cálculo de la densidad de flujo de fotones (PPFD)
La densidad de flujo de fotones (PPFD, Photosynthetic Photon Flux Density) describe el número de fotones fotosintéticamente activos (en el rango espectral de 400 a 700 nm) que inciden sobre una superficie por unidad de tiempo y área. Se expresa en la unidad µmol·m⁻²·s⁻¹. Este valor proporciona así información sobre la irradiancia basada en fotones de un espectro de luz, teniendo en cuenta únicamente aquellos fotones que en principio pueden contribuir a la fotosíntesis.
A diferencia de la densidad de flujo radiante (vatios por metro cuadrado), que describe la irradiancia energética total, la PPFD se basa puramente en cuantos. Dado que los procesos fotosintéticos se basan en excitaciones cuánticas, el número de fotones es más importante que su energía total. Esto convierte a la PPFD en un parámetro clave para evaluar la eficacia de las fuentes de luz en la fisiología vegetal.
aplicación de la PPFD en la iluminación de plantas
La PPFD se utiliza principalmente en la planificación, optimización y control de sistemas de iluminación artificial en invernaderos, cámaras climáticas y granjas verticales (indoor farms). Es esencial para:
- determinar la intensidad lumínica: se requieren valores de PPFD específicos según la especie de planta, la fase de desarrollo y la producción de biomasa deseada. Por ejemplo, las plántulas de lechuga requieren aprox. 100-200 µmol·m⁻²·s⁻¹, mientras que las plantas de tomate en floración pueden requerir hasta 800 µmol·m⁻²·s⁻¹.
- prueba de homogeneidad: la distribución de la PPFD sobre la superficie de cultivo debe ser lo más uniforme posible para garantizar un crecimiento homogéneo y evitar una sobreexposición o subexposición local.
- evaluación de la eficiencia energética: en combinación con la potencia absorbida de la iluminación, se puede determinar la denominada "eficiencia fotónica efectiva" (p. ej., en µmol-J⁻¹).
- control y automatización de la iluminación: al medir la PPFD en tiempo real con sensores adecuados, los sistemas de iluminación pueden adaptarse dinámicamente a las necesidades de las plantas y a las condiciones de iluminación externas.
El cálculo de la densidad de flujo de fotones (PPFD) a partir de la irradiancia espectral requiere una integración de la irradiancia espectral a lo largo del rango de longitud de onda relevante (típicamente de 400 a 700 nm para la fotosíntesis) y la conversión de las unidades de energía en fotones. La irradiancia espectral E(λ) indica la distribución de la irradiancia (W/m²/nm) en función de la longitud de onda λ.
La irradiancia espectral se mide mediante un espectrorradiómetro de matriz. Este dispositivo utiliza una matriz de detectores sensibles a la luz que detecta simultáneamente la radiación resuelta espectralmente a través de un espectrómetro. La calibración se utiliza para una conversión precisa a unidades físicas de irradiancia (W/m²-nm).
Los pasos básicos para calcular la PPFD son los siguientes:
1. cálculo de la energía del fotón
La energía de un fotón a una determinada longitud de onda λ se puede calcular mediante la fórmula de Planck:
Esto significa:
- EPhoton(λ) es la energía de un fotón a la longitud de onda λ en julios,
- h es la constante de Planck (6,626×10-34 Js),
- c es la velocidad de la luz (3,0×108 m/),
λ la longitud de onda en metros.
2. Conversión de la irradiancia espectral en número de fotones
El número de fotones N(λ) que contribuyen a una determinada irradiancia espectral E(λ) a una longitud de onda λ puede calcularse de la siguiente manera:
Este valor indica el número de fotones por segundo y por metro cuadrado (µmol/m²/s) en el intervalo de longitud de onda correspondiente.
4. Convertir unidades
La suma resultante proporciona el PPFD en fotones por metro cuadrado por segundo (fotones/m²/s). Para pasar de fotones a µmol de fotones, se divide por el número de Avogadro (6,022 × 10²³ fotones/mol).
Para ello, el número de fotones debe dividirse entre 6,022 × 1017, ya que un micromol corresponde a una millonésima parte de un mol:
Espectrorradiómetro para medir el espectro
SR900
Espectrorradiómetro de matriz para de 200 a 1100 nm con esferas integradoras, difusor coseno y sondas como accesorios.
Autor: Dr. Mark Paravia
El Dr.-Ing. Mark Paravia es el director general de Opsytec Dr. Gröbel GmbH en Ettlingen y dirige el laboratorio de calibración acreditado. Tras sus investigaciones sobre descargas de excímero de xenón pulsado en el Institute of Lighting Technology del KIT, su labor actual se centra en la tecnología de medición de radiación óptica. Es vicepresidente del Comité de Normalización DIN FNL 7 «Optical Radiation» y miembro del grupo de proyecto de la DVGW sobre desinfección UV.
