La luce in acquario

Fenomeni luminosi

1) Diffusione

La diffusione (o scattering) si riferisce a fenomeni di interazioni radiazione-materia mediante i quali, attraverso urti elastici, le onde o particelle cambiano traiettoria.
Quando la luce passa all’interno di un gas o di un liquido subisce un processo di diffusione laterale totalmente casuale, dato dal passaggio della radiazione tra le particelle del fluido.
Questo fenomeno ci permette di vedere il cielo e il mare di colore azzurro, poiché la componente di luce visibile maggiormente diffusa è proprio l’azzurro. Se non esistesse lo scattering, il cielo sarebbe completamente nero.

Possiamo renderci conto di questo fenomeno anche in acquario se, come nel mio caso, avete la vasca piena di volvox.

La luce bianca viene dispersa mentre avanza nel fluido: nella parte sinistra notiamo la distinzione luce/buio; mano a mano che la luce avanza si disperde e cambia direzione; a fine corsa vediamo tutto verde.

Le volvox non producono luce, eppure ci sembrano luminose; accade perché deviano la radiazione in tutte le direzioni rendendola uniforme.

Il vero impatto sulla diffusione viene dato dalla presenza di particelle in sospensione nell’acqua che, in base alla quantità, disperdono rapidamente il fascio luminoso (come accade per le volvox). Un altro esempio ce lo forniscono i tannini: tanto graditi ad alcune specie di pesci, quanto «odiati» dalla la luce. Non a caso, in un ecosistema di acque scure, la vegetazione sommersa è pressoché assente: infatti la luce fa fatica a penetrare anche con una colonna d’acqua relativamente bassa.

2) Riflessione

Quante volte siamo stati abbagliati dal riflesso del sole nel mare? Questo fenomeno è generato dalla riflessione della luce da parte dell’acqua.
È il fenomeno mediante il quale una porzione di onda, che si propaga sulla superficie tra due mezzi differenti, cambia direzione venendo riflessa dal secondo materiale.
La riflessione dipende da molti parametri tra i quali i fluidi attraversati, la tipologia dell’interfaccia e l’angolo di incidenza.

Considerando la riflessione in acquario, la luce passa dall’aria all’acqua e la superficie tra i due fluidi è piana (senza increspature); quindi l’unico fattore variabile è l’angolo di incidenza.
Poiché il passaggio avviene da un mezzo con indice di rifrazione minore a uno maggiore, non si avrà mai una riflessione totale della luce ma solo una parte.

Ecco i valori di riflessione ai rispettivi angoli (riferiti rispetto alla perpendicolare alla superficie):

• 0° ⇒ 2%
• 15° ⇒ 2%
• 30° ⇒ 3%
• 45° ⇒ 4%
• 60° ⇒ 11%
• 75° ⇒ 30%

Un elemento che in acquario può aumentare la riflessione è la patina oleosa che a volte si forma sulla superficie dei nostri acquari; per fortuna è un problema facilmente risolvibile modificando il flusso nella parte superiore dell’acqua.

3) Rifrazione

Dunque una parte della luce viene riflessa dalla superficie; la restante riesce a penetrare il fluido. A questo punto entra in gioco la rifrazione.
La particolarità di questo fenomeno è che, una volta entrata in acqua, la luce cambierà angolo di incidenza in base agli indici di rifrazione; per questo motivo, gli oggetti in acqua risultano al nostro occhio «spostati» rispetto alla loro posizione reale.

A differenza della diffusione, in questo caso la variazione di traiettoria non è casuale.
La legge che governa questo fenomeno è semplice:

k₁sin(a₁)=k₂sin(a₂)

k è l’indice di rifrazione del materiale; a è l’angolo rispetto alla normale superficie.

Da aria ad acqua

Nel passaggio da un mezzo con indice di rifrazione inferiore (aria) a uno con un indice superiore (acqua) ci sarà sempre una parte rifratta e una riflessa.

La parte rifratta ha sempre un angolo minore (rispetto alla perpendicolare).

Un’immagine chiarirà il tutto.

Il raggio di luce, impattando con l’acqua, viene in parte rifratto (linea rossa) e in parte riflesso (linea gialla):

• quando il fascio di luce arriva con un angolo di 30 gradi una volta che entra in acqua l’angolo diventa 22.08 gradi (disegno 1);
• con un angolo di 60 diventerà 40.63 (disegno 2);
• con 75 gradi diventa 46.57 (disegno 3).

Inoltre, più si aumenta l’angolo di incidenza, più la componente riflessa diventa intensa e quindi quella rifratta meno intensa.

Da acqua ad aria

Quando si passa da indice di rifrazione maggiore (acqua) a uno minore (aria) possono avvenire due fenomeni distinti.

1) fino ad un certo angolo di incidenza si ha sia riflessione che rifrazione;
2) superato un certo angolo (determinabile dagli indici di rifrazione), la componente rifratta si annulla e si avrà solo riflessione (disegno 4). In questo caso viene chiamata «totale» poiché è l’unica componente che rimane. Tutta la luce viene quindi riflessa con un effetto «specchio».

Vi mostro un esempio di riflessione totale. Prendiamo un puntatore laser e indirizziamo il raggio di luce in acqua, con una certa inclinazione.
Come potete vedere, la parte rifratta si annulla e quindi rimane solo la riflessione. Dopo di che, la luce riflette sul vetro laterale e resta imprigionata all’interno dell’acquario.

4) Assorbimento

L’assorbimento è il fenomeno mediante il quale l’energia luminosa viene trasformata in calore ed energia chimica dal mezzo nel quale transita.
L’equazione che determina l’assorbimento è semplice (per chi ha masticato un po’ di matematica alle superiori):

I₂=I₁e^-a

Dove:
I₂= intensità luminosa finale;
I₁=intensità di luce iniziale.
Il valore a dipende da molti fattori, ma noi considereremo solo i principali: lunghezza d’onda e profondità.
Tanto più la componente di luce è calda (lunghezza d’onda maggiore), tanto più alto sarà il suo assorbimento.
Tanto più sarà profonda la colonna d’acqua, tanto maggiore sarà l’assorbimento.
Ecco un piccolo grafico dell’assorbimento della luce al variare della lunghezza d’onda (colonna d’acqua di 60 cm).

Tenendo costanti le lunghezze d’onda, analizziamo la trasmittanza (luce che non viene assorbita) al variare della profondità.
Grazie ai due grafici è evidente che le componenti con un assorbimento rilevante sono il rosso e l’arancione. Queste lunghezze d’onda sono molto importanti per la fotosintesi; in particolare, la luce attorno ai 660 nm.

Considerando che tutte le lunghezze d’onda superiori ai 660 nm non sono fondamentali per la fotosintesi possiamo vedere che a 50 cm (altezza tipica della colonna d’acqua dei nostri acquari), la luce persa sul fondo arriva al 27% (in acqua pura).
Concludiamo l’analisi dicendo che a profondità comuni dei nostri acquari si ha una perdita di componente rossa contenuta, quindi non ci dovremo preoccupare troppo di questo fenomeno.