Calcolo della densità di flusso fotonico (PPFD)

La densità di flusso fotonico (PPFD, Photosynthetic Photon Flux Density) descrive il numero di fotoni fotosinteticamente attivi (nell'intervallo spettrale da 400 a 700 nm) che colpiscono una superficie per unità di tempo e area. Viene espressa nell'unità µmol·m⁻²·s⁻¹. Questo valore fornisce quindi informazioni sull'irradianza basata sui fotoni di uno spettro luminoso, tenendo conto solo di quei fotoni che possono in linea di principio contribuire alla fotosintesi.

A differenza della densità di flusso radiante (watt per metro quadrato), che descrive l'irradianza energetica totale, la PPFD è puramente quantistica. Poiché i processi fotosintetici si basano su eccitazioni quantomeccaniche, il numero di fotoni è più importante della loro energia totale. Questo rende la PPFD un parametro chiave per valutare l'efficacia delle fonti luminose nella fisiologia vegetale.

Applicazione della PPFD nell'illuminazione delle piante

La PPFD viene utilizzata principalmente nella pianificazione, ottimizzazione e controllo di sistemi di illuminazione artificiale in serre, camere climatiche e indoor farm. È essenziale per:

• Determinazione dell'intensità luminosa: in base alla specie vegetale, allo stadio di sviluppo e alla produzione di biomassa desiderata sono richiesti valori PPFD specifici. Ad esempio, le piantine di lattuga richiedono circa 100-200 µmol·m⁻²·s⁻¹, mentre le piante di pomodoro in fioritura possono richiedere fino a 800 µmol·m⁻²·s⁻¹.
• Verifica dell'omogeneità: la distribuzione della PPFD sull'area di coltivazione deve essere quanto più uniforme possibile per garantire una crescita omogenea ed evitare sovraesposizioni o sottoesposizioni locali.
• Valutazione dell'efficienza energetica: in combinazione con la potenza assorbita dell'illuminazione, è possibile determinare la cosiddetta "efficienza fotonica effettiva" (ad es. in µmol-J-¹).
• Controllo e automazione dell'illuminazione: misurando la PPFD in tempo reale con sensori adeguati, i sistemi di illuminazione possono essere adattati dinamicamente alle esigenze delle piante e alle condizioni di illuminazione esterne.

Il calcolo della densità di flusso fotonico (PPFD) a partire dall'irradianza spettrale richiede un'integrazione dell'irradianza spettrale sull'intervallo di lunghezze d'onda rilevante (tipicamente da 400 a 700 nm per la fotosintesi) e la conversione delle unità di energia in fotoni. L'irradianza spettrale E(λ) indica la distribuzione dell'irradianza (W/m²/nm) in funzione della lunghezza d'onda λ.

L'irradianza spettrale viene misurata utilizzando uno spettroradiometro ad array. Questo dispositivo utilizza un array di rilevatori sensibili alla luce che rileva simultaneamente la radiazione risolta spettralmente tramite uno spettrometro. La taratura viene utilizzata per una conversione precisa in unità fisiche di irradianza (W/m²-nm).

Le fasi fondamentali per il calcolo della PPFD sono le seguenti:

1. Calcolo dell'energia del fotone

L'energia di un fotone a una determinata lunghezza d'onda λ può essere calcolata utilizzando la formula di Planck:

Questo significa:

• E_Photon(λ) è l'energia di un fotone alla lunghezza d'onda λ in joule,
• h è la costante di Planck (6,626×10-34 Js),
• c è la velocità della luce (3,0×108 m/),

• λ la lunghezza d'onda in metri.

   

2. Conversione dell'irradianza spettrale nel numero di fotoni

Il numero di fotoni N(λ) che contribuiscono a una determinata irradianza spettrale E(λ) a una lunghezza d'onda λ può essere calcolato come segue:

Questo genera N(λ) in fotoni al secondo e per metro quadrato per nanometro.

3. Integrazione sull'intervallo di lunghezze d'onda

Per ottenere il PPFD, N(λ) deve essere integrato sull'intero intervallo fotosinteticamente attivo (PAR, 400–700 nm):

Questo valore indica il numero di fotoni al secondo e per metro quadrato (µmol/m²/s) nell'intervallo di lunghezza d'onda rilevante.

4. Conversione delle unità

La somma risultante fornisce il PPFD in fotoni per metro quadrato al secondo (fotoni/m²/s). Per passare da fotoni a µmol di fotoni, dividere per il numero di Avogadro (6,022 × 10²³ fotoni/mol).

Per fare ciò, il numero di fotoni deve essere diviso per 6,022 × 10¹⁷, poiché un micromole corrisponde a un milionesimo di mole: