Fotosyntetiskt aktiv strålning

Fotosyntetiskt aktiv strålning (PAR) spänner över den synliga ljusdelen av det elektromagnetiska spektrumet från 400 till 700 nanometer.

Fotosyntetiskt aktiv strålning ( PAR ) betecknar spektralområdet (vågbandet) för solstrålning från 400 till 700 nanometer som fotosyntetiska organismer kan använda i fotosyntesprocessen . Detta spektralområde motsvarar mer eller mindre det ljusområde som är synligt för det mänskliga ögat. Fotoner vid kortare våglängder tenderar att vara så energiska att de kan vara skadliga för celler och vävnader, men filtreras mestadels bort av ozonskiktet i stratosfären . Fotoner vid längre våglängder bär inte tillräckligt med energi för att fotosyntes ska kunna ske.

Andra levande organismer, såsom cyanobakterier , lila bakterier och heliobakterier , kan utnyttja solljus i något utsträckta spektralområden, såsom det nära-infraröda . Dessa bakterier lever i miljöer som botten av stillastående dammar, sediment och havsdjup. På grund av sina pigment bildar de färgglada mattor av grönt, rött och lila.

Överst: Absorptionsspektra för klorofyll-A, klorofyll-B och karotenoider extraherade i en lösning. Nederst: PAR-verkansspektrum (syreutveckling per infallande foton) av en isolerad kloroplast.

Klorofyll , det vanligaste växtpigmentet, är mest effektivt för att fånga rött och blått ljus. Tillbehörspigment som karotener och xantofyller skördar lite grönt ljus och skickar det vidare till fotosyntesprocessen, men tillräckligt mycket av de gröna våglängderna reflekteras för att ge bladen deras karakteristiska färg. Ett undantag från dominansen av klorofyll är hösten, då klorofyll bryts ned (eftersom det innehåller N och Mg ) men de accessoriska pigmenten inte gör det (eftersom de bara innehåller C , H och O ) och förblir i bladet och producerar rött, gult och orange löv.

Hos landväxter absorberar bladen mestadels rött och blått ljus i det första lagret av fotosyntetiska celler på grund av klorofyllabsorbans . Grönt ljus tränger dock djupare in i bladets inre och kan driva fotosyntesen mer effektivt än rött ljus. Eftersom gröna och gula våglängder kan sändas genom klorofyll och hela bladet, spelar de en avgörande roll i tillväxten under växtkronan.

PAR-mätning används inom jordbruk, skogsbruk och oceanografi. Ett av kraven för produktiv jordbruksmark är adekvat PAR, så PAR används för att utvärdera jordbrukets investeringspotential. PAR-sensorer som är stationerade på olika nivåer av skogens tak mäter mönstret för PAR-tillgänglighet och -användning. Fotosynteshastighet och relaterade parametrar kan mätas oförstörande med hjälp av ett fotosyntessystem , och dessa instrument mäter PAR och kontrollerar ibland PAR vid inställda intensiteter. PAR-mätningar används också för att beräkna det eufotiska djupet i havet.

I dessa sammanhang är anledningen till att PAR föredras framför andra belysningsmått som ljusflöde och belysningsstyrka att dessa mått är baserade på människans uppfattning om ljusstyrka, som är starkt grönt partisk och inte exakt beskriver mängden ljus som kan användas för fotosyntes.

Enheter

Enhet	Definition
Fotosyntetiskt fotonflöde (PPF)	Fotosyntetisk fotonflöde (PPF) mikromol per sekund (μmol·s −1 )
Fotosyntetisk fotonflödestäthet (PPFD)	Fotosyntetiskt fotonflöde (PPF) mikromol per kvadratmeter per sekund (μmol·m −2 ·s −1 )
Yield photon flux (YPF)	Utbyte fotonflöde (YPF) mikromol per sekund (μmol·s −1 )
Yield photon flux density (YPFD)	Yield photon flux (YPF) mikromol per kvadratmeter per sekund (μmol·m −2 ·s −1 )

Vid mätning av irradiansen av PAR uttrycks värden med hjälp av energienheter (W/m ² ), vilket är relevant i energibalansöverväganden för fotosyntetiska organismer .

Fotosyntes är dock en kvantprocess och fotosyntesens kemiska reaktioner är mer beroende av antalet fotoner än energin som finns i fotonerna. Därför kvantifierar växtbiologer ofta PAR genom att använda antalet fotoner i intervallet 400-700 nm som tas emot av en yta under en viss tid, eller Photosynthetic Photon Flux Density (PPFD). Värden för PPFD uttrycks normalt med enheter av mol⋅m ⁻² ⋅s ⁻¹ . I förhållande till växttillväxt och morfologi är det bättre att karakterisera ljustillgängligheten för växter med hjälp av Daily Light Integral (DLI), som är det dagliga flödet av fotoner per markyta, och inkluderar både dygnsvariation och variation i dags längd.

PPFD brukade ibland uttryckas med einstein-enheter , dvs. μE⋅m ⁻² ⋅s ⁻¹ , även om denna användning är icke-standard och inte längre används.

Effektivitet av ljusarmatur

Enhet	Beräkning
Daglig ljusintegral (DLI)	0,0036 × PPFD (μmol⋅m −2 ⋅s −1 ) × exponeringens varaktighet
Fotosyntetisk fotoneffektivitet (PPE)	Fotosyntetisk fotonflöde (PPF) μmol/W

Ge fotonflöde

Viktfaktor för fotosyntes. Den fotonvägda kurvan är för att konvertera PPF till YPF; den energivägda kurvan är för viktning av PAR uttryckt i watt eller joule.

Det finns två vanliga mått på fotosyntetiskt aktiv strålning: fotosyntetiskt fotonflöde (PPF) och utbyte av fotonflöde (YPF). PPF värderar alla fotoner från 400 till 700 nm lika, medan YPF väger fotoner i intervallet från 360 till 760 nm baserat på en växts fotosyntetiska respons.

PAR som beskrivs med PPF skiljer inte mellan olika våglängder mellan 400 och 700 nm, och antar att våglängder utanför detta område har noll fotosyntetisk verkan. Om ljusets exakta spektrum är känt kan de fotosyntetiska fotonflödestätheterna (PPFD) i μmol⋅s ⁻¹ ⋅m ⁻² ) modifieras genom att tillämpa olika viktningsfaktorer på olika våglängder. Detta resulterar i en kvantitet som kallas yield photon flux (YPF). Den röda kurvan i grafen visar att fotoner runt 610 nm (orange-röd) har den högsta mängden fotosyntes per foton. Men eftersom kortvågiga fotoner bär mer energi per foton, är den maximala mängden fotosyntes per infallande energienhet vid en längre våglängd, runt 650 nm (djupröd).

Det har noterats att det finns betydande missförstånd om effekten av ljuskvalitet på växternas tillväxt. Många tillverkare hävdar avsevärt ökad växttillväxt på grund av ljuskvalitet (hög YPF). YPF-kurvan indikerar att orange och röda fotoner mellan 600 och 630 nm kan resultera i 20 till 30 % mer fotosyntes än blå eller cyan fotoner mellan 400 och 540 nm. Men YPF-kurvan utvecklades från korttidsmätningar gjorda på enstaka löv i svagt ljus. Nyare långtidsstudier med hela växter i högre ljus indikerar att ljuskvalitet kan ha en mindre effekt på växternas tillväxthastighet än ljuskvantitet. Blått ljus, även om det inte levererar så många fotoner per joule, uppmuntrar bladtillväxt och påverkar andra resultat.

Omvandlingen mellan energibaserad PAR och fotonbaserad PAR beror på ljuskällans spektrum (se Fotosyntetisk effektivitet ) . Följande tabell visar omvandlingsfaktorerna från watt för svartkroppsspektra som är trunkerade till intervallet 400–700 nm. Den visar också ljuseffekten för dessa ljuskällor och andelen av en riktig svartkroppsradiator som sänds ut som PAR.

T [K]	η v [lm/W*]	η foton [μmol/J*] eller [μmol⋅s −1 ⋅W* −1 ]	η foton [mol⋅dag −1 ⋅W* −1 ]	η PAR [W*/W]
3000 (varm vit)	269	4,98	0,43	0,0809
4000	277	4,78	0,413	0,208
5800 (dagsljus)	265	4,56	0,394	0,368
Obs: W* och J* indikerar PAR-watt och PAR-joule (400–700 nm).

Till exempel skulle en ljuskälla på 1000 lm vid en färgtemperatur på 5800 K avge ungefär 1000/265 = 3,8 W PAR, vilket motsvarar 3,8 × 4,56 = 17,3 μmol/s. För en svartkroppsljuskälla vid 5800 K, såsom solen är ungefär, sänds en bråkdel av 0,368 av dess totala emitterade strålning ut som PAR. För artificiella ljuskällor, som vanligtvis inte har ett svartkroppsspektrum, är dessa omvandlingsfaktorer endast ungefärliga.

Kvantiteterna i tabellen är beräknade som

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

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

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

där $B(\lambda ,T)$ är svartkroppens spektrum enligt Plancks lag , $y$ är standardljusstyrkafunktionen , $\ lambda _{1},\lambda _{2}$ representerar våglängdsområdet (400–700 nm) för PAR, och $N_{\text{A}}$ är Avogadro-konstanten .

Andra lagen PAR effektivitet

Förutom mängden strålning som når en anläggning i PAR-området av spektrumet är det också viktigt att ta hänsyn till kvaliteten på sådan strålning. Strålning som når en växt innehåller entropi såväl som energi, och genom att kombinera dessa två koncept kan exergin bestämmas. Denna typ av analys är känd som exergianalys eller andralagsanalys, och exergin representerar ett mått på det användbara arbetet, dvs den användbara delen av strålning som kan omvandlas till andra energiformer.

