광합성 활성 방사선

광합성 활성 방사선(PAR)은 광합성 유기체가 광합성 과정에서 사용할 수 있는 400~700나노미터의 태양 방사선의 스펙트럼 범위(파대)를 지정한다. 이 스펙트럼 영역은 인간의 눈에 보이는 빛의 범위와 거의 일치한다. 파장이 짧은 광자는 세포와 조직에 피해를 줄 수 있을 정도로 활력이 넘치는 경향이 있지만 성층권의 오존층에 의해 대부분 걸러진다. 더 긴 파장의 광자는 광합성이 일어날 수 있는 충분한 에너지를 가지고 있지 않다.

시아노박테리아, 보라색 박테리아, 헬리오박테리아와 같은 다른 생물체들은 근적외선과 같이 약간 확장된 스펙트럼 영역에서 태양빛을 이용할 수 있다. 이 박테리아는 고인 연못의 바닥, 침전물, 바다 깊이와 같은 환경에서 산다. 색소 때문에, 그들은 녹색, 빨간색, 보라색의 화려한 돗자리를 형성한다.

식물성 색소 중 가장 풍부한 엽록소는 적색과 청색 빛을 포착하는데 가장 효율적이다. 카로틴이나 크산토필과 같은 부속 색소는 약간의 녹색 빛을 얻어 광합성 과정에 전달하지만, 녹색 파장은 충분히 반사되어 잎사귀 특유의 색을 준다. 엽록소의 우위성에 대한 예외는 가을인데, 엽록소는 분해되지만(N과 Mg이 들어 있기 때문에), 부속 색소는 분해되지 않고(C, H, O만 함유하고 있기 때문에) 빨강, 노랑, 주황 잎을 생성하는 잎에 남아 있다.

육지 식물에서 잎은 엽록소 흡광성 때문에 광합성 세포의 첫 번째 층에서 대부분 빨갛고 푸른 빛을 흡수한다. 그러나 녹색 빛은 잎 내부 깊숙이 침투해 붉은 빛보다 광합성을 더 효율적으로 추진할 수 있다.^[1][2] 녹색과 노란색 파장은 엽록소와 잎 전체를 통해 전달될 수 있기 때문에 식물 캐노피 아래의 성장에 결정적인 역할을 한다.^[3]

PAR 측정은 농업, 임업, 해양학에 사용된다. 생산용 농지에 대한 요건 중 하나가 적절한 PAR이기 때문에 PAR은 농업 투자 잠재력을 평가하는 데 사용된다. 숲 캐노피의 다양한 레벨에 배치된 PAR 센서는 PAR 가용성과 활용도의 패턴을 측정한다. 광합성률과 관련 매개변수는 광합성 시스템을 사용하여 비파괴적으로 측정할 수 있으며, 이러한 기구는 PAR을 측정하고 때로는 설정된 강도에서 PAR을 제어한다. PAR 측정은 또한 바다의 유향 깊이를 계산하는데 사용된다.

이러한 맥락에서 PAR이 발광 유량, 조도 등 다른 조명 지표보다 선호되는 이유는 이러한 조치가 인간의 밝기 인식에 기초하기 때문인데, 이는 강한 녹색 편향성이며 광합성에 사용할 수 있는 빛의 양을 정확하게 기술하지 못한다.

단위

구성 단위	정의
광합성 광자속(PPF)	광합성 광자속(PPF) 초당 마이크로몰(μmol·s-1)
광합성 광자 플럭스 밀도(PPFD)	광합성 광자속(PPF) 초당 1제곱미터당 마이크로몰(μmol·m-2·s-1)
광자 플럭스(YPF) 수율	초당 광자속(YPF) 마이크로몰(μmol/s-1) 산출
광자 플럭스 밀도(YPFD) 산출	초당 제곱미터당 광자속(YPF) 마이크로몰(μmol·m-2·s-1) 산출

PAR의 방사조도를 측정할 때 값은 광합성 유기체에 대한 에너지 균형 고려사항과 관련이 있는 에너지 단위(W/m²)를 사용하여 표현된다.^[4]

그러나 광합성은 양자 과정이고 광합성의 화학적 반응은 광자에 포함된 에너지보다 광자의 수에 더 의존한다. 따라서 식물 생물학자는 특정 시간 동안 표면에서 수신한 400~700nm 범위의 광자 수나 광합성 광자 플럭스 밀도(PPFD)를 사용하여 PPFD 값을 정량화하는 경우가 많다.^[4] PPFD 값은 일반적으로 mol⁻² m s 단위를⁻¹ 사용하여 표현된다. 식물 성장과 형태학에서는 지반 면적당 광자의 일일 유동인 데일리 라이트 적분(DLI)을 통해 식물의 광 이용가능성을 특성화하는 것이 좋으며, 주간 길이 변동뿐만 아니라 주간 변동도 모두 포함한다.^[5]

PPFD는 때때로 아인슈타인 단위, 즉 μE m⁻² s를⁻¹ 사용하여 표현되곤 했지만,^[6] 이 용도는 비표준적이고 더 이상 사용되지 않는다.^[7]

조명기구효율

구성 단위	계산
일광 적분(DLI)	0.0036 * PPFD(μmol ms−2−1)*조명의 시간
광합성 광자 효능(PPE)	광합성 광자속(PPF) 우몰 / 와트

광자 플럭스 수율

광합성 활성 방사에는 광합성 광자 플럭스(PPF)와 광자 플럭스(YPF)의 두 가지 일반적인 측정이 있다. PPF는 모든 광자를 400~700nm에서 동등하게 값을 매기는 반면, YPF는 식물의 광합성 반응을 바탕으로 360~^[8]760nm 범위에서 광자를 가중시킨다.

PPF와 함께 설명한 PAR은 400~700nm 사이의 다른 파장을 구별하지 않으며, 이 범위를 벗어난 파장은 광합성 작용이 전혀 없다고 가정한다. 빛의 정확한 스펙트럼이 알려지면 μmol sm⁻¹⁻² 단위의 광합성광자속밀도(PPFD) 값도 서로 다른 파장에 다른 가중인자를 적용해 수정할 수 있다. 이것은 수율 광자 플럭스(YPF)라고 불리는 양을 발생시킨다.^[8] 그래프의 빨간색 곡선은 약 610nm(주황색-빨간색)의 광자가 광자당 광합성량이 가장 높다는 것을 보여준다. 그러나 단파장 광자는 광자당 더 많은 에너지를 전달하기 때문에 에너지의 입사 단위당 광합성 최대량은 650nm(깊이 적색) 정도로 파장이 더 길다.

광질이 식물 성장에 미치는 영향에 대해 상당한 오해가 있는 것으로 알려졌다. 많은 제조업체들이 광품질(높은 YPF)으로 인해 플랜트 성장률이 크게 증가했다고 주장한다. YPF 곡선은 600~630nm 사이의 주황 및 적색 광자가 400~540nm의 청색 광자보다 20~30% 더 많은 광합성을 유발할 수 있음을 나타낸다. ^[9][10] 그러나 YPF 곡선은 저조도 단잎에 대한 단기 측정으로 개발되었다. 전체 발전소를 더 높은 조명으로 한 최근의 장기 연구는 광질이 광량보다 식물 성장 속도에 더 적은 영향을 미칠 수 있다는 것을 보여준다. 푸른 빛은 줄 당 광자 수를 많이 전달하지 않지만 잎의 성장을 촉진하고 다른 결과에 영향을 미친다.^[9][11]

에너지 기반 PAR과 광자 기반 PAR 간의 변환은 광원의 스펙트럼에 따라 달라진다(광합성 효율 참조). 다음 표는 400~700nm 범위까지 잘린 흑체 스펙트럼의 와트 변환 계수를 보여준다. 또한 이러한 광원에 대한 발광 효과와 PAR로 방출되는 실제 흑체 라디에이터의 분율도 보여준다.

T (K)	ηv (lm/W*)	ηphoton (μmol/J* 또는 μmol sW−1*)−1	ηphoton (몰데이−1 W*)−1	ηPAR (W*/W)
3000(따뜻한 흰색)	269	4.98	0.43	0.0809
4000	277	4.78	0.413	0.208
5800 (1998년)	265	4.56	0.394	0.368
참고: W*와 J*는 PAR 와트와 PAR 줄(400~700nm)을 나타낸다.

예를 들어 5800K의 색온도에서 1000lm의 광원은 약 1000/265 = 3.8W의 PAR을 방출할 것이며, 이는 3.8*4.56 = 17.3μmol/s에 해당한다. 태양은 대략적으로 5800 K의 흑체 광원의 경우, 전체 방출 방사선 중 0.368분의 1이 PAR로 방출된다. 일반적으로 흑체 스펙트럼이 없는 인공 광원의 경우 이러한 변환 인자는 근사치일 뿐이다.

표의 수량은 다음과 같이 계산된다.

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

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

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

where ${\displaystyle B(\lambda ,T)}$ is the black-body spectrum according to Planck's law, ${\displaystyle y}$ is the standard luminosity function, ${\displaystyle \lambda _{1},\lambda _{2}}$ represent the wavelength range (400 700 nm) of PAR, and ${\displaystyle N_{A}}$ is the Avogad끊임없이 노를 젓다

제2법칙 PAR효율성

스펙트럼의 PAR 영역에 있는 발전소에 도달하는 방사선의 양 외에 그러한 방사선의 품질을 고려하는 것도 중요하다. 식물에 도달하는 방사선은 에너지뿐만 아니라 엔트로피를 포함하고 있으며, 엑서지를 이 두 개념을 결합하여 결정할 수 있다. 이러한 종류의 분석을 엑서지 분석 또는 제2법률 분석이라고 하며 엑서지는 다른 형태의 에너지로 변환될 수 있는 방사선의 유용한 부분, 즉 유용한 작업의 척도를 나타낸다.

방사선의 엑서지의 스펙트럼 분포는 다음과 같이 정의된다.^[12]

${\displaystyle Ex_{\lambda }=L_{\lambda }(T)-L_{0}-L_{\lambda }-T_{0}[S_{\lambda }-S_{\lambda }}}(T_{0})}]}}}}}}}}}}}}}}}}}]$

엑서지(exergy)로 작업할 때의 장점 중 하나는 방출체(태양), $T{\displaystyle }$ ${\디스플레이스타일$ T$\}$의 온도뿐만 아니라 수신체(플랜트)의 온도에도 의존한다는 점, ${\displaystyle {T\mathrm{}}_{}}$ 0 ${\$ 즉, 발전소가 방사선을 방출하고 있다는 사실을 포함한다. 이름 $x{\displaystyle }$= ${\displaystyle h\frac{}{}}$ ${\displaystyle \frac{c}{}}$ ${\displaystyle \frac{}{}}$ ${\displaystyle \frac{k}{}}$ T ${\$ $및$ y = ${\displaystyle h\frac{}{}}$ ${\displaystyle \frac{}{}}$ ${\displaystyle \frac{k}{}}$ k ${\displaystyle \frac{{T\mathrm{}}_{}}{}}$ ${\displaystyle \frac{{}_{}}{}}${\$displaystyyle$y={\$frac}{\lambda kT_{$0$\}\}\}\}\}\}\}\}\}\}\}\}\}\}\}\}\}\}\}\}\}\}\}\}\}\}\}\}\}\}\}\}\}\}\}\}\}\}\}\}\}\}\}\}\}\}\}\}\}\}\}\}\}\}\}\}\}\}\}\}\}\}\}\}\}\}\}\}\}$

${\displaystyle \int_{0}^{\lambda_{i}Ex(\lambda ,T)d\lambda =\Im_{Ex_{0\오른쪽 화살표 \{i}}}}}}={\frac {15}{4}}}\sigma \좌회전\{{{{{{{{{{{}}}}}}}}}}}T^{3}\왼쪽[(T-T_{0}}x^{3]}Li_{1}(e^{-x})+(3T-4T_{0}x^{2).}Li_{2}(e^{-x})\right.\right.}$

${\displaystyle +\\왼쪽.(6T-8T_{0})xLi_{3}(e^{-x})+(6T-8T_{0}Li_{4}(e^{-x}\오른쪽)}}}$

$왼쪽.T_{0}^{4}\왼쪽[y^{2}Li_{2}(e^{-y})+2yLi_{3}(e^{-y})+2Li_{4}(e^{-y}\right}\}}}}}}}}오른쪽\}}}}}}}}}$

여기서 $L{\displaystyle }$ ${\displaystyle i_{}}$( ${\displaystyle z}$) ${\displaystyle Li_{s}(z)}$은 Polylogarithm이라는 특수 함수다$$. 정의에 따르면, 방사선의 엔트로피 함량의 결과로서, 수신체에서 얻은 엑서지는 방출하는 흑체에 의해 방사되는 에너지보다 항상 낮다. 따라서 엔트로피 함량의 결과로, 지구 표면에 도달하는 모든 방사선이 작업을 생산하는데 "유용한" 것은 아니다. 따라서 방사선과 관련된 공정의 효율은 에너지가 아닌 엑서지에 대해 측정되어야 한다.

T{T\displaystyle}에서 흑체에 위의 표현을 사용하여 방사능의 전환을 위한 최적의 효율성을 높이거나 두번째의 법칙 효율성이 전 방향 포착 레이더 지역에서 일하기[13](λ 1에서){\displaystyle \lambda_{1}=}400nm에 λ 2){\displaystyle \lambda_{2}=}700nm),)5800 K와 T0{에서 유기체입니다.\dis$Playstyle T_{0}$ $$= 300 K는 다음과 같이 결정된다.

${\displaystyle \eta _{PAR}^{ex}(T)={\frac {\int _{\lambda _{1}}^{\lambda _{2}}Ex(\lambda ,T)d\lambda }{\int _{0}^{\infty }L(\lambda ,T)d\lambda }}=0.337563}$

태양 방사선을 사용하는 유기체도 자기 온도의 결과로 방사선을 방출하고 있다는 직접적인 결과로 지금까지 고려된 값보다 약 8.3% 낮다. 따라서 유기체의 온도에 따라 전환인자가 달라지게 되며 엑서지 개념은 에너지 개념보다 더 적합하다.

측정

유타 주립 대학의 연구원들은 다른 유형의 장비를 사용하여 PPF와 YPF에 대한 측정을 비교했다. 그들은 분광광도계로 7개의 공통 방사선 선원의 PPF와 YPF를 측정한 다음, PPF를 측정하도록 설계된 6개의 양자 센서와 YPF를 측정하도록 설계된 3개의 양자 센서의 측정과 비교했다.

그들은 PPF와 YPF 센서가 협대역 소스(빛의 더 좁은 스펙트럼)와 가장 정확한 광대역 소스(빛의 더 큰 스펙트럼)에 대해 가장 정확도가 낮다는 것을 발견했다. 그들은 PPF 센서가 YPF 센서(>9% 차이)보다 메탈할라이드, 저압 나트륨, 고압 나트륨 램프 아래에서 훨씬 더 정확하다는 것을 발견했다. 적색 발광 다이오드의 빛을 측정하는 데 YPF와 PPF 센서 모두 매우 부정확했다(>18% 오류).^[8]

유사측정

PBAR(광생물학적으로 활성 방사선)

PBAR(광생물학적으로 활성 방사)는 PAR을 넘어 포함 광에너지의 범위다. PBF는 PBAR을 측정하는 데 사용되는 측정 기준이다.

사회와 문화

허위광고

많은 성장 조명은 광합성 광자속(PPF)과 같은 값을 제조업체가 추정한다는 의미인 통합구 시험 보고서를 종종 놓친다. 또한 광합성 광자 효능(PPE) (광합성 광자 플럭스 (PPF) 우몰/와트) 값들의 잘못된 광고는 단순히 값을 계산하는 것만으로 피할 수 있다. 또한 일부 제조업체는 1제곱미터 면적에서 PPF 대신 중앙 발광다이오드(LED)의 광합성 광자속밀도(PPFD) 값을 명시한다.

참고 항목

• 작용 스펙트럼
• 일광 적분
• 물에 의한 전자기 흡수

참조

• 게이츠, 데이비드 M. (1980). 뉴욕 스프링거-베를라그 생물물리학 생태학, 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. doi:10.1016/0002-1571(71)90022-7.
• McCree, Keith J (1972b). "Test of current definitions of photosynthetically active radiation against leaf photosynthesis data". Agricultural and Forest Meteorology. 10: 443–453. doi:10.1016/0002-1571(72)90045-3.
• 맥크리, 키스 J. (1981년). "사진 합성 활성 방사선" 인: 식물 생리학 백과사전, vol. 12A. 베를린 스프링거-베를라크, 41-55페이지.

외부 링크

• 광합성 과정
• 스펙트럼 감도가 다른 양자센서 비교