Fotonivuon tiheyden (PPFD) laskeminen

Fotonivuon tiheys (PPFD, Photosynthetic Photon Flux Density) kuvaa fotosynteettisesti aktiivisten fotonien (aallonpituusalueella 400–700 nm) määrää, joka osuu pinta-alayksikköä ja aikayksikköä kohti. Se ilmaistaan yksikössä µmol·m⁻²·s⁻¹. Tämä arvo antaa siis tietoa valospektrin fotonipohjaisesta irradianssista, jolloin huomioidaan vain ne fotonit, jotka voivat periaatteessa osallistua fotosynteesiin.

Toisin kuin säteilyvuon tiheys (watteina neliömetriä kohti), joka kuvaa kokonaisenergeettistä irradianssia, PPFD perustuu puhtaasti kvantteihin. Koska fotosynteettiset prosessit perustuvat kvanttimekaanisiin virityksiin, fotonien lukumäärä on tärkeämpi kuin niiden kokonaisenergia. Tämä tekee PPFD:stä keskeisen parametrin valonlähteiden tehokkuuden arvioinnissa kasvifysiologiassa.

PPFD:n käyttö kasvivalaistuksessa

PPFD:tä käytetään ensisijaisesti keinovalaistusjärjestelmien suunnittelussa, optimoinnissa ja ohjauksessa kasvihuoneissa, ilmastokaapeissa ja sisätiloissa tapahtuvassa viljelyssä. Se on olennainen seuraavissa:

• Valonvoimakkuuden määrittäminen: Tiettyjä PPFD-arvoja tarvitaan kasvilajista, kehitysvaiheesta ja halutusta biomassantuotannosta riippuen. Esimerkiksi salaatin taimet tarvitsevat noin 100–200 µmol·m⁻²·s⁻¹, kun kukkivat tomaattikasvit voivat tarvita jopa 800 µmol·m⁻²·s⁻¹.
• Homogeenisuustesti: PPFD-jakauman viljelyalueella on oltava mahdollisimman tasainen, jotta varmistetaan tasainen kasvu ja vältetään paikallinen yli- tai alivalotus.
• Energiatehokkuuden arviointi: Yhdessä valaistuksen ottotehon kanssa voidaan määrittää niin kutsuttu "tehokas fotoninen hyötysuhde" (esim. yksikössä µmol-J⁻¹).
• Valaistuksen ohjaus ja automatisointi: Mittaamalla PPFD:tä reaaliajassa sopivilla antureilla valaistusjärjestelmät voidaan mukauttaa dynaamisesti kasvien tarpeisiin ja ulkoisiin valaistusolosuhteisiin.

Fotonivuon tiheyden (PPFD) laskeminen spektrisestä irradianssista edellyttää spektrisen irradianssin integroimista relevantilla aallonpituusalueella (tyypillisesti 400–700 nm fotosynteesiä varten) ja energiayksiköiden muuntamista fotoneiksi. Spektrinen irradianssi E(λ) ilmaisee irradianssin jakauman (W/m²/nm) aallonpituuden λ funktiona.

Spektrinen irradianssi mitataan käyttäen array-spektroradiometriä. Tämä laite käyttää valoherkkää ilmaisinmatriisia, joka havaitsee samanaikaisesti spektraalisesti erotellun säteilyn spektrometrin avulla. Kalibrointia käytetään tarkkaan muuntamiseen irradianssin fysikaalisiksi yksiköiksi (W/m²-nm).

PPFD:n laskemisen peruskohdat ovat seuraavat:

1. Fotonienergian laskeminen

Fotonin energia tietyllä aallonpituudella λ voidaan laskea Planckin kaavalla:

Tämä tarkoittaa:

• E_Photon(λ) on fotonin energia aallonpituudella λ jouleina,
• h on Planckin vakio (6,626×10-34 Js),
• c on valon nopeus (3,0×108 m/),

• λ aallonpituus metreinä.

   

2. Spektrisen irradianssin muuntaminen fotonien lukumääräksi

Fotonien lukumäärä N(λ), jotka vaikuttavat tiettyyn spektriseen irradianssiin E(λ) aallonpituudella λ, voidaan laskea seuraavasti:

Tämän tuloksena saadaan N(λ) yksikössä fotonia sekunnissa neliömetriä ja nanometriä kohden.

3. Integrointi aallonpituusalueen yli

PPFD-arvon saamiseksi N(λ) on integroitava koko fotosynteettisesti aktiivisen alueen (PAR, 400–700 nm) yli:

Tämä arvo ilmoittaa fotonien määrän sekunnissa ja neliömetriä kohden (µmol/m²/s) kyseisellä aallonpituusalueella.

4. Muuntakaa yksiköt

Tuloksena saatu summa antaa PPFD:n fotoneina neliömetriä kohden sekunnissa (fotonia/m²/s). Fotoneista µmol-fotoneihin päästään jakamalla Avogadron luvulla (6,022 × 10²³ fotonia/mol).

Tätä varten fotonien määrä on jaettava luvulla 6,022 × 10¹⁷, koska yksi mikromooli vastaa yhtä miljoonasosaa moolista: