Фотосинтетически активная радиация

Обычно ФАР измеряется в мкмоль фотонов м⁻²с⁻¹, что обозначают как плотность фотосинтетического фотонного потока англ. photosynthetic photon flux density, PPFD. Фотосинтетический фотонный поток — суммарное число фотонов, излучаемых в секунду в диапазоне длин волн от 400 до 700 нм (мкмоль/с). Иногда эту величину выражают в эйнштейнах, то есть, мкЭ м⁻² с⁻¹, хотя эта единица не является стандартной и её использование часто неоднозначно. ФАР можно выражать в единицах энергии (интенсивность излучения, Ватт/м²); это актуально при рассмотрении баланса энергии фотосинтезирующих организмов, но, поскольку фотосинтез является квантовым процессом, то в физиологии растений ФАР чаще всего выражают в единицах PPFD.

Коэффициенты перевода из ФАР в энергетических единицах в ФАР в молях фотонов зависят от спектра излучения источника света (см. эффективность фотосинтеза). В нижележащей таблице приведены коэффициенты перевода из Ваттов в фотоны спектра абсолютно чёрного тела, усечённого до диапазона 400—700 нм. В ней также приведены единицы измерения световой отдачи для каждого из источников света, а также той части спектра абсолютно чёрного тела, которая соответствует ФАР.

Например, источник света в 1000 люменов при температуре 5800 K будет излучать приблизительно 1000/265 = 3,8 Вт ФАР, что эквивалентно 3,8*4,56 = 17,3 мкмоль/с. Для абсолютно чёрного источника света при 5800 K, каковым приблизительно является солнце, в виде ФАР излучается 0,368 от его общего излучения. Для искусственных источников света, которые обычно не обладают спектром абсолютно чёрного тела, эти коэффициенты перевода являются приблизительными.

Значения в таблице рассчитаны как

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

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

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

где ${\displaystyle B(\lambda ,T)}$ — спектр излучения чёрного тела в соответствии с формулой Планка, ${\displaystyle y}$ — стандартная спектральная световая эффективность монохроматического излучения, ${\displaystyle \lambda _{1},\lambda _{2}}$ обозначают длины волн диапазона ФАР (400 и 700 нм), a ${\displaystyle N_{A}}$ — число Авогадро.

Весовой коэффициент фотосинтеза. Кривая весового коэффициента фотонов позволяет перевести PPFD в YPF; кривая весового коэффициента энергии позволяет сделать то же самое для ФАР, выраженной в ваттах или джоулях.

Как уже упоминалось выше, значение ФАР не учитывает разницу между разными длинами волн в диапазоне 400—700 нм. Кроме того, используется приближение, что волны за пределами этого диапазона имеют нулевую фотосинтетическую активность. Если известен точный спектр излучения, то фотосинтетический фотонный поток в мкмоль/с можно модифицировать, используя весовые коэффициенты для каждой длины волны. Этот параметр, представляет собой ФАР, взвешенную в соответствии с эффективностью фотосинтеза по каждой длине волны. Он носит название «усваиваемый растением поток фотонов» англ. yield photon flux (YPF)[1]. Красная кривая на графике показывает, что фотоны с длиной волны около 610 нм (оранжево-красный) обладают максимальной фотосинтетической активностью в расчёте на один фотон, поскольку коротковолновые фотоны несут больше энергии на один фотон. А вот максимум фотосинтеза в расчёте на одну единицу энергии находится при большей длине волны, около 650 нм (тёмно-красный).

Существует типичное заблуждение относительно влияния качества света на рост растений, поскольку многие производители утверждают, что можно значительно улучшить показатели роста изменив спектральное распределение или иначе говоря соотношение цветов в падающем свете[2]. Этот утверждение базируется на широко распространённой оценке влияния качества света на фотосинтез, полученного на основе кривой усваиваемого растением потока фотонов или YPF-кривой, в соответствии с которой оранжевые и красные фотоны с длиной волны 600—630 нм дают на 20—30 % больше фотосинтеза чем голубые и циановые фотоны с длиной волны 400—540 нм[3]. Следует помнить, что кривая YPF была построена на основе коротких измерений фотосинтеза в одном листе при низком освещении. Некоторые более длительные исследования, в которых использовались цельные растения при сильном освещении, указывают на то, что, по-видимому, качество света значительно меньше влияет на рост растений, чем его количество[4].

В случае объединения световой среды человека и растения предпочтительным является свет, обеспечивающий не только потребности растения, но и зрительный комфорт человека, т. е. белый свет высокой цветопередачи. Светодиодный белый свет по эффективности в мкмоль/Дж не уступает светильникам ДНаТ 600—1000 Вт, используемых в промышленных теплицах, и незначительно уступает узкополосным светодиодным источникам[5][6][7]. Существует упрощённый способ оценки ФАР для белого светодиодного света: световой поток 1000 Лм соответствует фотосинтетическому фотонному потоку PPF=15 мкмоль/с, а освещенность 1000 лк соответствует плотности фотосинтетического фотонного потока PPFD=15 мкмоль/с/м²[8][9].

• Gates, David M. (1980). Biophysical Ecology, Springer-Verlag, New York, 611 p.
• McCree, Keith J. (1972a). «The action spectrum, absorptance and quantum yield of photosynthesis in crop plants». Agricultural and Forest Meteorology 9:191-216.
• McCree, Keith J. (1972b). «Test of current definitions of photosynthetically active radiation against leaf photosynthesis data». Agricultural and Forest Meteorology 10:443-453.
• McCree, Keith J. (1981). «Photosynthetically active radiation». In: Encyclopedia of Plant Physiology, vol. 12A. Springer-Verlag, Berlin, pp. 41–55.

• The Photosynthetic Process
• Comparison of Quantum (PAR) Sensors with Different Spectral Sensitivities
• What is PAR?