あやしい水槽

海水魚 サンゴ 海藻  あやしい記事とピンボケ写真.そして誤字脱字...

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09月の記事一覧

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9月の水温と室温 

ようやく涼しくなったと思ったら,一気に肌寒く感じる今日この頃です.

恒例の月末ネタ,9月の水温と室温です(^^
9月の20日頃まで異常な激暑が続いて,その後一気に気温が下がりました.
たぶん9月で最高気温だった9月4日と,雨が降っていて肌寒かった9月24日の
水温と室温を比べてみます.

まずは,9月4~5日のデータです.
(クリックすると大きくなります)
AQdata20100905.jpg
今ではかなり前の出来事に感じてしまうこの日,
最高室温は34.2℃をマークしました.
先月のデータで分かりましたが,室温が33℃を超えると
クーラーが動作しっぱなしになります.この日も
昼の1時頃から夜の9時頃までクーラーが動き続けていました.
うちの環境では,設定水温と室温の差が大体8℃を超えると,
ZR-130では水温を下げきれずに,このような状態になるようです.
クーラーの稼動時間としては,1日に15.5時間程で,稼働率にして
65%でした.

これはクーラーの廃熱の処理と,水中ポンプや照明の使用状況に
よって変わってくるとは思います.

こんな状況ですが,なんとか水温は1.1℃の変化で収まっていました.

お次は,9月24日のデータです.
(クリックすると大きくなります)
AQdata20100924.jpg
※室温の最高気温は前日の夜22時に25℃をマークしてますが,
ここでは,24日のデータとして17時の24.7℃を最高室温としてます.

3週間の間にここまで変化しました.
1日の室温変化も2℃以下で,一年中こんなだったいいのにと
思います.

室温が水温を常に下回っていますが,この室温では水温は
まだ上昇していまして,クーラーの稼動頻度は激減したものの
働いています.
室温が安定していたPM14:00頃の水温から,ポンプ等によって
2℃以上は水温が上昇させられていることが分かります.
ちなみに,この時間はまだ照明は点灯していません.

使用しているポンプですが,
・EHEIM1262(50Hz) 2台 消費電力80W×2
・マキシジェットMJ-500(50Hz) 1台 7.5W
・Vortech MP20 6~18W
です.
このうちVortechのポンプは水槽外なので無視して,
ポンプの消費電力は167.5W.
ポンプ効率を60%として,60~70W程度は熱として,
水中に伝わっているはずです.
つまり,常時60WくらいのヒータがONしているのと
同じ状況といえます.
水中ポンプの宿命ですね.

ちょっと余談ですが,製作がストップしている自作ろ過槽ですが,
この水中ポンプの熱を冬は有効に利用して,夏は海水に熱が
伝わらないような構造を検討中です.
涼しくなったので,ろ過槽の製作はそのうち再開します.



おまけ.
メタハラの交換球と照度計を買いました.

もうそろそろ2年近く経過するメタハラ球を,いいかげん変えます(^^;
光スペクトルのデータが公表されているボルクスさんのものを買ってみました.
IMG_2590.jpg
IMG_2591.jpg
照明について色々検討していると,やはり白色に近いほうが
いいと感じてきましたので14000Kをチョイスしました.
青みは今も使っているヴォルテスで補正します.


照度計も欲しかったので買ってみました.
IMG_2589.jpg
照度計は星の数ほど種類がありますが,先ずは値段で決定です.
値段はなんと3000円!
アマゾンで売ってます.
後で分かったことですが,チャームで同じものと思われる
照度計が10000円で売っていて,思わず笑ってしまいました.

↑これ逆にチャームで買っていたらショックで寝込んだと思います(^^;

これらのレポートはまたそのうち記事にします.

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8月の水温と室温
7月の水温と室温
6月の水温と室温
5月の水温と室温
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水槽と照明 その16 海中の光スペクトル(AM1.5) 

前回の記事で求めた海中の光スペクトルをもう少し詳しく
調べてみたいと思います.

1.海中の光スペクトル
このグラフで海中の深度毎の光スペクトルの絶対値を求めましたが,
規格化して再度表示しなおしました.
海水中の光スペクトル
深度が深くなると,海水の吸収・散乱によって光が減衰して,
特に吸収係数が大きい波長領域では光は到達できません.
太陽光のピーク波長であり,海水の吸収係数が最も小さい
495nm辺りの光をピークとした分布になります.

深度が5m程に達すると,かなり光スペクトルの幅は
限定されています.いわゆる深場もののサンゴには
この限定された光のみが照射されているということでしょうか.



上のグラフでは正しい色が表現できていませんが,
ちょうどシアンの色が海中深くまで到達するようです.
まさにエメラルド色といった表現がぴったりですね.

ところでこのシアンは,通常の白色LEDではちょうど弱い領域です.
この計算から得た海中の光スペクトルを再現できるLEDランプは,
残念ながらアクアランプ市場には出回っていません.
LEDランプを熱心に検討されてる1.023worldのエイジさんなら
スペシャルLEDの組合せで成し遂げてくれるかも(^^

アクアリウム用ランプの色味のバラエティとして,
海中深度毎の光スペクトルに対応したものが
商品化されたら面白いかも知れません.
例えば「深度5mモデル」とか.


2.海中の光の色度
先の光スペクトルから人間にはどんな色に見えるか
xy色度上に示してみました.

海面(深度0m)では太陽光のスペクトル(AM1.5)そのものですので,
おおよそ5500Kを基点として,深度が深くなると.ピーク波長495nmを
目指してグラフ上で線が伸びて行きます.
海水中の光の色度
xy色度図から見て取れるように,海中の光の色は
黒体軌跡から完全に外れています.このことから
すくなくともAM1.5の太陽光とした場合では,
海中の色は色温度では全く表現できないもので
あることが分かりました.
これはかなり意外な結果です.


3.深度毎の色の変化
xy色度から得た色を深度毎に並べて表示させてみました.
縦方向は深度で,横方法は明るさです.
深度が深くなるとエメラルド色が段々と濃くなっていきます.
海水中の光の色
xy色度図では明るさ度合いは表現できません.そこで
xy色度図から得た色を横方向に明るさを変えています.
中央を境に左側がガンマ値を変えて,右側は明度を
変えて表現しています.ただ中央でのつながり具合が
今一です.

実際の海中では,深度が深くなると光が届かなくなって,
光強度が低下します.そこで,図中に斜めに→で示すように,
深度が浅い場合では図中左側の明るところ,深度が深い場合には
図中左側のような暗いところで表現される色のイメージになります.


今回の検討は太陽光のスペクトルをAM1.5(エアマス)として
得たものです.AM1.5については前の記事をご参照ください.


次回は,海中の照度とPPFD(PAR)について検討したいと思います.
あと,しかぱっちさんからリクエストして頂いている
クアトロン(4原色)についても検討中です.


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水槽と照明 その15 太陽光のスペクトル
水槽と照明 その14 色温度(後編)
水槽と照明 その13 色温度(前編)
水槽と照明 その12 メタハラとLEDの比較
水槽と照明 その11 メタハラとLEDの色度
水槽と照明 その10 光合成光量子束密度(PPFD) の単位変換
水槽と照明 その9 光源色の可視化
水槽と照明 その8 LED照明の光合成光量子束密度(PPFD)
水槽と照明 その7 事例(4)
水槽と照明 その7 事例(3)
水槽と照明 その7 事例(2)
水槽と照明 その7 事例(1)
水槽と照明 その6 側面ガラスの反射光
水槽と照明 その5 蛍光灯照明のモデリング
水槽と照明 その4 メタハラの特性
水槽と照明 その3 ガラス蓋と光損失
水槽と照明 その2 光線追跡
水槽と照明 その1 海水の光の吸収
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水槽と照明 その15 太陽光のスペクトル 

これまで,水槽中の光の振舞いや照明器具の照度など,
水槽環境内の照明について検討してきました.
この照明ネタを扱う目的の一つとしては,サンゴを飼育するには
どのくらいの光の強度とスペクトル分布が必要なのかを
定量的に明らかにすることと考えています.

サンゴ飼育に必要な光の特性を求めるための手法として,
実際飼育している水槽環境で光の強度とスペクトルをダイレクトに
測定するといったアプローチと,もう一つは,実際にサンゴが
生育している海域の光を調べるといったアプローチも考えられます.

そこで,サンゴ礁の海中の光特性を調べるために文献など
調べていて,光の強度のデータが記載されている文献もちょくちょく
見つけたりはしていたのですが,特定の深度のPPFD(光合成光量子束密度,PAR)
や1日の平均のPPFDや放射照度だったりで,断片的なデータしか
探しだすことしかできていませんでした.

そうこうしている時,下記のように太陽光の詳細な分光スペクトルの
データを見つけました.この太陽光のスペクトルデータと海水の
吸収係数から海中のスペクトルが計算できますので,
強引に海水中の深度毎の光強度とスペクトルを算出してみようと思います.


1.太陽光のスペクトル
NRELという米国の国立研究所のサイトで,
NREL(National Renewable Energy Laboratory)
太陽光の光スペクトルのexcelデータがダウンロードできます.
Reference Solar Spectral Irradiance: ASTM G-173

近年普及めざましい太陽電池の評価をするために,日射条件の基準として
地表上の光スペクトル分布とその光強度が定められています.
この日射条件はエアマス(AM)と呼ばれ,地球の大気圏外の
光スペクトル分布をAM0,赤道上の地表面での光スペクトルを
AM1,天頂角41.8°での光スペクトル分布をAM1.5としています.
この1.5というのは大気中を光が通る距離を表していて,
赤道上の太陽光が進む距離を基準(1)として,1.5倍の距離で
あることを示しています.

太陽電池の評価の基準とされているのは専らAM1.5で,緯度でいうと
ちょうど日本付近に相当するそうです.

主にサンゴは熱帯に生息していることから,赤道付近の太陽光のスペクトルが
欲しいところですので,AM1.0のデータが入手できたら,都度更新してゆく
つもりです.
AM1.0では大気中を透過する距離がすくないことから,レーリー散乱による
短波長(青色)の散乱が少ないので,AM1.5より短波長域の成分が
多いはずです.またAM1.5より絶対強度そのものも強いはずです.

とりあえず今回はAM1.5のデータを使って検討を進めます.
次のグラフはAM1.5のスペクトルデータです.

光は300nmから4μmまで分布しています.
縦軸は分光放射照度を示していて,1平方メートル辺りの放射強度(W)です.
波長(横軸)で積分するとそのまま放射照度となります.
横軸全域で積分したら1000W/m^2になります.
このグラフのうち,可視光(380~780nm)はちょうどピーク値の辺りです.
可視光の波長領域に限定して積分すると540W/m^2になりました.

2.太陽光の変動と損失
海水中へ太陽光がどれくらい達するか算出するために,
簡単な計算モデルを考える必要があります.
下図に太陽光が海中深くに到達するまでの光の変動や損失の
要因を書き出してみました.
SkyAndSea_20100907220707.jpg
(1)大気中
太陽光が海面へ到達するまでの吸収や散乱はAM1.5のスペクトルデータで
考慮されていますが,季節による天頂角の変化や時刻(日の出から日の入りまで)
によってスペクトルデータは大きく変化します.
AM1.5はAM11時前とPM1時を過ぎた辺りのスペクトルデータのようです.
もちろん台風などの悪天候によっても大きく変化されられるでしょう.

(2)海面の界面
空気中から海中へ光が入射するときには,空気の屈折率(約1)と
海水の屈折率(約1.33)の屈折率差から界面が生じます.
可視光域ではそれぞれの屈折率は大体同じなので,波長によらず
約2%の反射が生じます.光の入射角が大きくなれば反射率も上昇します.
過去にこちらの記事で
水槽と照明 その2 光線追跡
入射角による反射率と透過率の依存性を計算したことがあります.

しかし,実際の海面では絶えず波によって,見かけ上の入射角の
変動や,波で海面が曲率をもつことによってレンズ効果により
集光や発散が起こります.
この波により海中の光強度は常に変化し続けている状態にあります.

(3)海水中
こちらも以前の記事で
水槽と照明 その1 海水の光の吸収
取り上げましたように,水分子やプランクトンによって吸収や散乱が
発生します.これらの吸収や散乱を吸収係数として一つの光学定数で
表すことができます.
もちろん吸収係数は海域によって大きく異なります.

今回は,下のグラフのoceanicの吸収係数を使って検討を進めます.
海水の吸収係数
海水の吸収係数は400から670nmの範囲でしかデータがありませんので,
以下の検討では400nm以下と670nm以上では予測で線を延長して計算に用いています.

こちらのグラフは,
航空機リモートセンシングによるサンゴ白化分布域の調査法に関する研究
を参照させて頂きました.


3.可視光域の太陽光のスペクトル
先に載せた太陽光のスペクトルを可視光の範囲で表示させました.
太陽光と色温度
日中の地表での色温度は5500K~6500Kとされてます.
同時に5500Kと6500Kの色温度のスペクトルもグラフに記載してみました.
グラフで比較してみると5500Kと傾向がほぼ一致しているようです.
6500Kは大気中でレーリー散乱で生じた青い光を含めて感じられる
色温度のようです.


4.海中の光透過率
海水の吸収係数(oceanic)を使って海水中の深度毎の透過スペクトルを
算出してみました.海面の反射率は波がないものとして2%の反射のみを
考慮してあります.
海水中の光の透過率


※ ランベルト・ベールの法則で求めました 

とりあえず深度50cmから50mまでグラフに掲載してあります.
実際のサンゴ礁の水深はどのくらいなのでしょうか?
浅場で2-3m,深場で10-20mでしょうか??
5mくらいの深さになるとかなりスペクトルの幅が限定されています.
500nmあたりの吸収係数が一番小さいことから,
深度が深くなると500nmあたりの光が突出したスペクトル分布になります.

5.海中の放射照度
次に,放射照度を計算してみました.
海水中の光強度

こちらもやはり吸収係数によって深度が深くなると500nm
あたりの光が突出したスペクトル分布となります.
縦軸は波長あたりの放射照度なので,ここから照度(Lux)や
PPFD(光合成光量子束密度,PAR) を算出することが
可能です.
各深度毎のスペクトルを規格化することで,光スペクトル分布が
分かりやすくなので,次の記事でその辺りを試してみようと思います.



ということで,今後の予定です.
・海中の深度毎の光スペクトル分布,照度,PPFD(光合成光量子束密度)の導出
・1日(日の出から日の入りまえ)の放射照度とスペクトルの変化
・AM1.0(赤道上)のスペクトルデータでの検討
・海面の波浪による光の透過率の影響
などなど.


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水槽と照明 その14 色温度(後編)
水槽と照明 その13 色温度(前編)
水槽と照明 その12 メタハラとLEDの比較
水槽と照明 その11 メタハラとLEDの色度
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水槽と照明 その8 LED照明の光合成光量子束密度(PPFD)
水槽と照明 その7 事例(4)
水槽と照明 その7 事例(3)
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水槽と照明 その7 事例(1)
水槽と照明 その6 側面ガラスの反射光
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8月の水温と室温 

いまさらですが,8月の水温と室温です(^^;

8月29日のデータです.
(クリックすると大きくなります)
8月水温室温s
この日は日曜日で,朝から家族で出かけていて,部屋の窓も
締め切っていた状態です.

とうとう,クーラーの限界に到達してしまったようです.
室温が33.5℃,ろ過槽を設置している地下倉庫の室温が34.5℃を
超えた辺りで,クーラーが動作しっぱなしになってしまってます.
ちょうど16:00から照明が点灯するようになっています.


通常では水温が25.6℃あたりで下限のリミット値を越えるので
クーラーの動作が終えるはずですが,25.6℃を下回っても
クーラーは止まらず,25.4℃まで水温を下げて動作完了してます.

これは,水温は水槽の水温を測定していますが,その水温と,
クーラー内を通水する水温が一致していないことが原因だと推測してます.

クーラー内を通水する海水は,ろ過槽からポンプで送られますが,
地下倉庫の室温が上昇して,ろ過槽内の水温が水槽の水温より
0.2℃程高くなることで,このような現象が起こるのではないなかと
考えています.

水量が220L程で,水温と室温の差が9℃のときにZR-130の限界が現れました.
照明の条件としては,150W(20000K)のメタハラ1灯と,
30W(ブルー)の蛍光灯2灯(ヴォルテス)を使っていて,
ガラス蓋を使っています.


設定水温を1℃上げるとか,クーラーから排出される熱風処理を
もっと改善するとかすれば,もう少しガンバレそうですが,
来年はクーラーの容量をUPすることが必要かもしれません.

早く涼しくなってほしいものです(^^

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