Cálculo da densidade de fluxo de fótons (PPFD)

A densidade de fluxo de fótons (PPFD, Photosynthetic Photon Flux Density) descreve o número de fótons fotossinteticamente ativos (na faixa espectral de 400 a 700 nm) que incidem sobre uma superfície por unidade de tempo e área. É expressa na unidade µmol·m⁻²·s⁻¹. Esse valor fornece, portanto, informações sobre a irradiância baseada em fótons de um espectro de luz, considerando apenas os fótons que, em princípio, podem contribuir para a fotossíntese.

Em contraste com a densidade de fluxo radiante (watts por metro quadrado), que descreve a irradiância energética total, o PPFD é puramente baseado em quanta. Como os processos fotossintéticos se baseiam em excitações quântico-mecânicas, o número de fótons é mais importante do que sua energia total. Isso faz do PPFD um parâmetro-chave para avaliar a eficácia de fontes de luz na fisiologia vegetal.

Aplicação do PPFD na iluminação de plantas

O PPFD é utilizado principalmente no planejamento, otimização e controle de sistemas de iluminação artificial em estufas, câmaras climáticas e fazendas verticais (indoor farms). É essencial para:

• Determinação da intensidade luminosa: valores específicos de PPFD são necessários dependendo da espécie de planta, do estágio de desenvolvimento e da produção de biomassa desejada. Por exemplo, mudas de alface requerem aproximadamente de 100 a 200 µmol·m⁻²·s⁻¹, enquanto plantas de tomate em floração podem exigir até 800 µmol·m⁻²·s⁻¹.
• Teste de homogeneidade: a distribuição do PPFD na área de cultivo deve ser o mais uniforme possível para garantir um crescimento homogêneo e evitar exposição local excessiva ou insuficiente.
• Avaliação da eficiência energética: em combinação com a potência consumida pela iluminação, é possível determinar a chamada "eficiência fotônica efetiva" (por exemplo, em µmol-J⁻¹).
• Controle e automação da iluminação: ao medir o PPFD em tempo real com sensores adequados, os sistemas de iluminação podem ser ajustados dinamicamente às necessidades das plantas e às condições externas de iluminação.

O cálculo da densidade de fluxo de fótons (PPFD) a partir da irradiância espectral requer a integração da irradiância espectral na faixa de comprimento de onda relevante (tipicamente de 400 a 700 nm para a fotossíntese) e a conversão das unidades de energia em fótons. A irradiância espectral E(λ) indica a distribuição da irradiância (W/m²/nm) em função do comprimento de onda λ.

A irradiância espectral é medida por meio de um espectrorradiômetro de array. Esse dispositivo utiliza um arranjo de detectores sensíveis à luz que detecta simultaneamente a radiação resolvida espectralmente por meio de um espectrômetro. A calibração é usada para a conversão precisa em unidades físicas de irradiância (W/m²-nm).

As etapas básicas para o cálculo do PPFD são as seguintes:

1. Cálculo da energia do fóton

A energia de um fóton em um determinado comprimento de onda λ pode ser calculada usando a fórmula de Planck:

Isso significa que:

• E_Photon(λ) é a energia de um fóton no comprimento de onda λ em joules,
• h é a constante de Planck (6,626×10-34 Js),
• c é a velocidade da luz (3,0×108 m/),

• λ o comprimento de onda em metros.

   

2. Conversão da irradiância espectral no número de fótons

O número de fótons N(λ) que contribuem para uma determinada irradiância espectral E(λ) em um comprimento de onda λ pode ser calculado da seguinte forma:

Isso resulta em N(λ) em fótons por segundo e por metro quadrado por nanômetro.

3. Integração ao longo da faixa de comprimento de onda

Para obter o PPFD, N(λ) deve ser integrado em toda a faixa fotossinteticamente ativa (PAR, de 400 a 700 nm):

Este valor indica o número de fótons por segundo e por metro quadrado (µmol/m²/s) na faixa de comprimento de onda relevante.

4. Converter unidades

A soma resultante fornece o PPFD em fótons por metro quadrado por segundo (fótons/m²/s). Para converter de fótons para µmol de fótons, divida pelo número de Avogadro (6,022 × 10²³ fótons/mol).

Para isso, o número de fótons deve ser dividido por 6,022 × 10¹⁷, já que um micromol corresponde a um milionésimo de um mol: