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Introducción
Uno de los aspectos más confusos
en el acuarismo de arrecife es el tema de la iluminación.
Muchos de estos problemas son el resultado de un ineficiente
entendimiento de las propiedades básicas de la luz.
El propósito de este artículo es verter cierta
luz, por así decirlo, acerca de la luz y sus propiedades
con la esperanza de mejorar la comprehensión de los
acuaristas sobre este tema aparentemente complicado. Este
artículo sólo pretende ser una introducción
a las propiedades de la luz. Información mas detallada
esta disponible en cualquier buen libro de física.
Este primer artículo cubrirá
las propiedades físicas de la luz que tiene mas relevancia
en los acuarios de arrecife.
¿Qué es la luz?
La luz, particularmente aquella del sol,
es uno de los factores mas importantes que afectan al planeta
Tierra. Casi toda la vida sobre la Tierra se basa directa
o indirectamente en la luz (y calor) de el sol. Pero, ¿qué
es la luz?
La luz es una forma de radiación
electromagnética, e incluye luz visible (por algunas
definiciones) radiación ultravioleta e infrarroja.
Otras formas de radiación electromagnética incluyen
los rayos gama, rayos x, microondas y ondas de radio. La luz
exhibe comportamiento semejantes al de ambas, partículas
o una ola. Las “partículas” (a pesar de
que no son ciertamente partículas) están cargadas
de energía electromagnética llamada fotones.
Un fotón se define como un quantum de radiación
electromagnética. Tienen cero masa, no tienen carga
eléctrica y su tiempo de vida es indefinido. Los fotones
siempre viajan en líneas rectas, excepto bajo la influencia
de la gravedad. El efecto de la gravedad es tan pequeño
que para usos prácticos podemos decir que luz viaja
en línea recta.
Ignorando la amplitud (altura), las ondas
tiene dos características importantes: frecuencia y
longitud de onda y estas están recíprocamente
relacionadas. Aumente la frecuencia y la longitud de onda
será mas corta. Disminuya la frecuencia y la longitud
de onda aumenta. Las olas del océano también
presentan esta característica. La longitud de onda
es la distancia entre la cima de la ola y la frecuencia es
el número de picos de ola que pasan en un cierto tiempo.
A pesar de que la luz no esta ciertamente
formada de olas, se puede comportar de tal manera. La luz
se puede describir de ser compuesta de diversas longitudes
de onda y frecuencias. La luz con una longitud de onda de
566 nm (Nanómetros) tiene una frecuencia de 540 x 1012
Hertz. La energía del fotón esta basada en su
frecuencia. Mientras mas corta la longitud de onda, mas alta
la frecuencia y mas grande la energía del fotón.
El color percibido de luz es debido a los
fotones. Los fotorreceptores responden a un rango estrecho
de energía. La energía dentro del rango correcto
estimula al receptor y nosotros percibimos eso como color.
Como el nivel de energía de los fotones esta basado
en su frecuencia y longitud de onda, el color de la luz es
discutido normalmente usando su longitud de onda. La luz con
una longitud de onda entre 400 nm (nanómetros) y 700
nm es visible (al ojo humano). La luz con una longitud de
onda alrededor de 400 nm es percibida como azul y alrededor
de 700 nm es percibida como rojo. Debajo de los 380 nm (hasta
alrededor de 100 nm) es radiación ultravioleta. Radiación
infrarroja (la cual percibimos como calor) se encuentra entre
los 750 nm y los 2500 nm. De la misma manera como su ojo reacciona
a cierta longitud de onda de luz, los pigmentos en las plantas
y algas reaccionan con cierta frecuencia distintamente de
cómo lo harían con otras. La clorofila, por
ejemplo, tiene picos de absorción al rededor de 440
a 650 nm.
Los fotones pueden ser reflejados al pasar
por ángulos de objetos con diferentes densidades. La
luz viaja a 3 x 1010 cm.s-1 a través del vació
y casi tan rápido a través del aire, de cualquier
manera, su velocidad es reducida en un medio denso como el
vidrio o el agua.
