Спектр света для фотосинтеза и его измерение.

Введение

Диапазон света, пригодного для фотосинтеза

Фотосинтетически активное излучение (PAR) определяет спектральный диапазон (волновой диапазон) солнечного излучения от 400 до 700 нанометров, который фотосинтезирующие организмы способны использовать в процессе фотосинтеза. Этот спектральный регион в большей или меньшей степени соответствует диапазону света, видимому человеческому глазу. Фотоны с более короткой длиной волны, как правило, настолько энергичны, что могут повреждать клетки и ткани, но в основном фильтруются озоновым слоем в стратосфере. Фотоны с большей длиной волны не несут достаточной энергии для осуществления фотосинтеза. Другие живые организмы, такие как цианобактерии, пурпурные бактерии и гелиобактерии, могут использовать солнечный свет в слегка расширенных спектральных областях, таких как ближний инфракрасный. Эти бактерии обитают в таких средах, как дно стоячих водоемов, осадок и глубины океана. Благодаря своим пигментам они образуют красочные маты зеленого, красного и пурпурного цвета. Хлорофилл, наиболее распространенный растительный пигмент, наиболее эффективно поглощает красный и синий свет. Вспомогательные пигменты, такие как каротины и ксантофиллы, улавливают часть зеленого света и передают его в процесс фотосинтеза, но достаточное количество зеленых длин волн отражается, придавая листьям их характерный цвет. Исключением из преобладания хлорофилла является осень, когда хлорофилл разрушается (поскольку он содержит N и Mg), но вспомогательные пигменты не разрушаются (поскольку они содержат только C, H и O) и остаются в листе, окрашивая его в красный, желтый и оранжевый цвета. У наземных растений листья поглощают в основном красный и синий свет в первом слое фотосинтезирующих клеток из-за поглощения хлорофиллом. Однако зеленый свет проникает глубже во внутренние ткани листа и может стимулировать фотосинтез более эффективно, чем красный свет. Поскольку зеленые и желтые волны могут проникать через хлорофилл и весь лист, они играют решающую роль в росте растений под пологом леса. Измерение PAR используется в сельском хозяйстве, лесном хозяйстве и океанографии. Одним из требований к продуктивным сельскохозяйственным землям является достаточное PAR, поэтому PAR используется для оценки потенциала сельскохозяйственных инвестиций. Датчики PAR, установленные на разных уровнях лесного полога, измеряют доступность и использование PAR. Скорость фотосинтеза и связанные с ней параметры можно измерять неразрушающим способом с помощью фотосинтезной системы, и эти приборы измеряют PAR и иногда регулируют PAR до заданных интенсивностей. Измерения PAR также используются для расчета эвфотической глубины в океане. В этих контекстах PAR предпочтительнее других метрик освещения, таких как световой поток и освещенность, поскольку эти измерения основаны на восприятии яркости человеком, которое сильно смещено в сторону зеленого цвета и неточно отражает количество света, пригодного для фотосинтеза.

Photosynthetically active radiation (PAR) designates the spectral range (wave band) of solar radiation from 400 to 700 nanometers that photosynthetic organisms are able to use in the process of photosynthesis. This spectral region corresponds more or less with the range of light visible to the human eye. Photons at shorter wavelengths tend to be so energetic that they can be damaging to cells and tissues, but are mostly filtered out by the ozone layer in the stratosphere. Photons at longer wavelengths do not carry enough energy to allow photosynthesis to take place. Other living organisms, such as cyanobacteria, purple bacteria, and heliobacteria, can exploit solar light in slightly extended spectral regions, such as the near infrared. These bacteria live in environments such as the bottom of stagnant ponds, sediment and ocean depths. Because of their pigments, they form colorful mats of green, red and purple. Chlorophyll, the most abundant plant pigment, is most efficient in capturing red and blue light. Accessory pigments such as carotenes and xanthophylls harvest some green light and pass it on to the photosynthetic process, but enough of the green wavelengths are reflected to give leaves their characteristic color. An exception to the predominance of chlorophyll is autumn, when chlorophyll is degraded (because it contains N and Mg) but the accessory pigments are not (because they only contain C, H and O) and remain in the leaf producing red, yellow and orange leaves. In land plants, leaves absorb mostly red and blue light in the first layer of photosynthetic cells because of chlorophyll absorbance. Green light, however, penetrates deeper into the leaf interior and can drive photosynthesis more efficiently than red light. Because green and yellow wavelengths can transmit through chlorophyll and the entire leaf itself, they play a crucial role in growth beneath the plant canopy. PAR measurement is used in agriculture, forestry and oceanography. One of the requirements for productive farmland is adequate PAR, so PAR is used to evaluate agricultural investment potential. PAR sensors stationed at various levels of the forest canopy measure the pattern of PAR availability and utilization. Photosynthetic rate and related parameters can be measured non destructively using a photosynthesis system, and these instruments measure PAR and sometimes control PAR at set intensities. PAR measurements are also used to calculate the euphotic depth in the ocean. In these contexts, the reason PAR is preferred over other lighting metrics such as luminous flux and illuminance is that these measures are based on human perception of brightness, which is strongly green biased and does not accurately describe the quantity of light usable for photosynthesis.

Эффективность освещения

Единицы измерения Интеграл дневного света (DLI) 0,0036 × PPFD (мкмоль⋅м−2⋅с−1) × длительность экспозиции Эффективность фотосинтетических фотонов (PPE) Поток фотосинтетических фотонов (PPF) мкмоль/Вт

Измерение

Исследователи из Университета штата Юта сравнили измерения PPF и YPF, используя различное оборудование. Они измерили PPF и YPF семи распространенных источников излучения с помощью спектрорадиометра, а затем сравнили полученные данные с измерениями шести квантовых датчиков, предназначенных для измерения PPF, и трех квантовых датчиков, предназначенных для измерения YPF. Было установлено, что датчики PPF и YPF демонстрировали наименьшую точность при работе с источниками узкого спектрального диапазона и наибольшую – с источниками широкого спектрального диапазона. Датчики PPF оказались значительно точнее, чем датчики YPF, при измерении излучения металлогалогенных, натриевых ламп низкого и высокого давления (>9% разница). Как датчики YPF, так и датчики PPF показали высокую погрешность (>18%) при измерении света, излучаемого красными светодиодами.

Фотобиологически активная радиация (PBAR)

Фотобиологически активная радиация (PBAR) — это диапазон световой энергии, включающий в себя и выходящий за пределы PAR. Фотобиологический фотонный поток (PBF) — это величина, используемая для измерения PBAR.

Ложная реклама

Многие фитолампы часто не сопровождаются отчетом об испытании с использованием интегрирующей сферы, что означает, что значения, такие как фотосинтетический фотонный поток (PPF), указываются производителем на основе предположений. Кроме того, избежать ложной рекламы фотосинтетической эффективности фотонов (PPE) (фотосинтетический фотонный поток (PPF) мкмоль/Вт), заявленной производителями фитоламп, можно, просто самостоятельно рассчитав это значение. Более того, некоторые производители указывают значение плотности фотонного потока фотосинтеза (PPFD) центрального светодиода (LED) вместо PPF на площади в один квадратный метр.