חישוב שטף צפיפות הפוטונים (PPFD)

שטף צפיפות הפוטונים (PPFD, Photosynthetic Photon Flux Density) מתאר את מספר הפוטונים הפעילים פוטוסינתטית (בטווח הספקטרלי מ-400 עד 700 nm) הפוגעים בשטח פני שטח ביחידת זמן ושטח. הערך ניתן ביחידה µmol·m⁻²·s⁻¹. ערך זה מספק אפוא מידע על עצמת הקרינה מבוססת הפוטונים של ספקטרום אור, כאשר מובאים בחשבון רק אותם פוטונים שיכולים באופן עקרוני לתרום לפוטוסינתזה.

בניגוד לצפיפות שטף הקרינה (וואט למטר רבוע), המתארת את עצמת הקרינה האנרגטית הכוללת, ה-PPFD מבוסס באופן טהור על כמות קוונטית. מכיוון שתהליכים פוטוסינתטיים מבוססים על עוררויות קוונטיות-מכניות, מספר הפוטונים חשוב יותר מהאנרגיה הכוללת שלהם. הדבר הופך את ה-PPFD לפרמטר מפתח בהערכת האפקטיביות של מקורות אור בפיזיולוגיה של הצמח.

שימוש ב-PPFD בתאורת צמחים

ה-PPFD משמש בעיקר בתכנון, אופטימיזציה ובקרה של מערכות תאורה מלאכותיות בחממות, תאי אקלים וחוות גידול פנימיות. הוא חיוני עבור:

• קביעת עוצמת האור: נדרשים ערכי PPFD ספציפיים בהתאם למין הצמח, שלב ההתפתחות והפקת הביומסה הרצויה. לדוגמה, שתילי חסה דורשים כ-100 עד 200 µmol·m⁻²·s⁻¹, בעוד שצמחי עגבניות פורחים יכולים לדרוש עד 800 µmol·m⁻²·s⁻¹.
• בדיקת הומוגניות: התפלגות ה-PPFD על שטח הגידול צריכה להיות אחידה ככל האפשר כדי להבטיח צמיחה אחידה ולמנוע חשיפת יתר או חשיפת חסר מקומית.
• הערכת יעילות אנרגטית: בשילוב עם ההספק הנצרך של התאורה, ניתן לקבוע את מה שמכונה "נצילות פוטונים אפקטיבית" (למשל ביחידות µmol-J⁻¹).
• בקרת תאורה ואוטומציה: על ידי מדידת ה-PPFD בזמן אמת באמצעות חיישנים מתאימים, ניתן להתאים באופן דינמי את מערכות התאורה לצרכי הצמחים ולתנאי התאורה החיצוניים.

חישוב שטף צפיפות הפוטונים (PPFD) מעצמת הקרינה הספקטרלית מחייב אינטגרציה של עצמת הקרינה הספקטרלית על פני טווח אורכי הגל הרלוונטי (בדרך כלל 400 עד 700 nm לפוטוסינתזה) והמרה של יחידות האנרגיה לפוטונים. עצמת הקרינה הספקטרלית E(λ) מציינת את התפלגות עצמת הקרינה (W/m²/nm) כתלות באורך הגל λ.

עצמת הקרינה הספקטרלית נמדדת באמצעות ספקטרורדיומטר מבוסס מערך. מכשיר זה משתמש במערך גלאים רגישים לאור המבצע איתור בו-זמני של קרינה ברזולוציה ספקטרלית באמצעות ספקטרומטר. כיול משמש להמרה מדויקת ליחידות פיזיקליות של עצמת קרינה (W/m²-nm).

השלבים הבסיסיים לחישוב ה-PPFD הם כדלקמן:

1. חישוב אנרגיית הפוטון

ניתן לחשב את האנרגיה של פוטון באורך גל מסוים λ באמצעות נוסחת פלאנק:

פירוש הדבר:

• E_Photon(λ) הינה האנרגיה של פוטון באורך הגל λ, ביחידות ג'אול,
• h הינו קבוע פלאנק (6.626×10-34 Js),
• c הינה מהירות האור (3.0×108 m/),

• λ אורך הגל במטרים.

   

2. הפיכת עצמת הקרינה הספקטרלית למספר הפוטונים

ניתן לחשב את מספר הפוטונים N(λ) התורמים לעצמת קרינה ספקטרלית מסוימת E(λ) באורך גל λ באופן הבא:

כך מתקבל N(λ) ביחידות של פוטונים בשנייה לכל מטר רבוע לכל ננומטר.

3. אינטגרציה על פני תחום אורכי הגל

לקבלת PPFD, יש לבצע אינטגרציה של N(λ) על פני כל התחום הפעיל פוטוסינתטית (PAR, 400 עד 700 nm):

ערך זה מציין את מספר הפוטונים לשנייה ולמטר מרובע (µmol/m²/s) בטווח אורכי הגל הרלוונטי.

4. המרת יחידות

הסכום המתקבל נותן את ה-PPFD בפוטונים למטר מרובע לשנייה (photons/m²/s). כדי לעבור מפוטונים ל-µmol פוטונים, יש לחלק במספר אבוגדרו (6.022 × 10²³ photons/mol).

לשם כך, יש לחלק את מספר הפוטונים ב-6.022 × 10¹⁷, שכן מיקרומול אחד מקביל לחלק אחד ממיליון של מול: