Supplement 1.7: Stralingsgrootheden en radiometrie      (8/9)

De fotosynthetisch actieve straling PAR
(Engels: Photosynthetically Active Radiation PAR of Photosynthetic Photon Flux Density PPFD)

Metingen van de straling die essentieel is voor de fotosynthese van vegetatie zijn van bijzonder belang in de biologie. Aangezien elk foton dat door het fotosysteem van een plant wordt geabsorbeerd, kan bijdragen aan de fotosynthese, is het golfmodel van licht weinig geschikt en zijn gegevens in eenheden van W/m² niet relevant. Fotosynthese is veeleer een kwantum­mechanisch proces en daarom is het aantal fotonen in het door planten gebruikte spectrale bereik van belang.

Dit bereik strekt zich uit van 400 nm (donkerblauw) tot 700 nm (donkerrood) en komt ongeveer overeen met het zichtbare licht. De straling kan worden aangeduid als de kwantumstralingsintensiteit van de fotosynthese. Dit is de fotosynthetisch actieve straling (PAR). Aangezien fotonen niet verder worden onderscheiden, is een uit de scheikunde ontleende benaming voor fotonenaantallen geïntroduceerd: de mol, die hier Einstein wordt genoemd. Een Einstein komt dus overeen met 6·10²³ fotonen.

Symbool: $PAR$
Meeteenheid: Fotonen/(oppervlakte·tijd), $\left[PAR\right]=\frac{\text{Einstein}}{{\text{m}}^2\text{s}}$

Ongeveer 500 μEinstein/(m²s) is nodig voor een gezonde groei van planten.

De energie van een foton is   $E=hf=\frac{hc}{\lambda }$,

met het constante van Planck h=6,626·10^-34 J s, de lichtsnelheid c=2,998·10⁸ m/s, evenals de frequentie f en de golflengte λ van de overeenkomstige elektromagnetische golf. Het optische vermogen van de fotonen wordt bepaald door hun fotonenergie en hun aantal n per tijdseenheid. Voor een differentieel fotonenaantal dn met de fotonenergie E in een golflengte-interval dλ is het optisch vermogen:

Nu moeten fotonen van 400 tot 700 nm worden geteld, waarbij hun golf­lengte geen rol mag spelen. In de rechterkolom van de eerste pagina van deze supplement werd de spectrale gevoeligheid van een detector geïntro­duceerd als de verhouding tussen het elektrische uitgangssignaal en het invallende optische vermogen. Deze wordt hier aangeduid met S.

Als voor de spectrale gevoeligheid geldt:

de gevoeligheid in het relevante spec­trale bereik dus evenredig met de golf­lengte toeneemt, dan wordt:

Deze spectrale karakteristiek kan worden bereikt met een halfgeleider­fotodiode en een combinatie van optische filters voor het sensoroppervlak. Dergelijke PAR-sensoren zijn op vele manieren verkrijgbaar.

Als alternatief kan een spectrometer worden gebruikt, mits de spectrale gevoeligheid ervan met een correctiefunctie in de software zodanig wordt aangepast dat een evenredige toename met de golflengte in het relevante spectrale bereik wordt bereikt.

Een nadeel van de hierboven beschreven methode: fotonen worden altijd gelijk gewogen, ongeacht hun energie. Dat zou ook zo moeten zijn, maar de kans op absorptie door fotosystemen van planten is niet onafhankelijk van de fotonenergie of de golflengte. Chlorofyl a absorbeert in het blauwe en rode spectrum, maar slechts in geringe mate in het groene spectrum. Fotosystemen van planten bestaan uit andere absorberende pigmenten, zoals chlorofyl b, caroteen en xanthofyl, die samen de zogenaamde lichtverzamelende complexen (Light-Harvesting Complexes, LHC) vormen. Het zou zinvol zijn om hiermee rekening te houden bij het tellen van fotonen.

Extinctie van sommige chlorofylen. Chlorofyl a en b komen voor in de bladeren van alle landplanten en in groene algen. Bacteriële chlorofyl a komt voor in paarse bacteriën, die bij hun fotosynthese geen zuurstof produceren en alleen onder zuurstofvrije omstandigheden kunnen bestaan. De spectra zijn genormaliseerd naar een gemeenschappelijke maximale waarde.
Bron: PhotochemCAD

Een spectrometer biedt het voordeel dat licht op basis van dergelijke eigen­schap­pen kan worden gewogen. Deze methode leidt tot een andere groot­heid, die wordt aangeduid als fotosynthetisch bruikbare straling (Engels: Photo­synthetically Usable Radiation PUR of ook Photosynthetic Photon Flux Density PPFD). Deze gegevens worden eveneens uitgedrukt in de eenheid Einstein/(m²s).