Licht en fotosynthese - deel I

Tekst, illustraties en foto's (tenzij anders vermeld): Dick Poelemeijer

Al het leven op onze planeet is afhankelijk van een proces dat zich 30.000 jaar geleden diep in de kern van de zon tientallen biljoenen malen per seconde voltrok. Tijdens een reeks van gecompliceerde fusiereacties leverden vier waterstofatomen slechts één enkel heliumatoom en verscheidene pakketjes energie af, voornamelijk in de vorm van kortgolvige gammastralen. Tijdens hun tocht naar de oppervlakte van de zon verschoof hun golflengte naar die van röntgen- en ultraviolette stralen en uiteindelijk naar die van zichtbaar licht.

Avondzon
Avondlicht van de ondergaande zon

Ongeveer acht minuten geleden braken de energiebundeltjes door de oppervlakte van de zon en werden zij de ruimte ingestraald. Het zonlicht, dat op dit moment de aarde raakt, levert energie af, die is ontstaan, toen mensen in dierenvellen gehuld zich met stenen wapens al lang uitgestorven dieren van het lijf probeerden te houden. Zonder deze energiebron zou alle leven, zoals wij dit kennen, ophouden te bestaan. De reactie tussen zonlicht en groene planten levert in een gecompliceerd proces de bouwstenen op voor suikers en andere koolhydraten, die niet alleen de planten zelf van voedsel voorzien, maar ook mens en dier die van die planten leven. Dit proces, fotosyn- these, heeft meer dan een miljard jaar nodig gehad om zich tot het huidige niveau te kunnen ontwikkelen.

Licht, natuurkundig gezien
Licht zoals dit door middel van zonnestraling als zogenaamd zichtbaar
  Dubbele regenboog
Dubbele regenboog
wit licht tot ons komt, is simpel gesteld een samenstelling van verschillende elektromagnetische golven. Het menselijke oog, dat wil zeggen het netvlies van ons oog fungeert als antenne en is op het golflengtegebied van deze stralen afgestemd, waardoor wij kunnen zien. Het woord gebied geeft al aan, dat het licht uit een reeks verschillende golflengten bestaat. Wordt het witte licht door een prisma geleid, dan ziet men de spectrale kleurverdeling van de verschillende golflengten. Een fenomeen, dat ons in de vorm van de regenboog bekend is. De spectrale kleuren lopen van violet via blauw, groen, geel, oranje naar donkerrood; in het golflengtegebied van 380 tot 780 nm (= nanometer). Het golflengtegebied vanaf 14 tot 380 nm bevat het onzichtbare ultraviolette licht (UV):
1. Vanaf 185 tot 280 nm, UV-C (ver)
2. Vanaf 280 tot 315 nm, UV-B (midden)
3. Vanaf 315 tot 380 nm, UV-A (dichtbij)

Spectrum zichtbaar licht
Spectrum van het zichtbare licht als deel van de totale straling
Golflengte van het licht
De golflengte van het licht uitgedrukt in ångström
Energieverdeling
Relatieve spectrale energieverdeling van het zonlicht
Kleurtemperatuur
Kelvin - De kleurtemperatuur van een lichtbron

Opmerking auteur
Nanometer is wetenschappelijk gezien niet de correcte benaming als eenheid van lengte. Dit is de ångström (symbool Å) die gelijk is aan 10-10 meter, 0,1 nanometer of 100 picometer. De eenheid is genoemd naar de Zweedse natuurkundige Anders Jonas Ångström, Deze naam wordt uitgesproken als 'Ongstreum' en niet als zo vaak, maar foutief wordt gedaan als 'Engstreum'. De eenheid wordt gebruikt om de afmetingen van een atoom of molecuul uit te drukken. De straal van een atoom ligt tussen 0,25 en 3 Å. De ångström is geen SI-eenheid en is formeel niet geldig, maar toch wordt deze door wetenschappers nog steeds gebruikt, omdat het handig is om hierin de afmetingen van atomen en ook van stellair stof uit te drukken. Ook wordt Å gebruikt voor de golflengte van licht. Omdat wij als aquaristen meer gewend zijn de golflengte van licht in nanometer (nm) uit te drukken, zal dit in dit artikel als zodanig worden gebruikt.

Straling met een kortere golflengte dan 290 nm wordt geabsorbeerd door het ozonscherm en de zuurstof in de atmosfeer door een uitgebalanceerd fotochemisch proces. Naast het donkerrood, dus vanaf 780 nm, bevindt zich de zone van het infrarood. Deze zone loopt van 780 nm tot 400 µm2 en wordt door onze huid opgemerkt als warmtestraling. De kleurindruk 'wit licht' ontstaat niet, doordat de verschillende kleuren werkelijk voltallig aanwezig zijn, ze moeten ook nog in een bepaalde verhouding van sterkte aanwezig zijn. 'De relatieve spectrale energieverdeling' van het zonlicht toont ons welk relatief energieaandeel de afzonderlijke golflengten, dus de verschillende kleuren, in het witte zonlicht bezitten.

Deze energieverdeling is echter niet constant, maar afhankelijk van het weer en tijd van de dag. Uit eigen waarneming zal het iedereen bekend zijn dat tijdens zonsopkomst en zonsondergang het licht roodachtig kleurt, dat wil zeggen warmer aandoet dan overdag, waar eerder een koelere en blauwachtige kleurindruk ontstaat.

De kleurtemperatuur van een lichtbron voor wit licht is gedefinieerd als de temperatuur van een zwart lichaam, waarvan het uitgestraalde licht dezelfde kleurindruk geeft als de werkelijke lichtbron. De kleurtemperatuur wordt meestal uitgedrukt in Kelvin (K).

Zowel de temperatuur van de zon als de kleurtemperatuur van het zonlicht wordt uitgedrukt in °K = Kelvin. Hoe 'warmer' het licht, des te lager is het getal van de kleurtemperatuur en hoe 'koeler' het licht, des te hoger het getal van de kleurtemperatuur. In de tropen varieert de kleurtemperatuur tussen 2500 K (zonsopgang en zonsondergang) en 9000 K ('s middags). In tropische zeeën wordt dikwijls een waarde bereikt van 15.000 K en meer.

Reflectie en absorptie
De kleuren van objecten in de natuur zowel als in het aquarium reflecteren in de kleuren van het aangeboden lichtspectrum, dus in de golflengten van het lichtspectrum, waarmee deze objecten worden bestraald. In daglicht, indien alle spectrale kleuren gelijkmatig aanwezig zijn, reflecteren objecten of in het geval van een aquarium vissen en planten in hun volle natuurlijke kleurenpracht.

Reflectie  
Reflectie van de zon op de wolken
Het tegenovergestelde van reflectie is absorptie. Zelfs de beste reflector zal niet al het invallende licht reflecteren; water absorbeert, glas absorbeert en alle doorschijnende stoffen absorberen, waardoor de geabsorbeerde lichtenergie meestal in warmte wordt omgezet. Een zwart object, bijvoorbeeld een zwarte auto, absorbeert vrijwel al het opvallende witte licht, zodat de zwarte auto aan het oppervlak van het metaal veel warmer wordt dan bijvoorbeeld het oppervlak van een witte auto. In de meeste gevallen worden niet alle golflengten van het opvallende witte licht in gelijke mate geabsorbeerd. Het niet geabsorbeerde, gereflecteerde licht is dan niet meer wit, maar gekleurd. We zeggen dan, dat het object deze of die kleur heeft. Sneeuw is dus wit, als het opvallende witte licht in alle gebieden van het spectrum in gelijke mate wordt gereflecteerd. Wordt sneeuw echter bestraald met uitsluitend blauw licht, dan is de reflectie niet wit maar blauw. Wintersporters, nog niet geheel onder de invloed van de après-ski, zullen hebben opgemerkt, dat sneeuw in de avond enigszins roodachtig opgloeit (Alpenglühen). In feite is sneeuw dus niet wit, maar zorgt de reflectie van het aangeboden spectrum voor de kleurimpressie.

Wit licht is ook te verkrijgen door - kunstmatig - slechts drie afzonderlijke kleuren met elkaar te mengen. Zo verkrijgt men uit de kleuren rood, groen en violet, mits in de juiste verhouding gemengd, wit licht. Dit fenomeen is van belang in verband met de latere beschouwing van verschillende kunstlichtbronnen. Ieder object kan zijn eigen kleur alleen tonen, als deze eigen kleur daadwerkelijk in het spectrum van het daarop vallende licht aanwezig is.

De aan kunstlicht te stellen eis, dat het een natuurlijke kleurweergave moet bezitten, betekent dus niets anders, dat de golflengten van het lichtspectrum het spectrum van natuurlijk zonlicht zoveel mogelijk moet benaderen.

nm: nanometer (10-9) of een miljardste deel van een meter
µm: micrometer (10-6) of een miljoenste deel van een meter
Kelvin afgekort als K: naar de Britse wis- en natuurkundige William Thomson, Lord Kelvin

Voor het vervolg: lees Het Aquarium.

Referenties
Berkeley University - Photosynthetic Pigments, Introduction to the 'Green Algae', Introduction to the Cyanobacteria - 2003, Berkeley USA
Poelemeijer, D.P. - Het verschijnsel licht - 2002 - Verenigingsblad Aqua Phoon van Aqua Fauna no. 1 - 2002, Amsterdam L
Reinaert, Systematische encyclopedie, 1975 - ISBN 9031001759 - Paris F
Time Life - Reis door het heelal 'De Zon', 1990 - ISBN 9061824575 - Kingsport, Tennessee USA
Tomey, W.A. - Toepassing van 'Black Light' in aquaria - 2003 - Verenigingsblad Aqua Phoon van Aqua Fauna no. 7 - 2003, Amsterdam NL
Wikipedia onder de GNU Free Documentation License