PAR (radiación fotosintéticamente activa)

PAR (radiación fotosintéticamente activa) NO es una medida o «métrica» como los metros, las pulgadas o los kilos.
Más bien, define el tipo de luz en el espectro lumínico donde las plantas responden mejor mediante la fotosíntesis.
Mediante la fotosíntesis, las plantas convierten la energía de la luz en energía química, que es el alimento que utilizan para crecer y prosperar.
En las plantas, la luz reacciona principalmente con la clorofila A y B.

La PAR se observa típicamente en el rango de longitudes de onda de 400 nm a 700 nm.
En la zona PAR, se mide la luz que incide sobre el cultivo, que se expresa como PPFD o densidad de flujo de fotones fotosintéticos, en micromoles por metro por segundo µmol/sm² (ver definición más abajo).

En el pasado, siempre expresábamos los niveles de luz en los invernaderos en Lux.
Lux o lúmenes son una medida de la luz percibida por los ojos humanos, que suelen reaccionar ante la luz blanca.
Nuestros ojos tienen 3 receptores para la luz, los receptores S, M y L, que reaccionan principalmente a la luz azul, verde y amarilla.
La curva en la que se miden los lúmenes y los lux se ilustra más arriba. Como puede ver, el punto inicial y final es el mismo que el de la zona PAR, pero la luz azul y la luz roja no se tienen en cuenta tanto como cuando medimos la iluminación de las plantas.

La ilustración anterior muestra la diferencia entre la sensibilidad a la luz de los ojos humanos y la de las plantas.
Como la producción de clorofila de las plantas es más eficaz con los fotones de luz azul y roja, ya no podemos expresar los niveles de luz de las luces LED de crecimiento en Lux, como solíamos hacer.
Por lo tanto, la nueva medida se expresa en micromoles por metro por segundo e incluye todos los fotones de luz desde 400 nanómetros hasta 700 nanómetros.

Flujo de fotones fotosintéticos (PPF)

El PPF o flujo de fotones fotosintético es la cantidad total de luz en la zona PAR que produce una fuente de luz cada segundo.
Así pues, el PPF mide los «fotones fotosintéticamente activos emitidos por un sistema de iluminación por segundo».
Se expresa en μmol/segundo.

Con el PPF de una luz de crecimiento, se puede calcular o estimar cuántas lámparas va a necesitar por área para alcanzar el nivel de luz necesario para las plantas.
Tomemos como ejemplo un cultivador de fresas que va a realizar un cultivo de invierno con un nivel de luz de 200 µmol/sm².
Con una cubierta de 8 metros y distancias entre postes de 5 metros, cada área de crecimiento es de 40 m².
Por lo que necesitamos en total 40 m² x 200 µmol/sm² = 8 000 µmol de luz para esta zona.
Si una sola luz LED de crecimiento produce un PPF de 2 000 µmol/s, se necesitan 4 lámparas por zona de crecimiento.

El PPF no nos informa de qué parte de la luz medida recae realmente en las plantas o en cualquier otra superficie.
Así que se debe tener en cuenta que no todas las lámparas con el mismo PPF son igual de efectivas a la hora de llevar esa luz a los cultivos.

Tampoco nos dice nada sobre el espectro de la luz y la longitud de onda de estos fotones.
A continuación podrá descubrir más información al respecto.

¿Es realista y pertinente la medición actual de PPF PAR?

En la actualidad, todos los fotones de todo el espectro se ponderan por igual, lo que hace que los valores sean algo difíciles de comparar.
Tomemos por ejemplo el valor PAR de las HPS SON-T de las últimas generaciones: el valor PAR que se obtiene puede llegar a ser de hasta 2,1 µmol/J, mientras que este valor no le dice nada sobre la eficiencia de estos fotones para que sus plantas realicen la fotosíntesis.

Una luz LED de crecimiento del mismo rendimiento (mientras que la mayoría de las luminarias recientes producen una eficiencia mucho mayor) pero con la longitud de onda de los fotones que coincide con su cultivo y etapa de crecimiento, podría darle una mejora del 25 % en el crecimiento.
Así que el método actual de ponderar todos los fotones por igual en el espectro PAR no es realmente adecuado.

Situación actual

Todo el espectro se pondera por igual contando los fotones en la región fotosintéticamente activa (PAR).

Enfoque más realista

Un enfoque más realista sería ponderar los fotones de las lámparas según la curva de sensibilidad espectral de las plantas («plm/W»).
Esta curva se deriva del espectro de absorción de la clorofila teniendo en cuenta los procesos de transferencia de energía interna de la planta y las hojas.

Espectros de acción fotosintética del alga verde Ulva (dos capas celulares) y de plantas superiores (múltiples capas celulares).

Hoy en día, este método no se tiene en cuenta, ya que hay diferencias demasiado notables de una planta a otra en cuanto a cómo absorben la luz y en qué espectro de color reaccionan mejor.
Por lo tanto este método lo haría demasiado complejo, pero tenga en cuenta lo que ya aprendió aquí, que solo mirar el PPF de una lámpara no significa nada, ya que debe mirar por cultivo a la curva de sensibilidad de la planta y producir la mayor cantidad de luz posible con la energía que tiene disponible coincidiendo con esta curva de sensibilidad.

También hay que tener en cuenta que las longitudes de onda por encima de 700 nm, que tienen un gran impacto en el fitocromo Pfr, no cuentan en las cifras de la PAR, ni tampoco los rayos UV y las longitudes de onda por debajo de 400 nm.
Los fotones de luz por encima de los 700 nanómetros, normalmente llamados NIR o rojo lejano, pueden tener algunos beneficios importantes en algunos cultivos y etapas de crecimiento.
Un buen ejemplo lo encontramos en el cultivo de pepinos, donde los proyectos con luz roja adicional muestran hasta un 24 % más de rendimiento.

Densidad de flujo de fotones fotosintéticos (PPFD)

La densidad de flujo de fotones fotosintéticos (PPFD) mide la luz que realmente llega al dosel del cultivo en la zona PAR.
La cantidad de luz que realmente llega a sus plantas dentro de la región PAR o el número de fotones fotosintéticamente activos que recaen sobre una superficie determinada cada segundo.
La PPFD se expresa en μmol/s.m².

La PPFD es, a día de hoy, la mejor medida disponible para comparar las luces de crecimiento del mercado.
En el nivel de la lámpara, el fabricante especifica el PPF o la potencia luminosa de la luz de crecimiento en la zona PAR.
Junto con la distribución de la luz de la lámpara y la colocación física de las lámparas en el proyecto, se puede simular la PPFD.
Se puede ver fácilmente que las lámparas con un nivel de luz similar a veces no dan resultados similares sobre la PPFD en los cultivos, lo que procede principalmente de las diferencias en la distribución de la luz.

Ejemplo de un proyecto de fresas con 2 lámparas CoolStack Boost colocadas en 40 m² bajo la espaldera.

En primer lugar, la luz debe distribuirse por igual sobre las plantas.
Pero, por supuesto, cada proyecto es diferente: vemos invernaderos con postes bajos de 3,5 metros y proyectos nuevos con postes altos de 7 metros.
La distancia de las lámparas al cultivo es, por tanto, totalmente diferente.
Si utilizáramos el mismo ángulo de haz de luz amplio en ambos proyectos, por supuesto que la luz se distribuiría bien, pero con los postes altos se lanzaría mucha luz hacia los lados del invernadero o tendría que recorrer mucha distancia para llegar a las plantas.

Por lo tanto, el arte de la iluminación correcta consiste en asegurarse de que la luz esté, en primer lugar, bien distribuida, con un mínimo de fluctuaciones de luz sobre el cultivo, pero, en segundo lugar, en asegurar que caiga la máxima luz posible lo más directamente sobre las plantas con un mínimo de luz desperdiciada.

Esto también explica por qué las luces LED de crecimiento previstas a partir de una óptica avanzada superan a las que no tienen controles ópticos.
Al igual que en las aplicaciones de luz blanca, un emisor LED tiene una distribución de luz bastante amplia: sin correcciones mediante controles ópticos, una gran parte de la energía del PPF emitida no finaliza en el dosel, donde se desea.
Los controles ópticos con lentes TIR (reflexión interna total) también mejoran la penetración en el dosel de las hojas de forma similar a como un cristal difuso de invernadero crea más dispersión de la luz y una mejor distribución homogénea de la misma sobre las hojas.

La luz se distribuye de forma más homogénea con la luz difusa (B) en comparación con la luz directa (A) en la que se observan numerosas manchas de sol en la parte media y baja del dosel. (Li et al., 2014a/b, fotografía por cortesía de Wageningen UR Greenhouse Horticulture, Bleiswijk)

El desperdicio de luz en el invernadero provoca valores de PPFD más bajos y una enorme pérdida de energía. El desperdicio de luz se define como toda la energía que se crea y no absorbe la hoja.

Rendimiento del flujo de fotones (YPF)

El rendimiento del flujo de fotones (YPF) pondera los fotones en el rango de 360 a 760 nm en función de la respuesta fotosintética de la planta.
Así que va más allá de la región PAR de 400 a 700 nm y también extrapola los fotones a la curva de sensibilidad de la planta por cultivo.

Cuando se conoce el espectro exacto de la luz de crecimiento, los valores del flujo de fotones fotosintéticos (PPF) en μmol/s pueden modificarse aplicando diferentes factores de ponderación a las distintas longitudes de onda y colores.
Esto da lugar a una cantidad denominada rendimiento del flujo de fotones (YPF).

La curva roja del gráfico muestra que los fotones alrededor de 610 nm (naranja-rojo) tienen la mayor cantidad de fotosíntesis por fotón.
Sin embargo, como los fotones de longitud de onda corta transportan más energía por fotón, la cantidad máxima de fotosíntesis por unidad de energía incidente se produce a una longitud de onda más larga, en torno a los 660 nm, lo que también se denomina rojo intenso.
La curva YPF que se muestra a continuación se desarrolló a partir de mediciones a corto plazo realizadas en hojas individuales con poca luz.

Algunos estudios a más largo plazo con plantas enteras en condiciones de mayor luz indican que la calidad de la luz puede tener un efecto menor en la tasa de crecimiento de las plantas que la cantidad de luz.
Sin embargo, depende en gran medida del cultivo y del sistema de iluminación.
Con la iluminación de crecimiento adicional en un invernadero, todavía hay una gran parte de la luz diaria que se percibe del sol.
En ese caso, nos centramos principalmente en complementar la luz adicional que genera directamente la producción de clorofila con el rojo y el azul.
La tendencia es añadir también LED blancos adicionales para que la percepción general de la luz sea más neutral para trabajar.
Esta es la razón por la que se ve muchas veces en las primeras instalaciones este color púrpura en los invernaderos con luces LED de crecimiento.

La relación entre la luz y la energía que puede transportar se describe en la ley de Planck.
Esta ley nos explica por qué, para la misma cantidad de energía, los fotones del espectro rojo tienen un mayor impacto en la fotosíntesis de las plantas que, por ejemplo, un fotón azul.
Energía de un fotón λ = hc/ λ = 2x10^-25 (J m)/ λ
Energía de un µmol (≈ 6x10¹⁷) fotón λ ≈ 12x10^-8 (J m)/ λ
O expresado de forma sencilla como regla general, la energía de un fotón µmol en J ≈ 120/λ donde λ = la longitud de onda del fotón en nm.

A partir de esta relación entre la longitud de onda de la luz y la energía, podemos concluir que los fotones rojos en el ancho de banda de 660 nm pueden transportar mucha más energía que las longitudes de onda más largas, como el azul de 450 nm.
Energía máxima de un fotón rojo intenso de 660 nm ≈ 660 nm/120 ≈ 5,5 µmol/J
Energía máxima de un fotón azul de 450 ≈ 450nm/120 ≈ 3,75 µmol/J
Por supuesto, los valores anteriores son valores máximos absolutos.
En este momento, la mayor eficacia que se ha alcanzado en un paquete de LED de longitud de onda de 660 nm es de 4,2 µmol/J (Osram Oslon Square V4 - Q1 2020).

Las luces LED de crecimiento más eficientes hoy en día producen una eficiencia de alrededor de 3,5 µmol/J.
Esto también indica que en el futuro se pueden esperar mejoras importantes en cuanto a la eficacia.

Luz diaria integral (DLI)

La luz diaria integral (DLI) mide la cantidad total de luz que recibe una planta cada día.
La DLI es una medida acumulativa del número total de fotones que llegan a las plantas y algas durante el fotoperiodo diario.

La DLI mide el número de «moles» de fotones en la región Par por metro cuadrado al día y se expresa como mol/d.m².

La DLI es una buena forma de aplicar la estrategia de luz en el proyecto de invernaderos con iluminación suplementaria.
Para la mayoría de los cultivos se puede definir cuál es la suma total ideal de luz por día que pueden utilizar eficazmente.
La suma total de luz es la suma de la luz percibida del sol + la suma de la luz artificial por día.

Por supuesto, su ordenador climático no le dice mucho sobre los moles por día.
Por lo tanto, hay que calcular de nuevo los valores del solarímetro en J/cm² a moles para hacer una suma total por día.
Ten en cuenta que el solarímetro está en el tejado, por lo que tiene que deducir de este valor la transmitancia del cristal del invernadero.

De solarímetro a DLI del sol: conversión de J/cm² a mol/dm²:
DLI del sol = ((medido en J/cm²)/100) x 2,15 x % de transmitancia del cristal.

También se puede calcular lo que las plantas reciben adicionalmente de las luces de crecimiento. Por lo tanto, convierte su nivel de luz PPFD a DLI con el número de horas de luz.

Conversión de PPFD a DLI: μmol/sm² a mol/dm²:
DLI de las luces de crecimiento = (horas x PPFD x3 600)/1 000 000

También enumeramos algunos indicadores útiles por cultivo en Valores típicos de PPFD y DLI por cultivo.

Eficacia fotónica

La eficacia fotónica se refiere a la eficiencia de un sistema de iluminación hortícola para convertir la energía eléctrica en fotones de PAR.
Con el PPF y la potencia de entrada se puede calcular el rendimiento.

Se expresa en µmol/J.

Cuanto mayor sea el número, más eficiente es un sistema de iluminación para convertir la energía eléctrica en fotones de PAR.
Pero recuerde que esta cifra no nos dice nada sobre la eficacia de la luz en sus cultivos y no cuenta las frecuencias de luz por encima de los 700 nm.