PAR (Photosynthetic active radiation)

PAR (photosynthetisch aktive Strahlung) ist NICHT eine Maßeinheit wie Meter, Zentimeter oder Kilogramm.
Sie definiert die Art des Lichts bzw. des Lichtspektrums, auf die Pflanzen durch Photosynthese am besten reagieren.
Durch Photosynthese wandeln Pflanzen Lichtenergie in chemische Energie um, mit der sie wachsen und blühen.
In Pflanzen reagiert das Licht hauptsächlich mit Chlorophyll a und b.

PAR berücksichtigt normalerweise den Wellenlängenbereich von 400 nm bis 700 nm.
Im PAR-Bereich messen wir das auf die Pflanze fallende Licht, das als PPFD oder Photosynthetic Photon Flux Density in Mikromol pro Meter pro Sekunde µmol/sm² angegeben wird - siehe Definition unten:

In der Vergangenheit haben wir die Lichtwerte in Gewächshäusern immer in Lux angegeben.
Lux oder Lumen ist die Lichtmenge, die das menschliche Auge wahrnehmen kann, das normalerweise auf weißes Licht reagiert.
Unsere Augen haben 3 Rezeptoren für Licht, die S-, M- und L-Rezeptoren, die hauptsächlich auf blaues, grünes und gelbes Licht reagieren.
Die Kurve, in der Lumen und Lux gemessen werden, ist oben abgebildet - wie Sie sehen können, sind der Anfangs- und Endpunkt derselbe wie in der PAR-Zone, aber blaues und rotes Licht werden bei der Messung der Belichtung für Kulturpflanzen weitgehend ausgeklammert.

Die obige Abbildung zeigt den Unterschied zwischen der Lichtempfindlichkeit des menschlichen Auges und der Empfindlichkeit von Pflanzen.
Da die Chlorophyllproduktion der Pflanzen am effektivsten mit Photonen des blauen und roten Lichts erfolgt, können wir die Lichtstärken von LED-Anbauleuchten nicht mehr in Lux ausdrücken, wie es in der Vergangenheit getan wurde.
Die neue Maßeinheit wird daher in Mikromol pro Meter pro Sekunde ausgedrückt und umfasst alle Lichtphotonen von 400 Nanometern bis 700 Nanometern.

Photosynthetic Photon Flux (PPF)

Der PPF oder Photosynthetische Photonenfluss ist die Gesamtmenge an Licht im PAR-Bereich, die von einer Lichtquelle pro Sekunde erzeugt wird.
PPF misst also die "photosynthetisch aktiven Photonen, die pro Sekunde von einem Lichtsystem abgestrahlt werden".
Ausgedrückt in μmol/Sekunde.

Mit dem PPF von Anbaulampen ist es möglich zu berechnen oder abzuschätzen, wie viele Lampen Sie für eine Fläche benötigen, um das gewünschte Lichtniveau für die Pflanzen zu erreichen.
Nehmen wir das Beispiel eines Erdbeerproduzenten, der eine Winterkultur mit einem Lichtniveau von 200 µmol/sm² anpflanzen möchte.
Bei einer Obergrenze von 8 Metern und einem Stielabstand von 5 Metern beträgt jeder Anbaubereich 40m².
Wir benötigen also insgesamt 40m² x 200µmol/sm² = 8000µmol Licht für diesen Bereich.
Wenn eine einzelne LED-Anbaulampe einen PPF von 2000µmol/s erzeugt, benötigen Sie 4 Lampen pro Anbaufläche.

Der PPF sagt uns nicht, wie viel von dem gemessenen Licht tatsächlich auf den Pflanzen oder einer anderen Oberfläche landet.
Denken Sie also daran, dass nicht jede Lampe mit dem gleichen PPF gleich effektiv ist, um das Licht auf die Pflanzen zu bringen.

Ebenso wenig sagt es uns etwas über das Spektrum des Lichts und die Wellenlänge dieser Photonen.
Mehr darüber können Sie unten erfahren.

Ist die aktuelle Messung von PPF PAR realistisch und relevant?

Heutzutage werden alle Photonen im gesamten Spektrum gleich bewertet, was einen Vergleich der Werte erschweren kann.
Nehmen Sie zum Beispiel den PAR-Wert von HPS SON-T der letzten Generationen - der PAR-Wert, den Sie erhalten, kann bis zu 2,1 µmol/J betragen, aber dieser Wert sagt nichts darüber aus, wie effizient diese Photonen für die Photosynthese Ihrer Pflanzen sind.

Eine LED-Anbauleuchte mit der gleichen Leistung (wobei die meisten neueren Geräte einen viel höheren Effizienzgrad haben), bei der aber die Wellenlänge der Photonen zu Ihrer Pflanze und Ihrem Wachstumsstadium passt, kann eine 25%ige Verbesserung des Wachstums bewirken.
Die derzeitige Methode, bei der alle Photonen im PAR-Spektrum gleich gewichtet werden, ist also nicht wirklich zufriedenstellend.

Gegenwärtige Situation

Das gesamte Spektrum wird durch Zählen der Photonen im photosynthetisch aktiven Bereich (PAR) gleich gewichtet.

Realistischerer Ansatz

Eine realistischerer Ansatz wäre, um die Lichtintensität der Lampen auf der Basis der spektralen Empfindlichkeitskurve ("plm/W") zu bestimmen.
Diese Kurve wird durch das Chlorophyll-Absorptionsspektrum bestimmt, das sich aus den Prozessen der internen Energieübertragung im Wasser und in den Lampen ergibt.

Photosynthetische Wirkungsspektren für die Grünalge Ulva (zwei Zellschichten) und höhere Pflanzen (mehrere Zellschichten).

Heutzutage wird diese Methode nicht mehr angewendet, da die Unterschiede, wie Licht absorbiert wird, von Pflanze zu Pflanze zu groß sind, und auf welches Farbspektrum sie am besten reagieren.
Daher würde diese Methode an sich zu komplex werden.
Aber denken Sie daran, dass der bloße Blick auf den PPF einer Lampe nichts aussagt, denn man muss die Empfindlichkeitskurve der Pflanze pro Gewächs betrachten und so viel Licht wie möglich mit der verfügbaren Energie erzeugen, die dieser Empfindlichkeitskurve entspricht.

Beachten Sie auch, dass Wellenlängen über 700 nm, die einen großen Einfluss auf das Phytochrom Pfr haben, in den PAR-Zahlen nicht mitgezählt werden, ebenso wie UV und Wellenlängen unter 400 nm.
Lichtphotonen oberhalb von 700 Nanometern, die gemeinhin als NIR oder Fernrot bezeichnet werden, können für bestimmte Pflanzen und Wachstumsstadien ebenfalls einige wichtige Vorteile bringen.
Ein gutes Beispiel ist der Gurkenanbau, wo Projekte mit zusätzlichem Fernrotlicht zu bis zu 24 % höheren Erträgen führen können.

Photosynthetic Photon Flux Density (PPFD)

Die Photosynthetic Photon Flux Density (Photosynthetische Photonenflussdichte) (PPFD) misst das Licht, das tatsächlich die Pflanze in der PAR-Zone erreicht.
Die Lichtmenge, die Ihre Pflanzen innerhalb des PAR-Bereichs tatsächlich aufnimmt oder die Anzahl der photosynthetisch aktiven Photonen, die pro Sekunde auf eine bestimmte Fläche fallen.
Die PPFD wird in μmol/s.m² angegeben.

Die PPFD ist derzeit die beste Maßeinheit, die für den Vergleich von Anbaubeleuchtung auf dem Markt verfügbar ist.
Auf Lampenebene gibt der Hersteller den PPF oder die Lichtleistung der Anbaulampe in der PAR-Zone an. Zusammen mit der Lichtverteilung der Lampe und der physischen Platzierung der Lampen auf dem Projekt kann die PPFD simuliert werden.
Man kann leicht erkennen, dass Lampen mit ähnlichen Lichtstärken manchmal nicht zu ähnlichen Ergebnissen bei der PPFD auf den Pflanzen führen, was hauptsächlich auf die Unterschiede in der Lichtstreuung zurückzuführen ist.

Beispiel für ein Erdbeerprojekt mit 2 CoolStack Boost-Lampen auf 40 m² unter Gewächshauskonstruktion.

Zunächst einmal muss das Licht gleichmäßig über die Pflanzen verteilt werden.
Aber natürlich ist jedes Projekt anders - wir sehen Gewächshäuser mit niedrigen Höhen von 3,5 Metern, aber auch neue Projekte mit Höhen von 7 Metern. Der Abstand von der Lampe zum Bestand ist also sehr unterschiedlich.
Würden wir in beiden Projekten den gleichen breiten Abstrahlwinkel verwenden, wäre das Licht natürlich gut gestreut, aber bei der hohen Konstruktion würde viel Licht an den Seitenwänden des Gewächshauses verloren gehen oder eine lange Strecke zurücklegen, um die Pflanzen zu erreichen.

Die Kunst der richtigen Beleuchtung besteht also darin, einerseits für eine gute Lichtverteilung mit minimalen Lichtschwankungen auf der Pflanze zu sorgen, andererseits aber auch dafür, dass ein Maximum an Licht möglichst direkt und mit minimalem Lichtverlust auf die Pflanzen fällt.

Dies erklärt auch, warum LED-Anbauleuchten mit fortschrittlichen Linsen besser funktionieren als solche ohne optische Regelung.
Ähnlich wie bei Anwendungen mit weißem Licht haben LED-Lichtquellen eine recht breite Lichtverteilung - ohne Korrekturen mit Linsensteuerung würde ein großer Teil der emittierten PPF-Energie nicht auf dem Blätterdach landen, was aber eigentlich so beabsichtigt ist.
Die optische Steuerung über TIR-Linsen (Total Internal Reflection) verbessert auch das Eindringen in das Blätterdach, ähnlich wie diffuses Glas im Gewächshaus die Lichtstreuung erhöht und für eine bessere homogene Verteilung des Lichts über die Blätter sorgt.

Bei diffusem Licht (B) wird das Licht homogener verteilt als bei direktem Licht (A) , bei dem viele Sonnenflecken in der Mitte und im unteren Bereich der Pflanze sichtbar sind. (Li et al., 2014a/b, Foto von Wageningen UR Greenhouse Horticulture, Bleiswijk)

Lichtverlust im Gewächshaus führt zu niedrigeren PPFD-Werten und enormer Energieverschwendung. Lichtverlust ist definiert als die gesamte erzeugte Energie, die nicht vom Blatt absorbiert wird.

Yield Photon Flux (YPF)

Der Yield Photon Flux YPF misst Photonen im Bereich von 360 bis 760 nm, basierend auf der photosynthetischen Reaktion der Pflanze.
Es geht also über den PAR-Bereich von 400 bis 700 nm hinaus und berechnet die Photonen auch auf die Empfindlichkeitskurve der Pflanzen pro Gewächs extrapoliert.

Sobald das genaue Spektrum der Anbaubeleuchtung bekannt ist, können die Werte des photosynthetischen Photonenflusses (PPF) in μmol/s durch Anwendung verschiedener Gewichtungsfaktoren in verschiedenen Wellenlängen und Farben angepasst werden.
Daraus ergibt sich eine Zahl, die wir den Yield Photon Flux (YPF) nennen.

Die rote Kurve in der Grafik zeigt, dass Photonen um 610 nm (orange-rot) die höchste Menge an Photosynthese pro Photon aufweisen.
Da aber kurzwellige Photonen mehr Energie pro Photon liefern, liegt das Maximum der Photosynthese pro Energieeinheit bei einer längeren Wellenlänge, etwa 660 nm, die wir auch als tiefes Rot bezeichnen.
Die unten gezeigte YPF-Kurve wurde aus Kurzzeitmessungen entwickelt, die an einzelnen Blättern bei schwachem Licht durchgeführt wurden.

Eine Reihe von längerfristigen Studien mit kompletten Pflanzen unter mehr Licht zeigen, dass die Lichtqualität einen geringeren Einfluss auf das Pflanzenwachstum haben kann als die Lichtmenge.
Sie ist jedoch sehr stark vom Gewächs und dem Beleuchtungssystem abhängig.
Bei zusätzlicher Beleuchtung in einem Gewächshaus gibt es immer noch eine große Menge an Tageslicht von der Sonne.
In diesem Fall konzentrieren wir uns hauptsächlich auf zusätzliches Licht, das die Chlorophyllproduktion direkt stimuliert, also rot und blau.
Die Tendenz geht dahin, auch extra weiße LEDs hinzuzufügen, damit die Gesamtwirkung des Lichts neutraler ist, um darin zu arbeiten. Das ist der Grund, warum man in früheren Installationen oft eine violette Farbe in Gewächshäusern mit LED-Wachstumslampen sieht.

Die Beziehung zwischen Licht und der Energie, die es transportieren kann, wird im Planck'schen Gesetz beschrieben.
Dieses Gesetz erklärt uns, warum für die gleiche Menge an Energie Photonen im roten Spektrum eine höhere Auswirkung auf die Photosynthese der Pflanzen haben als z.B. ein blaues Photon.
Energie eines Photonsλ = hc/ λ = 2x10^-25 (J m)/ λ
Energie eines µmol (≈ 6x10¹⁷) Photonsλ ≈ 12x10^-8 (J m)/ λ
Oder einfach als Faustformel ausgedrückt, die Energie eines µmol-Photons in J ≈ 120/ λ mit λ = die Wellenlänge des Photons in nm.

Aus dieser Beziehung zwischen der Wellenlänge des Lichts und der Energie können wir schließen, dass rote Photonen in der 660nm-Bandbreite viel mehr Energie tragen können als längere Wellenlängen wie Blau 450nm.
Maximale Energie eines tiefroten 660nm-Photons ≈ 660nm/ 120 ≈ 5,5µmol/J
Maximale Energie eines blauen 450nm-Photons ≈ 450nm/ 120 ≈ 3,75µmol/J
Natürlich sind obige Werte absolute Maximalwerte.
Die derzeit höchste Effizienz, die in einem LED-Paket mit 660nm Wellenlänge erreicht wurde, liegt bei 4,2µmol/J (Osram Oslon Square V4 - Q1 2020).

Die effizientesten LED-Anbauleuchten erzeugen aktuell eine Effizienz um 3,5µmol/J.
Dies deutet auch darauf hin, dass in der Zukunft noch große Verbesserungen der Effizienz zu erwarten sind.

Daily Light Integral (DLI)

Das Daily Light Integral (DLI) misst die gesamte Lichtmenge, die einer Pflanze täglich zugeführt wird.
DLI ist eine kumulative Maßeinheit für die Gesamtzahl der Photonen, die die Pflanzen und Algen während der täglichen Photoperiode erreichen.

Das DLI misst die Menge an "Mol" von Photonen im PAR-Bereich pro Quadratmeter und Tag und wird in mol/d.m² angegeben.

Das DLI ist eine gute Möglichkeit, die Beleuchtungsstrategie in einem Gewächshausprojekt mit Zusatzbeleuchtung zu bestimmen.
Für die meisten Pflanzen ist es möglich, die ideale Gesamtlichtmenge pro Tag zu bestimmen, die sie effizient nutzen können.
Die Gesamtlichtmenge ergibt sich aus der Summe des von der Sonne empfangenen Lichts + der Summe des künstlichen Lichts pro Tag.

Natürlich sagt Ihnen Ihr Klimacomputer nichts über Mol pro Tag.
Daher müssen Sie von den Solarimeterwerten in J/cm² auf Mol zurückrechnen, um einen Einblick in die Gesamtmenge pro Tag zu erhalten.
Denken Sie daran, dass sich das Solarimeter auf dem Dach befindet, daher müssen Sie den Transmissionsgrad des Glases von diesem Wert abziehen.

Vom Solarimeter zum DLI der Sonne - J/cm² zu mol/dm² Umrechnung:
DLI der Sonne = (gemessene J/cm²)/100) x 2,15 x Transmissionsgrad Glas %

Was die Pflanzen zusätzlich von den Anbauleuchten erhalten, kann ebenfalls berechnet werden - konvertieren Sie also Ihr PPFD-Lichtniveau in DLI mit der Anzahl der belichteten Stunden.

Von PPFD zu DLI Umrechnung - μmol/sm² zu mol/dm²:
DLI der Wachstumsbeleuchtung = (Stunden x PPFD x3600)/1.000.000

Wir geben auch eine Reihe von nützlichen Indikatoren pro Gewächs unter Typischen PPFD- und DLI-Werten an.

Photoneneffizienz

Die Photoneneffizienz gibt an, wie effizient ein Beleuchtungssystem für den Gartenbau elektrische Energie in PAR-Photonen umwandelt.
Mit dem PPF und der Antriebsleistung können Sie den Wirkungsgrad berechnen.

Ausgedrückt in µmol/J.

Je höher die Zahl, desto effizienter ist ein Beleuchtungssystem bei der Umwandlung von elektrischer Energie in Photonen von PAR.
Aber denken Sie daran, dass diese Zahl nichts über die Effektivität des Lichts auf Ihre Pflanzen aussagt und die Lichtfrequenzen über 700 nm nicht berücksichtigt werden.