Photosynthetisch aktive Strahlung häufig abgekürzt PAR bezeichnet den Spektralbereich (Wellenband) der Sonnenstrahlung von 400 bis 700 Nanometer, den photosynthetische Organismen bei der Photosynthese verwenden können. Dieser Spektralbereich entspricht mehr oder weniger dem für das menschliche Auge sichtbaren Lichtbereich. Photonen bei kürzeren Wellenlängen neigen dazu, so energisch zu sein, dass sie Zellen und Gewebe schädigen können, werden jedoch meistens durch die Ozonschicht in der Stratosphäre herausgefiltert. Photonen mit längeren Wellenlängen tragen nicht genug Energie, um die Photosynthese zu ermöglichen.
Andere lebende Organismen wie Cyanobakterien, Purpurbakterien und Heliobakterien können Sonnenlicht in etwas ausgedehnten Spektralbereichen wie etwa dem nahen Infrarot nutzen. Diese Bakterien leben in Umgebungen wie dem Boden stehender Teiche, Sedimenten und Meerestiefen. Aufgrund ihrer Pigmente bilden sie bunte Matten in Grün, Rot und Lila.
Chlorophyll, das am häufigsten vorkommende Pflanzenpigment, ist am effektivsten bei der Erfassung von rotem und blauem Licht. Zusatzpigmente wie Carotine und Xanthophylle ernten grünes Licht und leiten es an den photosynthetischen Prozess weiter, aber genügend grüne Wellenlängen werden reflektiert, um den Blättern ihre charakteristische Farbe zu verleihen. Eine Ausnahme von der Dominanz von Chlorophyll ist der Herbst, in dem Chlorophyll abgebaut wird (weil es N und Mg enthält), die Zusatzpigmente jedoch nicht (weil sie nur C, H und O enthalten) und im Blatt verbleiben und Rot, Gelb und Orange bilden Blätter.
In Landpflanzen absorbieren Blätter in der ersten Schicht photosynthetischer Zellen aufgrund der Chlorophyll-Absorption hauptsächlich rotes und blaues Licht. Grünes Licht dringt jedoch tiefer in das Blattinnere ein und kann die Photosynthese effizienter treiben als rotes Licht. [1][2] Da grüne und gelbe Wellenlängen Chlorophyll und das gesamte Blatt selbst durchlassen können, spielen sie eine entscheidende Rolle für das Wachstum unter dem Pflanzenhimmel [3]
Die PAR-Messung wird in der Land-, Forst- und Ozeanographie verwendet. Eine der Anforderungen an produktive landwirtschaftliche Nutzflächen ist ein angemessener PAR, sodass der PAR zur Bewertung des landwirtschaftlichen Investitionspotenzials verwendet wird. PAR-Sensoren, die auf verschiedenen Ebenen des Waldkabinens aufgestellt sind, messen das Muster der Verfügbarkeit und Nutzung von PARs. Die Photosyntheserate und verwandte Parameter können mit einem Photosynthesesystem zerstörungsfrei gemessen werden. Diese Instrumente messen PAR und steuern PAR manchmal in festgelegten Intensitäten. PAR-Messungen werden auch zur Berechnung der Euphotentiefe im Ozean verwendet.
In diesen Zusammenhängen ist der Grund, warum PAR gegenüber anderen Beleuchtungsmetriken wie Lichtstrom und Beleuchtungsstärke bevorzugt wird, die Tatsache, dass diese Maßnahmen auf der menschlichen Wahrnehmung von Helligkeit basieren, die stark grün ist und die Menge an Licht nicht genau beschreibt Photosynthese. [4]
Die Bestrahlungsstärke von PAR kann in Energieeinheiten gemessen werden (W / m 2 ), was für die Energiebilanz von photosynthetischen Organismen relevant ist. [5] 19659002] 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 oft PAR anhand der Anzahl von Photonen im 400-700-nm-Bereich, die eine bestimmte Zeit lang von einer Oberfläche empfangen wurde, oder der Photosynthetic Photon Flux Density (PPFD). [5] Dies wird normalerweise mit mol m gemessen −2 s −1 . In der Vergangenheit wurde PPFD häufig unter Verwendung von Einsteineinheiten ausgedrückt, d. H. ΜE m -2 s -1 . [6] Ein Einstein ist einfach ein Mol von Photonen.
Ertragsphotonenfluss [ edit ]
Es gibt zwei übliche Maße für photosynthetisch aktive Strahlung: photosynthetischer Photonenfluss (PPF) und Ertrags-Photonenfluss (YPF). PPF bewertet alle Photonen von 400 bis 700 nm gleich, während YPF Photonen im Bereich von 360 bis 760 nm auf der Grundlage der photosynthetischen Reaktion einer Pflanze wiegt. [7]
PAR, wie mit PPF beschrieben, unterscheidet nicht zwischen verschiedenen Wellenlängen zwischen 400 und 700 nm und nimmt an, dass Wellenlängen außerhalb dieses Bereichs null photosynthetische Wirkung haben. Wenn das genaue Spektrum des Lichts bekannt ist, können die Werte der photosynthetischen Photonenflussdichte (PPFD) in μmol -1 m -2 ) durch Anwenden verschiedener Gewichtungsfaktoren auf verschiedene Werte modifiziert werden Wellenlängen. Dies führt zu einer Menge, die als Ertragsphotonenfluss (YPF) bezeichnet wird. [8] Die rote Kurve in der Grafik zeigt, dass Photonen um 610 nm (orange-rot) die höchste Photosynthese pro Photon aufweisen. Da jedoch kurzwellige Photonen mehr Energie pro Photon transportieren, liegt die maximale Photosynthese pro einfallender Energieeinheit bei einer längeren Wellenlänge von etwa 650 nm (tiefrot).
Es wurde festgestellt, dass die Auswirkungen der Lichtqualität auf das Pflanzenwachstum erheblich missverstanden werden. Viele Hersteller behaupten, dass das Pflanzenwachstum aufgrund der Lichtqualität (hoher YPF) deutlich erhöht ist. Die YPF-Kurve zeigt, dass orange 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.
[9][10]
Die YPF-Kurve wurde jedoch aus Kurzzeitmessungen an Einzelblättern bei schwachem Licht entwickelt. Neuere längerfristige Studien mit ganzen Pflanzen im höheren Licht weisen darauf hin, dass die Lichtqualität die Pflanzenwachstumsrate möglicherweise weniger stark beeinflusst als die Lichtmenge. Blaues Licht liefert zwar nicht so viele Photonen pro Joule, fördert jedoch das Blattwachstum und beeinflusst andere Ergebnisse. [9] [11]
Die Umwandlung zwischen energiebasiertem PAR und Photon PAR basiert auf dem Spektrum der Lichtquelle (siehe Photosynthetische Effizienz). Die folgende Tabelle zeigt die Umrechnungsfaktoren von Watt für Schwarzkörperspektren, die im Bereich von 400 bis 700 nm abgeschnitten sind. Es zeigt auch die Lichtausbeute dieser Lichtquellen und den Anteil eines echten Schwarzstrahlers, der als PAR ausgestrahlt wird.
| T (K) | η v (Im / W *) | η Photon (µmol / J * oder µmols - 1 W * -1 ) | η Photon (Mol Day -1 W * -1 ) | ] η PAR (W * / W) |
|---|---|---|---|---|
| 3000 (warmweiß) | 269 | 4.98 | 0.43 | 0.0809 |
| 4000 | 277 | 4.78 | 0.413 | 0.208 |
| 5800 (Tageslicht) | 265 | 4.56 | 0.394 | 0.368 |
| Anmerkung: W * und J * stehen für PAR-Watt und PAR-Joule (400–700 nm). | ||||
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. Bei einer Schwarzkörperlichtquelle bei 5800 K, wie etwa der Sonne, wird ungefähr ein Anteil von 0,368 ihrer insgesamt emittierten Strahlung als PAR emittiert. Für künstliche Lichtquellen, die normalerweise kein Schwarzkörperspektrum haben, sind diese Umrechnungsfaktoren nur annähernd.
Die Mengen in der Tabelle werden berechnet als
![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}},](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/5e7054db670511df5c56a0e8046183b8f52cfd2d)
wobei ist das Schwarzkörperspektrum gem Das Plancksche Gesetz, ist die Standard -Luminositätsfunktion, r der Wellenlängenbereich (400 bis 700 nm) von PAR und "/> die Avogadro-Konstante.
Zweiter PAR-Wirkungsgrad [ edit ]
Neben der Strahlungsmenge, die eine Pflanze in der PAR-Region des Spektrums erreicht, ist es auch wichtig, die Qualität dieser Strahlung zu berücksichtigen. Strahlung, die eine Pflanze erreicht, enthält sowohl Entropie als auch Energie. Durch Kombination dieser beiden Konzepte kann die Exergie bestimmt werden. Diese Art von Analyse ist als Exergieanalyse oder Zweitgesetzanalyse bekannt, und die Exergie stellt ein Maß für die nützliche Arbeit dar, d. H. Den nützlichen Teil der Strahlung, der in andere Energieformen umgewandelt werden kann.
Die spektrale Verteilung der Strahlungsexergie ist definiert als: [12]
![{ displaystyle Ex _ { lambda} = L _ { lambda} (T) -L _ { lambda} (T_ {0}) - T_ {0} [S_{lambda }(T)-S_{lambda }(T_{0})]}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/a249ccee86bf6d99db5c4c68b91d574a4e2eac99)
Einer der Vorteile der Arbeit mit der Exergie ist, dass sie von der Temperatur des Emitters (der Sonne) abhängt. . aber auch von der Temperatur des Aufnahmekörpers (der Pflanze), d. H. Es schließt die Tatsache ein, dass die Anlage Strahlung emittiert. Benennung und wird die Strahlungsleistung der Strahlung in einer Region als bestimmt:
T 0 ) x 3 L i 1 ( e [19659909] e [19659909] e e x ) + ( 3 T - 4 T 0 x x 19659309] ] 2 L i 2 ( e x ) {19659338] {19659338] {{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})rightRight}
![{ displaystyle + left. (6T-8T_ {0}) xLi_ {3} (e ^ {- x}) + (6T-8T_ {0}) Li_ {4} (e ^ {- x}) right]}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/7c74985afb09503aa0e76999fe059e6d81c3ce8c)
![{ displaystyle + left.T_ {0} ^ {4} left [y^{2}Li_{2}(e^{-y})+2yLi_{3}(e^{-y})+2Li_{4}(e^{-y})right] right }}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/bc504c452e8037e12b2c54ac441d8d2a80a24f82)
wobei ist eine Spezialität Funktion namens Polylogarithmus.
Definitionsgemäß ist die durch den Empfangskörper erhaltene Exergie als Folge des Entropiegehalts in der Strahlung immer niedriger als die von dem emittierenden schwarzen Körper abgestrahlte Energie.
Als Folge des Entropiegehalts ist daher nicht die gesamte auf die Erdoberfläche gelangende Strahlung "nützlich", um Arbeit zu erzeugen. Daher sollte die Effizienz eines Prozesses, an dem Strahlung beteiligt ist, an seiner Exergie gemessen werden, nicht an seiner Energie.
Unter Verwendung des obigen Ausdrucks wurde die optimale Effizienz oder zweite Gesetzmäßigkeitseffizienz für die Umwandlung von Strahlung in die PAR-Region [13] (von 400 nm bis 700 nm), für einen schwarzen Körper bei = 5800 K und ein Organismus bei = 300 K wird bestimmt als:
um etwa 8,3% unter dem bisher betrachteten Wert, als direkte Folge davon, dass die Organismen, die Sonnenstrahlung verwenden, als Konsequenz auch Strahlung emittieren eigene Temperatur. Daher ist der Umrechnungsfaktor des Organismus in Abhängigkeit von seiner Temperatur unterschiedlich, und das Exergiekonzept ist geeigneter als das Energiekonzept.
Messung von PAR [ edit ]
Forscher der Utah State University verglichen Messungen für PPF und YPF mit verschiedenen Gerätetypen. Sie haben PPF und YPF von sieben üblichen Strahlungsquellen mit einem Spektroradiometer gemessen und dann mit Messungen von sechs Quantensensoren zur Messung von PPF und drei Quantensensoren zur Messung von YPF verglichen.
Sie fanden heraus, dass die PPF- und YPF-Sensoren für schmalbandige Quellen (schmales Lichtspektrum) und für genaueste Breitbandquellen (vollere Lichtspektren) am wenigsten genau waren. Sie fanden heraus, dass PPF-Sensoren unter Metallhalogenid-, Niederdrucknatrium- und Hochdrucknatriumlampen wesentlich genauer waren als YPF-Sensoren (> 9% Differenz). Sowohl YPF- als auch PPF-Sensoren waren sehr ungenau (> 18% Fehler), wenn sie zum Messen von Licht von rotem Licht emittierenden Dioden verwendet wurden. [7]
Siehe auch [ ]
. Referenzen ]
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