OK-NMpigmentsLa luce è un trasporto di energia nello spazio tramite fotoni, piccolissime particelle di materia dette anche “quanti”. Questi viaggiano, ovviamente, alla velocità della luce e vibrano con diverse frequenze e lunghezze d’onda elettromagnetica. Le radiazioni luminose che attivano fotosintesi e altri processi biochimici nelle piante sono chiamate PAR (Photosynthetically Active Radiation) e si trovano nella gamma di lunghezze d’onda da 380 a 780 nanometri.

Effetti delle diverse lunghezze d’onda.  Con luce artificiale, l’attività chimica delle piante presenta picchi attorno a 400-450nm e 650-670nm per la produzione di clorofilla A e sui 450-500 nm e 600-640nm per la clorofilla B. In fase di germinazione e crescita le piante utilizzano principalmente luce blu a 450-480nm, mentre in fioritura usano luce rossa sui 640-660nm. Una miscela di radiazioni rosse e blu è necessaria in tutte le fasi di vita anche se la massima efficienza di una lampada si ottiene sui 650nm, nella zona del “deep red”. La fioritura di molte piante richiede anche lunghezze d’onda oltre il rosso intenso, fino ai 700nm “far red” che attivano l’effetto Emerson.

emersonenhancementControllare la fotosintesi. La crescita e la fruttificazione indoor di una pianta non dipende tanto dall’intensità luminosa fornita, quanto dal raggiungimento di certe soglie di intensità alle precise frequenze luminose che innescano fotosintesi e produzione di sostanze chimiche come gli ormoni. Diverse varietà oppure differenti parti della pianta possono utilizzare in modo ottimale lunghezze d’onda differenti. Modificando l’intensità dei diversi spettri luminosi nei momenti del giorno e della vita di una pianta è possibile accelerare o rallentare la fioritura, aumentare le dimensioni dei frutti, ridurre la distanza internodale o cambiare l’estensione del tappeto fogliare.

Lumen e lux non sono sufficienti. La luce si misura con grandezze fotometriche derivate dalla sensibilità dell’occhio umano ai colori, oppure con grandezze radiometriche riferite all’energia trasportata  e indipendenti dalla lunghezza d’onda. Lumen e lux sono unità di misura fotometriche riferite alla luce percepita dall’occhio umano. Poiché le piante utilizzano per la fotosintesi lunghezze d’onda diverse da quelle della visione umana, le misure fotometriche dell’intensità luminosa di una lampada non indicano quanti fotoni utili alla fotosintesi vengono effettivamente proiettati sulla pianta.

Misurare la quantità di fotoni PAR. La misura radiometrica più utilizzata è la PPFD PAR (Photosynthetic Photon Flux Density), cioè il flusso di micromoli fotoniche PAR per secondo in un metro quadro (μmol/m2/s). I valori PPFD ideali per frutti e ortaggi variano da 400 a 1000, con fragole e insalate fa 250 e 450, mentre il pomodoro richiede da 450 a 750 µmol/m2/s. Alla nostra latitudine il sole a mezzogiorno emette da 1200 e 2000 PPFD a seconda delle stagioni.

Fig Gei 2Produrre solo i fotoni che servono. All’unità di misura PPFD sono legate le scale YPF PAR (Yield Photon Flux) e Quantum Yield, che assegnano un maggiore peso alle frequenze luminose rosse, principali fattori di fotosintesi. L’efficienza energetica di una coltivazione indoor dipende in buona parte dalla qualità della miscela di intensità luminose PAR in rapporto all’elettricità utilizzata: PPFD/watt oppure YPF/watt. Le tradizionali lampade HID emettono grande quantità di energia ad ampio spettro, con alcuni picchi di luce attorno alle lunghezze d’onda del blu e del rosso. Queste lampade offrono alle piante tutta la luce necessaria, ma gran parte del forte flusso di energia fotonica va sprecato in calore e in colori non visti dalle piante. Per questo motivo l’efficienza energetica delle lampade HPS e MH è inferiore a quella dei sistemi a led, che utilizzano energia per produrre solamente le lunghezze d’onda più utili alla fotosintesi.

 

Image credits: Ross E. Koning 1994; http://plantphys.info/

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