Ergänzung 1.7: Strahlungsgrößen und Radiometrie      (8/9)

Die Photosynthetisch Aktive Strahlung PAR
(engl.: Photosynthetically Active Radiation PAR oder Photosynthetic Photon Flux Density PPFD)

Messungen der Strahlung, die für die Photosynthese der Vegetation wesentlich ist, haben in der Biologie eine besondere Bedeutung. Da jedes vom Photosystem einer Pflanze absorbierte Photon zur Photosynthese beitragen kann, ist das Wellenmodell des Lichts wenig geeignet und Daten in Einheiten von W/m² sind nicht relevant. Vielmehr ist die Photosynthese ein quantenmechanischer Vorgang und daher ist die Zahl der Photonen in dem von Pflanzen genutzten Spektralbereich von Interesse.

Der Bereich erstreckt sich von 400 nm (dunkelblau) bis 700 nm (dunkelrot) und stimmt ungefähr mit dem sichtbaren Licht überein. Man kann die Strah­lung als Quanten-Bestrahlungsstärke der Photosynthese bezeich­nen. Sie ist die Photosynthetisch Aktive Strahlung (PAR). Da Photonen nicht weiter unterschieden werden, wurde eine der Chemie entlehnte Bezeichnung für Photonenzahlen eingeführt: das Mol, das hier als Einstein bezeichnet wird. Ein Einstein entspricht daher 6·10²³ Photonen.

Formelzeichen: $PAR$
Maßeinheit: Photonen/(Fläche·Zeit), $\left[PAR\right]=\frac{\text{Einstein}}{{\text{m}}^2\text{s}}$

Etwa 500 μEinstein/(m²s) sind für ein gesundes Wachstum von Pflanzen erforderlich.

Die Energie eines Photons ist   $E=hf=\frac{hc}{\lambda }$,

mit dem Planckschen Wirkungsquantum h=6,626·10^-34 J s, der Lichtge­schwindigkeit c=2,998·10⁸ m/s, sowie der Frequenz f und der Wellenlänge λ der entsprechenden elektromagnetischen Welle. Die optische Leistung der Photonen bestimmt sich aus ihrer Photonenenergie und ihrer Anzahl n pro Zeit. Für eine differenzielle Photonenzahl dn mit der Photonenenergie E in einem Wellenlängenintervall dλ ist die optische Leistung:

Nun sollen Photonen von 400 bis 700 nm gezählt werden, wobei ihre Wellenlänge keine Rolle spielen darf. In der rechten Spalte der ersten Seite dieser Ergänzung war die spektrale Empfindlichkeit eines Detektors als Verhältnis des elektrischen Ausgangs­signals zur auffallenden optischen Leistung eingeführt worden. Sie wird hier mit S bezeichnet.

Wenn für die spektrale Empfindlichkeit gilt:

die Empfindlichkeit im relevanten Spektralbereich also proportional zur Wellenlänge wächst, dann wird:

Diese spektrale Charakteristik kann mit einer Halbleiter-Fotodiode und einer Kombination optischer Filter vor der Sensorfläche erreicht werden. Solche PAR-Sensoren sind vielfältig verfügbar.

Alternativ kann ein Spektrometer genutzt werden, wenn seine spektrale Empfindlichkeit mit einer Korrektur­funktion softwareseitig so angepasst wird, dass ein proportionaler Anstieg mit der Wellenlänge im relevanten Spektral­bereich erreicht wird.

Ein Nachteil des soweit dargestellten Verfahrens: Photonen werden unab­hängig von ihrer Energie immer gleich gewichtet. Das sollte zwar genau so sein, aber die Wahrscheinlichkeit einer Absorption durch pflanzliche Photosysteme ist nicht unabhängig von der Photonenenergie bzw. der Wellenlänge. Chlorophyll a absorbiert im blauen und roten, aber nur gering im grünen Bereich. Photosysteme von Pflanzen bestehen aus weiteren absorbierenden Pigmenten wie etwa Chloro­phyll b, Karotin und Xanthophyll, die gemeinsam die sogenannten licht­sammelnden Komplexe (Light-Harvesting Complexes LHC) bilden. Es wäre sinnvoll, dies bei der Zählung von Photonen zu brücksichtigen.

Extinktion einiger Chlorophylle. Chlorophyll a und b kommt in den Blättern aller Landpflanzen und in Grünalgen vor. Bakteriochlorophyll a ist in Purpurbakterien enthalten, bei deren Photosynthese kein Sauerstoff produziert wird und die nur unter sauerstofffreien Bedingungen existieren. Die Spektren sind auf einen gemeinsamen Wert des Maximums normiert.
Quelle: PhotochemCAD

Ein Spektrometer bietet den Vorteil, Licht entsprechend solcher Eigen­schaften zu gewichten. Diese Methode führt zu einer weiteren Größe, die als Photo­synthetisch Nutzbare Strahlung (engl.: Photo­synthetically Usable Radiation PUR oder auch Photosynthetic Photon Flux Density PPFD) bezeichnet wird. Diese Daten werden ebenfalls in der Einheit Einstein/(m²s) angegeben.