Для оценки количества лучистой энергии, полученной растением за определенное время, вводится понятие количества облучения, или дозы облучения.

Суммарная облученность (E) определяется как поверхностная плотность мощности оптического излучения, падающего на данную поверхность; представляет собой отношение лучистого потока (мощности излучения) F к площади облучаемой поверхности S:

E = F/S

Облученность рекомендуется измерять в ваттах на 1 м² (Вт/м²). Иногда облученность выражают также в калориях на 1 дм² в час, в эргах на 1 см² в секунду и т.д. Соотношения между различными единицами облученности представлены в таблице. Для измерения суммарной облученности можно применять пиранометр системы Ю. Д. Янишевского.

Количество облучения учитывает количество лучистой энергии, полученной растениями на определенной поверхности за данное время. В случае неизменной облученности количество облучения равно произведению облученности на время. В общем случае .при изменяющейся облученности количество облучения определяется как интеграл:

 ∫ E1dt

где Е1 — мгновенное значение облученности, a t1 и t2 – время начала и конца облучения. Количество облучения измеряют в ватт-часах, а также в калориях или эргах на единицу поверхности: Вт*ч/м² = 8,6 кал/дм²=3,6*106 эрг/см2.

Приборами для непосредственного определения дозы облучения служат фотоинтегратор Института физиологии растений и фитодозиметр Института биофизики.

В то же время следует определять не только горизонтальную, но и сферическую облученность, которая поможет характеризовать количество излучения, получаемого со всех сторон определенной точкой растения или отдельно стоящим растением.

Сферическая облученность. Листья растений обычно имеют различный наклон и кроме прямого излучения получают со всех сторон отраженное излучение. Для характеристики поверхностной плотности падающего со всех сторон излучения пользуются понятием средней сферической облученности, т. е. средней облученности на поверхности сферы бесконечно малого радиуса, описанной вокруг данной точки. Для измерения среднего сферического количества излучения разработан ряд приборов, характерная особенность которых — наличие приемного устройства в виде сферы.

При исследованиях влияния оптического излучения на фотосинтез и другие физиологические процессы в растениях очень важное значение имеет спектральная облученность. Спектральная облученность, или спектральная интенсивность облученности еλ, представляет собой отношение облученности ΔЕ, соответствующей узкому участку спектра Δλ, к длине этого участка:

  еλ =  ΔЕ / Δλ

и измеряется в ваттах на квадратный метр на нанометр: Вт/м²*нм.

Измерение количества падающего на растения физиологически активного излучения необходимо для создания оптимальных режимов облучения растений в условиях светокультуры. Чтобы определить суммарную энергию, попавшую на растения за определенный промежуток времени (день, месяц, вегетационный период), пользуются несколькими методами.

Первый, более грубый метод, заключается в подсчете числа часов горения ламп за все время физиологически активной облученности по приведенной ниже таблице. Перемножая эти две величины, узнают количество физиологически активного облучения в ваттах, эргах или калориях, потраченное за время выращивания растений. Более точные данные можно получить, если систематически (например, через час) измерять облученность растений, результаты перевести в энергетические единицы, а затем либо суммировать их, либо построить график суточного (месячного) хода изменения облученности. Наконец, можно воспользоваться фотоинтегратором ИФРа, который суммирует все количество физиологически активного излучения за время облучения растений.

В настоящее время измерительные приборы классифицируют в соответствии со спектральной характеристикой, формой приемного устройства (плоская или сферическая) и способом отсчета (мгновенным или интегральным).

Теория и приемы измерений, используемые для оценки оптической и энергетической характеристик излучения и процесса его поглощения, относятся к разделу физической оптики — фотометрии. Фотометрия как наука существует более 300 лет, со времени классических исследований Кеплера. Он сформулировал один из основных законов фотометрии, иногда используемый в светокультуре растений, — закон обратной пропорциональности между величиной облученности в точке и квадратом расстояния от этой точки до источника излучения.

Измерения в различных областях спектра называются спектральной фотометрией.

В ботанико-физиологических исследованиях фотометрию стали применять в XIX в. Вначале преобладала визуальная фотометрия, когда условия облучения оценивали или непосредственно «на глаз», или с помощью примитивных оптических приборов в световых единицах.

Следующим этапом была фотохимическая фотометрия, когда облученность определяли по скорости химической реакции. Распространенным приемом фотохимической фотометрии было определение времени, необходимого для полного почернения фотобумаги. В этом случае за эталон принимали время, необходимое для почернения бумаги в ясный июньский полдень.

Для измерения количества лучистой энергии, поглощаемой листом, т. е. для фитофотометрии, в физиологии растений применяли различные фотохимические приборы. Первый такой прибор, названный фитоактинометром, был создан Л. А. Ивановым (1946).

В настоящее время в светофизиологии и светокультуре наибольшее распространение получили приборы, основанные на явлении фотоэлектрического эффекта, позволяющие быстро и точно определить величину облученности (люксметры, пиранометры, фотоинтеграторы, фитопиранометры и др.).

Применительно к практике облучения растений следует пользоваться энергетическими величинами, так как для физиологических целей важно знать полезную энергию, получаемую растениями, а не освещенность, ощущаемую нашим глазом.

Спектральные характеристики различных источников и приемников оптического излучения

Спектральные характеристики различных источников и приемников оптического излучения: 1- распределение энергии в спектре солнца при высоте солнцестояния 65°; 2 - то же, для лампы накаливания 300 Вт, 3 - то же, для люминесцентной лампы дневного света, 4 - спектральная чувствительность селенового фотоэлемента ЛФП, 5 -спектральная чувствительность люксметра с корректирующим светофильтром 3C-I

 

На рисунке показано спектральное распределение энергии излучения физиологически активной области спектра солнца, лампы накаливания и люминесцентной лампы дневного света. Здесь же приведены кривые спектральной чувствительности фотоэлемента АФИ (объективный люксметр) и люксметра завода «Вибратор» с корректирующим светофильтром, соответствующим кривой видности человеческого глаза. Очевидно, если от каждого из источников излучения на фотоэлемент люксметра падает одно и то же количество энергии, то показания люксметра будут различны. Следовательно, количество энергии, падающей на растение в единицу времени, соответствующее освещенности в 1 лк, неодинаково для разных источников излучения.

Оценка физиологической активности 1 лк, приводимая различными авторами, значительно варьирует. Причины для расхождения весьма разнообразны: метод оценки, ширина участка учитываемого спектра (400—700; 300—710; 300—720 нм и т. д.), особенности изготовления различными предприятиями (фирмами) ламп одной и той же марки. Поэтому для одного и того же источника искусственного излучения переводные коэффициенты также неодинаковы:

ЛД

ДРЛ

ЛН

НЕОН

По Роденбургу (1952)

4,00

6,20

7,40

По Нюренбергу (1961)

3,17

3,64

5,90

По Кенхему (1966)

3,64

3,48

4,16

5,62

Хорошую таблицу перевода освещенности в фотосинтетнческую облученность с учетом спектральной характеристики источника разработал А. Ф. Клешнин.

Таблица Перевод световых единиц в единицы физиологически активного излучения(по А. Ф. Клешнину)

Источник облучения Количество эрг/см²*с в 1 лк
Лампы накаливания 100—500 Вт 5,91
» люминесцентные – дневного света (ЛД) 4,03
» » – белого света (ЛБ) . 3,55
» » – теплобелого света (ЛТБ) 4,25
» неоновые (НД-2) 7,35
» натриевые — низкого давления 1,88
» ртутные:
(ИГАР-2) 3,98
(ДРТ-2) 4,14
(ДРТ-7) 4,34
(СВД-125) 3,71
» ксеноновые (ДКСТВ-6000) 5,65
Угольные дуги 7,25
Солнечное излучение при высоте солнца 65° 6,15
» » » » » 30° 5,69
» » » » » 13° 5,51
» » » » » 11° 5,47
То же, при равномерно облачном небе 6,05-6,57

Заслуживает внимания способ измерения облученности и физиологически активного излучения с помощью люксметров, предложенный В. П. Рвачевым. Совместно с А. Я. Волковой он составил переводные таблицы для некоторых источников излучения и люксметра завода «Вибратор» с корректирующим светофильтром ЗС-1.

В теории и практике светокультуры растений приходится учитывать оптические свойства как различных материалов, используемых в облучательных и осветительных установках, так и в особенности зеленых листьев. Поэтому необходимо вспомнить некоторые общие положения фотометрии, относящиеся к отражению, пропусканию и поглощению оптического излучения. Зная, что оптика ультрафиолетового и инфракрасного излучений подчиняется тем же законам, что и видимое излучение, ограничимся упоминанием только последнего.

Оптическая характеристика некоторых материалов

Материал

Количество энергии, %

Толщина, мм

пропущен­ной T

отражен­ной R

поглощен­ной А

Прозрачное бесцветное стек­ло

90

8

2

1-3

Матовое стекло

75-83

12-15

3-16

1,8-4,4

Молочное стекло

45-55

40-50

4-6

1,5—2,0

Белый тонкий пергамент

35-55

40-50

10-15

Крепдешин белый

64

35

1

Хлопчатобумажная белая

57

35

8

ткань

Белая марля:

1 слой

60

2 слоя

40

4 слоя

20

8 слоев

5

Зеленый лист

10

10

80

Белая бумага тонкая

40

45

15

Мел

85-90

15-10

Свинцовые белила

90

10

Сернокислый барий

95

5

Бархат черный

0,2

99,8

Молочное стекло

40

45

15

2—3

Отражение лучистой энергии от какого-либо тела (в том числе от листа) в зависимости от характера его поверхности может быть следующим: направленным (зеркальным), когда угол падения равен углу отражения; диффузным (рассеянным), когда лучистая энергия распространяется во все стороны более или менее одинаково; смешанным, когда лучистая энергия отражается неравномерно как по направлению, так и по количеству.

При этом надо учесть, что коэффициент отражения зависит от направления падающего излучения и его спектрального состава.

Поглощение лучистой энергии пропорционально поверхностной концентрации поглощающих веществ (пигментов). Зная количество пропущенной (T) и отраженной (R) лучистой энергии (в %), можно вычислить поглощенную телом энергию в процентах от падающей на нее: A = 100-(T+R). Величины Т и R определяются экспериментально, а А рассчитывается по приведенной формуле.

Величину пропускаемой листом энергии можно приблизительно определить, накладывая вплотную изучаемый лист на приемник излучения. До сих пор для измерения общей (нейтральной) облученности приемником служил пиранометр. При измерении видимого излучения большинство исследователей применяет селеновый фотоэлемент. Выше уже отмечалось, что из-за его селективности результаты, полученные при измерении излучения разного спектрального состава, нельзя считать точными. Однако поскольку до настоящего времени практически не было приемника, который бы одинаково воспринимал излучение всех спектральных участков физиологически активного излучения, приходилось пользоваться этим приемником с относительно малой достоверностью результатов.

Таким образом, падающее на лист и пропущенное им излучение определяется сравнительно просто. Значительно сложнее измерение величины отражения у листьев, особенно в условиях светокультуры. При измерении отраженного излучения посевами на открытом воздухе пользуются или альбедометром, или прибором Н. Н. Калитина. В обоих случаях источник излучения – солнце-находится на бесконечно далеком расстоянии от отражающего объекта, который равномерно облучается прямым или рассеянным солнечным излучением.

В условиях светокультуры, когда источники излучения находятся от листьев на очень малом расстоянии (до 5 см), методы, используемые в полевых условиях, применить нельзя. В лабораторных условиях один из методов измерения отражения основан на использовании системы зеркал. В сочетании со спектрофотометром или монохроматором они дают величину отражения монохроматического излучения только для определенного угла его падения. Однако при этом измеряется не все количество отраженной листом лучистой энергии, а только какая-то ее доля.

Одно время широко использовали светомерный шар, известный как сфера Ульбрихта.

В настоящее время для определения оптических свойств листьев пользуются более совершенными приборами, позволяющими проводить измерения и в узких, и в широких участках спектра. Таковы спектрофотометры типа СФ-4, СФ-10 и фотоинтегрирующие сферы разных типов. В качестве приемника энергии часто используют фотоэлектронные умножители.