf des Jahres einzuschätzen. Es wurden folgende Parameter berücksichtigt:

  • geographische Bedingungen
    • der Sonnenelevation
    • Beleuchtungsintensität (Schätzung)
    • Wettereinflüsse (grobe Schätzung)
  • Lichtreflexion an der Wasseroberfläche (Schätzung)
  • Einfluss der Wassertrübung (Schätzung)
  • Tiefe
 
Sonnenelevation – 21. Juni Sonnenelevation – 22. Dezember
Jun Dec

Sonnenaufgang
Sonnenuntergang
Tageslänge
Max. Winkelhöhe

05:54
19:59
14:05
83°

Sonnenaufgang
Sonnenuntergang
Tageslänge
Max. Winkelhöhe

06:47
17:00
10:12
36°

Berechnung der Beleuchtungsintensität Berechnung der Beleuchtungsintensität
Tiefe [m]
Max [lx]
RHAD [lx] *
Tiefe [m]
Max [lx]
RHAD [lx] *
1
5
10
20.000
6.700
3.300
9.000
3.000
1.500
1
5
10
8.600
2.900
1.400
3.800
1.300
600
* RHAD = Gerundeter Tagesstundendurchschnitt

Für die weitere Benutzung in der aquaristischen Praxis wurde auch der gerundete Tagesstundendurchschnitt mit den folgenden Ergebnissen für verschiedene Wassertiefen berechnet:

  • 01 m - 6.400 lux
  • 05 m - 2.100 lux
  • 10 m - 1.100 lux

Aquarienbeleuchtung - Meeresaquarium versus Natur

Wesentliche Unterschiede

Auch wenn offensichtlich ist, dass es im Meeresaquarium keine praktische Lösung zum Erreichen der natürlichen Beleuchtungsintensität von tropischen Gebieten gibt (ca. 110.000 lux zur Mittagszeit bei heiterem Himmel), gibt es doch die gute Nachricht, dass dies gar nicht notwendig ist, da die unten genannten Unterschiede zwischen den natürlichen Bedingungen und den Bedingungen im Meeresaquarium helfen:

  • Keine Veränderung der Elevation des Leuchtkörpers im Verlauf des Tages
  • Keine Wettereinflüsse
  • Gewöhnlicher ruhiger Charakter der Wasseroberfläche
  • Gewöhnlich sehr niedrige Wassertrübung
  • Niedrige Wassertiefe
  • Einstellbare Tageslänge
 

Die oben genannten günstigen Unterschiede ermöglichen es in der Aquariumspraxis, die natürlichen Lichtbedingungen unterhalb der Wasseroberfläche nachzuahmen.

 
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