Sự thâm nhập ánh sáng vào nước ao

Tóm tắt: Ánh sáng thâm nhập vào nước bị tán xạ và hấp thụ tăng nhanh khi xuống dưới. Sự có mặt của chất hữu cơ hòa tan và các chất rắn lơ lửng trong nước tiếp tục cản trở sự thâm nhập ánh sáng, các loại chất rắn khác nhau hấp thụ độ dài bước sóng khác nhau. Sự thâm nhập ánh sáng vào nước cũng là nguồn năng lượng cho quá trình quang hợp của thực vật phù du và thực vật thủy sinh khác. Photon (lượng tử) của ánh sáng hấp thụ vào nước làm nước ấm lên và giảm dần theo độ sâu. Mật độ khác nhau của nước có thể tạo ra các lớp phân tầng nhiệt trong các khối nước.

Độ sâu của vùng ánh sáng, lớp nước tiếp nhận 1% hoặc nhiều hơn ánh sáng tới có thể được ước lượng bằng độ nhìn thấy của đĩa Secchi.

Ánh sáng mặt trời bao gồm quang phổ toàn phần của bức xạ điện từ, trong đó bao gồm các tia gamma, tia X, tia cực tím, tia nhìn thấy được, tia hồng ngoại, sóng cực ngắn và sóng vô tuyến. Phần chính của bức xạ mặt trời dưới dạng các tia nhìn thấy được và các tia hồng ngoại có sự khác nhau về độ dài bước sóng.

Ánh sáng mặt trời chiếu đến bề mặt của trái đất hoặc bị hấp thụ hoặc bị phản xạ. Độ trong của các bề mặt nước khác nhau. Độ trong rõ hơn ở nước trong, khi mặt nước phẳng lặng, từ giữa buổi sáng đến giữa buổi chiều, khi các tia của mặt trời gần thẳng đứng với bề mặt trái đất.

Vĩ độ và mùa cũng ảnh hưởng đến góc các tia của mặt trời. Khi góc tới các tia của mặt trời là 60 độ hoặc nhỏ hơn, ít hơn 10% ánh sáng mặt trời chiếu tới thường bị phản xạ do bề mặt nước.

Tỷ lệ ánh sáng tới bị phản xạ bởi một bề mặt được gọi là albedo (suất phản chiếu). Albedo hàng năm của các khối nước ở trong khoảng 5 – 7% tại đường xích đạo và lên đến 12 – 13% tại vĩ độ 60°. Trên cơ sở hàng tháng, suất phản chiếu của nước ít thay đổi theo thời gian trong năm tại đường xích đạo, nhưng tại vĩ độ 60°, suất phản chiếu vào khoảng 5% vào ngày phân điểm trong tháng 3 và tháng 9, khoảng 55% vào đầu mùa đông.

Sự thâm nhập của ánh sáng

Sự thâm nhập ánh sáng vào một bề mặt nước bị tán xạ và hấp thụ hoặc tắt lụi khi đi xuống dưới. Nước làm tán xạ nhưng không hấp thụ ánh sáng cực tím. Nước hấp thụ ánh sáng hồng ngoại nhanh chóng – một ít ánh sáng hồng ngoại thâm nhập hơn 2 m. Ánh sáng bị tắt lụi khá nhanh ngay cả ở nước trong. Chỉ có khoảng 25% ánh sáng tới đạt đến độ sâu 10 m ở giữa đại dương là nơi nước rất trong.

Quang phổ nhìn thấy được bao gồm các bước sóng ở trong khoảng 390 và 750 nanomet (nm, Bảng 1). Một nanomet tương đương với 1 phần tỷ mét. Mức độ tắt dần ánh sáng nhìn thấy trong nước nhiều nhất đối với các tia màu đỏ và cam, thấp hơn đối với các tia tím và ít nhất là các tia màu vàng, xanh lá cây và xanh dương. Sự có mặt của chất hữu cơ hòa tan và các chất rắn lơ lửng trong nước tiếp tục cản trở sự thâm nhập của ánh sáng, các loại chất rắn khác nhau theo ưu tiên hấp thụ độ dài bước sóng khác nhau.

Bảng 1. Các loại tia và màu sắc trong quang phổ sóng điện từ của ánh sáng mặt trời.

Quang phổ toàn phần		Quang phổ thấy được
Loại tia	Độ dài bước sóng	Màu sắc	Độ dài bước sóng
Gamma X Tia cực tím Nhìn thấy được Hồng ngoại Sóng cực ngắn	Ngắn hơn 0.01 nm 0.01 – 10.00 nm 10.00 – 389.00 nm 390.00 – 750.00 nm 759.00 – 106 nm 106 – 109 nm	– Tím Xanh dương Xanh lá cây Vàng Cam	– 390 – 450 nm 450 – 495 nm 495 – 570 nm 570 – 590 nm 590 – 620 nm

Thực vật phù du hấp thụ ánh sáng tốt nhất trong phần quang phổ màu đỏ và màu cam, tuy nhiên cũng hấp thụ các màu khác ở một mức độ thấp hơn. Chất hữu cơ hòa tan hấp thụ mạnh nhất ánh sáng màu xanh dương, tím và cực tím. Chất khoáng lơ lửng có xu hướng hấp thụ ánh sáng đồng đều qua quang phổ nhìn thấy được, trong khi các chất vô cơ hòa tan không giao thoa với sự hấp thụ ánh sáng của nước. Độ mặn, vì thế không có tác động đáng kể đến ánh sáng dưới nước.

Sự phân tầng

Khi các photon của ánh sáng bị hấp thụ bởi nước sẽ làm ấm nước. Lượng nhiệt truyền vào nước giảm dần theo chiều sâu ngày càng tăng. Tất nhiên, nước tái bức xạ sóng dài vào khí quyển, có xu hướng đạt được một sự cân bằng giữa bức xạ vào và ra, đặt ra giới hạn trên các thay đổi về nhiệt độ nước qua 24 giờ hoặc thời gian lâu hơn.

Trong nhiều khối nước, nhiệt được thu vào lớp nước trên nhanh hơn là có thể trộn vào nước ở sâu hơn bởi các dòng nước do gió điều khiển. Điều này dẫn đến lớp nước ấm có mật độ thấp hơn bao phủ lớp nước mát có mật độ lớn hơn ở sâu hơn. Nếu sự khác biệt về mật độ giữa hai lớp trở nên quá lớn mà lớp nước mặt không thể trộn lẫn với lớp nước sâu hơn do tác động của gió thì sự phân tầng nhiệt xảy ra. Trong một khối nước đã phân tầng nhiệt, lớp trên được gọi là tầng mặt (epilimnion), lớp dưới được gọi là tầng sâu (hypolimnion) và lớp mà qua đó nhiệt độ thay đổi nhanh chóng là lớp nêm nhiệt (thermocline).

Khi lớp bề mặt mát và tăng mật độ, hoặc gió và mưa khiến cho sự hòa trộn mạnh hơn, sự phân tầng nhiệt biến mất. Tùy thuộc vào đặc điểm của các khối nước, các điều kiện khí hậu và thời tiết, sự phân tầng nhiệt có thể tiến triển và phá vỡ theo ngày, theo mùa hoặc không thường xuyên. Một số hồ ở khí hậu nhiệt đới phân tầng trong các khoảng thời gian rất dài.

Các ao nuôi trồng thủy sản thường nông và sự phân tầng tiến triển vào những ngày lặng gió và ấm, không tồn tại vào ban đêm, khi nhiệt bị mất đi vào lớp không khí bao phủ. Tất nhiên, trong ao có sục khí, các dòng nước do sục khí tạo ra giúp trộn đều nước ao.

Tầng sâu (hypolimnion) của khối nước bị phân tầng nhiệt thường không có oxy hòa tan. Sự mất phân tầng nhiệt – đặc biệt là nếu bất ngờ – có thể gây ra sụt giảm ôxy hòa tan và dẫn đến cá chết. Sự mất phân tầng đột ngột ở các hồ nuôi cá lồng là một nguy cơ đáng kể.

Sự quang hợp

Sự thâm nhập của ánh sáng vào nước cũng là nguồn năng lượng cho quá trình quang hợp của thực vật phù du và thực vật thủy sinh khác. Thực vật sử dụng ánh sáng màu đỏ và màu cam tốt nhất, tuy nhiên cũng sử dụng các phần khác của quang phổ nhìn thấy được. Độ dài bước sóng từ 400 đến 700 nm được gọi là bức xạ quang hợp khả dụng (PAR) và sẵn có các loại máy đo ánh sáng dưới nước có khả năng đo được PAR.

Bởi vì quang hợp là một phản ứng hóa học gián tiếp nhờ năng lượng từ các photon ánh sáng bị thu hút bởi chất diệp lục và các sắc tố nhạy sáng khác trong các tế bào thực vật, các photon được xử lý như thể chúng là các phân tử trong đo lường bức xạ quang hợp khả dụng (PAR).

Vùng ánh sáng (vùng quang hợp), Đĩa Secchi

Theo nguyên tắc chung, thực vật phù du và thực vật thủy sinh khác không thể tồn tại ở các cường độ ánh sáng thấp hơn 1% ánh sáng nhận được ở bề mặt – dù được đo là tổng ánh sáng hoặc PAR. Lớp nước tiếp nhận ánh sáng tới 1% hoặc nhiều hơn được gọi là vùng ánh sáng hoặc vùng sáng rõ (euphotic). Bởi vì ánh sáng bị tắt lụi tăng nhanh theo độ sâu, tỷ lệ % của bức xạ quang hợp khả dụng (PAR) phụ thuộc giảm nhanh chóng (Hình 1). Biểu đồ độ sâu của sự tắt dần tổng ánh sáng ngẫu nhiên sẽ gần giống như PAR.

Hình 1. Sự thâm nhập của ánh sáng trong nước.

Biểu đồ ánh sáng dưới nước được minh họa ở Hình 1 vào buổi trưa một ngày trời trong ở ao nuôi trồng thủy sản nhiệt đới có thực vật phù du nở hoa. Sự thâm nhập ánh sáng đến các độ sâu khác nhau được ước tính bằng định luật phương trình của Lambert. Ít hơn 20% ánh sáng tới đạt 0,50 m, hơn 2% một ít đạt 1,00 m và vùng ánh sáng chỉ dày 1,35 m – tình trạng khá điển hình trong ao nuôi trồng thủy sản.

Trong các ao có sục khí, sự tuần hoàn nước được tạo ra liên tục mang thực vật phù du từ vùng nước sâu hơn đến vùng ánh sáng và ngược lại. Hiện tượng này về cơ bản có tác dụng tương tự như tăng độ dày của vùng ánh sáng – làm tăng lượng quang hợp trên mỗi đơn vị diện tích bề mặt trong một khối nước.

Trong các hồ, độ sâu của vùng ánh sáng thường tương ứng với độ sâu mà ở đó sự phân tầng nhiệt xảy ra. Không có quang hợp ở tầng sâu (hypolimnion) để cung cấp oxy hòa tan. Các hồ xảy ra sự tụt giảm oxy hòa tan ở tầng sâu (hypolimnetic) được phân loại là phú dưỡng (eutrophic) – nghĩa là giàu các chất dinh dưỡng – trái ngược với các hồ nghèo dưỡng (oligotrophic) – kém dinh dưỡng.

Độ sâu của vùng ánh sáng có thể được ước tính bằng độ nhìn thấy của đĩa Secchi. Giá trị 1,7 chia cho độ nhìn thấy của đĩa Secchi theo mét đã được một số nhà nghiên cứu báo cáo nhằm đưa ra ước lượng thích hợp về hệ số tắt ánh sáng (K) để sử dụng trong định luật phương trình của Lambert.

Sử dụng phương pháp này để có hệ số K và giải định luật phương trình Lambert với độ sâu của 1% sự thâm nhập ánh sáng cho thấy độ dày của vùng ánh sáng gấp khoảng 2,7 lần so với độ nhìn thấy trên đĩa Secchi.

Độ sâu của vùng ánh sáng đã từng được báo cáo khác nhau từ 2 – 3 lần so với độ nhìn thấy của đĩa Secchi dựa trên các nghiên cứu về sinh trưởng thực vật, nhưng giá trị 2,7 là thích hợp cho các mục đích chung.

Độ đục do sự tăng trưởng thực vật phù du tạo ra trong ao thường là một phương tiện để tránh sự tăng trưởng của thực vật lớn dưới nước. Ở độ nhìn thấy của đĩa Secchi điển hình từ 40 đến 50 cm trong các ao nuôi trồng thủy sản, cần độ sâu tối thiểu 110 cm để tránh chiếu đủ ánh sáng ở đáy ao cho sự tăng trưởng của thực vật.

BioAqua.vn

Nguồn: Tiến sĩ Claude E. Boyd, Trường Thủy sản, Nuôi trồng Thủy sản và Khoa học Thủy sản, Đại học Auburn, Auburn, Alabama 36830 USA – Theo Advocate Global Aquaculture – Tháng 11-12/2014