L’illuminazione subacquea

livello elementare
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ARGOMENTO: SUBACQUEA
PERIODO: XXI SECOLO
AREA: DIDATTICA
parole chiave: illuminazione
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Tempo fa, in un articolo di “iniziazione”, avevamo incominciato ad introdurre  il tema dell’illuminazione subacquea. Oggi ho il piacere di pubblicare un nuovo articolo sull’argomento scritto da Luca Cicali che, con la consueta chiarezza, tratta questo importante argomento che non coinvolge solo i fotografi subacquei ma anche tutti coloro che si immergono. Un articolo veloce e pieno di contenuti per tutti. Buona Lettura.

Fiat Lux
I sistemi di illuminazione subacquea hanno una funzione fondamentale: rischiarare l’ambiente e restituire al profondo blu i colori naturali. Pertanto la loro più importante caratteristica è proprio la quantità e qualità della luce che riescono ad emettere entro il campo utile. Sottolineiamo questa apparente ovvietà, perché sono frequenti le forti delusioni nell’istante in cui la propria torcia subacquea viene accesa per la prima volta durante una immersione. Può capitare infatti di non riuscire ad apprezzarne l’effetto a pochi metri da una scogliera, mentre quando essa era stata provata in casa o in negozio sembrava una fonte di luce potentissima. Per immersioni diurne in acque libere occorre infatti una intensità luminosa piuttosto notevole, entro un angolo di campo relativamente ampio, diciamo circa 25-30 gradi. Il test della torcia subacquea fuori dell’acqua non è quindi molto significativo, meglio pertanto affidarsi all’elenco delle caratteristiche tecniche, ma anche qui c’è un problema: come interpretarle correttamente e capire quali sono i parametri importanti per i nostri scopi specifici? Flusso luminoso, illuminamento, potenza elettrica, rendimento, sono tanti parametri da considerare per effettuare un paragone tra diversi illuminatori. Proviamo a fare un pò di chiarezza ricorrendo come sempre ad esempi di vita comune. Per prima cosa ci pare naturale caratterizzare una torcia per la quantità totale di luce che essa emette, meglio identificata tecnicamente come “flusso luminoso”, che si misura con una grandezza chiamata “lumen”. Si tratta di un parametro legato esclusivamente alle caratteristiche della sorgente luminosa, ovvero la lampada, e rappresenta in sostanza l’intensità di luce che essa emette in ogni istante in tutto lo spazio circostante, ovvero in una sfera al centro della quale c’è la sorgente stessa. Il flusso luminoso è un parametro utile sia per misurare la capacità di una lampada di produrre luce, sia per fare confronti tra lampade diverse, ma non tra diversi sistemi di illuminazione, quindi non è sufficiente da solo a fornire un valido termine di paragone.

Per capire meglio il concetto facciamo un raffronto con un utensile comune: un tubo di plastica da giardino. Apriamo il rubinetto e facciamo scorrere l’acqua liberamente attraverso il tubo: il flusso luminoso di una lampada equivale al flusso dell’acqua, ovvero ai litri di acqua che fuoriescono dal tubo nell’unità di tempo. Ma naturalmente possiamo montare all’stremità del tubo una pistola a spruzzo, così come possiamo associare alla lampada un sistema ottico inserendola all’interno di una torcia. Anche in questo caso le due situazioni sono in perfetta analogia: la pistola a spruzzo fa si che l’acqua sia “distribuita” in un cono di ampiezza regolabile, potendo decidere se concentrarla tutta in n punto o ripartirla su una superficie più grande, mentre il sistema ottico della torcia, solitamente un paraboloide a specchio, è capace di concentrare tutto o buona parte del flusso luminoso prodotto entro un determinato angolo utile di illuminazione.

L’angolo di illuminazione
Per paragonare oggettivamente due torce è quindi necessario non solo conoscerne il flusso luminoso in lumen, ma anche l’angolo di illuminazione entro il quale tale flusso è irradiato. Torce che generano lo stesso flusso luminoso ma lo concentrano entro un diverso angolo di campo, determinano infatti aree illuminate differenti, e che sono raggiunte da una diversa intensità luminosa. Quest’ultimo importante parametro, ovvero il flusso per unità di area, si chiama illuminamento, e si misura in lux.

Ciò che realmente conta alla fine sono proprio i lux, ovvero quanti lumen (flusso luminoso) per metro quadro arrivano sulla superficie illuminata.

Flusso luminoso e illuminamento

L’illuminamento è ciò che conta: purtroppo però esso non dipende solo dalle caratteristiche della torcia, ma anche dalla distanza alla quale la poniamo dall’oggetto da illuminare, aumentando la quale aumenta anche l’area illuminata, e dall’assorbimento della luce che il mezzo interposto opera, nel nostro caso l’acqua di mare. La conoscenza del flusso luminoso e dell’angolo di illuminamento permette quindi una oggettiva comparazione tra due sistemi di illuminazione, ma non fornisce ancora certezze sul fatto che una torcia sia adatta al nostro scopo.

Dovremmo quindi prima stabilire quale valore di illuminamento (lux) desideriamo, il quale dipende dal tipo di immersioni che siamo soliti fare e dalle necessità specifiche delle attività condotte in immersione, (tipo di ambienti e superfici da illuminare, profondità media, fotografia subacquea, esplorazione di grotte o relitti, esigenze “general purpose”, etc.). Dovremmo poi tradurre questo requisito di illuminamento, (lux), nelle caratteristiche della torcia che sia capace di garantirlo, rappresentate dal flusso luminoso, (lumen), e angolo di campo. Non è un calcolo molto semplice, e che dovrebbe inoltre tener conto del coefficiente di assorbimento dell’acqua alle varie lunghezze d’onda della luce e della distanza media di utilizzo della torcia dalla superficie da illuminare.

Le condizioni medie standard di utilizzo
Proviamo dunque a fissare delle condizioni standard di buon illuminamento subacqueo secondo una esigenza piuttosto generale. Si può assumere sulla base dell’esperienza che per dare risalto ai colori di una superficie illuminata come può essere un tratto di scogliera, durante una immersione diurna attorno ai 30 mt di profondità, occorra un illuminamento di circa 1200 lux, ovvero 1200 lumen per metro quadrato. A puro titolo di paragone, l’illuminamento dovuto al sole, a mezzogiorno di una giornata estiva, è pari ad oltre 100.000 lux!.

cenote Chac mool, 2013 – photo credit andrea mucedola

L’ipotesi standard di impiego è quella di rivolgere la nostra torcia in acque molto limpide da una distanza media di circa tre metri verso una scogliera e generare una area illuminata circolare di circa 2 metri quadri, ottenendo un diametro di circa 1,5 mt. Ciò significa in sostanza che la nostra torcia debba avere un angolo di campo non superiore a 30 gradi circa.

Calcoliamo approssimativamente il flusso luminoso necessario per generare, nell’ipotesi standard, un illuminamento di 1200 lux. 

Fabbisogno illuminamento: 1200 lux
Distanza sorgente : non più di 3 metri
Angolo di campo: non più di 30 gradi
Corrispondente area illuminata: circa 2 metri quadri (mq)

Per assicurare un illuminamento di 1200 lux, ovvero 1200 lumen per metro quadro, visto che la corrispondente area da illuminare è di circa 2 mq, occorrerebbero non meno 1200 x 2 = 2400 lumen.

Bisogna tener conto che attraversando tre metri di acqua marina, l’intensità media di una luce LED a spettro freddo si riduce di quasi del 30%, (il 27 % per l’esattezza). A causa di questa riduzione bisognerà considerare di dover aumentare il fabbisogno da 2400 teorico a circa 3.300 lumen. Diciamo quindi che un illuminatore da circa 3000-3500 lumen con un angolo di campo non superiore a 30 gradi è ciò che risponde all’esigenza standard.

Se invece il requisito è quello di illuminare una grotta o di fornire la luce principale per una immersione notturna, il valore adeguato è circa la metà, o anche meno, e quindi è sufficiente una torcia che emetta un flusso luminoso di 1500 lumen, nel medesimo angolo di campo. Valori ancora inferiori sono utili solo per torce di emergenza, o per utilizzi particolari.

Se invece occorre rischiarare con una luce diffusa il campo fotografico utilizzando un obiettivo grandangolare, il più usato nella foto subacquea, la distanza della fonte luminosa si ridurrà al di sotto del metro, e occorrerà un angolo di campo molto più ampio, ad esempio 110-120°. L’area da illuminare è simile per dimensioni al caso precedente, ovvero circa 2 mq, ma questa volta, vista la ridottissima distanza tra sorgente e soggetto, l’attenuazione può essere trascurata, e quindi il fabbisogno diviene di circa 2400-2500 lumen, un po’ inferiore al caso precedente. Sovente l’angolo di campo così ampio può essere assicurato utilizzando più sorgenti luminose, uno più flash o illuminatori sorretti da appositi braccetti estensibili e orientabili.

In sintesi, l’impiego di luci ci consentirà di ottenere fotografie con colori reali e comunque più gradevoli.

Il miglior temine di paragone per illuminatori subacquei è quindi basato su due parametri: flusso luminoso e angolo di campo illuminato. Tuttavia tali caratteristiche non sono sempre disponibili, in particolare l’angolo, mentre viene sempre ben evidenziata la potenza elettrica, quella della lampada (o delle lampade) impiegati. Preso da solo questo dato non è realmente significativo: in sostanza ci dice soltanto con quanta velocità la lampada consuma energia elettrica; ciò determina soprattutto tipo, ingombro e peso delle batterie impiegate e la loro autonomia.

L’efficienza
La potenza elettrica di una lampada ed il flusso luminoso da essa generato sono infatti legati da un altro importante parametro: l’efficienza, che si indica con la lettera greca η, (eta). L’efficienza è il rapporto tra flusso luminoso generato e potenza elettrica assorbita, e si misura in lumen/watt.

In base a questa definizione, maggiore è l’efficienza e minore è la potenza richiesta per generare lo stesso flusso luminoso. A seconda della tecnologia con cui la lampada è realizzata, (lampada alogena, alogena survoltata, LED oppure HID), la potenza elettrica assorbita sarà maggiore o minore a parità di flusso luminoso emesso. Tornando quindi al caso delle caratteristiche di un illuminatore capace di fornire più di 3000 lumen in un angolo di massimo 30 gradi, maggiore sarà l’efficienza delle lampade impiegate e maggiore sarà l’autonomia delle batterie, oppure minore sarà l’ingombro delle batterie a parità di autonomia. Sia l’ingombro, (e quindi il peso) che l’autonomia sono altri due parametri importanti da considerare.

Nella tabella sono riportati i valori medi di alcuni parametri caratteristici di lampade realizzate con tecnologie diverse. I parametri mostrati sono efficienza, (η), temperatura di colore (K°) e potenza elettrica richiesta (Watts) per fornire un flusso di circa 3200 Lumen. E’ facile constatare, leggendo in particolare l’ultima colonna, che la potenza elettrica richiesta (e quindi numero, peso e ingombro complessivo del pacco batterie della torcia) per ottenere lo stesso flusso luminoso, siano fortemente dipendenti dalla tecnologia utilizzata. E naturalmente la stessa considerazione vale per i costi. Ad esempio, una torcia con lampada alogena survoltata da circa 100 watt è un oggetto pesante ed ingombrante, con accumulatori al Nichel Cadmio di capacità non inferiore ai 5-6 Amper-ora, che si scaricano completamente in poco più di mezz’ora di utilizzo continuativo.

Caratteristiche dei vari tipi di lampade subacquee

La moderna tecnologia dei LED, (light emitting diode) utilizza invece dispositivi optoelettronici efficienti, robusti e molto duraturi. L’efficienza di questa fonte di luce “fredda” rispetto alle lampade alogene è notevole, cosicché è possibile far uso di accumulatori molto meno pesanti ed ingombranti. In questo caso però occorre utilizzare matrici di led disposti opportunamente nella testa ottica della torcia, in quanto il flusso luminoso assicurato da ciascuno di essi non è sufficiente, da solo, a raggiungere livelli adeguati. Ciascun LED è dotato della propria micro parabola che consente di concentrare la luce prodotta nel cono utile. Per eguagliare l’effetto di una torcia alogena da 3200 lumen occorrono un buon numero di singoli led, e quindi la testa della torcia che li ospita ha maggiore complessità costruttiva di una semplice lampadina alogena con parabola. Queste hanno una efficienza luminosa che arriva attorno ai 90-100 lumen per watt, mentre le lampade alogene restano intorno ai 25-35 lumen per watt, a seconda che siano o meno survoltate. Discende da questi valori un rapporto tra l’efficienza dei due tipi di lampade pari a circa 3, il che significa che con le lampade a led si ottiene lo stesso flusso luminoso di una alogena con circa un terzo della potenza elettrica. Si può usare questo vantaggio per ridurre il peso degli accumulatori o per prolungarne l’autonomia, o entrambe le cose. I LED hanno tuttavia uno spettro freddo, cioè un colore della luce più azzurrino, che corrisponde ad una temperatura equivalente di colore più elevata, ma si producono anche LED a temperature di colore più basse e capaci di risvegliare i colori in modo più naturale. I costi delle torce a LED restano significativamente più alti di quelli delle torce con lampade alogene, anch’esse tutt’altro che a buon mercato.

Queste considerazioni sull’efficienza possono essere applicate, e sono ancora più significative, quando si utilizzano lampade di tipo HID, (High Intensity Discharge). Queste sorgenti luminose sono prive di filamento, e generano la luce tramite una scarica elettrica che si instaura tra due elettrodi immersi in gas Xeno ai quali è applicata un’alta tensione. L’efficienza arriva a valori di 120 Lumen per watt, quasi quattro volte quella delle lampade alogene. Le lampade HID hanno tuttavia lo svantaggio di costi ancor più alti, di una temperatura di colore elevata e quindi una luce azzurrina, e di un sistema di accensione complesso e delicato, molto sensibile all’umidità.

Conclusioni
Gli aspetti da considerare per fare una scelta oculata di un sistema di illuminazione subacquea; come sempre bisogna chiarire bene con se stessi di cosa si ha veramente bisogno, visto che il costo di una torcia di discreta potenza è comunque molto elevato, qualunque sia la tecnologia utilizzata. Tra i più importanti elementi di valutazione troviamo l’angolo di illuminazione, che come già spiegato va scelto in funzione del tipo di immersioni di interesse e dello specifico utilizzo. In alcuni casi sono necessari spot molto stretti che possono essere ottenuti con accessori chiamati snoot, dei coni applicati sui flash per limitare l’area illuminata, in altri sono necessari strobe che consentano angoli di apertura notevoli.

Oltre che per facilitare la messa a fuoco i soggetti nella fotografia subacquea, essa può servire per illuminare tane ed anfratti o rischiarare una parete, rendere visibile la volta di una grotta o l’interno di un relitto, oppure soltanto per effettuare le immersioni notturne.

un’interessante soluzione per foto e video subacqueo sono le lampade LED Revolution 15000 della Easydive offrono una luce a 3500° kelvin e14800 lumen (CRI 93), con un angolo di copertura di 110 °

La temperatura di colore ha anch’essa grande rilevanza, non solo per assicurare una resa naturale dei colori ma anche per la capacità di penetrazione in acqua del fascio luminoso, che da essa dipende. C’è poi da tenere in conto l’efficienza luminosa, dalla quale dipende l’autonomia delle batterie e quindi il loro peso ed ingombro. Molto utile è la possibilità di effettuare la ricarica senza dover aprire il guscio esterno, operazione sempre difficoltosa e che prima o poi apre la strada ad infiltrazioni di acqua. Inoltre, più importante di quanto sembri è disporre di una impugnatura comoda. A lungo andare infatti la scomodità dell’impugnatura può causare l’indolenzimento del polso.

Infine vanno tenute in debito conto le caratteristiche costruttive, ovvero robustezza, affidabilità, possibilità di avere il pacco batterie separato, impiego o meno di batterie ricaricabili, disponibilità e costo di pezzi di ricambio, durata media della lampada, etc. etc. Dulcis in fundo (si fa per dire), il costo, che spesso determina la scelta in modo preponderante. In sintesi, una analisi comparativa tenendo conto di tutti i fattori elencati (e di quelli dimenticati) non è un compito semplice, ed è reso ancor più gravoso dalla continua evoluzione delle tecnologie costruttive delle lampade, che comporta un continuo aggiornamento dell’offerta con nuovi modelli. Visto il costo medio di una torcia di alta potenza, meglio rinunciare ad accessori non indispensabili che, oltre ad elevare il costo, sono nella maggior parte dei casi unicamente fonte di rotture, allagamenti e inconvenienti vari, che possono comprometterne l’efficienza o il funzionamento, rovinando una immersione e costringendoci a costose e non sempre possibili riparazioni.

Luca Cicali 

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Luca Cicali

ingegnere elettronico e manager d’azienda, è un grande appassionato di subacquea ma non è un professionista del settore. E’ autore di Oltre la curva, un testo di subacquea diventato in breve un best seller per tutti gli appassionati.