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Aquarium Licht: Welche Beleuchtung ist für das Aquarium die beste und wie stark soll sie sein?
Zusammenfassung
Licht im Aquarium: Das Aquarium Licht beschäftigt Generationen von Aquarianern und wird immer wieder kontrovers diskutiert. Licht ist wichtig für das Pflanzenwachstum und für die Optik des Beckens. Dieser Artikel soll einen Überblick über die wichtigsten Parameter zur Beurteilung einer Aquarium Beleuchtung an die Hand geben und darüber hinaus die neuesten wissenschaftlichen Erkenntnisse der Wirkung von künstlichem Licht auf Pflanzen erklären.
Werte wie Lux, Lumen, Watt und so weiter werden gern verwendet, manchmal ohne die Bedeutung richtig zu kennen. Wir wollen hier versuchen, einiges zu klären.
- Watt – Die Stromaufnahme der Lampe / des Leuchtmittels
- Lumen – Lichtstrom, die Lichtmenge die eine Lampe abgibt.
- Lux – Die Beleuchtungsstärke an einen bestimmten Punkt.
- Farbwiedergabeindex – Wie gut werden Farben unter einem Leuchtmittel wiedergegeben.
- Farbtemperatur – Ist eine Beleuchtung eher kalt oder warm.
Wie kann also die Beleuchtungsstärke im Aquarium definiert und gemessen werden? Die gebräuchlichen Angaben sind hier:
- Lumen pro Liter Wasser
- Watt pro Liter Wasser
- Lux
Lumen pro Liter Wasser:
Wollen wir, wenn wir eine Lampe kaufen, grob überschlagen, ob diese für das Becken passt, ist diese Angabe die beste (wenn der Hersteller eine Angabe über den Lumenwert macht). Wir Teilen die Lumen durch den Wasserinhalt und bekommen den Wert Lumen/W.
Ein Aquarium mit dem Maßen 40x40x40cm hat brutto 64 Liter Inhalt, real (Luft oben und Bodengrund unten) etwa 48 Liter!
Wenn also die Lampe 1400 Lumen hat und das Becken 48 Liter sind das 29 lm/Liter.
Die Angaben die Du zu diesem Thema finden kannst, schwanken. Natürlich ist die Angabe davon abhängig, wie hoch der Bewuchs ist, die Beschattung, Einrichtung mit Wurzeln oder Steinen usw. Nach unseren Erfahrungen sind die unten angegebenen Werte für ein stark bepflanztes Becken mit LED Beleuchtung eine gute Grundlage:
- 10-20 lm/Liter – Pflanzen mit wenig Lichtbedarf
- 20-40 lm/Liter – Pflanzen mit mittlerem Lichtbedarf
- > 40 lm/Liter – Pflanzen mit hohem Lichtbedarf
Ein 40x40x40 cm Würfel ist also mit einer Lampe mit 1400 Lumen gut bestückt. (30lm/Liter).
40 lm/Liter reicht aus, um auch Pflanzen mit hohem Lichtbedarf in einem gut zugewachsenen Becken mit Wurzeln und Bodendeckern ausreichend mit Licht zu versorgen.
Bei normal bepflanzten Becken, kann die lm/Liter Angabe geringer angesetzt werden!
Watt pro Liter Wasser:
Diese Angabe wird häufig verwendet, ist aber nicht aussagekräftig. Sie beinhaltet nämlich nicht den Wirkungsgrad der Lampe. Der Wirkungsgrad wird mit der Größe Lumen pro Watt (lm/W) bezeichnet. Leuchtstoffröhren haben z.B. eine Lichtausbeute von etwa 70 lm/W, gute LED Lampen 140 lm/W.
Wenn jemand nun also sagt, meine Pflanzen wachsen mit 0.5 W pro Liter Wasser gut, konnen das 35 lm/W oder auch 70 lm/W sein!
Ein weiterer Einflussfaktor ist der Abstahlwinkel des Leuchtmittels. Je mehr Licht an die Pflanzen kommt und nicht z.B. im Lampenkasten verschwindet, desto besser. Dieser Einflussfaktor ist bei Watt pro Liter Wasser ebenfalls nicht eingerechnet.
- Eine LED mit 150 lm/W hat eine Effizienz von etwa 50%. Das heißt, das vom verbrauchtem Strom 50% in Licht umgewandelt werden und 50% in Wärme! Somit wäre die theoretisch maximal mögliche Lichtleistung einer LED 300 lm/W.
Lichtstrom: Lux
Die Lux Angabe ist keine, die irgendwo auf der Lampe steht, sondern eine relative Angabe. Sie bezeichnet die Lichtinensität an einem bestimmten Punkt (im Aquarium). Sie kann nur dich ein Messgerät bestimmt werden.
Letztlich ist diese Angabe die einzig genaue. Leider ist selten eine Angabe zu finden, wie viel Lux eine Pflanze benötigt. (Die Lichtintensität ist nicht der einzige Faktor den es zu berücksichtigen gibt, ein weiterer wichtiger Faktor ist das Lichtspektrum, hierzu aber weiter unten).
Kramer gibt hier an (Licht an den Blättern), siehe auch Heimbiotop:
- wenig Lichtbedarf – 1000-2000 Lux
- mittlerer Lichtbedarf – 2000-3000 Lux
- viel Lichtbedarf – 3000-5000 Lux
- sehr hoher Lichtbedarf – bis 8000 Lux und mehr
Messmethode: Mit einem Luxmeter. Hier findest du einen speziellen Beitrag zum Thema Beleuchtungsstärke messen.
Wie kann ich nun messen, wie viel Licht bei meinen Pflanzen ankommt? Eine brauchbare Methode ist mit einem Luxmeter an der entsprechenden Stelle im Aquarium zu messen. Das geht natürlich nur im noch nicht eingerichteten Aquarium, ansonsten müßten wir das Messgerät ins Wasser tauchen (es sei denn wir haben einen wasserdichten Messgeber). Wenn wir ohne Wasser messen, sollten wir etwa 10% pro 10cm Wassertiefe abziehen. Bei 50cm Wassertiefe haben wir also noch etwa 50% Licht an den Pflanzen.
Der Lightblock kann den Lichtstrom reflektiv messen. Dazu gibt es einen eigenen Beitrag: Licht reflektiv messen.
Lichtbrechung im Aquarium
Die oben gemachten Angaben über den Lichtverlust im Wasser muß man allerdings mit mit Vorsicht genießen, da noch ein anderer Effekt hinzukommt: Die Lichtbrechung. Das Lampenlicht wird einerseits an der Wasseroberfläche gebrochen, andererseits an der Aquarienseitenwand reflektiert. Dies hat einen nicht zu unterschätzenden Effekt.
Versuche haben gezeigt, das bei einem 30x30x30cm Würfel mit wenig störender Bepflanzung der Effekt enorm ist. Außerhalb des Wassers wird bei 30cm Abstand zum Lichtsensor 3000 Lux gemessen, im Aquarium am Bodengrund wurden 8000 Lux gemessen!
Eine weitere Versuchsanordnung in einem schwarzen mit Wasser gefüllten Behälter zeigt bei 30cm Abstand im Wasser 4500 Lux, also eine um 50% erhöhte Lichtintensität such die Lichtbrechung an der Wasseroberfläche.
Lichtspektrum
Das Lichtspektrum spielt eine entscheidende Rolle bei der Beleuchtungsauswahl für ein Aquarium.
Generell wird oft die Aussage getroffen, das blau und rot die wichtigsten Farben im Lichtspektrum für den Pflanzenwuchs darstellen. Das ist prinzipiell richtig. Die meisten Pflanzenblätter sind grün, wir sehen diese Farbe, weil sie von der Oberfläche der Blätter reflektiert wird und so also weniger in das Blattinnere eindringt. Trotzdem haben Untersuchungen gezeigt, das Lampen, denen grünes Licht in Farbspektrum fehlt, einen schlechteren Wuchs zeitigen. Generell, ohne auf die Details eizugehen, kann gesagt werden, das Vollspektrumlampen (also Lampen die das Sonnenlicht am besten nachbilden) die besten Ergebnisse zeigen.
Weiter unten mehr zu diesem Thema!
Was ist ein guter Parameter für die Beurteilung des Lichtspektrums?
Der Farbwiedergabeindex (CRI) gibt an, wie gut Farben unter einer gegebenen Beleuchtung dargestellt werden können. Er ist aber auch ein guter Index, um zu beurteilen, inwieweit das Lichtspektrum dem Sonnenlicht gleicht. der Farbwiedergabeindex hat einen wert von 0-100. 100 ist die best mögliche Farbwiedergabe (der Farbtemperatur der Lampe). Eine gute Lampe sollte einen CRI größer 90 haben!
Merke: Die Farben der Fische und Pflanzen werden bei einem möglichst hohen CRI am besten wiedergegeben und Pflanzen wachen am besten, weil das Tageslicht am besten nachgebildet wird!
Messmethode: Der Farbwiedergabeindex kann mit einem speziellen Messgerät dem Spektralphotometer gemessen werden, ist aber bei guten Lampen angegeben.
Farbtemperatur
Die Farbtemperatur wird in Grad Kelvin (°K) angegeben und bezeichnet die „Farbe“ des Lichtes. Niedrige Werte sind warm und tendieren zum rot, hohe Were zu blau. Tageslicht hat eine Farbtemperatur von gemittelt 5500 K.
Wie hängen Farbtemperatur und Farbwiedergabeindex zusammen?
Eine gute Farbwiedergabe kann nur mit einer neutralen Farbtemperatur (5000K – 6500K) erreicht werden, warme oder kalte Farbtemperaturen verfälschen Farben obwohl der Farbwiedergabeindex hoch sein kann. Das hängt damit zu sammen, das der Farbwiedergabeindex mit einer Refferenzfarbe der entsprechenden Farbtemperatur der Lampe gemessen wird. Das bedeutet, das eine Lampe mit einem Index von 90 und einer Farbtemperatur von 5500K eine viel bessere Farbwiedergabe als eine Lampe mit einem gleichen Index von 90 und einer Farbtemperatur von 3000 K hat!
Der CRI Wert ist also in Abhängigkeit von der Lichttemperatur und so gesehen ein relativer Wert!
Merke: Die Farbtemperatur ist auch Geschmackssache. Einige Aquarienbesitzer tendieren eher zu einem warmen Ton, andere finden kaltes Licht besser. Objektiv gesehen ist aber einen neutrale Farbtemperatur am besten.
Für uns hat eine Lampe mit 6500K etwa die Farbwahrnehmung wie Tageslicht und die CRI Angabe ist hier am aussagekräftigsten in Relation zu Tageslicht!
Beleuchtungstechnik
Lange waren Leuchtstoffröhren die effizienteste Beleuchtungstechnik. Des weiteren wurden (und werden) HQI/HQL Lampen eingesetzt, sogenannte Energiesparlampen und seit neuerem LED Lampen.
LED Beleuchtung wird immer preiswerter und die Lumen/Watt Relation (d.h. der Wirkungsgrad) immer besser. Gute Produkte haben eine Lebenserwartung von 50.000 Stunden (im Gegensatz zu Leuchtstoffröhren: 5.000 Stunden). Bei einer Beleuchtungsdauer von 12 Stunden sind das über 11 Jahre. Das heißt, das das Leuchtmittel nicht gewechselt werden braucht. Bei Leichtstoffröhren sollte jedes Jahr die Röhre gewechselt werden.
Weiße LEDs werden aus blauen LEDs mit einem Licht konvertierenden Überzug hergestellt, ähnlich wie das auch bei Leuchtstoffröhren geschieht. Dieser Überzug beeinflusst die Farbtemperatur und Das Lichtspektrum.
Neuerdings kommen auch RGB LEDs für den Einsatz in Mode, das ist aber normalerweise eine schlechte Idee. RGB Beleuchtungen hat eine viel schlechtere Farbwiedergabe als weiße LEDs. Das liegt daran, das weißes Licht nur durch die 3 Peaks RGB erzeugt wird. Grünes Licht z.B. ist hier nicht im Spektrum enthalten und wird viel schlechter dargestellt. Eine reine RGB LED-Beleuchtung erzeugt sehr minderwertige Farbwiedergaben weit unter CRI 50.
Lass dich hier nicht von Werbeaussagen diverser Lampenhersteller täuschen! Dazu weiter unten mehr.
Beleuchtungsdauer
Hier sollten wir uns wieder einmal an der Natur orientieren: Sie beträgt in den Tropen etwa 12 Stunden, von 6-18 Uhr, wobei die Lichtintensität in den Morgen- und Abendstunden durch den geringeren Einfallwinkel des Lichts natürlich geringer ist und Mittags am höchsten. Dies kann duch einen Lichtdimmer simuliert werden. (Sonnemaufgangs- und Untergangssimulation). In der Literatur finden sich allerdings Angaben , das eine Absenkung der Lichtintensität in den Mittagsstunden das Algenwachstum drosseln kann. Ob das Sinn macht, ist umstritten. Dennerle schreibt, das es das tut, leider gibt es keine belastbaren Tests zu dem Thema.
Im Aquarium können wir die Zeit natürlch verschieben, so daß wir auch, wenn wir abends um 18 Uhr nach Hause kommen, noch etwas sehen. Über 12 Stunden sollte die Beleuchtungsdauer nicht ausgedehnt werden, das dies Algenwachstum fördert.
Flicker
Konventionell wurde Licht mittels Stromfluss durch einen Glühdraht erzeugt. Ändert der Strom seine Stärke, wie es bei Wechselstrom mit einer Frequenz von beispielsweise 50 Hz der Fall ist, glüht der die Lampe kontinuierlich weiter, da sie einer Trägheit unterliegt. Ein kontinuierliche Lichthelligkeit ergibt sich.
Anders bei modernen Leuchtmitteln: Die Leuchtstoffröhre gibt 1:1 die Netzfrequenz von 50 Hz in der Helligkeit wieder. Da die Netzfrequenz bei 50 Hz 2x den 0-Punkt durchläuft, flimmert („flickert“) sie mit 100 Hz, also 100x in der Sekunde. Man sagt, das 100 Hz vom menschlichen Auge nicht wahrgenommen werden können, hat aber festgestellt, das Leuchtstoffröhrenlicht durch diesen Effekt von vielen Menschen als unangenehm empfunden wird.
Auch die LED ist ein Halbleiter und reagiert auf Strom- oder Spannungsschwankungen ohne jegliche Verzögerung. LED Lampen werden aber idr. mit einer sehr viel höheren Frequenz betrieben. Die Ansteuerelektronik einer LED arbeitet meist im Bereich von einigen 1000 Hz und wird bei qualitativ hochwertigen Leuchtmitteln und Lampen zusätzlich geglättet, um die LED zu schonen. So liegt der Flicker (hier auch als „Ripple“ bezeichnet) bei LEDs meist im Bereich von 20.000 Hz und bei unter 10% der Gesamtleistung. Das ist absolut unbedenklich.
Kritisch wird es hier wieder, wenn LED Leuchtmittel durch einen Dimmer (Phasenanschnitt Dimmer) gedimmt werden, wie er in normaler Raumbeleuchtung verbaut ist. Durch diese Dimmer flickert die LED wieder im Takt von 100 Hz!
Die interne Elektronik des Lightblock z.B. dimmt auch die LED mit 20.000 Hz und bei unter 3% der Gesamtleistung, so das kein Flicker existiert.
Photosynthetisch wirksamens Lichtspektrum
Alles mit menschlichem Auge erkennbare Licht ist auch imstande, Kohlendioxyd Aufnahme und Sauerstoffausscheidung in Chlorophyll führenden grünen Pflanzen hervorzurufen. Pflanzen können aber nicht das gesamte Lichtspektrum photosynthetisch gleichermassen (oder sagen wir, mit gleichem „Wirkungsgrad“ nutzen), dies wird auch der photosynthetische Wirkungsgrad genannt. Die Hauptanteile der photosynthetisch aktiven Strahlung sind blaue und rote Lichtanteile.
Die photosynthetisch aktive Strahlung wird auch kurz PAR genannt.
PAR: Die photosynthetisch aktive Strahlung PAR (Photosynthetically ActiveRadiation) ist der Anteil der elektromagnetischen Strahlung im Bereich von 400 nm bis 700 nm des sichtbaren Lichtspektrums, welchen phototrope Organismen für die Photosynthese benötigen.
Etwas weiter geht die McCree Kurve, die reale Quantenausbeute eines Pflanzenblattes zeigt. Gemessen wurde die Aufnahme von CO2 durch das Blatt. Die Kurve zeigt, wie viel Prozent der die Pflanze erreichenden Strahlung einer bestimmten Wellenlänge Prozesse der Photosynthese auslösen.
Der verbleibende Rest auf 100% ist (vereinfacht)
- nicht vom Chromophor-Farbstoff absorbiert worden,
- in Wärme umgewandelt worden
- oder für andere Prozesse in der Pflanze wie die Photomorphogenese genutzt worden.
Um die photosynthetisch wirksamen Lichtanteile zu beschreiben, gibt es 2 Maßeinheiten:
- Photoneneffizienz: Einheit für die Effizienz μmol/J (Mikromol pro Joule). Je höher diese Zahl ist, umso mehr elektrische Energie wird in photosynthetisch aktive Strahlung (PAR) umgewandelt.
- Photosynthetische Photonenflussdichte: Die photosynthetische Photonenflussdichte PPFD (Photosynthetically Active Photon Flux Density) μmol/m2s, die den PAR Wert mit der Beleuchtungsstärke der Lampe multipliziert.
Weitere Einflussfaktoren und Kritik an McCree
Beide Kurven zeigen die so genannten Grünlücke also einen Bereich, in dem wenig Licht photoaktiv wirksam ist. Versuche haben aber gezeigt, das auch weniger photoaktiv wirksame Lichtanteile für das Pflanzenwachstum wichtig sind, etwa für die Photomorphogenese (die Steuerung der Gestalt, Streckung und Entwicklung der Pflanze).
Monochromes Licht ist zudem in der Pflanze weniger wirksam, als Licht mit einem breiten Lichtspektrum. Dies wird als Emerson-Effekt bezeichnet. Praktische Versuche haben gezeigt, das die Zugabe von grünem Licht (500 bis 600 nm) zu mehr Pflanzenwachstum und Biomasse geführt hat.
Eine PAR Messung mit einer Grundbestrahlung von weißem Licht hat sogar gezeigt, das in diesem Fall die photosynthetische Quantenausbeute von grünem Licht höher ist als die von blauem Licht!
Wirkungen der Wellenlängenbereiche
Die Lichtspektren haben eine unterschiedliche Wirkung auf das Pflanzenwachstum.
Wie in der oben zu sehenden McCree Kurve ist auch das nicht für das menschliche Auge sichtbare Licht, UV und Infrarot, wirksam. Der Vollständigkeit halber, will ich es hier mit einschließen, obwohl LED Beleuchtung normalerweise keinen UV und Infrarot Anteil emittiert.
- UV <400nm: Ist in hohen Dosen DNA schädigend, in kleinen Dosen verbessert UV die Stresstoleranz, führt zu dicken Blättern und kurzen Intermodien.
- Blau 400-500nm: Effiziente Fotosynthese, verhindert Streckungswachstum und sorgt für die richtige Ausrichtung zum Licht.
- Grün 500-600nm: Wirkt den Effekten von blauem Licht entgegen.
- Rot 600-700nm: Fotosynthetisch wirksam, verhindert Streckungswachstum des Hypokotyls und führt zu kompaktem Wuchs mit kurzen Internodien.
- Dunkelrot 700-800nm: Wirkt den Effekten von rotem Licht entgegen, verlängerte Blattstiele, lange Internodien, verstärktes Streckungswachstum, vorzeitige Blüte.
Die beschriebenen Pflanzenreaktionen auf die einzelnen Wellenlängenbereiche besitzen keine allgemeine Gültigkeit, da sich die beteiligten Photorezeptoren, deren Absorptionsspektren und die ausgelösten Reaktionen zwischen verschiedenen Pflanzenarten stark unterscheiden können und sollen hier nur als Anhaltspunkt dienen! Die Angaben beziehen sich auf emerse Pflanzen und nicht unbedingt auf submerse Wasserpflanzen.
Fazit
Licht im Aquarium: Eine dem Sonnenlicht ähnliche Lichtkurve ist für die Gesundheit und das Wachstum einer Pflanze extrem wichtig. Pflanzen haben sich seit Millionen von Jahren darauf ausgerichtet, das natürliche Sonnenlicht so effizient wie möglich auszunutzen. Lange hat man angenommen, das nur rotes und blaues Licht für das Wachstum von Pflanzen entscheident ist, mittlerweile hat man aber herausgefunden, das z.B. ein gleichmäßiges Lichtspektrum die spezifische photosynthetische Quantenausbeute erhöht.
Monochromatische Lichtspektren (z.B. RGB Licht oder Licht mit ausschließlich hohem blau/rot Anteil) sollte vermieden werden.
(Ich erinnere mich noch daran, das ich als Junge mal über meinem Aquarium eine GROLUX Leuchtstoffröhre installiert habe, die für tolles Pflanzenwachstum sorgen sollte. Das Ergebnis war, das hauptsächlich die Algen toll gewachsen sind).
Diese Erkenntnisse und die Schädlichkeit des LED Blaupeak haben zur Entwicklung des Lightblock V2 geführt!
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