Fotosyntetisk aktiv stråling - Photosynthetically active radiation

Fotosyntetisk aktiv stråling , ofte forkortet PAR , angir spektralområdet (bølgebåndet) for solstråling fra 400 til 700 nanometer som fotosyntetiske organismer kan bruke i fotosynteseprosessen . Denne spektrale regionen samsvarer mer eller mindre med lysområdet som er synlig for det menneskelige øyet. Fotoner med kortere bølgelengder har en tendens til å være så energiske at de kan være skadelige for celler og vev, men blir for det meste filtrert ut av ozonlaget i stratosfæren . Fotoner med lengre bølgelengder har ikke nok energi til at fotosyntese kan skje.

Andre levende organismer, som cyanobakterier , lilla bakterier og heliobakterier , kan utnytte sollys i litt utvidede spektrale områder, for eksempel nærinfrarød . Disse bakteriene lever i miljøer som bunnen av stillestående dammer, sediment og havdyp. På grunn av pigmentene danner de fargerike matter av grønt, rødt og lilla.

Topp: Absorpsjonsspektre for klorofyll-A, klorofyll-B og karotenoider ekstrahert i en løsning. Nederst: PAR -virkningsspektrum (oksygenutvikling per hendende foton) av en isolert kloroplast.

Klorofyll , det mest utbredte plantepigmentet, er mest effektivt for å fange rødt og blått lys. Tilbehørspigmenter som karotener og xantofyll høster litt grønt lys og gir det videre til den fotosyntetiske prosessen, men nok av de grønne bølgelengdene reflekteres til å gi blader sin karakteristiske farge. Et unntak fra klorofyllens overvekt er høsten, når klorofyll brytes ned (fordi den inneholder N og Mg ), men de ekstra pigmentene er ikke (fordi de bare inneholder C , H og O ) og forblir i bladet og produserer rødt, gult og oransje blader.

På landplanter absorberer blader for det meste rødt og blått lys i det første laget av fotosyntetiske celler på grunn av klorofyllabsorbering . Grønt lys trenger imidlertid dypere inn i bladets indre og kan drive fotosyntesen mer effektivt enn rødt lys. Fordi grønne og gule bølgelengder kan overføre gjennom klorofyll og hele bladet i seg selv, spiller de en avgjørende rolle i veksten under plantens baldakin.

PAR -måling brukes i landbruk, skogbruk og oseanografi. Et av kravene til produktivt jordbruksland er tilstrekkelig PAR, så PAR brukes til å evaluere investeringspotensialet i landbruket. PAR -sensorer som er stasjonert på forskjellige nivåer i skogkronen, måler mønsteret av PAR -tilgjengelighet og utnyttelse. Fotosyntetisk hastighet og relaterte parametere kan måles ikke-destruktivt ved hjelp av et fotosyntesesystem , og disse instrumentene måler PAR og kontrollerer noen ganger PAR ved angitte intensiteter. PAR -målinger brukes også til å beregne den eufotiske dybden i havet.

I disse sammenhengene er grunnen til at PAR foretrekkes fremfor andre belysningsberegninger som lysstrøm og belysningsstyrke at disse målene er basert på menneskelig oppfatning av lysstyrke , som er sterkt grønn partisk og ikke nøyaktig beskriver mengden lys som kan brukes til fotosyntese.

Enheter

Når man måler bestrålingen av PAR, uttrykkes verdier ved bruk av enheter av energi (W/m ² ), som er relevant i hensynet til energibalanse for fotosyntetiske organismer .

Imidlertid er fotosyntese en kvanteprosess, og de kjemiske reaksjonene ved fotosyntesen er mer avhengig av antall fotoner enn energien i fotonene. Derfor kvantifiserer plantebiologer ofte PAR ved bruk av antall fotoner i 400-700 nm-området som mottas av en overflate i en bestemt tid, eller den fotosyntetiske fotonflussdensiteten (PPFD). Verdier av PPFD uttrykkes normalt ved bruk av mol m ⁻² s ⁻¹ . Når det gjelder plantevekst og morfologi, er det bedre å karakterisere lystilgjengeligheten for planter ved hjelp av Daily Light Integral (DLI), som er den daglige strømmen av fotoner per grunnareal, og som inkluderer både daglig variasjon og variasjon i dagslengde.

PPFD pleide noen ganger å bli uttrykt ved bruk av einstein -enheter , dvs. μE m ⁻² s ⁻¹ , selv om denne bruken er ikke -standard og ikke lenger brukes.

Lysarmatur effektivitet

Utbyttefotonstrøm

Vektingsfaktor for fotosyntese. Den fotonveide kurven er for å konvertere PPF til YPF; den energivektede kurven er for vekting av PAR uttrykt i watt eller joule.

Det er to vanlige mål på fotosyntetisk aktiv stråling: fotosyntetisk fotonfluks (PPF) og utbyttefotonfluks (YPF). PPF verdier alle fotoner fra 400 til 700 nm likt, mens YPF veier fotoner i området fra 360 til 760 nm basert på en plantes fotosyntetiske respons.

PAR som beskrevet med PPF skiller ikke mellom forskjellige bølgelengder mellom 400 og 700 nm, og antar at bølgelengder utenfor dette området har null fotosyntetisk virkning. Hvis det eksakte lysets spektrum er kjent, kan verdiene for fotosyntetisk fotonfluksitet (PPFD) i μmol s ^-1 m ⁻² ) endres ved å bruke forskjellige vektingsfaktorer på forskjellige bølgelengder. Dette resulterer i en mengde som kalles flytefotonfluks (YPF). Den røde kurven i grafen viser at fotoner rundt 610 nm (oransje-rød) har den høyeste mengden fotosyntese per foton. Fordi fotoner med korte bølgelengder bærer mer energi per foton, er imidlertid den maksimale mengden fotosyntese per hendende energienhet på en lengre bølgelengde, rundt 650 nm (dyp rød).

Det har blitt bemerket at det er betydelig misforståelse om effekten av lyskvalitet på plantevekst. Mange produsenter hevder betydelig økt plantevekst på grunn av lyskvalitet (høy YPF). YPF -kurven indikerer at oransje og røde fotoner mellom 600 og 630 nm kan resultere i 20 til 30% mer fotosyntese enn blå eller cyan fotoner mellom 400 og 540 nm. Men YPF-kurven ble utviklet fra kortsiktige målinger utført på enkeltblader i svakt lys. Nyere langtidsstudier med hele planter i høyere lys indikerer at lyskvalitet kan ha en mindre effekt på plantevekst enn lysmengde. Blått lys, selv om det ikke leverer så mange fotoner per joule, oppmuntrer til bladvekst og påvirker andre utfall.

Konverteringen mellom energibasert PAR og fotonbasert PAR avhenger av lyskildens spektrum (se fotosyntetisk effektivitet ). Tabellen nedenfor viser konverteringsfaktorene fra watt for svartkroppsspektre som er avkortet til området 400–700 nm. Den viser også lyseffekten for disse lyskildene og brøkdelen av en ekte svart kroppsradiator som sendes ut som PAR.

For eksempel vil en lyskilde på 1000 lm ved en fargetemperatur på 5800 K avgi omtrent 1000/265 = 3,8 W PAR, som tilsvarer 3,8*4,56 = 17,3 μmol/s. For en lyskilde med svart kropp ved 5800 K, slik som solen er omtrent, sendes en brøkdel av 0,368 av den totale utsendte strålingen ut som PAR. For kunstige lyskilder, som vanligvis ikke har et svart kroppsspektrum, er disse konverteringsfaktorene bare omtrentlige.

Mengdene i tabellen er beregnet som

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

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

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

hvor er svartkroppsspekteret i henhold til Plancks lov , er standard lysstyrkefunksjon , representerer bølgelengdeområdet (400 700 nm) til PAR, og er Avogadro-konstanten . ${\ displaystyle B (\ lambda, T)}$${\ displaystyle y}$${\ displaystyle \ lambda _ {1}, \ lambda _ {2}}$${\ displaystyle N_ {A}}$

Andre lov PAR -effektivitet

I tillegg til mengden stråling som kommer til et anlegg i PAR -området i spekteret, er det også viktig å vurdere kvaliteten på slik stråling. Stråling som når et anlegg inneholder både entropi og energi, og kombinasjonen av disse to konseptene kan eksergien bestemmes. Denne typen analyse er kjent som eksergianalyse eller andre lovanalyse, og eksergien representerer et mål på det nyttige arbeidet, dvs. den nyttige delen av stråling som kan omdannes til andre energiformer.

