Verlichting: Lumen, fotonen en micromol.

[Xtreme]

Het aantal lumen is de maatstaf voor de sterkte van het algemene licht dat voor het menselijk oog waarneembaar is. Van dit algemene licht gebruiken de planten slechts zo'n 45 %. Het kan dus voorkomen, dat een lamp met een enorm lumenrendement, bijvoorbeeld een straatlantaarn geeft tot wel 200 lumen per watt, voor de planten totaal niet of slechts zeer gedeeltelijk bruikbaar is.
De "ogen" van de planten nemen dus het algemene licht op geheel andere wijze waar dan het menselijk oog. Planten "zien" alleen fotonen. Het aantal fotonen van het groei/bloeilicht wordt bepaald op 1 meter afstand van de lamp en wordt weergegeven in micromol/per seconde/per m2. Er bestaat geen vaste omrekeneenheid om fotonen terug te rekenen naar micromol. Afhankelijk van de golflengte levert elke foton een ander aantal micromollen op.
Dus de aanschaf van een luxmeter heeft totaal geen zin. Het enige juiste meetinstrument voor groei- en bloeilicht is een kwantumsensor.

Xtreme

[monty]

Re: Lumen, fotonen en micromol.

Licht als golfverschijnsel

Licht kan worden voorgesteld als een lopende golf die zich met de lichtsnelheid verplaatst (ca 300.000 km per seconde in vacuüm). Het belangrijkste kenmerk van zo’n golf is de golflengte.
De golflengte van licht wordt meestal uitgedrukt in nanometer, afgekort met “nm”.
Zichtbare straling heeft golflengten tussen 380 en 780 nm (DIN 5031, 1976). De golflengte bepaalt de kleur van het licht. Bij 380 nm begint de kleur violet. Naarmate de golflengte groter wordt, gaan de kleuren over in blauw (ca 420-450 nm), groen (ca 510-550 nm), geel (570-590 nm), oranje (ca 590-600 nm) en rood (eerst helderrood, 620-700 nm en later donkerrood (van circa 700 nm-780 nm).
De onzichtbare straling in het golflengtegebied van 100-380 nm wordt ultraviolette straling genoemd (en kan op zich zelf weer worden onderverdeeld in UV-A (315-380 nm), UV-B (280-315 nm) en UV-C (100-280 nm). Straling in het infrarode gebied begint vanaf 780 nm met IR-A en loopt tot 1400 nm. IR-B ligt in het gebied van 1400 – 3000 nm en IR-C in het gebied van 3000 nm tot ca 1.000.000 nm (= 1 mm). Straling in het IR-A en IR-B gebied wordt wel “nabij-infrarood” genoemd, die in het IR-C gebied “ver-infrarood”. Infrarode straling in het golflengtegebied van circa 780 tot 4000 nm wordt ook vaak aangeduid als “warmtestraling”.


Zonnestraling
Zonnestraling die het aardoppervlak bereikt (direct en ‘diffuus’), bevat behalve zlchtbaar licht (ca 43-60%) ook een klein deel ultraviolet licht (ca 5 à 10%, in het UV-A en UV-B-gebied) en infrarode warmtestraling (30-49%). De exacte verdeling hangt sterk af van ondermeer de hoogte van de zon (elevatie) en de bewolkingsgraad. Het golflengtegebied van de zonnestraling die de aarde bereikt ligt tussen circa 280 nm en 3000 nm. Deze zonnestraling wordt ook wel “globale kortgolvige straling” genoemd of kortweg “globale straling”. Ze kan (voor het grootste deel) worden gemeten met een solari-meter (bandbreedte 305-2800 nm) en wordt uitgedrukt in Watt per m2. Voor het bepalen/verklaren van het effect van zonnestraling op de plantengroei is kennis van alleen de globale straling onvoldoende. Hieronder worden nog enkele andere “lichttechnische” (intensiteits)maten gedefinieerd, die men bij belichting vaak tegenkomt (en die meer of minder rechtstreeks van belang zijn voor de mate van fotosynthese).

Licht als “deeltjes verschijnsel”
Voor de verklaring van de wisselwerking tussen straling en materie (zoals een blad) is de beschrijving van licht als golfverschijnsel onvoldoende. Hiervoor is beschrijvingswijze van straling als een stroom van lichtdeeltjes (fotonen), die elk een bepaalde hoeveelheid energie bevatten, beter geschikt. De energie van een foton (licht-kwantum) is omgekeerd evenredig met de golflengte. Dit betekent dat naarmate de golflengte kleiner wordt, de energieinhoud van een lichtdeeltje groter wordt. Een violet-foton heeft derhalve een grotere energieinhoud dan een rood-foton1. De grootte van een lichtstroom beschouwd als fotonenstroom kan worden uitgedrukt als het aantal fotonen per seconde. Als hoeveelsmaat hiervoor wordt het uit de scheikunde afkomstige begrip “mol” gebruikt. Eén mol van een stof (en in dit geval van licht) bevat een vaste hoeveelheid deeltjes, die door Avogadro is bepaald op 6,023x1023 (‘getal van Avogadro’). In de praktijk is een meer praktische maat de micromol (μmol = 1 miljoenste mol). Een lichtstroom van bijvoorbeeld 100 μmol/s van rode fotonen met een golflengtevan 700 nm correspondeert met een energiestroom van 17,1 W. Een lichtstroom van 100 μmol/s violette fotonen van 400 nm bevat 29,9 W. Hieruit blijkt dat violette fotonen circa 1.75x meer energie bevatten dan rode fotonen. Zoals in de volgende alinea nog wordt toegelicht, hebben rode fotonen bij de fotosynthese evenveel effect als violette fotonen. Het teveel aan energie van de violette fotonen gaat als warmte verloren.
De energie-inhoud van een foton kan wordt beschreven door de formule E=h c/λ, waarin h = constante van Planck (6.6255x10-34 J.s), c= lichtsnelheid (2.998x108 m/s en λ is de golflengte (in m).

Verband tussen fotonen en fotosynthese
Tijdens de fotosynthese in een blad wordt water en CO2 onder invloed van licht omgezet in glucose en zuurstof (O2). Een belangrijke rol bij dit assimilatieproces spelen de bladgroenkorrels in het blad. Hierin bevinden zich pigmenten (kleurstoffen) zoals chlorofyl (a en b) en caratenoïden die door fotonen geactiveerd (‘aangeslagen’) kunnen worden. De ingevangen lichtenergie wordt omgezet in chemische energie, die gedeeltelijk in het fotosyntheseproces in 2 fasen met behulp van enzymen wordt vastgelegd in glucose (een soort suiker). Deze kan voor de ademhaling van de plant worden gebruikt, maar ook worden gebruikt als basisproduct voor meer ingewikkelde verbindingen, zoals eiwitten, vetten, zetmeel, DNA en celwandbestanddelen. Ingevangen lichtenergie die niet wordt benut in de pigmenten, komt vrij als warmte of als straling (de uitgezonden straling heeft een langere golflengte dan die van het oorspronkelijk geabsorbeerde licht, meestal verrood of infrarood: dit verschijnsel heet fluorescentie). Wat het licht betreft is vooral het aantal fotonen (per tijds- en oppervlakte-eenheid, uitgedrukt in μmol/s.m2) in het fotoactieve golflengtegebied van 400-700 nm bepalend voor de mate van foto-synthese. De kleur van het licht is daarbij van ondergeschikt belang. Alhoewel het chlorofyl in de bladgroenkorrels het meeste oranjerood en blauw/violet licht absorberen, zijn er andere pigmenten in de bladgroenkorrels die gevoeliger zijn voor geel/groen licht. Deze - en ook het chlorofyl b - kunnen de ingevangen lichtenergie ‘doorgeven’ aan chlorofyl a, dat direct bij de lichtreactie is betrokken (bij de lichtreactie wordt waterstof van watermoleculen afgesplitst onder de vorming van zuurstof).

Invloed kleur
De planten worden langer naarmate het aandeel blauw in het groeilicht afneemt. Bij een afnemende rood/verrood verhouding is er ook een toename van de strekkingsgroei. Ter vermijding van een overmatige strekkingsgroei is een aandeel van (daggemiddeld) minimaal circa 11 % (in fotonen) van blauw licht gewenst. Bij gebruikmaking van HDnatrium lampen als bijbelichting in kassen, treedt in het algemeen geen overmatige strekkingsgroei op, omdat het zonlicht dat de kas binnenkomt, al voldoende blauw licht bevat (“SON-T”-lampen van Philips bevatten zelf circa 6% blauw licht). Pas bij zeer substantiële dagverlenging van bijvoorbeeld 10 uur of meer zouden gevoelige gewassen, zonder additioneel blauw licht, een bovenmatige strekkingsgroei kunnen gaan vertonen.

Assimilatiebelichting
In het taalgebruik over belichtingssystemen en bij de dimensionering daarvan worden vaak verschillende termen en ‘lichteenheden’ gebruikt. Voor de duidelijkheid zullen de belangrijkste termen en definities hieronder kort worden behandeld.

Lichtbron: een apparaat dat zichtbare straling uitzendt tussen 380 en 780 nm (en daarnaast vaak ook nog niet-zichtbare straling in het infrarode gebied).

Groeilicht: licht dat bedoeld is om de groei van de planten te verbeteren. Hierbij gaat het met name om licht dat de fotosynthese stimuleert. Het is gangbaar hiervoor het spectrale gebied van 400-700 nm te nemen (het licht in dit gebied wordt ook wel PAR-licht genoemd; PAR = photosynthetically active radiation). Het gebied tussen 700 en 730 nm speelt waarschijnlijk ook een rol bij de fotosynthese, maar omdat die invloed nog niet goed bekend is wordt dat gebied meestal niet meegenomen.

Stuurlicht: licht dat bedoeld is om de ontwikkeling van de plant in een bepaalde richting te sturen. Bij sturen is vaak een groter deel van het stralingsspectrum betrokken (ca 280-800 nm)

Lichtmaten/lichteenheden voor de fotosynthese

PPFD: de in de vorige paragraaf genoemde fotonenstroom (aantal fotonen per oppervlakteen tijdseenheid) in het foto-actieve gebied van 400-700 nm wordt ook wel de photosyntheticphotonflux-density (PPFD) genoemd en wordt uitgedruk in (μmol/s)/m2. Bij (assimilatie)belichting van gewassen is met name deze grootheid van belang.

PPF: fotonenstroom in het foto-actieve gebied van 400-700 nm (aantal fotonen per tijdseenheid) wordt ook wel de photosynthetic-photon-flux (PPF) genoemd (μmol/s). Wordt er gedeeld door het oppervlak waarop de stroom valt dan krijgt men de (gemiddelde) PPFD.

Watt: eenheid van stralingsstroom. Geeft de energieinhoud van de straling weer. Meestal wordt de stralingsdichtheid gebruikt, uitgedrukt in Watt per m2, afgekort W/m2. Om deze maat betekenis te geven, moet het golflengtegebied worden opgegeven. Voor de zogenaamde ‘globale straling’ wordt vaak het golflengtegebied van 280-3000 nm gebruikt.

WattPAR: eenheid van stralingsstroom met golflengten liggend tussen 400-700 nm. Dit is de straling die actief is bij de fotosynthese.

Lumen: eenheid van lichtstroom. Hierbij gaat het om de lichtsensatie volgens de menselijke ooggevoeligheids curve Het menselijk oog is het meest gevoelig voor groen licht (van circa 555 nm). Naarmate de golflengte groter of kleiner wordt daalt de gevoeligheid (volgens de klokvormige kromme). In de bepaling van de hoeveelheid lumen die een lichtstroom bevat, telt bevoorbeeld lichtblauw licht van 500 nm maar circa 1/3 maal zo zwaar als groen licht van 555 nm. Eén Watt licht van 555 nm bevat 682 lumen, eén Watt van 500 nm nog maar circa 221 lumen.

Lux: eenheid van verlichtingssterkte = lichtstroom per oppervlakte-eenheid (1 lux = 1 lumen per m2). Deze maat is bedoeld om de aan te geven hoeveel licht er op een oppervlak valt, gewogen volgens de ooggevoeligheidscurve. Eigenlijk heeft deze maat alleen maar zin voor toepassingen waarin de mens betrokken is (bijvoorbeeld bij werkplekverlichting, straatverlichting en dergelijke). Toch wordt ze (ongelukkigerwijs) ook vaak gebruikt om de intensiteit van de assimilatiebelichting in uit te drukken. Zoals hiervoor aangegeven is de plantgevoeligheid anders dan die van het menselijk oog en is de PPFD een betere maat hiervoor. Hieronder is voor een aantal lamptypen aangegeven met hoeveel (μmol/s)/m2 1000 lux overeenkomt

Lamp-efficiëntie: het rendement van een lamp kan op twee manieren worden gedefinieerd. Als het gaat om licht voor verlichting (voor menselijke toepassingen) dan is een goede maat. Menselijke ooggevoeligheidskromme (rood) en conversiefactor lumen/W als functie van golflengte (onderbroken blauwe curve)
daglicht (gemiddeld): 1000 lux = 17.86 (μmol/s)/m2
gloeilamp: 1000 lux = 20.41 (μmol/s)/m2 TL 33 (Philips): 1000 lux = 12.82 (μmol/s)/m2
SON-T plus (400W): 1000 lux = 11.76 (μmol/s)/m2 (hoge-druk natrium)
de hoeveelheid licht (in lumen) die wordt uitgezonden per toegevoerde Watt elektrische energie (lumen/We). Als het gaat om assimilatiebelichting, dan is een betere rendementsmaat het aantal micromol fotonen per seconde (tussen 400 en 700 nm) dat per Watt elektrische energie wordt uitgezonden ((μmol/s)/We).

Lichtsom: dit is de lichtintensiteit vermenigvuldigd met de tijdsduur dat die optreedt. Vaak wordt de lichtsom over een dag bepaald. Afhankelijk van welke ‘type licht’ er gemeten wordt, zijn er verschillende eenheden in gebruik:
- luxmeter: lichtsom uitgedrukt in klux.uur/dag (ook wel afgekort als klxh/d)
- solarimeter: meet globale straling in W/m2 tussen 305 en 2800 nm. De lichtsom wordt vaak uitgedrukt in J/cm2 per dag (1 W = 1 J/s). Een alternatieve maat is Wh/m2 per dag (1 Wh/m2 = 0.36 J/cm2)
- groeilichtmeter: meet òf de straling in W/m2 in het PAR-gebied tussen 400 - 700 nm (de lichtsom wordt dan uitgedrukt in JPAR/cm2 per dag of in WhPAR/m2 per dag), òf meet de fotonenstroom in het PAR-gebied (de lichtsom wordt dan meestal uitgedrukt in mol/m2 per dag; deze hoeveelheidsgrootheid wordt wel PAP genoemd: photosynthetically active photons; 1 mol = 1,000.000 μmol)



Fotonen
Licht is een apart verschijnsel. Het gedraagt zich als een golfbeweging, net als geluid, maar de energie die met licht overgedragen wordt zit in hele kleine deeltjes, fotonen genaamd. Die fotonen leveren de energie voor het fotosyntheseproces. De energie-inhoud van een foton verschilt per golflengte waarop deze uitgezonden wordt. De energie-inhoud van een foton wordt uitgedrukt in kwantum (E). Een PAR-sensor meet de energie van de fotonen, deze zal voor eenzelfde aantal fotonen in het blauwe gebied op een hogere energiehoeveelheid uikomen dan voor fotonen in het rode gebied (hogere golflengte). Het fotosyntheseapparaat van een plant reageert echter alleen op het aantal fotonen. Dus om precies te bepalen hoeveel fotosynthese er bij een bepaalde hoeveelheid licht mogelijk is dient het licht gemeten te worden met een kwantumsensor. De door de kwantum-sensor gemeten fotonenstroom wordt uitgedrukt in de eenheid in micromol (µmol) per m2 per seconde. Vroeger werd i.p.v. micromol ook wel de term microEinstein gebruikt, genoemd naar de ontdekker van het fenomeen kwantum. Wat de kwantumsensor meet is PPFD. Dit is een afkorting voor de engelse term Photosynthetic Photon Flux Density, of vrij vertaald de stroomdichtheid van fotonen t.b.v. fotosynthese.

De relatie tussen Watt en µmol
is niet lineair

bij 400 nm is 1 Watt = 3,4 µmol
bij 700 nm is 1 Watt = 5,8 µmol

PAR en PPFD zijn daarom niet
naar elkaar om te rekenen.




De lichtsom in fotonen wordt PPFD (Photosynthetic Photon Flux Density) genoemd en wordt uitgedrukt in mol fotonen per m2 per dag (mol m-2d-1). De gemiddelde lichtintensiteit in µmol m-2s-1 kan vervolgens worden uitgerekend door de lichtsom te delen door de duur (in seconden) van de lichtperiode.

