Fotosynteticky aktivní záření - Photosynthetically active radiation

Fotosynteticky aktivní záření , často zkráceně PAR , označuje spektrální rozsah (vlnové pásmo) slunečního záření od 400 do 700 nanometrů, které jsou fotosyntetické organismy schopny použít v procesu fotosyntézy . Tato spektrální oblast odpovídá víceméně rozsahu světla viditelnému pro lidské oko. Fotony na kratších vlnových délkách bývají tak energické, že mohou poškodit buňky a tkáně, ale většinou jsou odfiltrovány ozonovou vrstvou ve stratosféře . Fotony na delších vlnových délkách nenesou dostatek energie, aby mohla probíhat fotosyntéza.

Jiné živé organismy, jako jsou sinice , purpurové bakterie a heliobakterie , mohou využívat sluneční světlo v mírně rozšířených spektrálních oblastech, jako je blízké infračervené záření . Tyto bakterie žijí v prostředí, jako je dno stojatých rybníků, sedimenty a hloubky oceánů. Kvůli svým pigmentům tvoří barevné rohože zelené, červené a fialové.

Nahoře: Absorpční spektra pro chlorofyl-A, chlorofyl-B a karotenoidy extrahované v roztoku. Dole: akční spektrum PAR (vývoj kyslíku na dopadající foton) izolovaného chloroplastu.

Chlorofyl , nejhojnější rostlinný pigment, nejúčinněji zachycuje červené a modré světlo. Doplňkové pigmenty, jako jsou karoteny a xantofyly, sklízejí určité zelené světlo a předávají jej fotosyntetickému procesu, ale dostatek zelených vlnových délek se odráží, aby listy získaly svou charakteristickou barvu. Výjimkou z převahy chlorofylu je podzim, kdy je chlorofyl degradován (protože obsahuje N a Mg ), ale pomocné pigmenty nejsou (protože obsahují pouze C , H a O ) a zůstávají v listu za vzniku červené, žluté a oranžové listy.

U suchozemských rostlin listy absorbují převážně červené a modré světlo v první vrstvě fotosyntetických buněk kvůli absorbci chlorofylu . Zelené světlo však proniká hlouběji do vnitřku listu a může řídit fotosyntézu efektivněji než červené světlo. Protože zelené a žluté vlnové délky mohou přenášet přes chlorofyl a celý list samotný, hrají klíčovou roli v růstu pod baldachýnem rostliny.

Měření PAR se používá v zemědělství, lesnictví a oceánografii. Jedním z požadavků na produktivní zemědělskou půdu je adekvátní PAR, takže PAR se používá k hodnocení potenciálu zemědělských investic. PAR senzory umístěné na různých úrovních lesního baldachýnu měří strukturu dostupnosti a využití PAR. Rychlost fotosyntézy a související parametry lze měřit nedestruktivně pomocí systému fotosyntézy a tyto nástroje měří PAR a někdy řídí PAR při stanovených intenzitách. PAR měření se také používají k výpočtu eufotické hloubky v oceánu.

V těchto kontextech je důvodem, proč je PAR preferována před jinými metrikami osvětlení, jako je světelný tok a osvětlenost, to, že tato opatření jsou založena na lidském vnímání jasu , který je silně zeleně zaujatý a přesně nepopisuje množství světla použitelného pro fotosyntézu.

Jednotky

Při měření ozáření PAR jsou hodnoty vyjádřeny pomocí jednotek energie (W/m ² ), což je relevantní z hlediska energetické rovnováhy pro fotosyntetické organismy .

Fotosyntéza je však kvantový proces a chemické reakce fotosyntézy jsou více závislé na počtu fotonů než na energii obsažené ve fotonech. Rostlinní biologové proto často kvantifikují PAR pomocí počtu fotonů v rozmezí 400-700 nm přijímaných povrchem po stanovenou dobu nebo hustoty fotosyntetického toku fotonů (PPFD). Hodnoty PPFD jsou obvykle vyjádřeny pomocí jednotek mol m ⁻² s ⁻¹ . Ve vztahu k růstu a morfologii rostlin je lepší charakterizovat dostupnost světla pro rostliny pomocí Daily Light Integral (DLI), což je denní tok fotonů na pozemní plochu a zahrnuje jak denní variace, tak variace v délka dne.

PPFD se někdy vyjadřovalo pomocí einsteinových jednotek , tj. ΜE m ⁻² s ⁻¹ , ačkoli toto použití je nestandardní a již se nepoužívá.

Účinnost svítidla

Výtěžek toku fotonů

Váhový faktor pro fotosyntézu. Fotonově vážená křivka je pro převod PPF na YPF; energeticky vážená křivka je pro vážení PAR vyjádřená ve wattech nebo joulech.

Existují dvě běžná měřítka fotosynteticky aktivního záření: fotosyntetický fotonový tok (PPF) a výnosový fotonový tok (YPF). PPF hodnotí všechny fotony od 400 do 700 nm stejně, zatímco YPF váží fotony v rozmezí od 360 do 760 nm na základě fotosyntetické reakce rostliny.

PAR, jak je popsáno u PPF, nerozlišuje mezi různými vlnovými délkami mezi 400 a 700 nm a předpokládá, že vlnové délky mimo tento rozsah mají nulové fotosyntetické působení. Pokud je známé přesné spektrum světla, lze hodnoty hustoty fotosyntetického toku fotonů (PPFD) v μmol s ⁻¹ m ⁻² ) upravit použitím různých váhových faktorů na různé vlnové délky. Výsledkem je množství nazývané tok fotonů výtěžku (YPF). Červená křivka v grafu ukazuje, že fotony kolem 610 nm (oranžovo-červené) mají nejvyšší množství fotosyntézy na foton. Protože však fotony s krátkou vlnovou délkou nesou více energie na foton, maximální množství fotosyntézy na dopadající jednotku energie je na delší vlnové délce, kolem 650 nm (tmavě červená).

Bylo poznamenáno, že existuje značné nedorozumění ohledně vlivu kvality světla na růst rostlin. Mnoho výrobců tvrdí, že díky kvalitě světla (vysoký YPF) výrazně vzrostl růst rostlin. Křivka YPF ukazuje, že oranžové a červené fotony mezi 600 a 630 nm mohou mít za následek o 20 až 30% více fotosyntézy než modré nebo azurové fotony mezi 400 a 540 nm. Křivka YPF však byla vyvinuta z krátkodobých měření provedených na jednotlivých listech za slabého osvětlení. Novější dlouhodobější studie s celými rostlinami ve vyšším světle naznačují, že kvalita světla může mít menší vliv na rychlost růstu rostlin než množství světla. Modré světlo, i když nedodává tolik fotonů na joule, podporuje růst listů a ovlivňuje další výsledky.

Konverze mezi energeticky založeným PAR a fotonovým PAR závisí na spektru světelného zdroje (viz Fotosyntetická účinnost ). Následující tabulka ukazuje převodní faktory z wattů pro spektra černého tělesa, která jsou zkrácena na rozsah 400–700 nm. Ukazuje také světelnou účinnost těchto světelných zdrojů a zlomek skutečného černého tělesa, které je emitováno jako PAR.

Například světelný zdroj 1000 lm při barevné teplotě 5800 K by vyzařoval přibližně 1000/265 = 3,8 W PAR, což je ekvivalent 3,8*4,56 = 17,3 μmol/s. Pro světelný zdroj s černým tělesem při 5800 K, jako je Slunce, je přibližně PAR 3668 z jeho celkového emitovaného záření emitováno jako PAR. U zdrojů umělého světla, které obvykle nemají spektrum černého tělesa, jsou tyto konverzní faktory pouze přibližné.

Množství v tabulce se vypočítají jako

${\ Displaystyle \ eta _ {v} (T) = {\ frac {\ int _ {\ lambda _ {1}}^{\ lambda _ {2}} B (\ lambda, T) \, 683 \ mathrm { ~ [lm/W]} \, y (\ lambda) \, d \ lambda} {\ int _ {\ lambda _ {1}}^{\ lambda _ {2}} B (\ lambda, T) \, d \ lambda}},}$

${\ Displaystyle \ eta _ {\ mathrm {photon}} (T) = {\ frac {\ int _ {\ lambda _ {1}}^{\ lambda _ {2}} B (\ lambda, T) \, {\ frac {\ lambda} {hcN_ {A}}} \, d \ lambda} {\ int _ {\ lambda _ {1}}^{\ lambda _ {2}} B (\ lambda, T) \, d \ lambda}},}$

${\ Displaystyle \ eta _ {\ mathrm {PAR}} (T) = {\ frac {\ int _ {\ lambda _ {1}}^{\ lambda _ {2}} B (\ lambda, T) \, d \ lambda} {\ int _ {0}^{\ infty} B (\ lambda, T) \, d \ lambda}},}$

kde je spektrum černého tělesa podle Planckova zákona , je standardní funkcí svítivosti , představuje rozsah vlnových délek (400 700 nm) PAR a je Avogadrovou konstantou . ${\ Displaystyle B (\ lambda, T)}$${\ displaystyle y}$${\ displaystyle \ lambda _ {1}, \ lambda _ {2}}$${\ displaystyle N_ {A}}$

Druhý zákon Účinnost PAR

Kromě množství záření dopadajícího na rostlinu v oblasti PAR spektra je také důležité vzít v úvahu kvalitu takového záření. Radiace dosahující rostliny obsahuje entropii i energii a kombinací těchto dvou konceptů lze určit exergii. Tento druh analýzy je znám jako exergická analýza nebo analýza podle druhého zákona a exergie představuje měřítko užitečné práce, tj. Užitečnou část záření, které lze transformovat na jiné formy energie.

Spektrální distribuce exergie záření je definována jako:

${\ Displaystyle Ex _ {\ lambda} = L _ {\ lambda} (T) -L _ {\ lambda} (T_ {0})-T_ {0} [S _ {\ lambda} (T) -S _ {\ lambda} ( T_ {0})]}$

Jednou z výhod práce s exergií je, že závisí na teplotě emitoru (Slunce) , ale také na teplotě přijímajícího těla (rostliny) , tj. Zahrnuje skutečnost, že rostlina je vyzařující záření. Pojmenování a emisní síla radiace v oblasti je určena jako: ${\ displaystyle T}$${\ displaystyle T_ {0}}$${\ displaystyle x = {\ frac {hc} {\ lambda kT}}}$${\ displaystyle y = {\ frac {hc} {\ lambda kT_ {0}}}}$

${\ Displaystyle \ int _ {0}^{\ lambda _ {i}} Ex (\ lambda, T) d \ lambda = \ Im _ {Ex_ {0 \ rightarrow \ lambda _ {i}}} = {\ frac {15} {\ pi^{4}}} \ sigma \ left \ {T^{3} \ left [(T-T_ {0}) x^{3} Li_ {1} (e^{-x} )+(3T-4T_ {0}) x^{2} Li_ {2} (e^{-x}) \ right. \ Right.}$

${\ Displaystyle +\ left. (6T-8T_ {0}) xLi_ {3} (e^{-x}) +(6T-8T_ {0}) Li_ {4} (e^{-x}) \ right ]}$

${\ Displaystyle+\ left.T_ {0}^{4} \ left [y^{2} Li_ {2} (e^{-y})+2yLi_ {3} (e^{-y})+2Li_ {4} (e^{-y}) \ right] \ right \}}$

Kde je speciální funkce s názvem Polylogaritmus. Podle definice je exergie získaná přijímacím tělem vždy nižší než energie vyzařovaná vyzařujícím černým tělem, v důsledku obsahu entropie v záření. V důsledku obsahu entropie tedy není veškeré záření dopadající na zemský povrch „užitečné“ k produkci práce. Účinnost procesu zahrnujícího záření by proto měla být měřena proti jeho exergii, nikoli proti energii. ${\ displaystyle Li_ {s} (z)}$

Pomocí výše uvedeného výrazu je optimální účinnost nebo účinnost druhého zákona pro přeměnu záření na práci v oblasti PAR (od 400 nm do 700 nm) pro černé těleso při = 5800 K a organismus při = 300 K určena jako: ${\ displaystyle \ lambda _ {1} =}$${\ displaystyle \ lambda _ {2} =}$${\ displaystyle T}$${\ displaystyle T_ {0}}$

${\ Displaystyle \ eta _ {PAR}^{ex} (T) = {\ frac {\ int _ {\ lambda _ {1}}^{\ lambda _ {2}} Ex (\ lambda, T) d \ lambda} {\ int _ {0}^{\ infty} L (\ lambda, T) d \ lambda}} = 0,337563}$

asi o 8,3% nižší než dosud uvažovaná hodnota, což je přímým důsledkem skutečnosti, že organismy využívající sluneční záření také vydávají záření v důsledku své vlastní teploty. Konverzní faktor organismu se proto bude lišit v závislosti na jeho teplotě a koncept exergie je vhodnější než energetický.

Měření

Vědci z Utah State University porovnávali měření pro PPF a YPF pomocí různých typů zařízení. Pomocí spektroradiometru změřili PPF a YPF sedmi běžných zdrojů záření, poté porovnali s měřením šesti kvantových senzorů určených k měření PPF a tří kvantových senzorů určených k měření YPF.

Zjistili, že senzory PPF a YPF byly nejméně přesné pro úzkopásmové zdroje (úzké spektrum světla) a nejpřesnější širokopásmové zdroje (plnější spektra světla). Zjistili, že senzory PPF byly výrazně přesnější v halogenidových, nízkotlakých sodíkových a vysokotlakých sodíkových výbojkách než senzory YPF (rozdíl> 9%). Senzory YPF i PPF byly při měření světla z diod emitujících červené světlo velmi nepřesné (> 18% chyba).

Podobné měření

Fotobiologicky aktivní záření (PBAR)

Photobiologically Active Radiation (PBAR) is a range of light energy beyond and including PAR. Fotobiologický tok fotonů (PBF) je metrika používaná k měření PBAR.

Společnost a kultura

Falešná reklama

Mnoho růstových světel často postrádá zprávu o zkoušce integrační koule, což znamená, že výrobce odhaduje hodnoty jako tok fotosyntetického fotonu (PPF). Také, falešné reklamy fotosyntetické fotonové účinnosti (PPE) (fotosyntetické fotonový tok (PPF) umol / W) Hodnoty rostou světelné výrobci se lze vyhnout tím, že prostě ovládat vypočítat hodnotu. Někteří výrobci dále uvádějí místo PPF v oblasti jednoho metru čtverečního hodnotu hustoty fotosyntetického toku fotonů (PPFD) středové světelné diody (LED).

Viz také

• Akční spektrum
• Integrál denního světla
• Elektromagnetická absorpce vodou

Reference

• Gates, David M. (1980). Biophysical Ecology , Springer-Verlag, New York, 611 s.
• McCree, Keith J (1972a). „Akční spektrum, absorbance a kvantový výtěžek fotosyntézy v plodinách“. Zemědělská a lesní meteorologie . 9 : 191–216. doi : 10,1016/0002-1571 (71) 90022-7 .
• McCree, Keith J (1972b). „Test aktuálních definic fotosynteticky aktivního záření proti datům listové fotosyntézy“. Zemědělská a lesní meteorologie . 10 : 443–453. doi : 10,1016/0002-1571 (72) 90045-3 .
• McCree, Keith J. (1981). „Fotosynteticky aktivní záření“. In: Encyklopedie fyziologie rostlin, sv. 12A . Springer-Verlag, Berlin, s. 41–55.

externí odkazy

• Fotosyntetický proces
• Porovnání kvantových (PAR) senzorů s různými spektrálními citlivostmi