Was sind die Unterschiede zwischen PAR, PPF, PPFD und Lumen?

Einleitung

Mit dem Begriff Licht wird in der Regel derjenige Teil der Sonnenstrahlung bezeichnet, der für das menschliche Auge sichtbar ist. Dieser Teil ist nur ein sehr kleiner Teil der gesamten Strahlungsleistung der Sonne. Von dem sogenannten elektromagnetischen Spektrum erreichen einige Strahlen nicht einmal die Erdoberfläche. Das elektromagnetische Spektrum umfasst auch UV-Strahlung, Infrarot-Strahlung, Röntgenstrahlen, Mikrowellen und Radiowellen.

Sonnenlicht

Unser Licht ist das kleinste Segment der elektromagnetischen Strahlung und umfasst die sieben Farben des Regenbogens in dem für uns sichtbaren Bereich zwischen 380 und 780 Nanometer (nm). Wenn sich alle Teile des Lichtes zusammenfügen, scheint das Licht für das menschliche Auge weiss zu sein. Licht kann auch aufgespalten werden, wenn es beispielsweise durch einen Wassertropfen oder durch ein Glasprisma scheint: das bekannteste Beispiel hierfür ist der Regenbogen, bei dem das Licht von den Wassertropfen in der Luft reflektiert wird.

Es gibt mehrere Möglichkeiten das Licht zu messen. Bekannte Messgrössen wie Lux und Lumen sind für die Farbwahrnehmung und Lichtempfindlichkeit des menschlichen Auge bestimmt. Pflanzen haben bekannterweise eine andere Lichtwahrnehmung als wir Menschen. Die sogenannte photosynthetisch aktive Strahlung hat sich heute zu der wichtigsten Lichtkennzahl in der Biologie etabliert und wird abgekürzt als "PAR" (photosynthetically active radiation) bezeichnet.

Photosynthetisch aktive Strahlung (PAR)

Photosynthetisch aktive Strahlung bezeichnet das Spektrum oder den Bereich der Farben des Lichts von 400 bis 700 Nanometer (nm). PAR wird von Pflanzenforschern verwendet um genau das Lichtspektrum auszudrücken, das nützlich für das Pflanzenwachstum ist. PAR ist KEINE Messeinheit. PAR zeigt lediglich auf, dass das Licht zwischen 400-700 nm für die Unterstützung in der Photosynthese einer Pflanze benötigt wird.

PAR hat sich in der Wissenschaft zu einem festen Begriff etabliert, aber das Konzept der photosynthetisch aktive Strahlung hat einen grundlegenden Mangel: Wellenlängen unter 400nm (UV-A/UV-B) und grösser als 700nm (Infrarot) sind der PAR Messung ausgeschlossen. Der photosynthetisch aktiven Strahlung wird unterstellt, dass alle Photonen ausserhalb des Bereiches keine Verwendung für die Photosynthese und die Pflanzengesundheit finden. Allerdings verwenden Pflanzen Licht ausserhalb des PAR, wie Infrarot, welches die photosynthetische Effizienz erhöht (Emerson-Effekt) sowie den Hormonhaushalt unterstützt. UV-Licht spielt eine wichtige Rolle bei der Pigmentierung der Pflanzen und Bildung von Substanzen zur Abwehr.

Die gebräuchlichsten Einheiten zur Messung von PAR sind PPF (photosynthetic photon flux) und PPFD (photosynthetic photon flux density).

Photosynthetischer Photonensfluss (PPF)

PPF ist die Messung der emittierten Lichtteilchen im photosythtetisch verwertbaren Bereich einer Pflanze und wird in µmol/s (mikromol pro Sekunde) ausgedrückt. PPF ist eine sehr wichtige Kennzahl und verrät uns wieviele Photonen (Lichtpartikel) pro Sekunde aus der Lichtquelle erzeugt wurden. Die Kennzahl drückt aber nicht aus, wieviele Lichtphotonen effektiv auf das Pflanzenbeet auftreffen. Die Messung summiert nur den gesamten Lichtstrom und stellt für den Grower daher einen irrelevanten Wert dar. Die Kennzahl ist jedoch sehr geeignet, wenn man diese für die Berechnung der Gesamteffizienz betrachtet. Die Messungen werden dabei in einer sogenannten Ulbricht Kugel durchgeführt.

Photosynthetische Photonenstromdichte (PPFD)

PPFD drückt aus, wieviele Photonen über einer Fläche von einem Quadratmeter pro Sekunde auftreffen und wird in µmol/m2/s (Mikromol pro Quadratmeter pro Sekunde). Dies ist auch der Messwert, der typischerweise auf einem tragbaren PAR Messgerät abgebildet wird. PPFD ist die wichtigste Kennzahl für Pflanzenzüchter, da Sie die durchnittliche Lichtinsentität auf der Bepflanzungsfläche schätzt. PPFD drückt aus, wieviele Photonen auf die Pflanzen auftreffen, jedoch gibt ein einziger Messpunkt alleine keine Aussage über die Lichtverhältnisse auf der zu beleuchtenden Fläche.

PPFD Messwerte können je nach Grösse der LED Pflanzenlampe variieren. Einzelne PPFD Messungen unter der Lampe sind daher weniger aussagekräftig. Ein LED Pflanzenlicht kann unter der Lampe unglaubliche PAR-Werte haben, dies bedeutet jedoch nicht, dass die Pflanzen seitlich von der Lichtquelle optimal wachsen. Deshalb ist es essentiell wichtig, PPFD an verschiedenen Punkten auf der Anbaufläche zu messen, um einen Durchschnitt zu berechnen. Nur dann erhält man ein zuverlässiges Bild über die Wirksamkeit der Lichtquelle, Photonen auf die Pflanzen zu bringen. PPFD Messwerte sind ebenfalls abhängig von der Höhe der Lichtquelle. Vereinfacht gesagt, je grösser der Abstand, desto geringer die Intensität. Es ist daher wichtig zu wissen, wie weit die Messungen von der Lichtquelle aufgenommen wurden. Aus diesen Gründen empfehlen wir, Einzelmessungen nicht als Massstab dafür zu nehmen, wie gut eine Pflanzenlampe ist. Auch mehrere PAR-Messungen unterhalb einer Pflanzenlampe sagen nicht aus, wie gut die Pflanzen ausgeleuchtet sind. Nur durch die Messung der PAR Werte über die gesamte Beleuchtungsfläche und mit verschiedenen Abständen über den Pflanzen, sowie unter Berücksichtigung des emittierten Lichtspektrums, können nützliche Vergleiche von LED Pflanzenlampen vorgenommen werden.

Relative Quantum Efficiency (McCree)

Relative Quanteneffinzienz (McCree/Inada)

Relative Quanteneffizienz

Eine hohe PPFD Kennzahl bedeutet nicht, dass die Pflanze optimales Photosynthese betreiben kann. PPF und PPFD Messungen sind nicht exakt genug, um dies einschätzen zu können, da diese Messgrössen keine Informationen über die relativen Intensitäten der spezifischen Wellenlängen geben. Zwei namhafte Wissenschaftler (McCree / Inada) haben zusammen das optimale Wachstumsspektrum anhand von verschiedenen Pflanzensorten entwickelt, welches die Wirkung der Lichtqualität auf die Photosynthese zeigt. Die Kurve der Quanteneffizienz wird auch als Aktionsspektrum oder McCree Kurve bezeichnet und wird häufig verwendet, um die Wirkung von Qualität und Quantität von Photonen auf die Photosynthese zu bewerten. Die Kurve zeigt, dass orange und rote Photonen zwischen 600-630nm in 25% mehr Photosynthese resultieren, als blaue Photonen zwischen 400-540nm. Eine PPFD Messung von 100% blauem Licht würde daher beachtliche PAR Werte ergeben. Nur weil eine Pflanzenbeleuchtung hohe PPFD Werte aufzeigt, bedeutet dies noch lange nicht, dass die Pflanzen gut wachsen. Das Spektrum muss dabei ebenso berücksichtigt werden.

Beleuchtungsstärke in Lumen und Lux

Lumen und Lux sind für das menschliche Auge wahrgenommene Lichtintensitäten, die nicht wirklich Einfluss auf die Photosynthese haben. Lux und Lumenwerte sind die besten Messergebnisse bei der Beurteilung, wie gut beispielsweise ein Büroraum ausgeleuchtet ist. Lux drückt aus, wie viel Lichtstrom auf eine bestimmte Fläche trifft. Ein Lux liegt dann vor, wenn ein Lichtstrom von einem Lumen einen Quadratmeter Fläche gleichmäßig ausleuchtet.

Das menschliche Auge ist sehr empfindlich auf Licht im gelben Bereich des Spektrums, so dass bei einer solchen Lux/Lumen Messung 100 Photonen von gelbem Licht eine höhere Bewertung erlangen, als 100 Photonen von blauem oder rotem Licht. Daher sind diese Messwerte bei bei einer Pflanzenlampe eher ungeeignet für unsere Beurteilung.

Lichtsensitivität Auge

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