D.4 La lumière

[Hervé]

Caractéristiques de la lumière

La lumière est constituée de photons qui ont comme caractéristiques

• leur longueur d'onde
• leur énergie

Longueur d'onde d'un photon

elle s'exprime en nanomètres (1 nm = 1 milliardième de mètre)
dans le spectre visible elle s'étend de 400 nm qui donne une couleur bleue à 700 nm qui donne une couleur rouge.

La CCT (Correlated Color Temperature = température de couleur proximale) d'une couleur

• est la température à laquelle il faut chauffer un corps pour obtenir cette couleur;
• s'exprime en Kelvins qui est une mesure de la température comme le degré Celsius décalé de -273,15°C;
• représente la teinte perçue d'un rayonnement quel que soit son intensité.

On ne peut pas attribuer une CCT à n'importe quelle couleur, par exemple le vert n'a pas de CCT parce qu'un bout d'acier progressivement chauffé passe du rouge à l'orange ... et finalement au bleu, il ne sera jamais vert; c'est ce qu'on appelle un "Rayonnement de corps noir", il est constitué de toutes les longueurs d'onde avec une prédominance rouge à faible CCT et de plus en plus bleue au fur et à mesure que la température augmente.

Le soleil émet un tel rayonnement de corps noir qui atteint 6.500K à la surface de la mer.

Energie de la lumière
D’après la loi de Stark-Einstein, la photosynthèse débute lorsqu’un photon excite un électron. En 1972, Keith Mc Cree découvre qu’en comptant les photons d’un rayonnement lumineux entre 400 et 700 nm à l'aide d'un Quantum-mètre il peut mesurer le taux de photosynthèse.
Le P A R (Photosynthetically Active Radiation) est le nombre de photons reçus par une surface de un m² en une seconde quelle que soit l'énergie et la longueur d'onde de ces photons.
Ce nombre de photons étant très grand on utilise l'einstein qui est est un nombre N_A (Nombre d'Avogadro) égal à 602.214.076.000.000.000.000.000 = 6,022 140 76 × 10²³, ça évite juste les chiffres suivis de 23 zéros.
L'unité pratique du PAR est le millionième d'einstein par m² par seconde (µE/m².s)
Au lieu de "je souhaite un PAR de 60.221.407.600.000.000.000 photons par m² par seconde il est plus simple d'écrire "je souhaite un PAR de 100 µE/m².s" mais c'est exactement la même chose; on peut omettre l'unité : "je souhaite un PAR de 100" reste compréhensible.

La mesure en PAR donne une première indication de l’efficacité photosynthétique d’une source lumineuse mais c’est le PUR ou rayonnement utilisable pour la photosynthèse (Photosynthetically Usable Radiation), qui est la fraction de PAR réellement absorbée par les organismes étudiés.

Plus la longueur d'onde est petite plus un photon transporte d'énergie.
Pour transmettre une même énergie il faudra donc davantage de photons rouges que de bleus.

Besoins des coraux

Les zooxanthelles présents dans les tissus des coraux ont besoin d'énergie sous forme de lumière.
Ces algues symbiotiques ne sont pas également réceptives à toutes les longueurs d'onde : comme le montre ce graphique ils profitent davantage du rouge et du bleu que du vert; le rouge est d'ailleurs plus efficace que le bleu, voir courbe de McCree.
Ceci ne signifie pas que les coraux ne pousseraient pas sous une lumière verte mais qu'il faudrait plus de puissance que si on l'éclairait en rouge ou en bleu.

D'une part plus on descend sous la mer plus le rouge est absorbé, puis l'orange, puis le vert; la lumière est donc de plus en plus bleue donc la CCT augmente; à un mètre de profondeur il n'y a déjà plus que 50% du rouge de surface; à 10m de profondeur il ne reste que 60% de vert et 0,1% de rouge; nous éclairons donc les bacs avec une dominante bleue pour simuler l'ambiance qui règne sous la mer car il serait difficile de construire un bac de 10 m de haut alors que les coraux pourraient utiliser tout le spectre comme ils le font par exemple dans les lagons.