Den spektrala fördelningen av exergin av strålning definieras som:

$Ex_{\lambda }=L_{\lambda }(T)-L_{ \lambda }(T_{0})-T_{0}[S_{\lambda }(T)-S_{\lambda }(T_{0})]$

En av fördelarna med att arbeta med exergin är att det inte bara beror på temperaturen hos sändaren (solen), ${\displaystyle T} ,$ utan också på temperaturen hos den mottagande kroppen (växten), ${\ displaystyle T_{0}}$ , dvs den inkluderar det faktum att växten sänder ut strålning. Namnge $x={\frac {hc}{\lambda kT}}$ och $y={\frac {hc}{\lambda kT_{ 0}}}$ bestäms exergistrålningseffekten i en region som:

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

$+\left.(6T-8T_ {0})x\mathrm {Li} _{3}(e^{-x})+(6T-8T_{0})\mathrm {Li} _{4}(e^{-x})\right ]$

$+\left.T_{0} ^{4}\left[y^{2}\mathrm {Li} _{2}(e^{-y})+2y\mathrm {Li} _{3}(e^{-y})+2 \mathrm {Li} _{4}(e^{-y})\right]\right\}$

Där $\mathrm {Li} _{s}(z)$ är en speciell funktion som kallas polylogaritmen . Per definition är exergin som erhålls av den mottagande kroppen alltid lägre än energin som utstrålas av den emitterande svartkroppen, som en konsekvens av entropiinnehållet i strålningen. Som en konsekvens av entropiinnehållet är alltså inte all strålning som når jordens yta "användbar" för att producera arbete. Därför bör effektiviteten av en process som involverar strålning mätas mot dess exergi, inte dess energi.

Med hjälp av uttrycket ovan, den optimala effektiviteten eller andra lagens effektivitet för omvandlingen av strålning till att fungera i PAR-regionen (från $\lambda _{1}=$ 400 nm till $\lambda _{2}=$ 700 nm), för en svartkropp vid $T$ = 5800 K och en organism vid $T_{0}$ = 300 K bestäms som:

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

cirka 8,3 % lägre än det värde som hittills ansetts, som en direkt följd av att de organismer som använder solstrålning även avger strålning som en konsekvens av sin egen temperatur. Därför kommer organismens omvandlingsfaktor att vara annorlunda beroende på dess temperatur, och exergikonceptet är mer lämpligt än energikonceptet.

Mått

Forskare vid Utah State University jämförde mätningar för PPF och YPF med olika typer av utrustning. De mätte PPF och YPF för sju vanliga strålningskällor med en spektroradiometer, och jämförde sedan med mätningar från sex kvantsensorer designade för att mäta PPF och tre kvantsensorer designade för att mäta YPF.

De fann att PPF- och YPF-sensorerna var de minst exakta för smalbandskällor (smalt spektrum av ljus) och mest exakta bredbandskällor (fullare ljusspektrum). De fann att PPF-sensorer var betydligt mer exakta under metallhalogen-, lågtrycksnatrium- och högtrycksnatriumlampor än YPF-sensorer (>9 % skillnad). Både YPF- och PPF-sensorer var mycket inexakta (>18 % fel) när de användes för att mäta ljus från röda lysdioder.

Liknande mått

Fotobiologiskt aktiv strålning (PBAR)

Photobiologically Active Radiation (PBAR) är ett spektrum av ljusenergi bortom och inklusive PAR. Photobiological Photon Flux (PBF) är det mått som används för att mäta PBAR.

Samhälle och kultur

Falsk marknadsföring

Huvudartikel: Grow light § Falsk reklam

Många odlingslampor saknar ofta en testrapport för integrerande sfärer, vilket innebär att värden som fotosyntetiskt fotonflöde (PPF) gissas av tillverkaren. Dessutom falsk reklam för värden för fotosyntetisk fotoneffektivitet (PPE) (fotosyntetisk fotonflöde (PPF) μmol/W) från tillverkare av växtljus undvikas genom att helt enkelt kontrollera värdet. Dessutom anger vissa tillverkare värdet för fotosyntetisk fotonflödestäthet (PPFD) för den centrala lysdioden (LED) istället för PPF i området en kvadratmeter.

Se även

• Handlingsspektrum
• Dagsljus integrerad
• Elektromagnetisk absorption av vatten

• Gates, David M. (1980). Biophysical Ecology , Springer-Verlag, New York, 611 sid.
• McCree, Keith J (1972a). "Handlingsspektrum, absorption och kvantutbyte av fotosyntes i växter". Jordbruks- och skogsmeteorologi . 9 : 191-216. doi : 10.1016/0002-1571(71)90022-7 .
• McCree, Keith J (1972b). "Test av nuvarande definitioner av fotosyntetiskt aktiv strålning mot bladfotosyntesdata". Jordbruks- och skogsmeteorologi . 10 : 443–453. doi : 10.1016/0002-1571(72)90045-3 .
• McCree, Keith J. (1981). "Fotosyntetiskt aktiv strålning". I: Encyclopedia of Plant Physiology, vol. 12A . Springer-Verlag, Berlin, s. 41–55.

externa länkar

• Den fotosyntetiska processen
• Jämförelse av kvantsensorer (PAR) med olika spektrala känsligheter