Den spektrale fordelingen av stråleeksergien er definert som:

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

En av fordelene med å jobbe med eksergien er at det avhenger av temperaturen på emitteren (Solen) , men også av temperaturen på det mottakende legemet (anlegget) , dvs. det inkluderer det faktum at planten er avgir stråling. Navngivning og eksergieemisjonen til stråling i en region bestemmes som: ${\ displaystyle T}$${\ displaystyle T_ {0}}$${\ displaystyle x = {\ frac {hc} {\ lambda kT}}}$${\ displaystyle y = {\ frac {hc} {\ lambda kT_ {0}}}}$

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

${\ displaystyle +\ venstre. (6T-8T_ {0}) xLi_ {3} (e^{-x}) +(6T-8T_ {0}) Li_ {4} (e^{-x}) \ høyre ]}}$

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

Hvor er en spesiell funksjon som heter Polylogarithm. Per definisjon er eksergien som oppnås av det mottakende legemet alltid lavere enn energien som utstråles av den avgivende svartkroppen, som en konsekvens av entropiinnholdet i stråling. Som en konsekvens av entropiinnholdet er ikke all strålingen som når jordoverflaten "nyttig" for å produsere arbeid. Derfor bør effektiviteten til en prosess som involverer stråling måles mot eksergien, ikke energien. ${\ displaystyle Li_ {s} (z)}$

Ved å bruke uttrykket ovenfor, blir den optimale effektiviteten eller andre lovens effektivitet for konvertering av stråling til arbeid i PAR -regionen (fra 400 nm til 700 nm), for en svart kropp på = 5800 K og en organisme på = 300 K bestemt som: ${\ displaystyle \ lambda _ {1} =}$${\ displaystyle \ lambda _ {2} =}$${\ displaystyle T}$${\ displaystyle T_ {0}}$

${\ displaystyle \ eta _ {PAR}^{ex} (T) = {\ frac {\ int _ {\ lambda _ {1}}^{\ lambda _ {2}} Ex (\ lambda, T) d \ lambda} {\ int _ {0}^{\ infty} L (\ lambda, T) d \ lambda}} = 0.337563}$

omtrent 8,3% lavere enn verdien som er vurdert til nå, som en direkte konsekvens av det faktum at organismer som bruker solstråling også avgir stråling som en konsekvens av sin egen temperatur. Derfor vil organismens konverteringsfaktor være forskjellig avhengig av temperaturen, og eksergikonseptet er mer egnet enn energikonseptet.

Mål

Forskere ved Utah State University sammenlignet målinger for PPF og YPF ved bruk av forskjellige typer utstyr. De målte PPF og YPF for syv vanlige strålekilder med et spektroradiometer, deretter sammenlignet med målinger fra seks kvantesensorer designet for å måle PPF, og tre kvantesensorer designet for å måle YPF.

De fant at PPF- og YPF-sensorene var minst nøyaktige for smalbåndskilder (smalt lysspekter) og mest nøyaktige bredbåndskilder (fyldigere lysspektre). De fant at PPF-sensorer var betydelig mer nøyaktige under metallhalogenid, lavtrykksnatrium og høytrykksnatriumlamper enn YPF-sensorer (> 9% forskjell). Både YPF- og PPF-sensorer var svært unøyaktige (> 18% feil) når de ble brukt til å måle lys fra røde lysdioder.

Lignende måling

Fotobiologisk aktiv stråling (PBAR)

Fotobiologisk aktiv stråling (PBAR) er en rekke lysenergier utover og inkludert PAR. Fotobiologisk Photon Flux (PBF) er beregningen som brukes til å måle PBAR.

Samfunn og kultur

Falsk annonsering

Mange vokselys mangler ofte en integrerende sfære testrapport, noe som betyr at verdier som fotosyntetisk fotonfluks (PPF) er gjettet av produsenten. Også falsk annonsering av foto foton effekt (PVU) (foto foton flux (PPF) umol / watt) verdier fra lysne produsenter kan unngås ved ganske enkelt å kontrollere beregne verdien. Noen produsenter oppgir dessuten verdien for fotosyntetisk fotonfluksitetstetthet (PPFD) til den midtre lysemitterende dioden (LED) i stedet for PPF i området på en kvadratmeter.

Se også

• Handlingsspekter
• Daglig lys integrert
• Elektromagnetisk absorpsjon av vann

Referanser

• Gates, David M. (1980). Biofysisk økologi , Springer-Verlag, New York, 611 s.
• McCree, Keith J (1972a). "Handlingsspekteret, absorpsjon og kvanteutbytte av fotosyntese i avlingsplanter". Landbruks- og skogsmeteorologi . 9 : 191–216. doi : 10.1016/0002-1571 (71) 90022-7 .
• McCree, Keith J (1972b). "Test av nåværende definisjoner av fotosyntetisk aktiv stråling mot bladfotosyntesedata". Landbruks- og skogsmeteorologi . 10 : 443–453. doi : 10.1016/0002-1571 (72) 90045-3 .
• McCree, Keith J. (1981). "Fotosyntetisk aktiv stråling". I: Encyclopedia of Plant Physiology, vol. 12A . Springer-Verlag, Berlin, s. 41–55.

Eksterne linker

• Den fotosyntetiske prosessen
• Sammenligning av kvante (PAR) sensorer med forskjellige spektralfølsomheter