D'autre part plus on s'enfonce sous l'eau plus la puissance lumineuse diminue : à 10m de profondeur il reste 50% de l'énergie disponible en surface.
A midi sous les tropiques on mesure jusque 2.000 µE/m²/s à la surface, il reste 300 µE/m²/s à 20m de profondeur. En moyenne sur une journée on constate 400 à 800 µE/m²/s à 0m et 60 à 100 µE/m²/s à 20m.
Bien sur ça peut varier selon la quantité de particules en suspension, mais les coraux qui nous intéressent sont tous susceptibles de se maintenir dans ces valeurs.

Mesure de la lumière

Le PAR ne tient pas compte des besoins des coraux un peu comme si on comptait le nombre de véhicules qui passe sur une route, sans se soucier si c'est une mobylette ou un 45 tonnes.
Pour optimiser l'éclairage il faudrait utiliser le PUR (Photosynthetic Useable Radiations) qui est le PAR pondéré avec la courbe de sensibilité des coraux; je n'ai cependant toujours pas trouvé de tableau donnant le PUR nécessaire pour chaque corail ni le moyen de mesurer le PUR, il n'est donc pas plus significatif que le PAR.
Enfin l'éclairement, dont l'unité de mesure est le lux, est l'intensité perçue par l'œil humain qui ne représente donc pas les besoins des coraux mais est facile à mesurer globalement à l'aide d'un luxmètre alors que le PAR se mesure ponctuellement avec un Quantum-mètre.

L'éclairement (en Lux) ne correspond donc pas aux besoins des coraux, mais le PAR (en µE/m².s) non plus.
Ecrire que tel corail a besoin d'un PAR de 150 n'a pas plus de sens qu'écrire qu'il a besoin d'un éclairement de 7.500 Lux.
Pour savoir si la lumière convient aux coraux il faudrait connaître le spectre, mesurer le PAR ou l'éclairement et calculer le PUR ce qui serait relativement complexe.
Par contre si la CCT est connue, on peut calculer la relation entre les différentes longueurs d'onde et le rapport entre PAR et éclairement devient constant, par exemple pour le soleil l'éclairement est égal au PAR multiplié par 54 : à un PAR de 100 µE/m².s correspond un éclairement de 5.400 Lux.
On peut donc écrire que tel corail a besoin d'un PAR de 150 ou d'un éclairement de 7.500 Lux à condition de préciser à quelle CCT.
Les coraux sont très tolérants vis à vis du PAR : de 2.000 à 50 µE/m²/s.
Pour beaucoup de coraux la photosynthèse est au max à 400 µE/m²/s ce qui indique que cela ne sert à rien de dépasser cette valeur.
Et à 100 µEinstein/m²/s la photosynthèse reste correcte mais la croissance devient faible, voici les valeurs relevées dans la nature :

A une CCT de l'ordre de 15.000K un luminaire devrait donc fournir
un éclairement minimum de 5.000 Lux ou un PAR minimum de 100 µE/m².s dans le fond du bac;
un éclairement maximum de 20.000 Lux ou un PAR maximum de 400 µE/m².s à la surface.

Choix d'un système d'éclairage

Plusieurs critères techniques sont à prendre en compte pour choisir un système d'éclairage :

• l'intensité de la lumière
• la consommation électrique et le rendement
• la couleur de la lumière ou CCT
• la répartition de la lumière sur le bac

Ensuite il reste à prendre en considération la disponibilité, l'esthétique, le budget, ... et aussi via Le Forum Récifal la qualité de fabrication, la fiabilité, le bruit des ventilateurs éventuels, l'efficacité du sav, ... sans oublier le côté pratique pour les réglages, la pose et l'encombrement.
Voir aussi l'avis de Jörg Kokott biologiste pour la firme Sangokai.

