Berekening van de fotonenfluxdichtheid (PPFD)

De fotonenfluxdichtheid (PPFD, Photosynthetic Photon Flux Density) beschrijft het aantal fotosynthetisch actieve fotonen (in het spectrale bereik van 400 tot 700 nm) die per tijdseenheid en oppervlakte-eenheid op een oppervlak vallen. De waarde wordt uitgedrukt in de eenheid µmol·m⁻²·s⁻¹. Deze waarde geeft dus informatie over de fotonengebaseerde bestralingssterkte van een lichtspectrum, waarbij alleen die fotonen worden meegenomen die in principe kunnen bijdragen aan fotosynthese.

In tegenstelling tot de stralingsfluxdichtheid (watt per vierkante meter), die de totale energetische bestralingssterkte beschrijft, is de PPFD puur op kwanta gebaseerd. Omdat fotosynthetische processen gebaseerd zijn op kwantummechanische excitaties, is het aantal fotonen belangrijker dan hun totale energie. Dit maakt de PPFD een belangrijke parameter voor het beoordelen van de effectiviteit van lichtbronnen in de plantenfysiologie.

Toepassing van PPFD in plantverlichting

De PPFD wordt voornamelijk gebruikt bij de planning, optimalisatie en regeling van kunstmatige verlichtingssystemen in kassen, klimaatkamers en indoor farms. Het is essentieel voor:

• Het bepalen van de lichtintensiteit: Afhankelijk van de plantensoort, het ontwikkelingsstadium en de gewenste biomassaproductie zijn specifieke PPFD-waarden vereist. Slazaailingen hebben bijvoorbeeld ca. 100-200 µmol·m⁻²·s⁻¹ nodig, terwijl bloeiende tomatenplanten tot 800 µmol·m⁻²·s⁻¹ kunnen vereisen.
• Homogeniteitstest: De PPFD-verdeling op het teeltoppervlak moet zo gelijkmatig mogelijk zijn om uniforme groei te garanderen en lokale over- of onderbelichting te voorkomen.
• Beoordeling van de energie-efficiëntie: In combinatie met het opgenomen vermogen van de verlichting kan de zogenaamde "effectieve fotonefficiëntie" (bijv. in µmol-J-¹) worden bepaald.
• Verlichtingsregeling en automatisering: Door de PPFD in real time te meten met geschikte sensoren, kunnen verlichtingssystemen dynamisch worden aangepast aan de behoeften van de planten en externe lichtomstandigheden.

De berekening van de fotonenfluxdichtheid (PPFD) uit de spectrale bestralingssterkte vereist een integratie van de spectrale bestralingssterkte over het relevante golflengtebereik (doorgaans 400 tot 700 nm voor fotosynthese) en de omrekening van de energie-eenheden naar fotonen. De spectrale bestralingssterkte E(λ) geeft de verdeling van de bestralingssterkte (W/m²/nm) als functie van de golflengte λ aan.

De spectrale bestralingssterkte wordt gemeten met een array-spectroradiometer. Dit apparaat gebruikt een lichtgevoelige detectorarray die via een spectrometer gelijktijdig spectraal opgeloste straling detecteert. Kalibratie wordt gebruikt voor de nauwkeurige omrekening naar fysische eenheden van bestralingssterkte (W/m²-nm).

De basisstappen voor de berekening van de PPFD zijn als volgt:

1. Berekening van fotonenergie

De energie van een foton bij een bepaalde golflengte λ kan worden berekend met de formule van Planck:

Dit betekent:

• E_Photon(λ) de energie is van een foton bij de golflengte λ in joule,
• h de constante van Planck is (6,626×10-34 Js),
• c de lichtsnelheid is (3,0×108 m/),

• λ de golflengte in meter.

   

2. Omrekening van de spectrale bestralingssterkte naar het aantal fotonen

Het aantal fotonen N(λ) dat bijdraagt aan een bepaalde spectrale bestralingssterkte E(λ) bij een golflengte λ kan als volgt worden berekend:

Dit resulteert in N(λ) in fotonen per seconde en per vierkante meter per nanometer.

3. Integratie over het golflengtebereik

Om de PPFD te verkrijgen, moet N(λ) worden geïntegreerd over het volledige fotosynthetisch actieve bereik (PAR, 400–700 nm):

Deze waarde geeft het aantal fotonen per seconde en per vierkante meter (µmol/m²/s) in het betreffende golflengtebereik aan.

4. Eenheden omrekenen

De resulterende som levert de PPFD in fotonen per vierkante meter per seconde (fotonen/m²/s). Om van fotonen naar µmol fotonen te gaan, deelt u door het getal van Avogadro (6,022 × 10²³ fotonen/mol).

Hiervoor moet het aantal fotonen worden gedeeld door 6,022 × 10¹⁷, omdat één micromol overeenkomt met één miljoenste van een mol: