Kierunek: Elektrotechnika wersja z dn Promieniowanie optyczne Laboratorium

Transkrypt

1 Kierunek: Elektrotechnika wersja z dn Promieniowanie optyczne Laboratorium Temat: OCENA WPŁYWU LAMP ELEKTRYCZNYCH NA SKUTECZNOŚĆ PROCESU FOTOSYNTEZY Opracowanie wykonano na podstawie: [1] DIN Optical radiation physics and illuminating engineering - Part 10: Photobiologically effective radiation, quantities, symbols and action spectra. [2] S. Dutta Gupta: Light Emitting Diodes for Agriculture. Springer Nature Singapore Pte Ltd [3] Ashdown I.: Photometry and Photosynthesis From Illuminance to PPFD. Chief Scientist, Lighting Analysts, Inc. listopad PODSTAWOWE WIADOMOŚCI 1.1. Skutki promieniowanie optycznego Skutek promieniowania optycznego jest to fizyczna, chemiczna lub biologiczna przemiana wywołana oddziaływaniem promieniowania optycznego na materię (do takich przemian zalicza się zjawiska fotoelektryczne, fotooptyczne, fotochemiczne i fotobiologiczne). Aktyniczność właściwość promieniowania optycznego umożliwiająca wywoływanie przemian chemicznych w pewnych rodzajach materii żywej lub nieożywionej (np. fotosyntezę, fotoutlenianie, fotodysocjację, redukcję sieciowanie polimerów, denaturację białek i inne). PAR - Promieniowanie fotosyntetycznie czynne - promieniowanie słoneczne, które może być zabsorbowane przez barwniki fotosyntetyczne na potrzeby fotosyntezy Fotosynteza Fotosynteza biochemiczny proces wytwarzania związków organicznych z materii nieorganicznej, zachodzący w komórkach zawierających chlorofil przy udziale światła. Jest to jedna z najważniejszych przemian biochemicznych na Ziemi. Proces ten utrzymuje wysoki poziom tlenu w atmosferze oraz przyczynia się do wzrostu ilości węgla organicznego w puli węgla, zwiększając masę materii organicznej kosztem materii nieorganicznej. Fotosynteza zachodzi w dwóch etapach faza jasna (określana jako faza przemiany energii), w której światło jest absorbowane, a jego energia jest zamieniana na energię wiązań chemicznych, a jako produkt uboczny wydzielany jest tlen, oraz faza ciemna (określana jako faza przemiany substancji), w której energia wiązań chemicznych, związków powstałych w fazie świetlnej, jest wykorzystywana do syntezy związków organicznych. Obie fazy zachodzą jednocześnie. Chlorofile grupa organicznych związków chemicznych obecnych między innymi w roślinach, algach i bakteriach fotosyntetyzujących. Nadaje częściom roślin (głównie liściom) charakterystyczny zielony kolor. Funkcją chlorofili w organizmach przeprowadzających fotosyntezę jest wychwytywanie kwantów promieniowania i przekazywanie energii wzbudzenia do centrum reakcji fotoukładu, skąd wybijane są elektrony, spożytkowane następnie w dalszych etapach fotosyntezy. Znaczna zawartość chlorofili w organizmach fotosyntetyzujących jest odpowiedzialna za ich zieloną barwę. Zielony kolor chlorofilu spowodowany jest wysoką absorpcją w czerwonej i niebieskiej części spektrum światła, a niską absorpcją w zielonej części widma. Wyróżnia się wiele rodzajów chlorofili. Najbardziej rozpowszechnione w przyrodzie to chlorofil a i chlorofil b występujące u wszystkich roślin przeprowadzających fotosyntezę. Chlorofile c i d występują jedynie u części glonów. 1

2 Absorpcja (%) Długość fali Rys. 1. Widma absorpcyjne barwników fotosyntetycznych Maksimum absorpcji dwóch najczęściej występujących chlorofili u roślin lądowych: 430 nm i 662 nm dla chlorofilu a, 453 nm i 642 nm dla chlorofilu b. Cząsteczka chlorofilu po zaabsorbowaniu kwantu światła (fotonu) ulega wzbudzeniu do wyższego poziomu energetycznego. Pochłoniecie kwantu światła czerwonego wiąże się z przejściem do pierwszego stanu wzbudzonego (1,8 ev), pochłoniecie kwantu światła niebieskiego skutkuje przejściem do drugiego stanu wzbudzonego (2,5 ev). Wzbudzona cząstka nie jest stabilna i elektrony gwałtownie powracają do swoich stanów podstawowych. Część energii wzbudzenia może być uwolniona jako ciepło (rozproszenie termiczne). Pozostała część energii może być wyemitowana jako foton o większej długości fali (zjawisko fluorescencji). Rys. 2. Wzbudzenie chlorofilu a pod wpływem fotonów promieniowania widzialnego Kwanty światła niebieskiego posiadają wyższą energię niż kwanty światła czerwonego. Mimo to efektywność światła niebieskiego nie jest wyższa niż światła czerwonego. Choć światło niebieskie powoduje w chlorofilu przejście elektronu na wyższy poziom energetyczny, niż w przypadku światła czerwonego, jednak ta dodatkowa energia zostaje utracona w postaci ciepła, a elektron powraca do poziomu odpowiadającemu pierwszemu stanowi wzbudzenia. Światło czerwone (lub jego zawartość w świetle białym) ma podstawowe znaczenie dla procesu fotosyntezy. 2

3 1.3. Widmo czynnościowe fotosyntezy Widmo czynnościowe fotosyntezy określa skuteczność promieniowania elektromagnetycznego w wywoływaniu fotoreakcji P(l) V(l) λ [nm] Rys. 3. Widmo czynnościowe fotosyntezy P(λ) i względna widmowa skuteczność świetlna V(λ) Ziemska atmosfera jest przezroczysta tylko dla części promieniowania podczerwonego i nadfioletowego oraz całego zakresu promieniowania widzialnego. Pozostała cześć promieniowania jest absorbowana przez tlen i ozon w górnych warstwach atmosfery. Jest to zjawisko korzystne, ponieważ ta część promieniowania jest szkodliwa dla żywych organizmów Natężenie napromienienia (wielkości względne) Długość fali (nm) Rys. 4. Rozkład widmowy promieniowania słonecznego ; rozkład widmowy światła dziennego w dni pochmurne i dni słoneczne W dni bezchmurne, kiedy promienie słońca spotykają na swojej drodze jedynie cząsteczki powietrza, widmo przesuwa się ku czerwieni, bowiem rozpraszane są przede wszystkim fale krótkie. Z kolei w dni pochmurne kropelki wody tworzące chmury pochłaniają dodatkowo dużą część fal długich. Jeśli nałoży się na siebie te dwa wykresy, zarys krzywej widma czynnościowego fotosyntezy staje się wyraźnie widoczny. 3

4 2. PRZEBIEG ĆWICZENIA Badane lampy połączyć z zaciskami wyjściowymi zasilacza napięcia przemiennego. Naprzeciwko lampy ustawić głowicę spektrofotometru. Rejestrować rozkłady widmowe badanych lamp w zakresie od 400 nm do 725 nm ze skokiem 1 nm. Ze wzoru (1) wyznaczyć współczynnik oddziaływania fotosyntezowego mierzonego rozkładu widmowego: a pv = λ=380nm λ=380nm E e (λ) P( λ) Δλ E e (λ) V ( λ) Δλ Ze wzoru (2) wyznaczyć skuteczność fotosyntezową badanej lampy: (1) E e (λ) P( λ) Δλ K p = λ=380nm E e (λ) Δλ gdzie: λ=380nm W ef W W E e (λ) m 2 - zmierzona za pomocą spektrofotometru wartość widmowa natężenia napromienienia, nm P(λ) widmo czynnościowe fotosyntezy (2) Zanotować wartość temperatury barwowej T b oraz wskaźnika oddawania barw R a. Wyniki pomiarów i obliczeń zamieścić w tabeli 2. Przeprowadzić analizę uzyskanych wyników. Przeanalizować wpływ rozkładów widmowych badanych lamp na skuteczność procesu fotosyntezy. Sformułować wnioski. 4

5 TABELA 2. Ocena wpływu lamp elektrycznych na skuteczność procesu fotosyntezy W ef Lp Nazwa badanej lampy T b [K] R a a pv K p W

6 BADANE LAMPY Z DIODAMI ŚWIECĄCYMI LED Grow Light 1 LED Grow Light 2 LED Grow Light 3 6