Intensité de la lumière

L'intensité en surface dépend des coraux qu'on souhaite abriter et de la hauteur d'eau.
Comme expliqué dans l'article D.4 La lumière le PUR détermine les besoins des coraux mais on ne trouve ni le PUR idéal pour chaque corail ni le moyen de le mesurer.
Certains utilisent le PAR (en µE/m²/s), d'autre l'éclairement (en Lux) mais le premier mesure le nombre de photons quelle que soit leur longueur d'onde et leur énergie alors que le second est relatif à la sensibilité de l'œil humain : aucun des deux ne correspond donc aux besoins des coraux.
Le sujet Besoins d'éclairage des SPS donne des valeurs indicatives de PAR et d'éclairement pour certains d'entre eux.

La plupart des coraux ne poussent pas sous un éclairement inférieur à 5.000 Lux et ne poussent pas davantage si on dépasse 20.000.
Avec 20.000 Lux en surface on obtient 10.000 Lux sous 60 cm d'eau, le double du minimum nécessaire, ce qui fait 14.000 en moyenne.
Le logiciel Choix d'un luminaire propose 3 options :

1. Eclairement minimum = 5.000 Lux ou PAR = 140 µE/m²/s dans le fond du bac
   minimise la puissance consommée tout en permettant aux coraux de pousser;
2. Eclairement recommandé = 14.000 Lux ou PAR = 390 µE/m²/s au milieu
   meilleur compromis permettant une belle pousse même dans le fond;
3. Eclairement maximum = 20.000 Lux ou PAR = 555 µE/m²/s en surface
   maximise l'intensité lumineuse sans suréclairer inutilement.

Il vaut mieux choisir un luminaire dont on pourra régler la puissance comprise entre 50 et 80% parce que

1. en dessous de 50% il est plus économique de diminuer le nombre de luminaires;
2. au-dessus de 80% il devient difficile de régler la couleur puisque tous les canaux sont presque à fond;
3. le flux lumineux diminue avec l'âge : si la puissance est proche de 100% on ne pourra pas compenser cette perte de luminosité.

D'autre part les luminaires modernes équipés de LEDs permettent de régler la couleur et l'intensité de l'éclairage et notamment de la faire varier progressivement pendant les phases d'allumage et d'extinction ce qui évite de stresser les poissons; il est toutefois inutile qu'elles durent trop longtemps parce que pendant ces périodes

• la lumière n'est pas très efficace, voir Quelle durée d'éclairage ?
• les animaux doivent sans cesse s'habituer au changement ce qui consomme leur énergie.

Consommation électrique et rendement

On définit le rendement comme le flux lumineux produit, en Lumens, par Watt de puissance électrique consommée : plus le rendement est élevé moins une rampe consommera d'électricité pour un même éclairement.
A noter que le rendement augmente si la puissance diminue, par exemple une rampe d'une puissance de 100 Watts fournissant un flux de 7.000 Lumens soit un rendement de 70 lumens par watt, ne fournira pas 3.500 Lm si on diminue sa puissance à 50W mais 4.000 soit un rendement de 80 lumens par Watt.
Contrairement aux T5 et HQI avec lesquels on considérait qu'il fallait un watt par litre parce que le rendement était toujours proche de 50 lm/W, celui des LEDs varie fortement selon la marque, le modèle et le pourcentage de puissance; par exemple pour fournir un éclairement de 14.000 Lux au milieu d'un bac de 120 x 60 x 60 cm il faudrait 150 Watts avec une rampe Zetlight ZT6800 ou Alpheus contre 270W soit pratiquement le double avec Arcadia S6 ou Aquarium Systems Series 6.

