फोटॉन फ्लक्स घनत्व (PPFD) की गणना

फोटॉन फ्लक्स घनत्व (PPFD, Photosynthetic Photon Flux Density) उन प्रकाश-संश्लेषी सक्रिय फोटॉनों (400 से 700 nm तक की वर्णक्रमीय परास में) की संख्या को दर्शाता है जो प्रति इकाई समय और क्षेत्रफल में किसी सतह पर आपतित होते हैं। इसे µmol·m⁻²·s⁻¹ इकाई में दिया जाता है। इस प्रकार यह मान किसी प्रकाश स्पेक्ट्रम की फोटॉन-आधारित विकिरण तीव्रता के बारे में जानकारी प्रदान करता है, जिसमें केवल उन फोटॉनों को ध्यान में रखा जाता है जो सैद्धांतिक रूप से प्रकाश-संश्लेषण में योगदान दे सकते हैं।

विकिरण फ्लक्स घनत्व (वाट प्रति वर्ग मीटर) के विपरीत, जो कुल ऊर्जात्मक विकिरण तीव्रता को दर्शाता है, PPFD पूर्णतः क्वांटम-आधारित होता है। चूँकि प्रकाश-संश्लेषी प्रक्रियाएँ क्वांटम यांत्रिक उत्तेजनाओं पर आधारित होती हैं, इसलिए फोटॉनों की संख्या उनकी कुल ऊर्जा से अधिक महत्वपूर्ण होती है। यही कारण है कि PPFD पादप कार्यिकी में प्रकाश स्रोतों की प्रभावशीलता के आकलन के लिए एक प्रमुख पैरामीटर है।

पादप प्रकाशन में PPFD का अनुप्रयोग

PPFD का उपयोग मुख्य रूप से ग्रीनहाउस, जलवायु कक्षों और इनडोर फार्मों में कृत्रिम प्रकाश प्रणालियों की योजना, अनुकूलन और नियंत्रण में किया जाता है। यह निम्नलिखित के लिए आवश्यक है:

• प्रकाश तीव्रता का निर्धारण: पादप प्रजाति, विकास चरण और वांछित जैवभार उत्पादन के आधार पर विशिष्ट PPFD मान आवश्यक होते हैं। उदाहरण के लिए, लेट्यूस के पौधों को लगभग 100-200 µmol·m⁻²·s⁻¹ की आवश्यकता होती है, जबकि फूल वाले टमाटर के पौधों को 800 µmol·m⁻²·s⁻¹ तक की आवश्यकता हो सकती है।
• समरूपता परीक्षण: एकसमान वृद्धि सुनिश्चित करने और स्थानीय अति-उद्भासन या अल्प-उद्भासन से बचने के लिए खेती क्षेत्र पर PPFD वितरण यथासंभव एकसमान होना चाहिए।
• ऊर्जा दक्षता आकलन: प्रकाश व्यवस्था की विद्युत खपत के साथ मिलाकर तथाकथित "प्रभावी फोटॉन दक्षता" (उदाहरण के लिए µmol-J-¹ में) निर्धारित की जा सकती है।
• प्रकाश नियंत्रण और स्वचालन: उपयुक्त सेंसरों से PPFD को वास्तविक समय में मापकर, प्रकाश प्रणालियों को पौधों की आवश्यकताओं और बाहरी प्रकाश स्थितियों के अनुसार गतिशील रूप से अनुकूलित किया जा सकता है।

वर्णक्रमीय विकिरण तीव्रता से फोटॉन फ्लक्स घनत्व (PPFD) की गणना के लिए प्रासंगिक तरंगदैर्घ्य परास (प्रकाश-संश्लेषण के लिए सामान्यतः 400 से 700 nm तक) पर वर्णक्रमीय विकिरण तीव्रता के समाकलन और ऊर्जा इकाइयों को फोटॉनों में रूपांतरण की आवश्यकता होती है। वर्णक्रमीय विकिरण तीव्रता E(λ) तरंगदैर्घ्य λ के फलन के रूप में विकिरण तीव्रता (W/m²/nm) के वितरण को दर्शाती है।

वर्णक्रमीय विकिरण तीव्रता को ऐरे स्पेक्ट्रोरेडियोमीटर के माध्यम से मापा जाता है। यह उपकरण एक प्रकाश-संवेदी डिटेक्टर ऐरे का उपयोग करता है जो स्पेक्ट्रोमीटर के माध्यम से एक साथ वर्णक्रमीय रूप से विभेदित विकिरण का पता लगाता है। विकिरण तीव्रता (W/m²-nm) की भौतिक इकाइयों में सटीक रूपांतरण के लिए अंशांकन का उपयोग किया जाता है।

PPFD की गणना के मूल चरण इस प्रकार हैं:

1. फोटॉन ऊर्जा की गणना

किसी निश्चित तरंगदैर्घ्य λ पर फोटॉन की ऊर्जा को प्लांक के सूत्र का उपयोग करके परिकलित किया जा सकता है:

इसका अर्थ है:

• E_Photon(λ) तरंगदैर्घ्य λ पर एक फोटॉन की ऊर्जा जूल में है,
• h प्लांक स्थिरांक है (6.626×10-34 Js),
• c प्रकाश की गति है (3.0×108 m/),

• λ तरंगदैर्घ्य मीटर में है।

   

2. वर्णक्रमीय विकिरण तीव्रता को फोटॉनों की संख्या में परिवर्तित करना

तरंगदैर्घ्य λ पर किसी निश्चित वर्णक्रमीय विकिरण तीव्रता E(λ) में योगदान करने वाले फोटॉनों की संख्या N(λ) की गणना इस प्रकार की जा सकती है:

इसके परिणामस्वरूप N(λ) प्रति सेकंड और प्रति वर्ग मीटर प्रति नैनोमीटर फोटॉनों में प्राप्त होता है।

3. तरंगदैर्घ्य परास पर समाकलन

PPFD प्राप्त करने के लिए, N(λ) को संपूर्ण प्रकाश-संश्लेषक सक्रिय परास (PAR, 400 से 700 nm तक) पर समाकलित किया जाना चाहिए:

यह मान संबंधित तरंगदैर्घ्य परास में प्रति सेकंड और प्रति वर्ग मीटर (µmol/m²/s) फोटॉनों की संख्या को दर्शाता है।

4. इकाइयाँ परिवर्तित करें

परिणामी योग PPFD को प्रति वर्ग मीटर प्रति सेकंड फोटॉनों में (photons/m²/s) देता है। फोटॉनों से µmol फोटॉनों तक पहुँचने के लिए, एवोगाद्रो संख्या (6.022 × 10²³ photons/mol) से भाग दें।

ऐसा करने के लिए, फोटॉनों की संख्या को 6.022 × 10¹⁷ से विभाजित करना होगा, क्योंकि एक माइक्रोमोल एक मोल के दस लाखवें हिस्से के बराबर होता है: