Supplément 1.7: Grandeurs radiatives et radiométrie      (8/9)

Le rayonnement photosynthétiquement actif PAR
(en anglais : Photosynthetically Active Radiation PAR ou Photosynthetic Photon Flux Density PPFD)

Les mesures du rayonnement essentiel à la photosynthèse de la végétation revêtent une importance particulière en biologie. Étant donné que chaque photon absorbé par le photosystème d'une plante peut contribuer à la photosynthèse, le modèle ondulatoire de la lumière est peu adapté et les données en unités W/m² ne sont pas pertinentes. La photosynthèse est plutôt un processus de mécanique quantique et c'est donc le nombre de photons dans la gamme spectrale utilisée par les plantes qui présente un intérêt.

Cette gamme s'étend de 400 nm (bleu foncé) à 700 nm (rouge foncé) et correspond approximativement à la lumière visible. On peut qualifier ce rayonnement d'éclairement quantique de la photosynthèse. Il s'agit du rayonnement photosynthétiquement actif (PAR). Comme les photons ne sont pas différenciés davantage, une unité empruntée à la chimie a été introduite pour désigner le nombre de photons : la mole, appelée ici einstein. Un einstein correspond donc à 6·10²³ photons.

Symbole: $PAR$
Unité de mesure: Photons/(surface·temps), $\left[PAR\right]=\frac{\text{Einstein}}{{\text{m}}^2\text{s}}$

Environ 500 μEinstein/(m²s) sont nécessaires à une croissance saine des plantes.

L'énergie d'un photon est   $E=hf=\frac{hc}{\lambda }$,

avec la constante de Planck h=6,626·10^-34 J s, la vitesse de la lumière c=2,998·10⁸ m/s, ainsi que la fréquence f et la longueur d'onde λ de l'onde électromagnétique correspondante. La puissance optique des photons est déterminée par leur énergie photonique et leur nombre n par unité de temps. Pour un nombre différentiel de photons dn avec l'énergie photonique E dans un intervalle de longueur d'onde dλ, la puissance optique est la suivante :

Il s'agit maintenant de compter les photons de 400 à 700 nm, leur longueur d'onde n'ayant aucune importance. Dans la colonne de droite de la première page de ce supplément, la sensibilité spectrale d'un détecteur a été introduite comme le rapport entre le signal de sortie électrique et la puissance optique incidente. Elle est désignée ici par S.

Si la sensibilité spectrale est la suivante :

la sensibilité dans la plage spectrale pertinente augmente proportionnelle­ment à la longueur d'onde, alors :

Cette caractéristique spectrale peut être obtenue à l'aide d'une photodiode à semi-conducteur et d'une combinaison de filtres optiques placés devant la surface du capteur. De nombreux capteurs PAR de ce type sont disponibles dans le commerce.

Il est également possible d'utiliser un spectromètre si sa sensibilité spectrale est ajustée à l'aide d'une fonction de correction logicielle de manière à obtenir une augmentation proportionnelle à la longueur d'onde dans la plage spectrale concernée.

Un inconvénient du procédé décrit jusqu'ici : les photons sont toujours pondérés de la même manière, quelle que soit leur énergie. Cela devrait être exactement ainsi, mais la probabilité d'absorption par les photosystèmes végétaux n'est pas indépendante de l'énergie des photons ou de la longueur d'onde. La chlorophylle a absorbe dans le bleu et le rouge, mais seulement faiblement dans le vert. Les photosystèmes des plantes sont composés d'autres pigments absorbants tels que la chlorophylle b, le carotène et la xanthophylle, qui forment ensemble ce que l'on appelle les complexes collecteurs de lumière (Light-Harvesting Complexes, LHC). Il serait judicieux d'en tenir compte lors du comptage des photons.

Extinction de certaines chlorophylles. Les chlorophylles a et b sont présentes dans les feuilles de toutes les plantes terrestres et dans les algues vertes. La bactériochlorophylle a est contenue dans les bactéries pourpres, qui ne produisent pas d'oxygène lors de la photosynthèse et qui n'existent que dans des conditions dépourvues d'oxygène. Les spectres sont normalisés à une valeur maximale commune.
Source: PhotochemCAD

Un spectromètre offre l'avantage de pondérer la lumière en fonction de ces propriétés. Cette méthode permet d'obtenir une autre grandeur appelée rayonnement photosynthétiquement utilisable (en anglais : Photo­synthetically Usable Radiation PUR ou Photosynthetic Photon Flux Density PPFD). Ces données sont également exprimées en unités Einstein/(m²s).