Photosynthetisch aktive Strahlung - Photosynthetically active radiation

Photosynthetisch aktive Strahlung , oft abgekürzt PAR , bezeichnet den Spektralbereich (Wellenband) der Sonnenstrahlung von 400 bis 700 Nanometer , den photosynthetische Organismen bei der Photosynthese nutzen können . Dieser Spektralbereich entspricht in etwa dem für das menschliche Auge sichtbaren Lichtbereich . Photonen bei kürzeren Wellenlängen sind in der Regel so energiereich, dass sie Zellen und Gewebe schädigen können, werden aber meist von der Ozonschicht in der Stratosphäre herausgefiltert . Photonen bei längeren Wellenlängen tragen nicht genug Energie, um die Photosynthese zu ermöglichen.

Andere Lebewesen, wie Cyanobakterien , Purpurbakterien und Heliobacteriaceae kann in leicht erweitert Spektralbereichen, wie das Sonnenlicht ausnutzen nahen Infrarot . Diese Bakterien leben in Umgebungen wie dem Boden von stehenden Teichen, Sedimenten und Meerestiefen. Aufgrund ihrer Pigmente bilden sie bunte Matten in Grün, Rot und Violett.

Oben: Absorptionsspektren für Chlorophyll-A, Chlorophyll-B und Carotinoide, extrahiert in einer Lösung. Unten: PAR-Aktionsspektrum (Sauerstoffentwicklung pro einfallendes Photon) eines isolierten Chloroplasten.

Chlorophyll , das am häufigsten vorkommende Pflanzenpigment, fängt rotes und blaues Licht am effizientesten ein. Zusatzpigmente wie Carotine und Xanthophylle sammeln etwas grünes Licht und geben es an den Photosyntheseprozess weiter, aber es werden genügend grüne Wellenlängen reflektiert, um den Blättern ihre charakteristische Farbe zu verleihen. Eine Ausnahme von der Vorherrschaft von Chlorophyll ist der Herbst, wenn Chlorophyll abgebaut wird (weil es N und Mg enthält ), aber die Hilfspigmente nicht (weil sie nur C , H und O enthalten ) und im Blatt verbleiben und Rot, Gelb und Orange produzieren Laub.

Bei Landpflanzen absorbieren Blätter aufgrund der Chlorophyll- Absorption hauptsächlich rotes und blaues Licht in der ersten Schicht der photosynthetischen Zellen . Grünes Licht dringt jedoch tiefer in das Blattinnere ein und kann die Photosynthese effizienter antreiben als rotes Licht. Da grüne und gelbe Wellenlängen durch Chlorophyll und das gesamte Blatt selbst übertragen werden können, spielen sie eine entscheidende Rolle beim Wachstum unter dem Pflanzendach.

Die PAR-Messung wird in der Land-, Forst- und Ozeanographie eingesetzt. Eine der Voraussetzungen für produktives Ackerland ist ein angemessener PAR, daher wird PAR verwendet, um das landwirtschaftliche Investitionspotenzial zu bewerten. PAR-Sensoren, die auf verschiedenen Ebenen der Baumkronen stationiert sind, messen das Muster der PAR-Verfügbarkeit und -Nutzung. Die Photosyntheserate und zugehörige Parameter können unter Verwendung eines Photosynthesesystems zerstörungsfrei gemessen werden , und diese Instrumente messen PAR und steuern manchmal PAR bei festgelegten Intensitäten. PAR-Messungen werden auch verwendet, um die euphotische Tiefe im Ozean zu berechnen .

In diesen Kontexten wird PAR gegenüber anderen Beleuchtungsmetriken wie Lichtstrom und Beleuchtungsstärke bevorzugt, weil diese Messungen auf der menschlichen Wahrnehmung der Helligkeit basieren , die stark grün verzerrt ist und die für die Photosynthese nutzbare Lichtmenge nicht genau beschreibt.

Einheiten

Bei der Messung der Bestrahlungsstärke von PAR werden die Werte in Energieeinheiten (W/m ² ) ausgedrückt , was für Überlegungen zur Energiebilanz für photosynthetische Organismen relevant ist .

Die Photosynthese ist jedoch ein Quantenprozess und die chemischen Reaktionen der Photosynthese hängen stärker von der Anzahl der Photonen ab als von der in den Photonen enthaltenen Energie. Daher quantifizieren Pflanzenbiologen häufig die PAR anhand der Anzahl der Photonen im Bereich von 400-700 nm, die von einer Oberfläche für eine bestimmte Zeit empfangen werden, oder der photosynthetischen Photonenflussdichte (PPFD). Werte von PPFD werden normalerweise in Einheiten von mol m ⁻² s ⁻¹ ausgedrückt . In Bezug auf Pflanzenwachstum und -morphologie ist es besser, die Lichtverfügbarkeit für Pflanzen mit dem Daily Light Integral (DLI) zu charakterisieren , das den täglichen Photonenfluss pro Bodenfläche darstellt und sowohl die Tagesvariation als auch die Variation in Tageslänge.

PPFD wurde manchmal mit Einstein-Einheiten ausgedrückt , dh μE m ^–2 s ^–1 , obwohl diese Verwendung nicht standardmäßig ist und nicht mehr verwendet wird.

Effizienz der Leuchte

Ausbeute Photonenfluss

Gewichtungsfaktor für die Photosynthese. Die photonengewichtete Kurve dient der Umwandlung von PPF in YPF; die energiegewichtete Kurve dient zur Gewichtung von PAR in Watt oder Joule.

Es gibt zwei gängige Maße für photosynthetisch aktive Strahlung: den photosynthetischen Photonenfluss (PPF) und den Ertragsphotonenfluss (YPF). PPF bewertet alle Photonen von 400 bis 700 nm gleich, während YPF Photonen im Bereich von 360 bis 760 nm basierend auf der Photosynthesereaktion einer Pflanze gewichtet.

PAR, wie mit PPF beschrieben, unterscheidet nicht zwischen verschiedenen Wellenlängen zwischen 400 und 700 nm und geht davon aus, dass Wellenlängen außerhalb dieses Bereichs keine photosynthetische Wirkung haben. Wenn das genaue Spektrum des Lichts bekannt ist, können die photosynthetischen Photonenflussdichte (PPFD)-Werte in μmol s ^–1 m ^–2 ) durch Anwendung unterschiedlicher Gewichtungsfaktoren auf unterschiedliche Wellenlängen modifiziert werden. Dies führt zu einer Größe, die als YPF (Yield Photon Flux) bezeichnet wird. Die rote Kurve in der Grafik zeigt, dass Photonen um 610 nm (orange-rot) die höchste Photosynthese pro Photon aufweisen. Da kurzwellige Photonen jedoch mehr Energie pro Photon tragen, liegt die maximale Photosynthesemenge pro einfallender Energieeinheit bei einer längeren Wellenlänge, etwa 650 nm (tiefrot).

Es wurde festgestellt, dass es erhebliche Missverständnisse über den Einfluss der Lichtqualität auf das Pflanzenwachstum gibt. Viele Hersteller behaupten aufgrund der Lichtqualität (hoher YPF) ein deutlich gesteigertes Pflanzenwachstum. Die YPF-Kurve zeigt, dass orangefarbene und rote Photonen zwischen 600 und 630 nm zu 20 bis 30 % mehr Photosynthese führen können als blaue oder cyanfarbene Photonen zwischen 400 und 540 nm. Die YPF-Kurve wurde jedoch aus Kurzzeitmessungen an einzelnen Blättern bei schwachem Licht entwickelt. Neuere längerfristige Studien mit ganzen Pflanzen bei höherem Licht zeigen, dass die Lichtqualität möglicherweise einen geringeren Einfluss auf die Pflanzenwachstumsrate hat als die Lichtmenge. Blaues Licht liefert zwar nicht so viele Photonen pro Joule, fördert aber das Blattwachstum und beeinflusst andere Ergebnisse.

Die Umwandlung zwischen energiebasiertem PAR und photonenbasiertem PAR hängt vom Spektrum der Lichtquelle ab (siehe Photosyntheseeffizienz ). Die folgende Tabelle zeigt die Umrechnungsfaktoren von Watt für Schwarzkörperspektren, die auf den Bereich 400–700 nm abgeschnitten sind. Es zeigt auch die Lichtausbeute für diese Lichtquellen und den Anteil eines echten Schwarzkörperstrahlers, der als PAR emittiert wird.

Beispielsweise würde eine Lichtquelle von 1000 lm bei einer Farbtemperatur von 5800 K ca. 1000/265 = 3,8 W PAR emittieren, was 3,8*4,56 = 17,3 µmol/s entspricht. Für eine Schwarzkörper-Lichtquelle bei 5800 K, wie etwa die Sonne, wird ein Bruchteil von 0,368 ihrer gesamten emittierten Strahlung als PAR emittiert. Für künstliche Lichtquellen, die normalerweise kein Schwarzkörperspektrum haben, sind diese Umrechnungsfaktoren nur ungefähre Angaben.

Die Mengen in der Tabelle werden berechnet als

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

${\displaystyle \eta_{\mathrm {Photon}}(T)={\frac {\int _{\lambda_{1}}^{\lambda_{2}}B(\lambda,T)\, {\frac {\lambda }{hcN_{A}}}\,d\lambda }{\int_{\lambda_{1}}^{\lambda_{2}}B(\lambda,T)\, d\lambda}},}$

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

wobei das Schwarzkörperspektrum nach dem Planckschen Gesetz , ist die Standard - Leuchtkraftfunktion , den Wellenlängenbereich (400 700 nm) von PAR repräsentieren, und ist der Avogadro - Konstante . ${\displaystyle B(\lambda,T)}$${\displaystyle y}$${\displaystyle \lambda_{1},\lambda_{2}}$${\displaystyle N_{A}}$

Zweiter Hauptsatz PAR-Wirkungsgrad

Neben der Strahlungsmenge, die eine Pflanze im PAR-Bereich des Spektrums erreicht, ist auch die Qualität dieser Strahlung zu berücksichtigen. Strahlung, die eine Pflanze erreicht, enthält sowohl Entropie als auch Energie, und durch Kombination dieser beiden Konzepte kann die Exergie bestimmt werden. Diese Art der Analyse wird als Exergieanalyse oder Zweitgesetzanalyse bezeichnet, und die Exergie stellt ein Maß für die Nutzarbeit dar, dh den Nutzanteil der Strahlung, der in andere Energieformen umgewandelt werden kann.

Die spektrale Verteilung der Strahlungsexergie ist definiert als:

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

Einer der Vorteile der Arbeit mit der Exergie besteht darin, dass sie von der Temperatur des Senders (der Sonne) abhängt , aber auch von der Temperatur des empfangenden Körpers (der Pflanze) , d Strahlung aussenden. Bei der Benennung von und wird die Exergie-Emissionsleistung der Strahlung in einer Region bestimmt als: ${\displaystyle T}$${\displaystyle T_{0}}$${\displaystyle x={\frac {hc}{\lambda kT}}}$${\displaystyle y={\frac {hc}{\lambda kT_{0}}}}$

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

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

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

Wo ist eine spezielle Funktion namens Polylogarithmus. Definitionsgemäß ist die vom empfangenden Körper erhaltene Exergie aufgrund des Entropiegehalts der Strahlung immer geringer als die vom emittierenden schwarzen Körper abgestrahlte Energie. Als Folge des Entropiegehaltes ist also nicht die gesamte Strahlung, die die Erdoberfläche erreicht, "nützlich", um Arbeit zu produzieren. Daher sollte die Effizienz eines Prozesses mit Strahlung an seiner Exergie gemessen werden, nicht an seiner Energie. ${\displaystyle Li_{s}(z)}$

Unter Verwendung des obigen Ausdrucks wird die optimale Effizienz oder Effizienz nach dem zweiten Gesetz für die Umwandlung von Strahlung in Arbeit im PAR-Bereich (von 400 nm bis 700 nm) für einen Schwarzen Körper bei = 5800 K und einen Organismus bei = 300 K bestimmt als: ${\displaystyle \lambda_{1}=}$${\displaystyle \lambda_{2}=}$${\displaystyle T}$${\displaystyle T_{0}}$

${\displaystyle \eta_{PAR}^{ex}(T)={\frac {\int_{\lambda_{1}}^{\lambda_{2}}Ex(\lambda,T)d\ Lambda }{\int_{0}^{\infty}L(\lambda,T)d\lambda}}=0.337563}$

ca. 8,3% niedriger als der bisher betrachtete Wert, als direkte Folge der Tatsache, dass die Organismen, die Sonnenstrahlung nutzen, auch aufgrund ihrer eigenen Temperatur Strahlung aussenden. Daher ist der Umrechnungsfaktor des Organismus je nach Temperatur unterschiedlich und das Exergiekonzept ist besser geeignet als das Energiekonzept.

Messung

Forscher der Utah State University verglichen Messungen für PPF und YPF mit unterschiedlichen Geräten. Sie maßen den PPF und YPF von sieben gängigen Strahlungsquellen mit einem Spektroradiometer und verglichen sie dann mit Messungen von sechs Quantensensoren zur Messung von PPF und drei Quantensensoren zur Messung von YPF.

Sie fanden heraus, dass die PPF- und YPF-Sensoren für Schmalbandquellen (schmales Lichtspektrum) und am genauesten Breitbandquellen (vollere Lichtspektren) am wenigsten genau waren. Sie fanden heraus, dass PPF-Sensoren unter Metallhalogenid-, Niederdruck-Natrium- und Hochdruck-Natriumlampen signifikant genauer waren als YPF-Sensoren (> 9 % Unterschied). Sowohl YPF- als auch PPF-Sensoren waren sehr ungenau (> 18 % Fehler), wenn sie verwendet wurden, um das Licht von Rotlicht emittierenden Dioden zu messen.

Ähnliche Messung

Photobiologisch aktive Strahlung (PBAR)

Photobiologisch aktive Strahlung (PBAR) ist ein Bereich von Lichtenergie jenseits und einschließlich PAR. Photobiological Photon Flux (PBF) ist die Metrik zur Messung von PBAR.

Gesellschaft und Kultur

Falsche Werbung

Bei vielen Pflanzenlampen fehlt oft ein Ulbrichtkugel-Testbericht, was bedeutet, dass Werte wie der photosynthetische Photonenfluss (PPF) vom Hersteller geschätzt werden. Auch die falsche Werbung von photosynthetischen Photoneneffizienz (PPE) (Photosynthetischer Photonenfluss (PPF) umol / Watt) Werten von Grow Light Herstellern kann durch einfache Kontrolle des Wertes vermieden werden. Darüber hinaus geben einige Hersteller den photosynthetischen Photonenflussdichte (PPFD)-Wert der mittleren Leuchtdiode (LED) anstelle des PPF im Bereich von einem Quadratmeter an.

Siehe auch

• Aktionsspektrum
• Tägliches Lichtintegral
• Elektromagnetische Absorption durch Wasser

Verweise

• Gates, David M. (1980). Biophysikalische Ökologie , Springer-Verlag, New York, 611 p.
• McCree, Keith J (1972a). „Das Wirkungsspektrum, Absorption und Quantenausbeute der Photosynthese in Nutzpflanzen“. Land- und Forstmeteorologie . 9 : 191–216. doi : 10.1016/0002-1571(71)90022-7 .
• McCree, Keith J (1972b). „Test der aktuellen Definitionen von photosynthetischer aktiver Strahlung gegen Blattphotosynthesedaten“. Land- und Forstmeteorologie . 10 : 443–453. doi : 10.1016/0002-1571(72)90045-3 .
• McCree, Keith J. (1981). „Photosynthetisch aktive Strahlung“. In: Enzyklopädie der Pflanzenphysiologie, vol. 12A . Springer-Verlag, Berlin, S. 41–55.

Externe Links

• Der photosynthetische Prozess
• Vergleich von Quanten(PAR)-Sensoren mit unterschiedlichen spektralen Empfindlichkeiten