Ефективний спектр фотосинтезу (фар) - ppfd, фар, lux

В якості вступу напишу про основних поняттях щодо світла:
1.Весь діапазон видимого світла ділиться на кольори. Кожному кольору відповідає певна довжина хвилі: ближній ультрафіолет 300-400нм, фіолетовий 400-420нм, темно-синій (він же Royal Blue) 420-450нм, синій 450-470нм, блакитний 470-500нм, відтінки зеленого 500-580нм, жовтий 580 600нм, помаранчевий 600-620нм, червоний 620-640нм, темно-червоний (він же Deep Red) 640-750нм, ближній інфрачервоний 750-850нм, 850 і далі інфрачервоне випромінювання.
2. Фотон - елементарна частинка, квант електромагнітного випромінювання (у вузькому сенсі - світла). Це безмасові частка, здатна існувати в вакуумі тільки рухаючись зі швидкістю світла.

Далі мова піде про світло для рослин:
ФАР (PAR) - фотосинтетичний активна радіація, прийнято вважати все випромінювання в діапазоні від 400 нм до 700нм. ФАР не є мірою виміру, це просто опис світла, довжина хвилі якого поглинається хлорофілом і використовується для фотосинтезу. Однак не весь ФАР діапазон однаково поглинається хлорофілом, а отже і ефективність світла з різними довжинами хвиль неоднорідна. Крім хлорофілу "а" і хлорофілу "b" у рослин є допоміжні пігменти - каротиноїди і ксантофилл. Ці пігменти поглинають і передають енергію частини синього і зеленого спектра в реакційний центр фотосинтезу. ККД передачі енергії від пігментів невисокий, тому каротиноїди і ксантофилл грають лише незначну, допоміжну роль. Велика частина зеленого світла взагалі не поглинається, а відбивається від листя, що і надає їм характерний зелений окрас.

Одиниці виміру ФАР - щільність фотосинтетичний активного потоку фотонів на м2 за одну секунду. Виражається в мкмоль фотонів м-2 с-1 [μmol / m² / s]. Позначається як PPFD (photosynthetic photon flux density), звідки і пішла назва форуму :))). Більш докладно про одиниці вимірювання світла ми поговоримо в окремій темі присвяченій PPFD.

Повернемося до ФАР і фотосинтезу. На малюнку представлений графік поглинання світла хлорофілом "а" і хлорофілом "b":

Як видно, найбільш ефективний спектр 440нм, 455нм, 640нм і 660нм. Для досвічування рослин в умовах теплиці чи інших приміщень де присутній високий рівень природного освітлення додаткових проблем не виникає. Вся заковика прихована в фотоморфогенезе і таке поняття як засвоюваний рослиною потік фотонів (yield photon flux (YPF)). Ці поняття сплутують карти на всі 100%. Тут можна з'ясувати що фотон прорізають простір і час з довжиною хвилі 610нм набагато ефективніше свого побратима з довжиною хвилі 660нм. Однак левова частка фотонів з довжиною хвилі 610нм буде проігнорована і відправлена ​​хлорофілом назад прорізати час і простір. Виникає необхідність розглядати співвідношення поглощяемость / ефект від фотона для всього ФАР діапазону. Та й допоміжні пігменти вносять свою лепту.
Необхідно розуміти, що фотосинтез обумовлений не поглинанням енергії, а поглинанням фотонів. Але не всі поглинені фотони дають однаковий ефект фотосинтезу! Теорію про залежність протікання фотохімічної реакції від поглинених фотонів, а не енергії висунув ще Альберт Ейнштейн і лише через 60 років її вдалося довести експериментально.

Значення ефективності основних довжин хвиль з точки зору коефіцієнта поглинання та ефекту який дає поглинений фотон:

18%; ефективність фотона

78%; ефективність фотона

84%; ефективність фотона

68%; ефективність фотона

47%; ефективність фотона

39%; ефективність фотона

23%; ефективність фотона

37%; ефективність фотона

97%; ефективність фотона

83%; ефективність фотона

38%; ефективність фотона

Для отримання даних був зіставлений графік поглинання спектра і графік фотосинтетичної активності фотонів. Проаналізувавши дані, можна зробити висновок про ефективність використання "збалансованого спектру", де спостерігається баланс поглощаемость / ефективність на високому рівні. У синьої частини спектра це діапазон 440-460нм, в червоній частині спектра 650 - 680нм. Зазначені діапазони мають найбільшою ефективністю для використання в штучному освітленні рослин.
У світлодіодних фітолампи для досвічування розсади і тепличних лампах в основному використовують тільки ці два діапазони спектра. Для ламп використовуваних в закритих просторах в більшості випадків використовують мультиспектральні або полноспектральние лампи. Вони дадуть більший ефект ніж двох спектральні фітолампи. Це пов'язано з рядом факторів, одним з яких є як раз висока ефективність фотона для фотосинтезу в діапазонах з поганим поглинанням, наприклад 525нм (зелений), 610нм (помаранчевий), 630нм (червоний). Додатковим плюсом фотонів зелено-червоної зони є здатність проникати крізь листя і частково поглинатися в нижніх, затінених ярусах рослин.

Тому навіть відносно невелика присутність природного сонячного світла автоматично вирішує більшість проблем пов'язаних з розширенням спектра.

Сьогодні світлодіоди є самим ефективними джерелами світла, їх особливість віддавати весь світловий потік в вузько заданому діапазоні робить їх незамінними в агропромисловій галузі. Наприклад світлодіод з довжиною хвилі 660нм 1GL-R здатний генерувати до 300 μmol / m² / s на відстані 10см. При цьому всі випромінюються фотони лежать в найбільш ефективної зоні поглинання хлорофілом ФАР діапазону.
У мультиспектральних лампах для закритих грунтів і систем гідропоніки використовують світлодіоди з довжинами хвиль: 400 нм, 420нм, 440нм, 455нм, 610нм, 630нм, 660нм, 730нм (8мь спектрів). Іноді в описі подібних ламп написано: "спектр наближений до сонячного", це далеко не так :) Але ефективність мультиспектральних фітоламп дійсно знаходиться на дуже високому рівні.
Інші джерела світла, випромінюють більшу частину свого світлового потоку в тій частині ФАР, яка є найменш ефективною. Цю тему ми розглянемо в відповідному розділі. В принципі, ефективне джерело світла, наприклад ДНаТ, може мати велике показання PPFD але більша частина цих фотонів або не ефективна, або слабопоглощаема. Ось чому у виборі джерела світла слід орієнтуватися не тільки на потужність випромінювання але і на спектр.
Люкси і Люмени не придатні для вимірювання рівня штучного освітлення рослин так як ці одиниці прив'язані до кривої чутливості людського ока з піком 555нм. В інструкції будь-якого люксметра наведено графік чутливості сенсора, який максимально наближений до чутливості людського ока. Ця тема так само буде розглянута окремо.

висновок:
1) Отримати найвищий рівень фотосинтезу у освітлюваних рослин можна, використовуючи джерела світла з довжиною хвилі 440нм, 455нм, 660нм.
2) Для досвічування рослин в приміщеннях з середнім або високим рівнем природного світла найбільш ефективними будуть бі-спектральні світлодіодні фітолампи з випромінюванням 440нм або 455нм (синій) і 660нм (червоний).
3) Для освітлення рослин в закритих просторах або просторах з дуже низьким рівнем природного світла високу ефективність дадуть мультиспектральні або полноспектральние (УСКІ) світлодіодні лампи. Довжина хвилі яких охоплює спектра в діапазонах 400-470нм (синя частина) і 600-680-740нм (червона частина).
4) Існує версія, що мультиспектральні світлодіодні лампи кілька ефективніше при використанні в теплицях, але в разі повного циклу вирощування рослин. Будемо перевіряти.
5) Одиниці виміру освітленості Люкс і Люмен придатні для вимірювання рівня ФАР тільки для сонячного світла, та й то відносно.