Почему растения зеленые?
Потому что им не нужен зеленый свет – они его отражают. Что же нужно растениям? На рисунке показан спектр поглощения хлорофилла растения. На спектре присутствуют два пика: в области синего и красного цветов. В области зеленого цвета наблюдается провал. На том же рисунке показан солнечный спектр.
В чем измеряется свет для растений?
Не в люменах и канделах. Эти единицы адаптированы для человеческого зрения. И даже не в ваттах. Принципиально важно, что для возбуждения одной молекулы хлорофилла необходим один фотон. Поэтому свет для растений измеряется в фотонах. Сколько в одном ватте световой мощности фотонов? Энергия одного фотона определяется формулой:
Q = h х c / λ
где c – скорость света (2,998x108 м/с), h – постоянная Планка (6,6262x10-34 Дж х с), λ – длина волны излучения (м).
Величина, обратная энергии фотонов, соответствует числу фотонов за секунду в световом излучении мощностью 1 вт.
Так как в формуле присутствует длина волны, то число фотонов N в одном ватте зависит от длины волны. Например, для длины волны 470 нм N470=2,37x10^18 фотонов в секунду, для длины волны 525 нм – N525=2,64x10^18, для длины волны 660 нм – N660=3,32x10^18.
Так как с такими большими числами оперировать неудобно, то число фотонов считается в молях. Моль – это единица, обратная постоянной Авогадро (Na= 6,02x1023). Тогда N470=3,93 мкмоль/с, N525=4,39 мкмоль/с, N625=5,52 мкмоль/с.
Сколько света нужно растению?
Естественное освещение
Для средних широт средняя за день мощность солнечного излучения в спектральном диапазоне от 300 до 700 нм – ФАР (фотосинтетически активной радиации) составляет 235 Вт/м2/с или около 1 ммоль/м2/с. Если посмотреть на спектр излучения солнца и спектр поглощения хлорофилла, то можно увидеть, что значительная часть солнечного излучения не поглощается растениями. Расчеты показывают, что доля эффективного использования солнечного света растениями не превышает 40%. В итоге мощность солнечного излучения, потребляемого растениями, составит 400 мкмоль/м2/с.
За 12-часовой световой день на один квадратный метр земной поверхности падает около 43 молей фотонов в ФАР диапазоне, из которых растениями используется около 17 молей.
Освещение лампами дневного света
Для подсветки растений часто используются люминесцентные лампы. Пусть электрическая мощность лампы 65 вт. Тогда, при КПД 20% оптическая мощность составляет 13 вт. С учетом потерь на отражатель, необходимый для создания направленного светового потока, ФАР мощность составит 8 вт. На рисунке показаны спектр излучение лампы ЛДЦ-65 и спектр поглощения хлорофилла. Доля эффективного использования света лампы ЛДЦ составляет не более 50%. В итоге мощность излучения люминесцентной лампы ЛДЦ-65, потребляемого растениями, составит 4 вт или 24 мкмоль/м2/с.
За 16-часовой световой день на один квадратный метр поверхности, освещаемой такой лампой, падает около 0,52 молей фотонов в ФАР диапазоне, из которых растениями используется около 0,26 молей.
Светодиодное освещение
Благодаря узким спектрам светодиодов можно построить систему подсветки, практически совпадающую со спектрами поглощения хлорофиллов «а» и «b». В такой системе нужно использовать 4 типа светодиодов. В этом случае коэффициент использования света будет близок к 100%. Такая система может выглядеть следующим образом:
К сожалению, это только идеализация - спектр поглощения света живыми растениями может существенно отличаться от показанного на рисунке спектра поглощения света хлорофиллами «а» и «b». Кроме того подобрать диоды с такими длинами волн также является проблемой.
Сегодня для подсветки растений чаще всего используются светодиоды с длинами волн 440, 470, 625 и 660 нм.
Конкретных рекомендаций по выбору тех или иных светодиодов и по соотношению их интенсивности нет. Есть самые общие рекомендации: синий свет активизирует рост корневой системы, цветение и созревание плодов, красный отвечает за развитие листьев и рост растения в целом. Одни рекомендуют использовать светодиоды 440 и 660 нм, другие – 470 и 625. В итоге следует помнить, что критерий истины – практика.