Messung von PAR (Photosynthetically Active Radiation)

1. Kurzbeschreibung

Im folgenden Fachartikel werden die theoretischen Grundlagen als auch die messtechnische Umsetzung von PAR (Photosynthetically Active Radiation) näher beschrieben. Es werden die Grundlagen der Lichtmessung hinsichtlich der Lichtabsorption durch Pflanzen und deren Einfluss auf das Pflanzenwachstum beschrieben. Die in diesem Dokument beschriebenen spektral messenden Lichtmessgeräte wurden von der Gigahertz-Optik GmbH unter anderem speziell für diese Anwendung entwickelt. Sie bieten insbesondere bei der Beurteilung von LED-Leuchten im Vergleich zu herkömmlichen PAR-Sensoren besondere Vorteile. Im Artikel wird auf das von der Gigahertz-Optik GmbH entwickelte Messgerät BTS256-EF, welches unter anderem diese Bewertung durchführen kann, näher eingegangen.

2. Was ist PAR?

2.1 Grundlagen

Das menschliche Auge besitzt im sichtbaren Teil des Spektrums eine gewichtete spektrale Empfindlichkeit. Dieses Verhalten wird messtechnisch durch die Hellempfindlichkeitskurve V(λ) beschrieben [1]. Diese Funktion beschreibt die spektrale Empfindlichkeit des menschlichen Auges bei Tagessehen. Messtechnisch lassen sich von ihr die absoluten photometrischen Größen wie z.B. Beleuchtungsstärke in Lux oder der Lichtstrom in Lumen ableiten. Das Nachtsehen des menschlichen Auges wird durch die skotopische Empfindlichkeit beschrieben. Hieran ist zu erkennen, dass auch das menschliche Auge keine spektral konstante Bewertung von Licht aufweist.

Abbildung 1: spektrale Wirkungsfunktion des Auges bei Tagesstehen (photopic) und Nachtsehen (scotopic)

Um beispielsweise die Intensität von sichtbarem Licht auf einer Oberfläche zu bestimmen, wird die gemessene spektrale radiometrische Bestrahlungsstärke mit der V(λ) -Kurve gewichtet und über den definierten Spektralbereich integriert. Der erhaltene Wert wird dann mit dem Proportionalitätsfaktor Km multipliziert, um die photometrische Beleuchtungsstärke zu berechnen . Der dann erhaltene Wert wird mit dem Proportionalitätsfaktor Km (physikalisch aus der Definition der SI-Basiseinheit für die Lichtstärke, 683 lm/W) multipliziert. Mathematisch wird dies beschrieben durch:

①

Dieses Konzept kann auch auf Pflanzen übertragen werden. Hierbei ist jedoch zu beachten, dass Pflanzen ein anderes spektrales Absorptionsspektrum, respektive Empfindlichkeit, im Vergleich zum menschlichen Auge aufweisen. Deshalb sind photometrische Messungen wie Lux und Lumen für Pflanzen nicht wirklich aussagekräftig. Aus diesem Grund ist das Konzept von PAR entstanden, die Photosynthetically Active Radiation. Hierfür wurde eine Wirkungsfunktion von (400-700) nm definiert. Diese Wirkungsfunktion ist unterhalb von 400 nm und oberhalb von 700 nm nicht sensitiv. Dazwischen weißt sie eine konstante Photonensensitivität auf.

Abbildung 2: relative spektrale Quanteneffizienz d.h. Photonensensitivität für PAR von (400-700)

Auf Basis dieser Funktion kann die eingestrahlte Lichtenergie im Spektralbereich (400-700) nm pro Zeit und Fläche (Einheit PAR bzw. W/m²) angegeben werden. Mathematisch ist das Konzept aus der Lichttechnik übertragbar:

②

McCree zeigte, dass die Anzahl der Photonen (Lichtquanten) ein besseres Maß für die Photosynthese-Effizienz ist. Demnach kann die Anzahl der pro Flächeneinheit auftreffenden Photonen im Spektralbereich (400-700) nm, auch genannt Photonenflussdichte in μmol/(m²s) (gängig ist auch E/(m²s), wobei E für Einstein steht; keine SI-Einheit), angegeben werden: PAR PPFD (Photosynthetic Photon Flux Density) [4].

③

Wobei die Umrechnung von W/m² in µmol/(m²s) folgendermaßen durchzuführen ist:

④

Hierbei ist h das Planck'sche Wirkungsquantum, c die Lichtgeschwindigkeit, die Avogadro-Zahl NA und die Wellenlänge des Photons. Hier eine Beispielumrechnung (für 550 nm):

⑤

Die spektrale Wirkungsfunktion, welche eine konstante Photonensensitivität darstellt, ist demnach energetisch gesehen keine Konstante mehr. Denn Photonen unterschiedlicher Wellenlänge besitzen unterschiedlich viel Energie. Daraus ergibt sich eine Steigung in der PAR Spektralen Wirkungsfunktion:

Abbildung 3: relative spektrale Wirkungsfunktion für PAR von (400-700) nm für die Photonenzahlberechnung

Diese spektrale Wirkungsfunktion hat sich größtenteils für Vergleichsmessungen, etc. durchgesetzt. Aus wissenschaftlicher Sicht ist das Konzept jedoch noch nicht ganz zufriedenstellend, denn die spektrale Wirkungsfunktion welche für die PAR Berechnung eingesetzt wird (siehe Abbildung 3) entspricht jedoch nicht der realen Wirkungsfunktion von Pflanzen. Dazu kommt noch, dass so gut wie jede Pflanze eine andere Wirkungsfunktion aufweist, welche sich jedoch oft ähneln. Dies aber bedeutet, dass ein Messgerät in der Lage sein sollte beliebige Wirkungsfunktionen zu untersuchen. Dies führt fast zwangsläufig zu einem spektral messenden System, denn mittels optischen Filtern sind diese beliebig vielen und komplexen Wirkungsfunktionen kaum mehr sinnvoll umzusetzen. In Abbildung 4 sind einige spektrale Wirkungsfunktionen dargestellt [1,2,5,6,7].

Abbildung 4: Darstellung einiger gängiger relativen spektralen Wirkungsfunktion

2.2 PPFD, DLI and PPF metrics

Photosynthetische Photonenflussdichte (PPFD) ist, wie oben ausgeführt, die Messung der Gesamtzahl von Photonen innerhalb des PAR-Wellenlängenbereichs, die eine Oberfläche pro Sekunde erreichen (über eine Fläche von einem Quadratmeter). Zusammen mit DLI (siehe unten) ist dies eine der wichtigsten Größen. Sie wird in μmol/(m²s) gemessen und kann analog zur Messung der Beleuchtungsstärke (Lux) für sichtbares Licht betrachtet werden.

Das Daily light integral (DLI) ist die komplette Menge von PAR welche über einen Tag empfangen wird. D.h. der DLI ist eine Funktion der PAR Intensität über den Tag verteilt welche integriert wird. Das Konzept ist vergleichbar mit dem einer Regentonne, der Regen des ganzen Tages wird in der Tonne gesammelt. Die komplette Regenmenge des Tages entspricht dem DLI. Die Regenintensität über den Tag verteilt entspricht wiederum der PAR Funktion über den Tag. Die messtechnische Einheit des DLI ist mol/m²d, wobei d für Tag also day steht [5].

Photosynthetischer Photonenfluss (PPF) ist ein Maß für die Gesamtzahl der Photonen, die von einer Lichtquelle pro Sekunde innerhalb des PAR-Wellenlängenbereichs emittiert werden. Gemessen wird die Größe in μmol/s. Leuchtenhersteller können ihre Wachstumslichtprodukte in Bezug auf PPF spezifizieren. Es kann als analog zur Messung des Lichtstroms (Lumen) von sichtbarem Licht betrachtet werden, was typischerweise die Verwendung eines Systems mit einer Ulbrichtkugel oder eines Goniometers mit Spektralradiometer als Sensor erfordert.

