Меню

Измерение фотосинтетически активной радиации



Датчик фотосинтетически активной радиации (ФАР) Vernier

  • Диапазон PAR: от 0 до 2000 мкмоль м -2 с -1 (PPFD) на полном солнце
  • Абсолютная точность: ± 5%
  • Повторяемость: ± 1%
  • Долгосрочный дрейф: менее 2% в год
  • Косинус-ответ:
    • Зенитный угол 45 °: ± 2%
    • Зенитный угол 75 °: ± 5%
  • Диапазон длин волн: от 410 до 655 нм
  • Типичное разрешение: 1 мкмоль м -2 с -1 (PPFD)
  • Размеры датчика:
    • Диаметр: 2,4 см
    • Высота: 2,75 см
    • Длина кабеля: 6 м
  • Материалы: анодированный алюминий с акриловой линзой
  • Диапазон PAR: от 0 до 2000 мкмоль м -2 с -1 (PPFD) на полном солнце
  • Абсолютная точность: ± 5%
  • Повторяемость: ± 1%
  • Долгосрочный дрейф: менее 2% в год
  • Косинус-ответ:
    • Зенитный угол 45 °: ± 2%
    • Зенитный угол 75 °: ± 5%
  • Диапазон длин волн: от 410 до 655 нм
  • Типичное разрешение: 1 мкмоль м -2 с -1 (PPFD)
  • Размеры датчика:
    • Диаметр: 2,4 см
    • Высота: 2,75 см
    • Длина кабеля: 6 м
  • Материалы: анодированный алюминий с акриловой линзой

Источник

Фотосинтетически активное излучение — Photosynthetically active radiation

Фотосинтетически активное излучение , часто обозначаемое сокращенно ФАР , обозначает спектральный диапазон (диапазон волн) солнечного излучения от 400 до 700 нанометров, который фотосинтезирующие организмы могут использовать в процессе фотосинтеза . Эта спектральная область более или менее соответствует диапазону света, видимого человеческим глазом. Фотоны на более коротких волнах имеют тенденцию быть настолько энергичными, что могут повредить клетки и ткани, но в основном фильтруются озоновым слоем в стратосфере . Фотоны с более длинными волнами не переносят достаточно энергии, чтобы позволить фотосинтезу происходить.

Другие живые организмы, такие как цианобактерии , пурпурные бактерии и гелиобактерии , могут использовать солнечный свет в слегка расширенных спектральных областях, таких как ближний инфракрасный . Эти бактерии обитают в таких средах, как дно стоячих водоемов, отложения и океанские глубины. Из-за своих пигментов они образуют разноцветные маты зеленого, красного и фиолетового цветов.

Хлорофилл , самый распространенный пигмент растений, наиболее эффективно улавливает красный и синий свет. Вспомогательные пигменты, такие как каротины и ксантофиллы, собирают немного зеленого света и передают его в процесс фотосинтеза, но достаточное количество зеленых волн отражается, чтобы придать листьям характерный цвет. Исключением из преобладания хлорофилла является осень, когда хлорофилл разрушается (потому что он содержит N и Mg ), но вспомогательные пигменты нет (потому что они содержат только C , H и O ) и остаются в листе, производя красный, желтый и оранжевый уходит.

У наземных растений листья поглощают в основном красный и синий свет в первом слое фотосинтетических клеток из-за поглощения хлорофилла . Однако зеленый свет проникает глубже внутрь листа и может более эффективно управлять фотосинтезом, чем красный свет. Поскольку зеленые и желтые волны могут проходить через хлорофилл и весь лист, они играют решающую роль в росте под кроной растения.

Измерение PAR используется в сельском хозяйстве, лесоводстве и океанографии. Одним из требований к продуктивным сельскохозяйственным угодьям является адекватный PAR, поэтому PAR используется для оценки инвестиционного потенциала сельского хозяйства. Датчики PAR, размещенные на разных уровнях лесного полога, измеряют характер наличия и использования PAR. Скорость фотосинтеза и связанные с ним параметры можно измерить неразрушающим методом с помощью системы фотосинтеза , и эти инструменты измеряют PAR, а иногда и контролируют PAR с заданной интенсивностью. Измерения PAR также используются для расчета эвфотической глубины океана.

В этих контекстах причина, по которой PAR предпочтительнее других показателей освещения, таких как световой поток и освещенность, заключается в том, что эти измерения основаны на человеческом восприятии яркости , которое сильно смещено в сторону зеленого и не точно описывает количество света, используемого для фотосинтеза.

Содержание

Единицы

При измерении энергетической освещенности PAR значения выражаются в единицах энергии (Вт / м 2 ), что актуально при рассмотрении энергетического баланса фотосинтезирующих организмов .

Однако фотосинтез — это квантовый процесс, и химические реакции фотосинтеза больше зависят от количества фотонов, чем от энергии, содержащейся в фотонах. Поэтому биологи растений часто определяют количественно PAR, используя количество фотонов в диапазоне 400-700 нм, полученных поверхностью в течение определенного периода времени, или плотность потока фотосинтетических фотонов (PPFD). Значения PPFD обычно выражаются в единицах моль м -2 с -1 . Что касается роста и морфологии растений, лучше охарактеризовать доступность света для растений с помощью Daily Light Integral (DLI), который представляет собой дневной поток фотонов на площадь земли и включает как суточные колебания, так и колебания в продолжительность светового дня.

Читайте также:  Чем измерить время по госту

PPFD иногда выражали с использованием единиц Эйнштейна , т. Е. ΜE м -2 с -1 , хотя это использование нестандартно и больше не используется.

Выход фотонного потока

Существует два общих показателя фотосинтетически активного излучения: поток фотосинтетических фотонов (PPF) и поток выходных фотонов (YPF). PPF одинаково оценивает все фотоны от 400 до 700 нм, в то время как YPF взвешивает фотоны в диапазоне от 360 до 760 нм на основе фотосинтетической реакции растения.

PAR, описанный для PPF, не делает различий между разными длинами волн от 400 до 700 нм и предполагает, что длины волн вне этого диапазона не имеют фотосинтетического действия. Если известен точный спектр света, значения плотности потока фотосинтетических фотонов (PPFD) в мкмоль с -1 м -2 ) могут быть изменены путем применения различных весовых коэффициентов к разным длинам волн. Это приводит к величине, называемой выходным потоком фотонов (YPF). Красная кривая на графике показывает, что фотоны около 610 нм (оранжево-красный) имеют наибольшее количество фотосинтеза на фотон. Однако, поскольку коротковолновые фотоны несут больше энергии на фотон, максимальное количество фотосинтеза на падающую единицу энергии приходится на более длинную волну, около 650 нм (темно-красный).

Было отмечено, что существует значительное недоразумение относительно влияния качества света на рост растений. Многие производители заявляют о значительном увеличении роста растений благодаря качеству света (высокий YPF). Кривая YPF показывает, что оранжевые и красные фотоны между 600 и 630 нм могут приводить к фотосинтезу на 20-30% больше, чем синие или голубые фотоны между 400 и 540 нм. Но кривая YPF была разработана на основе краткосрочных измерений, сделанных на отдельных листьях при слабом освещении. Более поздние долгосрочные исследования целых растений при ярком освещении показывают, что качество света может иметь меньшее влияние на скорость роста растений, чем количество света. Синий свет, хотя и не доставляет столько фотонов на джоуль, способствует росту листьев и влияет на другие результаты.

Преобразование между ФАР на основе энергии и ФАР на основе фотонов зависит от спектра источника света (см. Эффективность фотосинтеза ). В следующей таблице показаны коэффициенты преобразования ватт для спектров черного тела, усеченные до диапазона 400–700 нм. Он также показывает световую отдачу для этих источников света и долю реального излучателя черного тела, которая излучается как PAR.

Т
(К)
η v
(лм / Вт *)
η фотон
(мкмоль / Дж * или мкмоль с -1 Вт * -1 )
η фотон
(моль день −1 Вт * −1 )
η PAR
(Вт * / Вт)
3000 (теплый белый) 269 4,98 0,43 0,0809
4000 277 4,78 0,413 0,208
5800 (дневной свет) 265 4,56 0,394 0,368
Примечание: W * и J * обозначают PAR ватт и PAR джоули (400–700 нм).

Например, источник света 1000 лм при цветовой температуре 5800 K будет излучать приблизительно 1000/265 = 3,8 Вт PAR, что эквивалентно 3,8 * 4,56 = 17,3 мкмоль / с. Для источника света черного тела с температурой 5800 К, например Солнце, примерно 0,368 его общего испускаемого излучения испускается как PAR. Для искусственных источников света, которые обычно не имеют спектра черного тела, эти коэффициенты преобразования являются приблизительными.

Количества в таблице рассчитаны как

η v ( Т ) знак равно ∫ λ 1 λ 2 B ( λ , Т ) 683 [ л м / W ] у ( λ ) d λ ∫ λ 1 λ 2 B ( λ , Т ) d λ , <\ displaystyle \ eta _ (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>>,> η п час о т о п ( Т ) знак равно ∫ λ 1 λ 2 B ( λ , Т ) λ час c N А d λ ∫ λ 1 λ 2 B ( λ , Т ) d λ , <\ displaystyle \ eta _ <\ mathrm > (T) = <\ frac <\ int _ <\ lambda _ <1>> ^ <\ lambda _ <2>> B (\ lambda, T) \, <\ frac <\ lambda>> \, d \ lambda> <\ int _ <\ lambda _ <1>> ^ <\ lambda _ <2>> B (\ lambda, T) \, d \ lambda>>,> η п А р ( Т ) знак равно ∫ λ 1 λ 2 B ( λ , Т ) d λ ∫ 0 ∞ B ( λ , Т ) d λ , <\ displaystyle \ eta _ <\ mathrm > (T) = <\ frac <\ int _ <\ lambda _ <1>> ^ <\ lambda _ <2>> B (\ lambda, T) \, d \ lambda> <\ int _ <0>^ <\ infty>B (\ lambda, T) \, d \ lambda>>,>

Читайте также:  Лабораторная работа измерение длины световой волны с использованием дифракционной решетки ответ

где — спектр черного тела согласно закону Планка , — стандартная функция светимости , представляет диапазон длин волн (400-700 нм) PAR и — постоянная Авогадро . B ( λ , Т ) <\ Displaystyle В (\ лямбда, Т)> у <\ displaystyle y> λ 1 , λ 2 <\ displaystyle \ lambda _ <1>, \ lambda _ <2>> N А <\ displaystyle N_ >

Второй закон эффективности PAR

Помимо количества излучения, попадающего на растение в области PAR спектра, важно также учитывать качество такого излучения. Радиация, достигающая растения, содержит как энтропию, так и энергию, и, комбинируя эти два понятия, можно определить эксергию. Этот вид анализа известен как анализ эксергии или анализ второго закона, и эксергия представляет собой меру полезной работы, т. Е. Полезной части излучения, которая может быть преобразована в другие формы энергии.

Спектральное распределение эксергии излучения определяется как:

E Икс λ знак равно L λ ( Т ) — L λ ( Т 0 ) — Т 0 [ S λ ( Т ) — S λ ( Т 0 ) ] <\ displaystyle Ex _ <\ lambda>= L _ <\ lambda>(T) -L _ <\ lambda>(T_ <0>) — T_ <0>[S _ <\ lambda>(T) -S _ <\ lambda>( Т_ <0>)]>

Одним из преимуществ работы с эксергией является то, что она зависит от температуры излучателя (Солнца), а также от температуры принимающего тела (растения) , т. Е. Включает тот факт, что растение является испускающий излучение. Обозначая и , эксергетическая эмиссионная мощность излучения в области определяется как: Т <\ displaystyle T> Т 0 <\ displaystyle T_ <0>> Икс знак равно час c λ k Т <\ displaystyle x = <\ frac <\ lambda kT>>> у знак равно час c λ k Т 0 <\ displaystyle y = <\ frac <\ lambda kT_ <0>>>>

∫ 0 λ я E Икс ( λ , Т ) d λ знак равно ℑ E Икс 0 → λ я знак равно 15 π 4 σ < Т 3 [ ( Т - Т 0 ) Икс 3 L я 1 ( е - Икс ) + ( 3 Т - 4 Т 0 ) Икс 2 L я 2 ( е - Икс ) <\ displaystyle \ int _ <0>^ <\ lambda _ > Ex (\ lambda, T) d \ lambda = \ Im _ >> = <\ frac <15><\ pi ^ <4>>> \ sigma \ left \ \ left [(T-T_ <0>) x ^ <3>Li_ <1>(e ^ <- x>) ) + (3T-4T_ <0>) x ^ <2>Li_ <2>(e ^ <- x>) \ right. \ Right.> + ( 6 Т — 8 Т 0 ) Икс L я 3 ( е — Икс ) + ( 6 Т — 8 Т 0 ) L я 4 ( е — Икс ) ] <\ displaystyle + \ left. (6T-8T_ <0>) xLi_ <3>(e ^ <- x>) + (6T-8T_ <0>) Li_ <4>(e ^ <- x>) \ right ]> + Т 0 4 [ у 2 L я 2 ( е — у ) + 2 у L я 3 ( е — у ) + 2 L я 4 ( е — у ) ] > <\ displaystyle + \ left.T_ <0>^ <4>\ left [y ^ <2>Li_ <2>(e ^ <- y>) + 2yLi_ <3>(e ^ <- y>) + 2Li_ <4>(e ^ <- y>) \ right] \ right \>>

Где есть специальная функция под названием Полилогарифм. По определению, эксергия, получаемая принимающим телом, всегда ниже, чем энергия, излучаемая излучающим черным телом, как следствие содержания энтропии в излучении. Таким образом, из-за содержания энтропии не вся радиация, достигающая поверхности Земли, «полезна» для работы. Следовательно, эффективность радиационного процесса следует измерять по его эксергии, а не по энергии. L я s ( z ) <\ displaystyle Li_ (z)>

Используя приведенное выше выражение, оптимальная эффективность или эффективность второго закона для преобразования излучения для работы в области PAR (от 400 до 700 нм) для абсолютно черного тела при = 5800 K и организма при = 300 K определяется как: λ 1 знак равно <\ displaystyle \ lambda _ <1>=> λ 2 знак равно <\ displaystyle \ lambda _ <2>=> Т <\ displaystyle T> Т 0 <\ displaystyle T_ <0>>

η п А р е Икс ( Т ) знак равно ∫ λ 1 λ 2 E Икс ( λ , Т ) d λ ∫ 0 ∞ L ( λ , Т ) d λ знак равно 0,337563 <\ displaystyle \ eta _ ^ (T) = <\ frac <\ int _ <\ lambda _ <1>> ^ <\ lambda _ <2>> Ex (\ lambda, T) d \ лямбда> <\ int _ <0>^ <\ infty>L (\ lambda, T) d \ lambda>> = 0,337563>

Читайте также:  Что является наиболее распространенным при измерении масштабов коррупции

примерно на 8,3% ниже, чем считалось до сих пор, что является прямым следствием того факта, что организмы, использующие солнечную радиацию, также излучают радиацию вследствие своей собственной температуры. Следовательно, коэффициент преобразования организма будет разным в зависимости от его температуры, и концепция эксергии подходит больше, чем энергетическая.

Измерение

Исследователи из Университета штата Юта сравнили измерения PPF и YPF с использованием различных типов оборудования. Они измерили PPF и YPF семи распространенных источников излучения с помощью спектрорадиометра, а затем сравнили с измерениями шести квантовых датчиков, предназначенных для измерения PPF, и трех квантовых датчиков, предназначенных для измерения YPF.

Они обнаружили, что датчики PPF и YPF были наименее точными для узкополосных источников (узкий спектр света) и наиболее точными для широкополосных источников (более полные спектры света). Они обнаружили, что датчики PPF были значительно более точными при работе с металлогалогенными, натриевыми лампами низкого давления и натриевыми лампами высокого давления, чем датчики YPF (разница> 9%). Датчики YPF и PPF были очень неточными (ошибка> 18%) при использовании для измерения света от красных светодиодов.

Источник

Фотосинтетическая активная радиация (ФАР)

Зависимость поглощения и усвоения энергии растениями от длины волны светового излучения называют энергетическим спектром фотосинтетической активной радиации (излучения). Термин на английском языке – Photosynthetically available radiation (PAR). По сути, фотосинтетическая активная радиация это поток энергии определенного спектра используемый растениями.

Свет с разной частотой излучения (и разного цвета в видимом диапазоне) по-разному влияет на рост, развитие растений и фотосинтез. В основном растения поглощают синий и красный цвет, а зеленый отражают или пропускают. В результате зеленый свет используется листьями наименее эффективно. Именно поэтому листья растений, в основном, зеленого цвета. Обычно мощность излучения PAR-светильников характеризуют в Ваттах ФАР. Плотность ФАР потока (аналог освещенности или облученности) измеряют PAR-радиометром в Вт/кв.м или мкМоль/(с×кв.м). Восприятие цветовых составляющих света растениями и человеческим глазом сильно отличается, поэтому люксметры и люмены для измерения облучения поверхности агрокультур не используются.

Восприятие глазом человека

Поглощаемая растениями энергия света расходуется на фотосинтез, фотоморфогинез, синтез хлорофилла, а часть энергии идет на нагрев и переизлучение. Активность этих процессов зависит от длины волны. Изменяя составляющие излучения синей, зеленой и красной части спектра, можно влиять на прорастание, рост или торможение разных биологических процессов и стадий фотосинтеза. Исследования показали, что ФАР – излучение оказывает влияние не только на растения, но и значительно замедляет развитие патогенных грибков и бактерий на облучаемых растениях.

Наглядный пример показывающий действие спектра излучения на фотосинтез растений. В эксперименте показан фрагмент синезеленой водоросли, окруженной бактериями потребляющими кислород из водной среды расположенной вблизи водоросли. Водоросль облучается светом с разным спектральным составом. Концентрация бактерий возрастает в тех участках питательной среды где больше содержание киcлорода вырабатываемого в процессе фотосинтеза при облучении водоросли.

Все растения по-разному воспринимают разные длины волн в спектре ФАР. Это связано с разным поглощением разных типов пигментов в листьях. Основные пигменты листьев — хлорофиллы a и b, поглощают свет синего и красного диапазонов, каротиноиды поглощают свет синего диапазона. Обобщение данных поглощения света листьями разных культур позволило рассчитать специалистам Конструкторского бюро «Оптимум» эффективную спектральную кривую поглощения «среднего» зеленого листа и спектры для основных агропромышленных культур (томатов, огурцов, перцев, цветов и рассады).

В условиях искусственного освещения теплиц, оранжерей для подсветки растений важнейшей задачей является экономия электроэнергии. Поэтому нет смысла тратить электроэнергию и деньги, на те составляющие спектра, которые мало усваиваются растениями. Если из спектра удалить энергетические составляющие, которые меньше используются растениями, то получится наиболее оптимальный спектр для растений, с точки зрения развития растения и минимизации расхода энергии. Российские светодиодные светильники POWER-LED ILLUMINATION® с успехом решают подобную задачу наилучшим способом, и имеют гарантию 5 лет!

Источник