Reflexión y Refracción
Cuando la luz se refleja en un espejo o
una superficie similar, los rayos reflejados por la superficie
saldrán con el mismo ángulo del otro lado de
la línea perpendicular al de la superficie del ángulo
de incidencia. Esta es la ley de reflexión.
Figura 1: Ley de Reflexión.
El ángulo de reflexión es igual al ángulo
de incidencia.
Este tipo de reflexión, donde la
mayoría de los rayos siguen a la ley de reflexión,
es conocida y llamada como reflexión, y es lo que normalmente
ve en los reflectores para lámparas de aluminio pulido.
Si la superficie es diferente, la mayor parte de la luz incidente
no sigue la ley de reflexión y en lugar de eso los
rayos son reflejados en múltiples direcciones. Esto
se llama reflexión difusa, y es una característica
de la mayoría de las superficies pintadas. La luz reflejada
por estas superficies aparece uniformemente brillante a pesar
del ángulo de vista.
Cuando la luz pasa a través de materiales
de diferentes densidades, la velocidad de la luz cambia ligeramente
y esto causa una curva en el rayo y en el interfaz entre los
dos materiales. Esto es conocido como refracción y
es el principio de las lupas y es también el por qué
los objetos parecen más grandes cuando son vistos a
través de una máscara debajo del agua. La refracción
depende de las diferentes densidades de los dos materiales,
también llamado índice de refracción
y el ángulo de incidencia. Los rayos perpendiculares
no son refractados, pero como el ángulo de incidencia
aumenta, también lo hace la refracción.
Figura 2: Refracción. Un ejemplo
de refracción causado cuando la luz viaja
a través del aire y golpea la superficie líquida
en ángulo.
Intensidad de luz
La intensidad de la luz es uno de los aspectos
mas importantes relativo a los organismos fotosintéticos.
Mientras mas intensidad de luz, mas energía esta disponible
para la fotosíntesis. Básicamente, la intensidad
es el número de fotones golpeando un área en
un tiempo.
Primero, vamos a definir algunas unidades. No se preocupe
demasiado sobre las unidades en sí, es el principio
detrás de ellas lo que es importante.
Un lumen es la medida de poder de luz visible.
Un lumen se define como el flujo luminoso de 1/683 Watt (vea
recuadro) de luz a 55 nm. De cualquier manera, un lumen no
mide intensidad. Es generalmente usado para medir la cantidad
de luz producida. Por ejemplo, un tubo fluorescente de 36
watts emite un total de 3250 lúmenes, pero este es
el total de luz irradiado en todas las direcciones.
Un lux es la medida de iluminación.
Un lux es definido como la intensidad de flujo luminoso golpeando
a una superficie a 1 lumen /metro cuadrado. La intensidad
de la luz depende de la cantidad total de flujo luminoso y
el área sobre el cual es esparcida. La intensidad es
sólo qué cantidad de luz alcanza a la superficie.
La iluminación del sol a mediodía en el Ecuador
es alrededor de 100,000 lux.
Un problema con los lumen y lux es que
se cargan para igualarse a la sensibilidad humana de luz.
Por consiguiente, amarillo y verde puede ser exagerado, rojo
y particularmente el azul pueden ser subestimados.
Photons can be counted (using a quantum
meter) and are reported as Einsteins. One Einstein is one
mole (see sidebar) of photons. For measuring light intensity,
the number of Einsteins hitting a area over time are measured.
This is usually seen as E.m-2.s-1 or uE.m-2.s-1. Photosynthetically
Available Radiation (PAR) measures all visible light (400
to 700 nm) fairly uniformly and is reported in Einstiens per
square metre per second (E.m-2.s-1). In tropical latitudes
around noon on a day with no cloud, the average PAR at the
sea surface is around 2.5 E.m-2.s-1 (Tomascik et al 1997).
Los fotones pueden ser contados (usando
un contador de quantum) y son reportados como Einsteins. Un
Einstein es un mol (ver recuadro) de fotones. Para medir la
intensidad de la luz, el numero de Einsteins golpeando a un
área sobre tiempo son medidos. Esto usualmente es visto
como E.m2.s-1
ó uE.m2.s-1 La radiación
fotosintética disponible (PAR) mide toda la luz visible
(400 to 700 nm) medianamente uniforme y es reportada en Einsteins
por metro cuadrado por segundo (E.m2.s-1).
En latitudes tropicales al rededor del medio día en
un día despejado, el promedio de PAR en la superficie
del mar es alrededor de 2.5 E.m2.s-1
(Tomascik et al 1997).
Es importante entender la diferencia entre
la salida de luz de una fuente de luz y la intensidad de la
luz alcanzando a un objeto. Es tiempo de una analogía.
Si usted comprara una gran bolsa de arena y la pusiera en
el tanque, esparciéndola con igualdad en el fondo del
tanque, tendría cierta profundidad. La salida total
de luz de una lámpara es equivalente al volumen de
arena. La intensidad de luz es la profundidad de la arena.
Ponga el mismo volumen de arena en un tanque mas pequeño
y la arena será mas profunda. Use una bola mas grande
de arena (una lámpara mas brillosa) y obtendrá
mas profundidad.
Un número de factores afectan cuanta
luz es irradiada por una fuente de luz que alcanza al sujeto.
El factor más importante que afecta a la intensidad
de la luz es la distancia entre la fuente de luz y el sujeto.
Los rayos de luz a partir del punto de la fuente de luz son
divergentes y así la luz se esparce sobre un área
grande mientras el sujeto se mueve de la fuente de luz. La
pérdida de intensidad debido a la distancia puede ser
determinada y es conocida como la regla del cuadrado inverso.
La regla del cuadrado inverso afirma que la intensidad de
la luz será inversamente proporcional al cuadrado de
la distancia de la fuente de luz. Eso es, si usted dobla la
distancia de la fuente de luz, la intensidad será reducida
en un 25%. La figura 1 muestra la regla del cuadrado inverso
en práctica.
Figura 3: Regla del cuadrado inverso.
A 5 unidades de la fuente de luz, la luz
se esparce sobre un área de pi*22. A 10 unidades de
la fuente de luz, la misma luz es ahora esparcida sobre un
área de pi*42. La intensidad de la luz en cualquier
punto del círculo inferior será un de un cuarto
de cualquier punto del circulo superior.
La regla del cuadrado inverso se cumple
para cualquier fuente de luz que se aproxima a un punto y
se mantendrá siempre que la distancia de la fuente
de luz sea más de 5 veces el diámetro más
grande de la fuente de luz. El sol se aproxima a un punto
de fuente de luz. Pues tiene un diámetro de 1.4 millones
de kilómetros y esta a una distancia de 150 millones
de kilómetros, la regla del cuadrado inverso aplica.
Por supuesto, el tamaño de la tierra nos previene de
moverse a distancias mas cercanas o lejanas de el Sol como
para poder observar la regla del inverso cuadrado en acción.
Las lámparas incandescentes y de haluros metálicos
se aproximan al punto de fuentes de luz así como algunas
lámparas compactas fluorescentes. Los tubos fluorescentes
regulares no se aproximan a un punto de fuente de luz sobre
las distancias que las usamos en los acuarios.
El color de la luz
Como se explica arriba, la percepción
del color esta basado en el nivel de energía de los
fotones que alcanzan los fotorreceptores en nuestras retinas.
El nivel de energía esta relacionado a la longitud
de onda de la luz y así la longitud de onda ( en nanómetros)
es usada para describir el color de la luz. Estas son los
rangos de longitud de onda aproximados a los colores que percibimos:
| Longitud de onda del color. |
(nm) |
| Violeta |
390-450 |
| Azul |
450-490 |
| Verde |
490-570 |
| Amarillo |
570-590 |
| Naranja |
590-620 |
| Rojo |
620-770 |
Lo que vemos como luz “blanca”
es en realidad una combinación de estas longitudes
de onda. Si la luz “blanca” es proyectada a través
de un prisma, los componentes de la longitud de onda son cortados
debido a la leve variación en velocidad de las diferentes
longitudes de onda pasando por un prisma mas denso. Esto también
es lo que causa un arco iris. La luz del Sol tiene lo que
es conocido como un espectro contínuo. Contiene un
rango contínuo de longitudes de onda debajo de los
400 nm y por encima de los 700 nm.
El color percibido de la luz artificial
está basado en las intensidades relativas de los componentes
de longitud de onda. Muchos fabricantes de lámparas
publican los espectros de sus luces. La mayoría de
las fuentes de luz artificiales producen luz con un espectro
ininterrumpido. La luz está hecha con un número
distinto de longitudes de onda, pero no todas las longitudes
de onda están representadas.
Absorción de la luz
El agua absorbe la luz e incluso en agua
clara, alrededor del 60 % de la radiación total entrando
al agua es absorbida en el primer metro, y alrededor del 80%
es absorbido en los primeros 10 metros (Gross 1977). Adicionalmente,
del 3 al 5 % de la luz que toca el agua es reflejada fuera
de la superficie dependiendo del ángulo en que la luz
toque el agua (Tait 1972). Al mediodía, el ángulo
de incidencia es pequeño y hay una pequeña reflexión,
pero hacia el atardecer el ángulo es mucho mayor y
mucha de la luz es reflejada. El agua turbia absorbe y refleja
mas luz resultando en una atenuación aún mayor.
El agua absorbe diferentes longitudes de onda a varios porcentajes.
La luz roja es absorbida por el agua muy rápido e incluso
a una profundidad de 3 metros hay una pérdida significativa
de la longitud de onda roja. La luz azul, sin embargo, es
absorbida mucho mas despacio y mucha de la luz golpeando la
superficie del agua penetra 40 metros o más. De modo
similar la radiación ultravioleta ha demostrado penetrar
20 metros o más.
La absorción diferencial de las
longitudes de onda afectan significativamente al color de
la luz alcanzando a todos excepto a profundidades cortas.
El agua del océano lejana a las costas es normalmente
muy clara y tiene algunas partículas de color o sustancias
disueltas. Esta agua parece ser azul como el resultado de
la dispersión de los rayos de luz(Gross, 1977).
Las siguientes dos propiedades, color y
temperatura y el índice de la interpretación
del color son mas métodos de describir la luz, particularmente
fuentes de luz artificiales más que características
físicas reales de la luz.
Temperatura de Color
Si usted prende una estufa eléctrica
podrá observar que irradia calor y luz incandescente.
Mientras mas caliente el elemento resplandecerá mas
brilloso. Con los rangos de temperatura que puede obtener
de una estufa, el color de la luz irradiada será rojo.
Si le fuera posible calentar mas el elemento, el color cambiaría,
primero se volvería naranja, luego mas amarillo y eventualmente
lo que vemos como “luz blanca”. Este es el principio
detrás de la temperatura del color.
La temperatura del color se basa en la
radiación de un cuerpo negro teórico más
que en un elemento de la estufa. Como el cuerpo es calentado
(teóricamente) el color de la luz irradiada cambia
del rojo (mas longitud de onda, menos energía) en un
extremo del espectro, al azul (menor longitud de onda, mas
energía) en el otro extremo. La temperatura de color
de la luz producida por el cuerpo negro es en realidad la
temperatura del cuerpo en grados Kelvin (ver recuadro).
La temperatura de color en realidad describe
el espectro de la luz y las cantidades relativas de diferentes
longitudes de onda. Aquí están los espectros
negros de la radiación del cuerpo para un número
de diversas temperaturas (cortesía de Dallas Warren):
 |
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| Figura 4 |
Figura 5 |
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| Figura 6 |
Figura 7 |
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| Figura 8 |
Figura 9 |
Figuras
4-9. Radiación del cuerpo negro. Espectros de
ejemplo de la radiación de
un cuerpo negro a 4000°K, 5000°K, 6000°K, 7000°K,
10000°K y 20000°K.