2.3 R/FR Ratio

Das R/FR Verhältnis (Red/FarRed Ratio) ist das Verhältnis zweier Wirkungsfunktionen zueinander, siehe Abbildung 5. D.h. es wird für jede der beiden Funktionen der Bestrahlungsstärkewert in W/m² ermittelt welche dann ins Verhältnis gesetzt werden.

Abbildung 5: Wirkungsfunktionen für das R/FR Verhältnis

Der Hintergrund beruht darauf, dass die Photosynthese bei unterschiedlichen Wellenlängen unterschiedlich groß ist. Das R/FR Verhältnis versucht diese Abhängigkeit darzustellen. Dabei wird die Vorwärtskonversion (DIN 5031-10:2018 Photomorphogenese Emo, Pr in W/m²) in das Verhältnis zur Rückwärtskonversion (DIN 5031-10:2018 Photomorphogenese Emo, Pfr in W/m) gestellt. Aus diesem Verhältnis können z.B. Rückschlüsse über das sogenannte Schattenvermeidungssyndrom geschlossen werden. Dieses sagt aus, dass sich Pflanzen in Richtung Bestandslücken ausrichten. Die Pflanzen regeln dies durch Photorezeptoren welche nach diesen Wirkungsfunktionen empfindlich sind.

3. Messtechnische Umsetzung

3.1 Grundlagen

Spektralradiometer sind in der Lage komplette spektrale Daten der gemessene Lichtquelle zu liefern, während Radiometer einen einzelnen integralen Messwert basierend auf der spektralen Empfindlichkeit ihrer Detektoren (definiert über die Filterkombination) sowie der verwendeten Kalibrierungsquelle ergeben. Daher kann ein geeignet gefiltertes Radiometer verwendet werden, um die Bestrahlungsstärke für eine spezifische Wichtungsfunktion wie etwa PAR oder V(λ) zu bestimmen (spezieller Fall, der als Photometer bekannt ist). Solche integralen Messsysteme haben üblicherweise eine kürzere Messzeit im Vergleich zu spektralen Messsystemen. Ein Integraldetektor kann jedoch nur an eine Spektralfunktion angepasst werden welche zudem niemals perfekt realisiert werden kann. Diese spektrale Fehlanpassung führt zu Messfehlern. Zudem können weder ein integraler Detektor (Radiometer) noch ein Quantensensor  spektralen Informationen von LED-Wachstumslampen liefern und somit sind ihre Möglichkeiten für die Entwicklung und Überwachung im modernen Gartenbau stark eingeschränkt.

Abbildung 6: Vereinfachtes Prinzip BTS Sensor

Daher hat die Gigahertz-Optik GmbH eine Reihe von Technologien entwickelt, um diese Einschränkungen zu überwinden, darunter reine Spektralradiometer wie der MSC15 und CSS-45 sowie der sogenannte Bi-Technologie Lichtsensor (BTS). Der Spektralbereich dieser Instrumente erstreckt sich über den PAR-Bereich hinaus (360-830) nm. Der erweiterte R/NIR-Bereich ist von besonderem Vorteil (z.B. für das R/FR-Verhältnis). Die vielseitigen BTS-Messgeräte enthalten sowohl eine Photodiode für die integrale Messung als auch ein Spektralradiometer mit einem CCD- oder CMOS-Array für die spektrale Messung. Die Kombination dieser beiden Sensortechnologien ermöglicht es, photometrische Parameter mit der integrierten Photodiode sowie das spektrale Kenngrößen zu ermitteln. Die Vorteile beider Sensorprinzipien können somit ausgenutzt werden. Hinzu kommt der Vorteil, dass der integrale Detektor hinsichtlich der spektralen Fehlanpassung direkt mit den Daten des Spektrometers korrigiert werden kann (mehr Informationen finden Sie im Informationsportal: BTS Technology).

