Luce e vita

da www.philips.com

un approfondimento su qualcosa che tutti vediamo ma che pochi conoscono davvero bene, a cura dei professionisti dell’illuminazione.

La luce artificiale può davvero sostituire il sole?

Il sole è una fonte luminosa naturale a disposizione di tutti e consente la crescita di ogni organismo vivente, comprese le piante. Tuttavia, la luce del sole non è presente ovunque in quantità sufficienti. Tra 40° e 80° di latitudine, la quantità di luce presente all’interno di una serra durante i mesi invernali è spesso troppo limitata per garantire lo sviluppo delle piante. Ecco perché, a queste latitudini, si impiegano comunemente sorgenti luminose aggiuntive per stimolare la crescita dei vegetali.Per una buona applicazione dell’illuminazione ad assorbimento (buona in termini economici), sono importanti i seguenti criteri:

* In che periodo dell’anno la luce diurna è insufficiente?
* Come è possibile integrare efficacemente la luce naturale (orari, durata, ecc.)?
* Qual è la sorgente luminosa più adatta ?
* Esistono requisiti particolari relativi alla composizione spettrale?

Per vivere, le piante hanno bisogno di un irraggiamento complessivo giornaliero di circa 100 joule/cm². Se tale livello non viene raggiunto all’interno della serra, l’irraggiamento naturale può essere integrato con l’illuminazione ad assorbimento. Ciò avviene principalmente prolungando il periodo di irraggiamento mediante la luce artificiale, fino a 16 ÷ 20 ore al giorno. Il livello e la durata dell’illuminazione ad assorbimento dipendono essenzialmente dalle condizioni e dai risultati attesi della coltivazione.

Philips ha elaborato alcune “ricette” di illuminazione per le coltivazioni più comuni, utilizzabili come linee guida. Esse precisano anche il tipo di sorgente naturale ideale per una determinata applicazione.

Per potere rispondere compiutamente alle domande precedenti, la prima cosa che occorre sapere è il modo in cui una pianta “vive” la luce. Esso risulta diverso dal modo in cui gli esseri umani percepiscono la luce. Per misurare con precisione la luce necessaria per la crescita delle piante, occorre innanzitutto esaminare alcuni presupposti di base:

+ Luce e radiazione
+ La luce e gli esseri umani (sensibilità dell’occhio)
+ La luce e le piante (sensibilità della pianta)

Luce e radiazione

La luce è una forma di radiazione elettromagnetica; di conseguenza una sorgente luminosa è una fonte di radiazioni. La luce comprende la parte visibile della radiazione emessa e copre solo una piccola parte della quantità complessiva di radiazioni elettromagnetiche. La radiazione è costituita da vibrazioni ed è quindi caratterizzata da una lunghezza d’onda. La distribuzione globale di tutte le lunghezze d’onde è nota con il nome di “spettro”. Una lunghezza d’onda è espressa in metri; i prefissi micro (µ) e nano (n) indicano rispettivamente un milionesimo e un miliardesimo di metro.

Vari tipi di radiazioni con i rispettivi intervalli di lunghezze d’onda:

Radio (AM)   200 -2.000 m
Radio (FM)   3 -3,3 m
TV   0,3 – 1,5 m
Infrarosso   0,78 – 100 µm
Luce   380 – 780 nm
Ultravioletto   1 -380 nm
Raggi X   0,01 -1 nm

Lo spettro della radiazione solare può essere suddiviso in maniera approssimativa in ultravioletto (UV), luce visibile, infrarosso (IR) e radiazione a lunghezza d’onda lunga (calore).. La radiazione ultravioletta presenta lunghezze d’onda da corte a molto corte, mentre la radiazione infrarossa comporta lunghezze d’onda molto più lunghe. La frazione visibile della radiazione è compresa tra 380 e 780 nm e comprende i vari colori della luce. Si tratta del cosiddetto spettro cromatico della luce.

Misura della radiazione

Colori della luce e relativi intervalli di lunghezze d’onda
Viola     380 -435 nm
Blu     435 -500 nm
Verde     500 -555 nm
Giallo     555 -600 nm
Arancione   600 -650 nm
Rosso     650 – 780 nm

In Europa, esistono numerose stazioni meteorologiche che misurano il livello e la durata dell’irraggiamento solare. Ciò avviene solitamente con l’ausilio di un polarimetro, strumento che misura l’energia complessiva delle radiazioni a onda corta (una parte delle radiazioni solari) comprese tra circa 300 e 3000 nm. Si tratta della cosiddetta radiazione globale.. L’irradiamento di questa radiazione globale è espresso in joule al secondo per m² (J s-1 m-2) o, in alternativa, in watt per m².
(W m-2), dove 1 J s-1 = 1

L’irradiamento naturalmente è molto importante per la crescita delle piante, ma la quantità di radiazioni ricevute, durante la giornata, è ancora più importante. Si tratta della cosiddetta somma di radiazioni, pari all’irradiamento moltiplicato per la durata in secondi, spesso espresso in joule per m² al giorno.
(J m-2 d-1).

La luce e gli esseri umani

Solo una piccola parte dello spettro delle radiazioni luminose è visibile all’occhio umano. Questa frazione è compresa tra 380 e 780 nm e rappresenta ciò che chiamiamo ‘luce’. L’occhio umano non è egualmente sensibile ad ogni componente cromatica della luce. La massima sensibilità si colloca a circa 555 nm (luce gialla-verde) e cala in presenza di lunghezze d’onda più lunghe (rosso) o più corte (blu).

La sensibilità dell’occhio umano alla luce rossa (650 nm) rappresenta appena il 10% del valore massimo. In altre parole, è necessaria dieci volte più di luce rossa per ottenere la stessa impressione di brillantezza procurata dalla luce gialla-verde.
La quantità di luce visibile è espressa in lumen (lm) ed è basata sulla curva di reazione dell’occhio. La quantità di luminanza proveniente da una determinata sorgente e che colpisce una superficie è espressa in lux (= lm m-2).
La maggior parte dei prodotti per l’illuminazione sono sviluppati e fabbricati per impieghi connessi all’esistenza degli esseri umani. Per questo motivo, le unità di misura lumen e lux sono sempre utilizzate per i prodotti destinati alle applicazioni umane.

La luce e le piante

Rispetto agli esseri umani, le piante hanno una diversa reazione sensibile alla luce con varie lunghezze d’onda. Solo una frazione della luce visibile all’occhio umano contribuisce alla crescita (fotosintesi) delle piante, cioè la luce con lunghezze d’onda comprese tra 400 e 700 nm. Si tratta della cosiddetta zona PAR (PAR = Photosynthetic Active Radiation). Circa il 45% delle radiazioni complessive della luce diurna è compreso tra 400 e 700 nm. Quindi, circa il 45% delle radiazioni complessive è PAR.

Per essere efficace nella crescita delle piante, una lampada deve trasformare la maggiore quantità possibile della sua energia elettrica in PAR.

La fotosintesi è un processo fotochimico nel quale l’energia luminosa è assorbita dalla clorofilla e dai carotenoidi presenti nelle foglie. Questa energia è utilizzata per produrre zuccheri dall’anidride carbonica (CO2) assorbita dalle foglie. Il processo può essere così schematizzato:

6 CO2 + 6 H2O + energia luminosa -> C6H12O6 + 6 O2
anidride carbonica + acqua + energia luminosa = zucchero + ossigeno

Una sorgente luminosa può essere considerata una fonte che rilascia particelle di energia. Queste particelle prendono il nome di quanti luminosi o fotoni. Il contenuto energetico di un fotone è in funzione della sua lunghezza d’onda. Il numero complessivo di fotoni emessi al secondo tra 400 e 700 nm è detto PPF (Photosynthetic Photon Flux), una quantità misurata in µmol s-1. Il PPF è paragonabile al concetto del lumen, ma è basato sulla reazione sensibile delle piante. Il contenuto energetico di un fotone di 400 nm (blu) è 1,75 volte maggiore (700/400) di quello di un fotone di 700 nm (rosso), ma entrambi i fotoni si equivalgono per quanto riguarda i loro effetti sul processo della fotosintesi. L’energia in eccesso di un fotone blu è ampiamente convertita in calore.

Il tasso di fotosintesi è determinato dal numero di fotoni compresi tra 400 e 700 nm che la pianta assorbe, e non dal contenuto energetico complessivo di tali fotoni. Perciò, il numero di fotoni al secondo compresi tra 400 e 700 nm che colpiscono una determinata superficie, definito come PPFD (Photosynthetic Photon Flux Density), è la sola grandezza che deve essere utilizzata per esprimere la quantità di luce necessaria per il processo di fotosintesi. Il PPF è paragonabile al concetto del lux (lumen m-2), ma è basato sulla reazione sensibile delle piante.
Il PPFD viene misurato con l’ausilio di un sensore di quanti ed è espresso in µmol di fotoni per m² al secondo (µmol m-2 s-1). Quando si parla di PAR (Photosynthetic Active Radiation), si fa riferimento al contenuto energetico della luce tra 400 e 700 nm (in W m-2).

PPF = numero totale di fotoni emessi al secondo tra 400 e 700 nm; unità di misura µmol s-1
PPFD = numero di fotoni al secondo tra 400 e 700 nm per area unitaria; unità di misura µmol m-2 s-1
PAR = contenuto energetico al secondi della luce tra 400 e 700 nm per area unitaria; unità di misura W m-2

La sensibilità spettrale delle piante

Anche all’interno dell’intervallo PAR, non tutte le piante sono egualmente sensibili alle lunghezze d’onda. Ciò è dovuto, tra l’altro, all’assorbimento specifico di ogni tipo di pigmenti delle foglie, dei quali la clorofilla è solo il più noto. A causa di una riflessione e di una trasmissione relativamente forti, la luce verde è quella utilizzata meno efficacemente dalla foglia. Questo spiega perché le foglie sono percepite come verdi dall’occhio umano.

L’effetto delle radiazioni con varie lunghezze d’onda sulla crescita delle piante è illustrato dalla curva di sensibilità di un vegetale. Poiché la fotosintesi è il più importante processo di crescita, si utilizza uno spettro di azione che descrive il modo in cui si determina il tasso di fotosintesi con le varie lunghezze d’onda. Questo spettro di azione della fotosintesi è basato sul numero di fotoni (quanti leggeri) assorbito per lunghezza d’onda. Tale spettro di azione è noto anche con il nome di ‘efficienza quantica spettrale’.

Le ricerche (McCree 1972) hanno dimostrato che lo scostamento medio rispetto al valore medio di varie specie vegetali non supera il 5%. È stato anche illustrato che l’efficienza quantica è maggiore nella zona arancione-rossa; in altre parole, questo tipo di luce assicura la fotosintesi più efficace. Questo non significa però che le piante possano crescere utilizzando esclusivamente questo colore dello spettro luminoso. Per svilupparsi normalmente, è estremamente importante che le piante ricevano uno spettro ben equilibrato. La quota di luce blu è molto importante ai fini di un sano sviluppo delle piante. Una carenza di luce blu provoca una crescita eccessiva degli steli e determina talvolta l’ingiallimento delle foglie. Anche il rapporto rosso/infrarosso ha la sua importanza nello sviluppo delle specie vegetali. Una bassa quota di infrarosso impedisce la crescita degli steli. Queste reazioni sensibili variano da una specie vegetale all’altra.

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