No todas las fuentes de luz necesariamente
siguen las características de la teoría del
cuerpo negro. Nuestro Sol, de cualquier manera, es un buen
ejemplo. El Sol por sí mismo produce luz con una temperatura
de color al rededor de 5800°K, sin embargo, como la luz
del sol es reflejada y refractada por la atmósfera
de la tierra, la temperatura de color de el Sol variará
con varias condiciones. A mediodía, en un día
despejado, la luz directa del Sol es alrededor de 5500°K,
pero con la luz del cielo incluida, es de alrededor de 6500°K.
Por esta razón “la luz de día” es
usualmente definida como 6500°K. Al mediodía en
un día claro con sombra (no hay luz directa del Sol)
podría ser mayor a 20000°K.
Las lámparas incandescentes estándar
siguen muy de cerca la teoría de los cuerpos negros
y es principalmente por el hecho de que la luz incandescente
se produce calentando un filamento. Una lámpara incandescente
tiene una temperatura de color de al rededor de 2300°K.
Las lámparas fluorescentes y de
descarga de gas (Ej. Haluros metálicos) no siguen la
teoría del cuerpo negro y la temperatura de color clasificada
es solamente una aproximación del color de la luz producida.
Esto es en su mayor parte porque estas lámparas producen
un espectro interrumpido con picos en algunas longitudes de
onda mientras que algunas longitudes de onda no irradian en
lo absoluto. Sin embargo los fabricantes de lámparas
seguirán publicando información de la temperatura
de color para sus lámparas pero sería un termino
mas preciso “temperatura de color aparente.”
Por favor, note que la “temperatura
de color” sólo puede ser aplicada a la luz “blanca”
, es decir, luz que tiene una mezcla de todas las longitudes
de onda. La luz actínica, por ejemplo, no tiene temperatura
de color.
Índice de Producción de Color
(CRI colour rendition index)
Las fuentes de luz artificial también
están evaluadas con un índice de producción
de color. Esto es un indicador de cómo los colores
serán suministrados bajo esa fuente de luz. Un CRI
de 100 significa que los colores serán suministrados
como si estuvieran debajo de la luz del sol a mediodía.
Números más pequeños significan que los
colores no serán suministrados exactamente. Mientras
el índice sea más cercano a 100, los colores
aparecerán más exactos.
En mi próximo artículo cubriré
las aspectos biológicos de la luz.
| Unidades:
SI
(Del francés French Le Système International
d'Unités) es el sistema internacional de unidades.
Hertz
es el derivado del sistema internacional de unidades
para frecuencia y sus unidades son ciclos por segundo.
Watt
es el derivado del sistema internacional de unidades
de poder y flujo radiante. Está definido como
un joule por segundo, o en base al sistema internacional
de unidades un m2·Kg·s-3. No confunda
los watts de poder eléctrico con los watts de
flujo radiante, mientras que efectivamente ambos miden
“poder,” la eficacia de las lámparas
significa que mucha energía es perdida (la mayoría
como calor) en la conversión.
Mol
es la unidad basada en el sistema internacional de unidades
para la cantidad de una sustancia y es definida como
el número de átomos en 0.012Kg (12 g)
de carbón 12. El número de átomos
es 6.0225 x 1023 (Número de Avogadro).
Kelvin es
la unidad basada en el Sistema internacional de unidades
para la temperatura termodinámica y es una medición
obsoleta de temperatura. Obsérvese que como Kelvin
es obsoleto, la unidad Kelvin (símbolo K) debe
ser usada en lugar de grados Kelvin (símbolo
°K). Esto fue adoptado por el treceavo CPGM en 1967.
Cero °K corresponde a cero absoluto que es el punto
donde no hay energía termodinámica, 273.16°K
al punto de congelamiento de agua pura a 1 atmósfera
y 373.16°K al punto de ebullición de agua
pura a 1 atmósfera. Un grado Kelvin (la diferencia
entre dos puntos) es la misma que un grado Celsius (o
Centígrado), de esta manera 273.16 K = 0°C
y 373.16 K = 100°C. |
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