Calcul de la densité de flux photonique (PPFD)

La densité de flux photonique (PPFD, Photosynthetic Photon Flux Density) décrit le nombre de photons photosynthétiquement actifs (dans la plage spectrale de 400 à 700 nm) qui atteignent une surface par unité de temps et de surface. Elle est exprimée dans l'unité µmol·m⁻²·s⁻¹. Cette valeur fournit ainsi des informations sur l'éclairement énergétique d'un spectre lumineux basé sur les photons, sachant que seuls les photons pouvant en principe contribuer à la photosynthèse sont pris en compte.

Contrairement à la densité de flux énergétique (watts par mètre carré), qui décrit l'éclairement énergétique total, la PPFD est purement basée sur les quanta. Étant donné que les processus photosynthétiques reposent sur des excitations quantiques, le nombre de photons est plus important que leur énergie totale. Cela fait de la PPFD un paramètre clé pour évaluer l'efficacité des sources lumineuses en physiologie végétale.

Utilisation de la PPFD dans l'éclairage des plantes

La PPFD est principalement utilisée pour la planification, l'optimisation et la régulation des systèmes d'éclairage artificiel dans les serres, les chambres climatiques et les fermes verticales. Elle est essentielle pour :

• Déterminer l'intensité lumineuse : des valeurs de PPFD spécifiques sont requises en fonction de l'espèce végétale, du stade de développement et de la production de biomasse souhaitée. Par exemple, les semis de laitue nécessitent environ 100 à 200 µmol·m⁻²·s⁻¹, tandis que les plants de tomates en floraison peuvent nécessiter jusqu'à 800 µmol·m⁻²·s⁻¹.
• Test d'homogénéité : la répartition de la PPFD sur la surface de culture doit être aussi uniforme que possible afin de garantir une croissance homogène et d'éviter les surexpositions ou sous-expositions locales.
• Évaluation de l'efficacité énergétique : combinée à la puissance absorbée de l'éclairage, il est possible de déterminer ce que l'on appelle l'« efficacité photonique effective » (par exemple en µmol-J⁻¹).
• Régulation et automatisation de l'éclairage : en mesurant la PPFD en temps réel à l'aide de capteurs adaptés, les systèmes d'éclairage peuvent être adaptés dynamiquement aux besoins des plantes et aux conditions d'éclairage extérieures.

Le calcul de la densité de flux photonique (PPFD) à partir de l'éclairement énergétique spectrique nécessite une intégration de l'éclairement énergétique spectrique sur la plage de longueurs d'onde pertinente (typiquement de 400 à 700 nm pour la photosynthèse) ainsi que la conversion des unités d'énergie en photons. L'éclairement énergétique spectrique E(λ) indique la répartition de l'éclairement énergétique (W/m²/nm) en fonction de la longueur d'onde λ.

L'éclairement énergétique spectrique est mesuré à l'aide d'un spectroradiomètre à réseau. Cet appareil utilise un réseau de détecteurs photosensibles qui détecte simultanément le rayonnement résolu spectralement via un spectromètre. L'étalonnage permet une conversion précise en unités physiques d'éclairement énergétique (W/m²-nm).

Les principales étapes du calcul de la PPFD sont les suivantes :

1. Calcul de l'énergie du photon

L'énergie d'un photon à une longueur d'onde λ donnée peut être calculée à l'aide de la formule de Planck :

Cela signifie :

• E_Photon(λ) est l'énergie d'un photon à la longueur d'onde λ en joules,
• h est la constante de Planck (6,626×10-34 Js),
• c est la vitesse de la lumière (3,0×108 m/),

• λ la longueur d'onde en mètres.

   

2. Conversion de l'éclairement énergétique spectrique en nombre de photons

Le nombre de photons N(λ) qui contribuent à un certain éclairement énergétique spectrique E(λ) à une longueur d'onde λ peut être calculé comme suit :

On obtient ainsi N(λ) en photons par seconde et par mètre carré et par nanomètre.

3. Intégration sur la plage de longueurs d'onde

Pour obtenir le PPFD, N(λ) doit être intégré sur toute la plage photosynthétiquement active (PAR, 400 à 700 nm) :

Cette valeur indique le nombre de photons par seconde et par mètre carré (µmol/m²/s) dans la plage de longueurs d'onde considérée.

4. Convertir les unités

La somme obtenue donne le PPFD en photons par mètre carré par seconde (photons/m²/s). Pour passer des photons aux µmol de photons, il faut diviser par le nombre d'Avogadro (6,022 × 10²³ photons/mol).

Pour cela, le nombre de photons doit être divisé par 6,022 × 10¹⁷, car un micromole correspond à un millionième de mole :