حساب كثافة تدفّق الفوتونات (PPFD)

تصف كثافة تدفّق الفوتونات (PPFD، Photosynthetic Photon Flux Density) عدد الفوتونات النشطة ضوئياً في عملية التمثيل الضوئي (في النطاق الطيفي من 400 إلى 700 nm) التي تسقط على سطح ما لكل وحدة زمن ومساحة. وتُعطى بوحدة µmol·m⁻²·s⁻¹. توفّر هذه القيمة بالتالي معلومات عن شدة الإشعاع الساقط القائمة على الفوتونات لطيف ضوئي معيّن، مع الأخذ في الاعتبار فقط الفوتونات القادرة من حيث المبدأ على المساهمة في عملية التمثيل الضوئي.

على عكس كثافة التدفّق الإشعاعي (بالواط لكل متر مربع)، التي تصف شدة الإشعاع الساقط الكلية من الناحية الطاقوية، فإن PPFD تعتمد بشكل خالص على أساس كمومي. وبما أن عمليات التمثيل الضوئي تستند إلى إثارات ميكانيكية كمومية، فإن عدد الفوتونات أهم من طاقتها الإجمالية. وهذا ما يجعل PPFD معياراً أساسياً لتقييم فعالية مصادر الضوء في فسيولوجيا النبات.

تطبيق PPFD في إضاءة النبات

تُستخدم PPFD بشكل أساسي في تخطيط أنظمة الإضاءة الاصطناعية وتحسينها والتحكّم بها في البيوت الزجاجية وغرف المناخ والمزارع الداخلية. وهي ضرورية من أجل:

• تحديد شدة الضوء: تُطلب قيم محددة من PPFD حسب نوع النبات ومرحلة نموّه والإنتاج الحيوي المرغوب. فعلى سبيل المثال، تحتاج شتلات الخس إلى حوالي 100-200 µmol·m⁻²·s⁻¹، بينما يمكن أن تحتاج نباتات الطماطم المزهرة إلى ما يصل إلى 800 µmol·m⁻²·s⁻¹.
• اختبار التجانس: يجب أن يكون توزيع PPFD على مساحة الزراعة متجانساً قدر الإمكان لضمان نمو منتظم وتجنّب التعرّض الزائد أو الناقص الموضعي.
• تقييم كفاءة الطاقة: بالاقتران مع القدرة المستهلَكة للإضاءة، يمكن تحديد ما يُسمى "الكفاءة الفوتونية الفعّالة" (مثلاً بوحدة µmol-J⁻¹).
• التحكّم في الإضاءة والأتمتة: من خلال قياس PPFD في الزمن الحقيقي باستخدام مستشعرات مناسبة، يمكن تكييف أنظمة الإضاءة ديناميكياً مع احتياجات النباتات وظروف الإضاءة الخارجية.

يتطلّب حساب كثافة تدفّق الفوتونات (PPFD) من شدة الإشعاع الساقط الطيفية إجراء تكامل لشدة الإشعاع الساقط الطيفية عبر نطاق الطول الموجي ذي الصلة (عادةً من 400 إلى 700 nm بالنسبة للتمثيل الضوئي) وتحويل وحدات الطاقة إلى فوتونات. تشير شدة الإشعاع الساقط الطيفية E(λ) إلى توزيع شدة الإشعاع الساقط (W/m²/nm) كدالة للطول الموجي λ.

تُقاس شدة الإشعاع الساقط الطيفية باستخدام مقياس إشعاع طيفي مصفوفي. يستخدم هذا الجهاز مصفوفة كاشفات حساسة للضوء تكتشف في آنٍ واحد الإشعاع محلولاً طيفياً عبر مقياس طيف. تُستخدم المعايرة من أجل التحويل الدقيق إلى الوحدات الفيزيائية لشدة الإشعاع الساقط (W/m²-nm).

الخطوات الأساسية لحساب PPFD هي كما يلي:

1. حساب طاقة الفوتون

يمكن حساب طاقة الفوتون عند طول موجي معيّن λ باستخدام معادلة بلانك:

هذا يعني:

• E_Photon(λ) هي طاقة الفوتون عند الطول الموجي λ بالجول،
• h هو ثابت بلانك (6.626×10-34 Js)،
• c هي سرعة الضوء (3.0×108 m/)،

• λ هو الطول الموجي بالمتر.

   

2. تحويل شدة الإشعاع الساقط الطيفية إلى عدد الفوتونات

يمكن حساب عدد الفوتونات N(λ) التي تساهم في شدة إشعاع ساقط طيفية معيّنة E(λ) عند الطول الموجي λ على النحو التالي:

وينتج عن ذلك N(λ) بوحدة فوتونات في الثانية وفي المتر المربع لكل نانومتر.

3. التكامل عبر مدى الطول الموجي

للحصول على PPFD، يجب إجراء تكامل N(λ) على كامل المدى الفعّال ضوئياً في التمثيل الضوئي (PAR، من 400 إلى 700 nm):

تشير هذه القيمة إلى عدد الفوتونات في الثانية الواحدة وفي المتر المربع الواحد (µmol/m²/s) ضمن نطاق الطول الموجي ذي الصلة.

4. تحويل الوحدات

يُعطي المجموع الناتج PPFD بوحدة الفوتونات لكل متر مربع في الثانية (photons/m²/s). للانتقال من الفوتونات إلى µmol من الفوتونات، يُقسَم الناتج على عدد أفوجادرو (6.022 × 10²³ photons/mol).

للقيام بذلك، يجب قسمة عدد الفوتونات على 6.022 × 10¹⁷، حيث إن الميكرومول الواحد يعادل جزءاً من مليون من المول: