Sehlicht versus Wuchslicht
Teil IV: Bewertung des Lichts, PAR

 

I. Vorwort II. Lichtwirkungen III. Lichtbewertung IV. Ergebnisse V. Diskussion

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as menschliche Auge besitzt im sichtbaren Teil des Spektrums keine gleichbleibende Empfindlichkeit, sondern weist ein ausgeprägtes Maximum im gelb-grünen Spektralbereich bei 555 nm Wellenlänge auf. Bei Blau mit 430 nm und Dunkelrot mit 690 nm Wellenlänge ist das Auge hundertmal unempfindlicher (Bilder 1 und 2).

Um bei lichttechnischen Größen Aussagen über die Wirkung auf den Menschen machen zu können, werden deshalb alle spektralen Strahlungsgrößen Xe,λ mit dem "spektralen Hellempfindlichkeitsgrad des auf Tagessehen adaptierten Auges V(λ)" bewertet. Man erhält dann Größen wie die Leuchtdichte L in Candela pro Quadratmeter oder die Beleuchtungsstärke E in Lux.

Wie funktioniert die Bewertung?

Der Wert der spektralen strahlungsphysikalischen Größe Xe,λ wird mit dem Wert der Bewertungsfunktion V(λ) an der Stelle λ multipliziert, über die gewünschte Spektrumsbreite aufaddiert, und der dann erhaltene Wert mit dem Proportionalitätsfaktor Km (physikalisch aus der Definition der SI-Basiseinheit für die Lichtstärke, 683 lm/W) multipliziert (Bild 3). Die Größe Xe,λ ist in dieser Betrachtung die Strahlungsleistung der Lampe bei der Wellenlänge λ. Mathematisch betrachtet ist das eine Faltung der Strahlungsverteilungsfunktion mit der Bewertungsfunktion:

Km.gif (3061 Byte)

Das Problem bei der Anwendung dieser photometrischen Größen und Einheiten auf Pflanzen ist, daß der Pigmentapparat der Photosynthese das Licht anders registriert als es das menschliche Auge tut. Das Absorptionsspektrum der Chlorophylle besitzt Maxima im blauen und roten Spektralbereich mit dazwischenliegendem Minimum, da, wo das Auge sein Empfindlichkeitsmaximum besitzt (Bild 4).

Man hat sich deshalb entschlossen, die photosynthetisch wirksame Strahlung als PAR (Photosynthetic Active Radiation) anzugeben, wobei für PAR drei Maßeinheiten existieren:

(1) Eingestrahlte Lichtenergie im Spektralbereich 400 bis 700 nm pro Zeit und Fläche, Einheit PAR J/(s·m2) bzw. PAR W/m2.

McCree zeigte 1972, daß die Anzahl der Photonen ein besseres Maß für die Photosyntheseeffizienz ist als die photometrischen Größen Lux oder Lumen. Die folgenden Definitionen zählen deshalb die Lichtquanten. Ein Mol Photonen (6,022·1023, Avogadro-Zahl) wird Einstein, dem Entdecker des Photoeffekts, zu Ehren auch als ein Einstein (E) bezeichnet.

(2) Anzahl der von einer Lichtquelle ausgesandten Photonen im Spektralbereich 400 bis 700 nm, in μmol/s oder μE/s: PAR PPF (Photosynthetic Photon Flux), und schließlich:

(3) Anzahl der pro Flächeneinheit auftreffenden Photonen im Spektralbereich 400 bis 700 nm, Photonenflußdichte in μmol/(m2s) oder μE/(m2s): PAR PPFD (Photosynthetic Photon Flux Density).

PAR berücksichtigt nicht die spektrale Abhängigkeit der Photonenabsorption im Photosyntheseapparat, wie sie in Bild 4 dargestellt ist. Bei PAR zählt jedes Photon gleich, Pflanzen sammeln aber Photonen unterschiedlicher Energie (also Licht unterschiedlicher Wellenlängen) nicht gleichmäßig auf. Der Gedanke liegt daher nahe, für die Photosynthese eine Bewertung einzuführen, wie es bei den photometrischen Größen auch gemacht wird.

Leider lassen sich in der Literatur und im Internet etwa soviel unterschiedliche Wirkspektren der Photosynthese finden, wie es Autoren solcher Studien gibt. Ich habe mir aus der Vielzahl zwei daraus herausstechende Veröffentlichungen herausgesucht. Da ist einmal die Arbeit von Shinji TAZAWA, Effects of Various Radiant Sources on Plant Growth, veröffentlicht im Japan Agricultural Research Quarterly, Ausgabe 33 (1999). Tazawa hat darin die Ergebnisse von Katsumi INADA, einem japanischen Forscher und von Keith J. MCCREE, der an der Texas A&M University arbeitete, zusammengefasst. Insgesamt berücksichtigt das Wirkspektrum nach Tazawa (in den Bildern als "McCree" bezeichnet) 61 unterschiedliche Pflanzenarten. Das ist meines Wissens die bisher größte untersuchte Anzahl.

Die zweite von mir verwendete Publikation ist die vom Deutschen Institut für Normung herausgegebene DIN 5031 "Strahlungsphysik im optischen Bereich und Lichttechnik", Teil 10 "Photobiologisch wirksame Strahlung", und zwar in der aktuellen Version vom Dezember 2013 ("s(λ)sy_DIN-neu") und ihrem Vorgänger vom März 2000 ("s(λ)sy_DIN-alt"). Die Norm gibt dabei selber zu, daß ihre Kurve gar nicht allgemeingültig für alle Pflanzen sein kann. Ich habe beide gewählt, weil die alte dem Spektrums nach Tazawa entgegen (Tazawa hat das Maximum im roten Spektralbereich, die DIN im blauen) und die neue gleich läuft. Ich halte es für interessant zu ergründen, wie sich dieser Unterschied im Ergebnis der Bewertung auswirkt. Die zur Bewertung herangezogenen Wirkspektren sind im Bild 5 dargestellt.

Für die Bewertung habe ich in der Bewertungsfunktion nach DIN 5032-1 den spektralen Hellempfindlichkeitsgrad V(λ) durch die relative Empfindlichkeit der Photosynthese s(λ)sy ersetzt. Um die spezifische Strahlungsleistung an der Stelle λ (also die Größe Xe,λ) zu erhalten, habe ich die Funktion rückwärts angewandt, also aus dem Spektrogramm und dem vom Hersteller angegebenen Lichtstrom des Leuchtmittels die Werte für Xe,λ rückgerechnet.

Was jetzt noch fehlt, ist ein Proportionalitätsfaktor wie das Km in der Gleichung für das menschliche Auge. Aber um einen Vergleich verschiedener Lampen anstellen zu können, ist Km belanglos. Ich habe hier Km einfach zu 1000 gesetzt, um handliche Zahlen zu bekommen. Die Einheiten bleiben konsistent, wenn Km die Einheit "syn/Watt" erhält. Die photometrische Größe X, die bei diesem Bewertungsverfahren dann herauskommt, hat damit die Einheit "syn". Philips hat in einer früheren Publikation den Namen "Phyto-Lumen" vorgeschlagen, der jetzt hin und wieder in manchen Veröffentlichungen erscheint.

Wegen der Häufigkeit, in der sie in der Literatur auftauchen, habe ich im Bild 6 noch die Wirkspektren einer Algenart (Cladophora) und einer Wasserpest-Art dargestellt. Da es sich um Betrachtungen jeweils nur einer einzigen Art handelt, habe ich sie in meiner Bewertung nicht weiter berücksichtigt.

V_lambda_lin_s.gif (5464 Byte)
Bild 1: lineare Darstellung

V_lambda_log_s.gif (5396 Byte)
Bild 2: logarithmische Darstellung


Bild 3: Bewertung


Bild 4: Absorptionsspektrum der Chlorophylle


Bild 5: Wirkspektren der Photosynthese nach DIN 5031-10 und Tazawa


Bild 6: Wirkspektren der Photosynthese von Cladophora und Wasserpest




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