Couleur de la lumière ou CCT

Répartition de la lumière sur le bac

Une source lumineuse, par exemple une LED équipée d'une lentille, émet sa lumière dans un cône (illustration à gauche); plus l'angle est petit plus le diamètre du cercle éclairé sera faible ou plus il faudra augmenter la distance de la source à la surface à éclairer.
Par exemple, à droite, il faudra placer une LED avec lentille à 70° à 71 cm de la surface pour éclairer un cercle de 1 mètre et à seulement 50 cm si l'angle est de 90°

Si on éclaire un bac rectangulaire ou même carré avec une seule source les angles seront mal éclairés puisque la partie éclairée est circulaire; de plus un seul spot provoque des ombres comme illustré à gauche.

Pour cette raison on dispose en général plusieurs LEDs en longueur L et en largeur l ou même plusieurs luminaires afin de couvrir toute la surface du bac.
A cause de l'angle α des lentilles un luminaire placé à une hauteur H éclaire plus long et plus large que les distances entre les LEDs extrêmes L et l.
Le logiciel Répartition de l'éclairage permet de visualiser les faisceaux lumineux produits par une ou plusieurs rampes, il permet aussi de calculer automatiquement la distance entre plusieurs luminaires et leur hauteur afin d'éclairer au mieux toute la superficie du bac et pas en dehors.

[Hervé]

Utilité d'un Quantum-mètre

Il s'agit d'un appareil permettant de mesurer ponctuellement le PAR, par exemple le PARwise.

Pour croître les coraux ont besoin d'une certaine quantité d'énergie.
Energie d'un photon : E = h c / λ
avec
h : constante de Planck = 6,63 10^-34 J.s
c : vitesse de la lumière = 300 10⁶ m/s
λ : longueur d''onde électromagnétique du photon

Un photon Royal blue, longueur d'onde 450 nm, transporte donc une énergie de

6,63 10^-34 x 300 10⁶ / 450 10^-9 = 4,4 10^-19 Joules soit 2,8 eV

Un photo rouge, longueur d'onde 660 nm, transporte donc une énergie de

6,63 10^-34 x 300 10⁶ / 660 10^-9 = 3,0 10^-19 Joules soit 1,9 eV

Dans les 2 cas un quantum-mètre compte un photon alors que le bleu est 50% plus énergétique que le rouge.

D'autre part les zooxanthelles ont une sensibilité dans le vert (550 nm) de 25% par rapport au bleu royal (450 nm).
En d'autres termes pour obtenir la même efficacité il faudrait fournir 4 fois plus de puissance dans le vert que dans le bleu.
Un quantum-mètre n'en tient pas compte, pour lui un photon vert = un photon bleu = un photon rouge quelle que soit l'énergie qu'il transporte.

Ce sont les raisons pour lesquelles le PAR n'est pas représentatif des besoins des coraux.

Enfin, à midi, sous les tropiques on mesure 2000 µEinstein/m²/s à la surface et étant donné l'absorption de la lumière par l'eau il reste 300 µEinstein/m²/s à 20m de profondeur. En moyenne sur une journée ça fait du 400/800 µEinstein/m²/s à 0m et 60/100 à 20m. Bien sur ça peut varier selon la quantité de particules en suspension, mais les coraux qui nous intéressent sont tous susceptibles de se maintenir dans ces valeurs; les coraux sont donc très tolérants vis à vis du PAR : de 2000 à 50 µEinstein/m²/s.. Pour beaucoup de coraux la photosynthèse est au max à 400 µEinstein/m²/s ce qui indique que cela ne sert à rien de dépasser cette valeur. Et à 100 µEinstein/m²/s, la photosynthèse même si elle n'est pas au max reste correcte.

Mesurer le PAR à un endroit donné permettra de savoir, à l'exactitude de l'appareil de mesure près, quel PAR un corail placé là reçoit,
cette mesure ne permettra pas de savoir si un corail donné se plaira à cet endroit, je considère donc qu'un quantum-mètre est un gadget.

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