Beregning av fotonfluksdensitet (PPFD)

Fotonfluksdensiteten (PPFD, Photosynthetic Photon Flux Density) beskriver antallet fotosyntetisk aktive fotoner (i det spektrale området fra 400 til 700 nm) som treffer en overflate per tidsenhet og areal. Den angis i enheten µmol·m⁻²·s⁻¹. Denne verdien gir dermed informasjon om den fotonbaserte irradiansen til et lysspektrum, der kun de fotonene som i prinsippet kan bidra til fotosyntese, tas med i beregningen.

I motsetning til strålingsfluksdensitet (watt per kvadratmeter), som beskriver den totale energetiske irradiansen, er PPFD rent kvantebasert. Ettersom fotosyntetiske prosesser er basert på kvantemekaniske eksitasjoner, er antallet fotoner viktigere enn deres totale energi. Dette gjør PPFD til en sentral parameter for å vurdere effektiviteten til lyskilder i plantefysiologi.

Bruk av PPFD i plantebelysning

PPFD brukes først og fremst til planlegging, optimalisering og styring av kunstige belysningssystemer i drivhus, klimakamre og innendørs gårder. Den er essensiell for:

• Fastsettelse av lysintensiteten: Bestemte PPFD-verdier kreves avhengig av planteart, utviklingsstadium og ønsket biomasseproduksjon. For eksempel krever salatplanter ca. 100–200 µmol·m⁻²·s⁻¹, mens blomstrende tomatplanter kan kreve opptil 800 µmol·m⁻²·s⁻¹.
• Homogenitetstest: PPFD-fordelingen på dyrkingsarealet må være så jevn som mulig for å sikre ensartet vekst og unngå lokal over- eller undereksponering.
• Vurdering av energieffektivitet: I kombinasjon med effektforbruket til belysningen kan den såkalte «effektive fotoneffektiviteten» (f.eks. i µmol-J-¹) bestemmes.
• Belysningsstyring og automatisering: Ved å måle PPFD i sanntid med egnede sensorer kan belysningssystemer dynamisk tilpasses plantenes behov og eksterne lysforhold.

Beregningen av fotonfluksdensiteten (PPFD) fra den spektrale irradiansen krever en integrering av den spektrale irradiansen over det relevante bølgelengdeområdet (typisk 400 til 700 nm for fotosyntese) og en omregning av energienhetene til fotoner. Den spektrale irradiansen E(λ) angir fordelingen av irradiansen (W/m²/nm) som funksjon av bølgelengden λ.

Den spektrale irradiansen måles med et array-spektroradiometer. Denne enheten bruker en lysfølsom detektorarray som samtidig registrerer spektralt oppløst stråling via et spektrometer. Kalibrering brukes for å oppnå nøyaktig omregning til fysiske enheter for irradians (W/m²-nm).

De grunnleggende trinnene for å beregne PPFD er som følger:

1. Beregning av fotonenergi

Energien til et foton ved en bestemt bølgelengde λ kan beregnes ved hjelp av Plancks formel:

Dette betyr:

• E_Photon(λ) er energien til et foton ved bølgelengden λ i joule,
• h er Planck-konstanten (6,626×10-34 Js),
• c er lyshastigheten (3,0×108 m/),

• λ bølgelengden i meter.

   

2. Konvertering av den spektrale irradiansen til antall fotoner

Antall fotoner N(λ) som bidrar til en bestemt spektral irradians E(λ) ved en bølgelengde λ kan beregnes som følger:

Dette resulterer i N(λ) i fotoner per sekund og per kvadratmeter per nanometer.

3. Integrasjon over bølgelengdeområdet

For å oppnå PPFD må N(λ) integreres over hele det fotosyntetisk aktive området (PAR, 400–700 nm):

Denne verdien angir antall fotoner per sekund og per kvadratmeter (µmol/m²/s) i det relevante bølgelengdeområdet.

4. Konverter enheter

Den resulterende summen gir PPFD i fotoner per kvadratmeter per sekund (fotoner/m²/s). For å gå fra fotoner til µmol fotoner, deler du på Avogadros tall (6,022 × 10²³ fotoner/mol).

For å gjøre dette må antall fotoner deles på 6,022 × 10¹⁷, ettersom ett mikromol tilsvarer en milliondel av et mol: