Эффективный спектр фотосинтеза (ФАР)

Теория, основные понятия и единицы измерения

Модераторы: Alexander, SpecLED

Alexander
Сообщения: 23
Зарегистрирован: 29 апр 2016 20:13
Контактная информация:

Эффективный спектр фотосинтеза (ФАР)

Сообщение Alexander » 02 май 2016 17:37

В качестве вступления напишу о основных понятиях касательно света:
1.Весь диапазон видимого света делится на цвета. Каждому цвету соответствует определенная длина волны: ближний ультрафиолет 300-400нм, фиолетовый 400-420нм, темно-синий (он же Royal Blue) 420-450нм, синий 450-470нм, голубой 470-500нм, оттенки зеленого 500-580нм, желтый 580-600нм, оранжевый 600-620нм, красный 620-640нм, темно-красный (он же Deep Red) 640-750нм, ближний инфракрасный 750-850нм, 850 и дальше инфракрасное излучение.
2. Фото́н — элементарная частица, квант электромагнитного излучения (в узком смысле — света). Это безмассовая частица, способная существовать в вакууме только двигаясь со скоростью света.

Дальше речь пойдет о свете для растений:
ФАР (PAR) - фотосинтетически активная радиация, принято считать все излучение в диапазоне от 400нм до 700нм. ФАР не является мерой измерения, это просто описание света, длинна волны которого поглощается хлорофиллом и используется для фотосинтеза. Однако не весь ФАР диапазон одинаково поглощается хлорофиллом, а следовательно и эффективность света с разными длинами волн неоднородна. Кроме хлорофилла "а" и хлорофилла "b" у растений есть вспомогательные пигменты - каротиноиды и ксантофиллы. Эти пигменты поглощают и передают энергию части синего и зеленого спектра в реакционный центр фотосинтеза. КПД передачи энергии от пигментов не высокий, поэтому каротиноиды и ксантофиллы играют лишь незначительную, вспомогательную роль. Большая часть зеленого света вообще не поглощается, а отражается от листьев, что и придает им характерный зеленый окрас.

Единицы измерения ФАР - плотность фотосинтетически активного потока фотонов на м2 за одну секунду. Выражается в мкмоль фотонов м−2с−1 [µmol/m²/s]. Обозначается как PPFD (photosynthetic photon flux density), откуда и пошло название форума :))). Более подробно о единицах измерения света мы поговорим в отдельной теме посвященной PPFD.

Вернемся к ФАР и фотосинтезу. На рисунке представлен график поглощения света хлорофиллом "а" и хлорофиллом "b":
ФАР 1.gif
ФАР 1.gif (11.91 КБ) 10485 просмотров


Как видно, наиболее эффективный спектр 440нм, 455нм, 640нм и 660нм. Для досвечивания растений в условиях теплицы или иных помещений где присутствует высокий уровень естественного освещения дополнительных проблем не возникает. Вся загвоздка скрыта в фотоморфогенезе и таком понятии как усваиваемый растением поток фотонов (yield photon flux (YPF)). Эти понятия спутывают карты на все 100%. Тут можно выяснить что фотон прорезающий пространство и время с длинной волны 610нм гораздо эффективнее своего побратима с длинной волны 660нм. Однако львиная доля фотонов с длинной волны 610нм будет проигнорирована и отправлена хлорофиллом обратно прорезать время и пространство. Возникает необходимость рассматривать соотношение поглощяемость/эффект от фотона для всего ФАР диапазона. Да и вспомогательные пигменты вносят свою лепту.
Необходимо понимать, что фотосинтез обусловлен не поглощением энергии, а поглощением фотонов!!! Но не все поглощенные фотоны дают одинаковый эффект фотосинтеза! Теорию о зависимости протекания фотохимической реакции от поглощенных фотонов, а не энергии выдвинул еще Альберт Эйнштейн и лишь спустя 60 лет ее удалось доказать экспериментально.

Значения эффективности основных длин волн с точки зрения коэффициента поглощения и эффекта который дает поглощенный фотон:

730нм - поглощаемость ~18%; эффективность фотона ~20%;
680нм - поглощаемость ~78%; эффективность фотона ~81%;
660нм - поглощаемость ~84%; эффективность фотона ~83%;
640нм - поглощаемость ~68%; эффективность фотона ~91%;
630нм - поглощаемость ~47%; эффективность фотона ~98%;
610нм - поглощаемость ~39%; эффективность фотона ~98%;
525нм - поглощаемость ~23%; эффективность фотона ~71%;
470нм - поглощаемость ~37%; эффективность фотона ~68%;
455нм - поглощаемость ~97%; эффективность фотона ~74%;
445нм - поглощаемость ~83%; эффективность фотона ~75%;
400нм - поглощаемость ~38%; эффективность фотона ~38%;

Для получения данных был сопоставлен график поглощения спектра и график фотосинтетической активности фотонов. Проанализировав данные, можно сделать вывод о эффективности использования "сбалансированного спектра", где наблюдается баланс поглощаемость/эффективность на высоком уровне. В синей части спектра это диапазон 440-460нм, в красной части спектра 650 - 680нм. Указанные диапазоны обладают наибольшей эффективностью для использования в искусственном освещении растений.
В светодиодных фитолампах для досвечивания рассады и тепличных лампах в основном используют только эти два диапазона спектра. Для ламп используемых в закрытых пространствах в большинстве случаев используют мультиспектральные или полноспектральные лампы. Они дадут больший эффект чем двух спектральные фитолампы. Это связано с рядом факторов, одним из которых является как раз высокая эффективность фотона для фотосинтеза в диапазонах с плохим поглощением, например 525нм (зеленый), 610нм (оранжевый), 630нм (красный). Дополнительным плюсом фотонов зелено-красной зоны является способность проникать сквозь листья и частично поглощаться в нижних, затененных ярусах растений.

Посему даже относительно небольшое присутствие естественного солнечного света автоматически решает большинство проблем связанных с расширением спектра.

Солнечный спектр:
Солнечный спектр.png
Солнечный спектр.png (28.79 КБ) 10461 просмотр


Присутствие всего спектра от дальнего УФ излучения до дальнего ИК излучения благоприятно для всего цикла роста растений. От семечки и до плодоношения. Интенсивность солнечного света очень высока. Для умеренного климата примерно 2000-2500 PPFD.
К примеру таким растения как салат латтук или укроп достаточно всего 310+µmol/m²/s, огуцам 670+µmol/m²/s, светолюбивым помидорам и арбузам 850+µmol/m²/s.

Сегодня светодиоды являются самим эффективными источниками света, их особенность отдавать весь световой поток в узко заданном спектре делает их незаменимыми в агропромышленной отрасли. Например светодиод с длинной волны 660нм 1GL-R способен генерировать до 300 µmol/m²/s на расстоянии 10см. При этом все излучаемые фотоны лежат в наиболее эффективной зоне поглощения хлорофиллом ФАР диапазона.
В мультиспектральных лампах для закрытых грунтов и систем гидропоники используют светодиоды с длинами волн: 400нм, 420нм, 440нм, 455нм, 610нм, 630нм, 660нм, 730нм (8мь спектров). Иногда в описании подобных ламп написано: "спектр приближен к солнечному", это далеко не так :) Но эффективность мультиспектральных фитоламп действительно находится на очень высоком уровне!!!
Другие источники света, излучают большую часть своего светового потока в той части ФАР, которая является наименее эффективной. Эту тему мы рассмотри в соответствующем разделе. В принципе, эффективный источник света, например ДНаТ, может иметь большое показание PPFD но большая часть этих фотонов или не эффективна, или слабопоглощаема. Вот почему в выборе источника света следует ориентироваться не только на мощность излучения но и на спектр.
Люксы и Люмены не пригодны для измерения уровня искуственного освещения растений так как эти единицы привязаны к кривой чувствительности человеческого глаза с пиком 555нм. В инструкции любого люксметра приведен график чувствительности сенсора, который максимально приближен к чувствительности человеческого глаза. Эта тема так же будет рассмотрена отдельно.

Вывод:
1)Получить самый высокий уровень фотосинтеза у освещаемых растений можно, используя источники света с длиной волны 440нм, 455нм, 660нм.
2)Для досвечивания растений в помещениях с средним или высоким уровнем естественного света наиболее эффективными будут би-спектральные светодиодные фитолампы с излучением 440нм или 455нм (синий) и 660нм (красный).
3)Для освещения растений в закрытых пространствах или пространствах с очень низким уровнем естественного света высокую эффективность дадут мультиспектральные или полноспектральные (УСКИ) светодиодные лампы. Длина волны которых охватывает спектра в диапазонах 400-470нм (синяя часть) и 600-680-740нм (красная часть).
4)Существует версия, что мультиспектральные светодиодные лампы несколько эффективнее при использовании в теплицах, но в случае полного цикла выращивания растений. Будем проверять...
5)Единицы измерения освещенности Люкс и Люмен пригодны для измерения уровня ФАР только для солнечного света, да и то относительно.

Admin удалил сообщение автора rudik 08 июн 2016 19:02.
Показать это сообщение.

alexmouj
Сообщения: 1
Зарегистрирован: 13 фев 2018 10:10
Контактная информация:

Re: Эффективный спектр фотосинтеза (ФАР)

Сообщение alexmouj » 13 фев 2018 10:42

Добрый день! Подскажите в этой связи, как расcчитать PPFD и PBAR по имеющейся спектральной диаграмме (mW/m2)/nm ?
Рассчитать интеграл в соответствующем диапазоне?


Вернуться в «Основы освещения растений»

Кто сейчас на конференции

Сейчас этот форум просматривают: нет зарегистрированных пользователей и 0 гостей