Je kunt een lichtbron beschouwen als een bron die energiedeeltjes uitzendt. Deze deeltjes noemen we lichtkwanta of fotonen. De energie-inhoud van een foton is gerelateerd aan diens golflengte. Het totale aantal fotonen tussen 400 en 700 nm dat de bron per seconde uitzendt, noemen we de PPF (Photosynthetic Photon Flux = fotonflux voor fotosynthese), een hoeveelheid die we meten in µmol s-1. PPF is vergelijkbaar met de idee van een lumen, maar is gebaseerd op de gevoeligheidsreactie van planten. De energie-inhoud van een 400 nm foton (blauw) is 1,75 maal hoger (700/400) dan die van een 700 nm foton (rood), maar de fotonen hebben hetzelfde effect op het fotosynthetische proces. De extra energie van een blauwe foton wordt grotendeels omgezet in warmte.
Het aantal fotonen tussen 400 en 700 nm dat de plant absorbeert, en niet de totale energie-inhoud van deze fotonen, bepaalt de snelheid van fotosynthese. Daarom definiëren we het aantal fotonen tussen 400 en 700 nm dat per seconde op een bepaald oppervlak valt als PPFD (Photosynthetic Photon Flux Density = fluxdichtheid van fotonen ten behoeve van fotosynthese). Deze PPFD is de enig juiste hoeveelheid die we kunnen gebruiken om de hoeveelheid licht voor het fotosynthetische proces aan te geven. PPFD is vergelijkbaar met de idee van een lux (lumen m-2), maar is daarentegen gebaseerd op de gevoeligheidsreactie van planten.
We meten de PPFD met behulp van een kwantumsensor, en drukken hem uit in µmol fotonen per m² per seconde (µmol m-2 s-1). Wanneer we het over PAR (Photosynthetic Active Radiation = straling die actief meedoet aan fotosynthese) hebben, refereren we aan de energie-inhoud van licht tussen 400 en 700 nm (in W m-2).

PPF = het totale aantal fotonen tussen 400 en 700 nm; eenheid µmol s-1
PPFD = het aantal fotonen per seconde tussen 400 en 700 nm per oppervlakte-inhoud; eenheid µmol m-2 s-1
PAR = energie-inhoud per seconde van licht tussen 400 en 700 nm per oppervlakte-eenheid; uitgedrukt in W m-2
Spectrale gevoeligheid van de plant


Zelfs binnen het PAR-bereik zijn niet alle planten in gelijke mate gevoelig voor alle golflengten. Dit wordt onder andere veroorzaakt door de specifieke absorpties van alle pigmentsoorten in de bladeren, waarvan chlorofyl de meest bekende is. Tengevolge van een relatief sterke reflectie en transmissie gebruikt het blad groen licht het minst effectief. Dit verklaart waarom het menselijk oog bladeren waarneemt als groen.
Het effect van straling van verschillende golflengten op plantengroei ziet u in een gevoeligheidscurve van een plant. Aangezien fotosynthese het meest belangrijke proces is voor de groei van de plant, gebruiken we een actiespectrum dat beschrijft hoe we de fotosynthese bij verschillende golflengtes bepalen. Dit fotosynthetische actiespectrum is gebaseerd op het aantal fotonen (lichtkwanta) dat de plant per golflengte absorbeert. Dit soort actiespectrum noemen we ook de 'spectrale kwantumefficiëntie'.
;Onderzoek (McCree 1972) heeft aangetoond dat de gemiddelde afwijking van het gemiddelde waarde bij verschillende plantensoorten niet meer is dan 5 %. Tevens is aangetoond dat het kwantumrendement hoger is in het oranje-rode gebied, dat wil zeggen: het oranje-rode licht zorgt voor de meest efficiënte fotosynthese. Dat betekent overigens niet dat planten uitsluitend kunnen groeien met dit soort licht. Het is uitermate belangrijk dat de planten een goed uitgebalanceerd spectrum opvangen voor een juiste groei. Het gehalte aan blauw licht is erg belangrijk voor een gezonde ontwikkeling van de plant. Een tekort aan blauw licht leidt tot een langere plant (bovenmatige groei van de stengel) en soms tot geelachtige bladeren. Tevens is de verhouding tussen rood en dieprood belangrijk voor de ontwikkeling van de plant. Een laag aandeel dieprood verhindert de groei van de stengel. Deze gevoeligheidsreacties verschillen per plantensoort.

[Xtreme]

Re: Lumen, fotonen en micromol.

Bedankt voor de uitbreiding van de info Monty. Nu maar hopen dat de mensen het aantal lumen niet meer als maatstaf aanhouden. Een ieder die jouw addendum heeft gelezen zal geen vragen meer aandragen of straatlantaarns, zonnehemels en autolampen e.d. "geschikt zijn".

[Groene Geest]

Re: Lumen, fotonen en micromol.

Ik vind dit een heel leerzaam en uitgebreid stuk. helemaal perfect en heel hard nodig voor iedereen die met licht en lampjes experimenteert. Ik ben d'r blij mee.