Obliczanie gęstości strumienia fotonów (PPFD)

Gęstość strumienia fotonów (PPFD, Photosynthetic Photon Flux Density) opisuje liczbę fotosyntetycznie czynnych fotonów (w zakresie widmowym od 400 do 700 nm), które trafiają na powierzchnię w jednostce czasu i powierzchni. Podawana jest w jednostce µmol·m⁻²·s⁻¹. Wartość ta dostarcza zatem informacji o fotonowym natężeniu napromienienia widma światła, przy czym uwzględniane są tylko te fotony, które w zasadzie mogą przyczynić się do fotosyntezy.

W przeciwieństwie do gęstości strumienia promieniowania (waty na metr kwadratowy), która opisuje całkowite energetyczne natężenie napromienienia, PPFD jest wielkością czysto kwantową. Ponieważ procesy fotosyntetyczne opierają się na wzbudzeniach kwantowo-mechanicznych, liczba fotonów jest ważniejsza niż ich całkowita energia. Dzięki temu PPFD jest kluczowym parametrem do oceny skuteczności źródeł światła w fizjologii roślin.

Zastosowanie PPFD w oświetleniu roślin

PPFD stosuje się przede wszystkim przy planowaniu, optymalizacji i sterowaniu sztucznymi systemami oświetleniowymi w szklarniach, komorach klimatycznych i uprawach typu indoor farm. Jest niezbędne do:

• Określania natężenia światła: W zależności od gatunku rośliny, etapu rozwoju i pożądanej produkcji biomasy wymagane są określone wartości PPFD. Na przykład sadzonki sałaty wymagają ok. 100-200 µmol·m⁻²·s⁻¹, natomiast kwitnące rośliny pomidora mogą wymagać nawet do 800 µmol·m⁻²·s⁻¹.
• Badania jednorodności: Rozkład PPFD na powierzchni uprawy musi być jak najbardziej równomierny, aby zapewnić jednolity wzrost i uniknąć miejscowego prześwietlenia lub niedoświetlenia.
• Oceny efektywności energetycznej: W połączeniu z poborem mocy oświetlenia można określić tzw. „efektywną wydajność fotonową" (np. w µmol-J-¹).
• Sterowania oświetleniem i automatyzacji: Dzięki pomiarowi PPFD w czasie rzeczywistym za pomocą odpowiednich czujników systemy oświetleniowe mogą być dynamicznie dostosowywane do potrzeb roślin i zewnętrznych warunków oświetleniowych.

Obliczenie gęstości strumienia fotonów (PPFD) na podstawie widmowego natężenia napromienienia wymaga całkowania widmowego natężenia napromienienia w odpowiednim zakresie długości fal (zazwyczaj od 400 do 700 nm dla fotosyntezy) oraz przeliczenia jednostek energii na fotony. Widmowe natężenie napromienienia E(λ) wskazuje rozkład natężenia napromienienia (W/m²/nm) w zależności od długości fali λ.

Widmowe natężenie napromienienia mierzy się za pomocą spektroradiometru macierzowego. Urządzenie to wykorzystuje matrycę światłoczułego detektora, która jednocześnie wykrywa promieniowanie rozdzielone widmowo za pomocą spektrometru. Wzorcowanie służy do precyzyjnego przeliczenia na fizyczne jednostki natężenia napromienienia (W/m²-nm).

Podstawowe kroki obliczania PPFD są następujące:

1. Obliczanie energii fotonu

Energię fotonu przy określonej długości fali λ można obliczyć za pomocą wzoru Plancka:

Oznacza to:

• E_Photon(λ) to energia fotonu przy długości fali λ w dżulach,
• h to stała Plancka (6,626×10-34 Js),
• c to prędkość światła (3,0×108 m/),

• λ to długość fali w metrach.

   

2. Konwersja widmowego natężenia napromienienia na liczbę fotonów

Liczbę fotonów N(λ), które przyczyniają się do określonego widmowego natężenia napromienienia E(λ) przy długości fali λ, można obliczyć w następujący sposób:

W wyniku tego otrzymuje się N(λ) w fotonach na sekundę i na metr kwadratowy na nanometr.

3. Całkowanie w zakresie długości fali

Aby uzyskać PPFD, N(λ) musi zostać scałkowane w całym zakresie promieniowania fotosyntetycznie czynnego (PAR, od 400 do 700 nm):

Wartość ta wskazuje liczbę fotonów na sekundę i na metr kwadratowy (µmol/m²/s) w odpowiednim zakresie długości fali.

4. Przeliczanie jednostek

Otrzymana suma daje PPFD w fotonach na metr kwadratowy na sekundę (fotony/m²/s). Aby przejść od fotonów do µmol fotonów, należy podzielić przez liczbę Avogadra (6,022 × 10²³ fotonów/mol).

W tym celu liczbę fotonów należy podzielić przez 6,022 × 10¹⁷, ponieważ jeden mikromol odpowiada jednej milionowej mola: