Свет и растения

Растения воспринимают свет различных длин волн иначе, чем люди.

Только часть света, воспринимаемого человеческим глазом, способствует росту (фотосинтезу) растений, а именно излучение в диапазоне длин волн от 400 до 700 нм. Это область фотосинтетически активного излучения. Около 45% естественного излучения приходится на диапазон длин волн от 400 до 700 нм. Поэтому около 45% общего естественного излучения составляет фотосинтетически активное излучение.

Эффективная для роста растений лампа должна преобразовывать как можно больше электрической энергии в фотосинтетически активное излучение.

Фотосинтез - это фотохимический процесс, при котором энергия света поглощается хлорофиллом и каротиноидами в листьях. Эта энергия используется для выработки сахарозы из углекислого газа (CO₂), который поглощается листьями. Данный процесс можно представить следующим образом:

6 CO₂ + 6 H₂O + световая энергия -> C₆H₁₂O₆ + 6 O₂
углекислый газ + вода + световая энергия приводят к образованию сахарозы + кислорода

Источник света можно представить как источник, излучающий частицы энергии. Эти частицы называются квантами света или фотонами. Энергия фотона зависит от длины волны излучаемого света. Общее число фотонов в секунду в диапазоне длин волн от 400 до 700 нм называется фотосинтетическим фотонным потоком, который количественно измеряется в µмоль с^-1. Фотосинтетический фотонный поток сопоставим с концепцией светового потока (в лм), но зависит от восприимчивости растений. Энергия фотона с длиной волны 400 нм (синий свет) в 1,75 раз больше (700/400) энергии фотона с длиной волны 700 нм (красный свет), однако оба фотона одинаково воздействуют на процесс фотосинтеза. Избыточная энергия синего фотона в значительной степени переходит в тепло.

Для оценки количества света для процесса фотосинтеза должна использоваться плотность фотосинтетического фотонного потока (микромоль фотонов в секунду)

Скорость фотосинтеза определяется числом фотонов в диапазоне от 400 до 700 нм, которое поглощается растениями, а не энергией этих фотонов. Поэтому именно число фотонов в секунду в диапазоне от 400 до 700 нм, падающих на заданную поверхность, называемое плотностью фотосинтетического фотонного потока, должно использоваться для оценки количества света для процесса фотосинтеза. Плотность фотосинтетического фотонного потока сопоставима с понятием освещенности (в лк) (люмен м^-2), но в отличие от последнего зависит от восприимчивости растений.
Плотность фотосинтетического фотонного потока измеряется с помощью квантового датчика и выражается в микромолях фотонов в секунду (µмоль м^-2 с^-1). Когда говорят о фотосинтетически активном излучении, обычно подразумевают энергию света в диапазоне длин волн от 400 до 700 нм (в Вт м^-2).

Фотосинтетический фотонный поток = суммарному числу фотонов, излучаемых в секунду в диапазоне длин волн от 400 до 700 нм; единицы измерения - µмоль с^-1
Плотность фотосинтетического фотонного потока = числу фотонов в секунду в диапазоне от 400 до 700 нм на единицу площади; единицы измерения - µмоль м^-2 с^-1
Фотосинтетически активное излучение = энергии излучения в секунду в диапазоне длин волн от 400 до 700 нм на единицу площади; единицы измерения - Вт м^-2

Даже в диапазоне фотосинтетически активного излучения не все растения одинаково воспринимают все длины волн. Помимо всего прочего, это связано с удельным поглощением разных типов пигментов в листьях, из которых самым известным является хлорофилл. В результате сравнительно сильного отражения и пропускания зеленый свет используется листьями наименее эффективно. Это объясняет тот факт, что листья воспринимаются человеческим глазом как зеленые.

Влияние излучений различных длин волн на рост растений можно показать в виде кривой чувствительности растений. Поскольку самым важным процессом для роста является фотосинтез, используется спектр действия, который описывает зависимость скорости фотосинтеза от длины волны излучения. Этот фотосинтетический спектр действия зависит от числа поглощаемых фотонов (квантов света) каждой длины волны. Этот тип спектра действия также называется "спектральной квантовой эффективностью".

Оранжево-красный свет является наиболее эффективным для фотосинтеза.

Как показывают исследования (МакКри, 1972), среднее отклонение от среднего значения для различных видов растений не превышает 5%. Также было показано, что квантовая эффективность больше всего в области оранжево-красного света, т.е. именно оранжево-красный свет является наиболее эффективным для фотосинтеза. Это, кстати, не значит, что растения могут расти только при наличии света данного цвета. Для правильного развития растений очень важно, чтобы они получали хорошо сбалансированный по спектру свет. Доля синего света является очень важной для здорового развития растений. Недостаток синего света приводит к избыточному росту в длину, а иногда и к пожелтению листьев. Количество света в области красного и инфракрасного излучения также важно для роста растений. Небольшая часть света в области инфракрасного излучения предотвращает рост стебля. У разных видов растений чувствительность различная.