3.2 BTS256-EF

Das BTS256-EF ist ein spektral als auch integral messendes Luxmeter. Dies ermöglicht der von Gigahertz-Optik entwickelte BiTec Sensor.

Abbildung 7: Das BTS256-EF Handmessgerät

Das Messgerät besticht durch seine kompakte Baugröße und ist für den mobilen Einsatz ausgelegt, dabei ist es spritzwassergeschützt was auch den Außeneinsatz ermöglicht. Integriert ist ein großer Speicher, welcher von der S-BTS256 Software ausgelesen werden kann. Für die Benutzerfreundlichkeit stehen eine Vielzahl von Anzeigemöglichkeiten zur Auswahl, zudem können eigene Anzeigen frei nach Wunsch definiert werden. Der sehr gut angepasste, Kosinusdiffusor in Kombination mit der auf nationale Standards rückführbaren Kalibrierung macht dieses Gerät zu einem Präzisionsmessgerät. Optional kann das Gerät auch mit einem integrierten WiFi-Modul ausgeliefert werden.

Dieses Messgerät ermöglicht neben der Messung von photometrischen Größen wie Beleuchtungsstärke, Farbort, Farbwiedergabeindex, dominanter Wellenlänge, etc. auch die Messung von Flicker Werten. Als PAR Messgrößen stehen diese Auswertungen zur Verfügung: PAR PPFD, DLI, R/FR sowie beliebige definierbare Bestrahlungsstärke-Werte durch die Eingabe von spektralem Anfangs- und Endpunkt. Des Weiteren besteht die Möglichkeit eigene spektrale Wirkungsfunktionen zu definieren, d.h. es können spektrale Wirkungsfunktionen mit der mitgelieferten Software S-BTS256 auf das Gerät übertragen werden. Diese werden dann direkt im mobilen Einsatz vom Gerät ausgewertet.

3.3 MSC15

Das MSC15 ist ein spektrales Handmessgerät mit einer Mikrospektrometereinheit.

Abbildung 8: Das MSC15 Spektrallichtmessgerät

Das MSC15 besticht durch seine intuitive Bedienung über ein Farb-Touchscreen-Display und durch seine sehr kompakten Abmessungen. Der Diffusor bietet eine sehr gute Kosinus-Korrektur. Kombiniert mit einer Kalibrierung, die auf nationale Standards rückführbar ist, ist dieses Messgerät die perfekte Wahl für Anwender, die genaue, routinemäßige Messungen durchführen möchten. Das Gerät zeigt direkt PAR PPFD-Werte an.

Darüber hinaus bietet das Messgerät eine umfassende Messung von photometrischen und farbmetrischen Parametern wie Beleuchtungsstärke, Farbkoordinaten, Farbwiedergabeindex, Farbtemperatur usw. Das Messgerät wird mit einer Basissoftware (S-MSC15) zur Anzeige, Speicherung und zum Export der Messdaten geliefert.

3.4 CSS-45

Der CSS-45 ist ein Schnittstellen gesteuerter, intelligenter Spektraldetektor mit RS-485- und USB-Schnittstelle.

Abbildung 8: Der CSS-45 Spektraldetektor

Das CSS-45 bietet die volle Messfähigkeit des spektralen Lichtmessgeräts MSC15 in einem robusten Gehäuse (mit Schutzglaskuppel als Option), das vollständig unter Softwarekontrolle steht. Es kann in Einzel- und Multi-Detektor-Konfigurationen verwendet werden und der interne Verschluss ist ferngesteuert. Es ist daher zur Überwachung von PAR-Pegeln an ansonsten unzugänglichen Stellen geeignet, sowie zur Verwendung in Verbindung mit Positioniervorrichtungen, z.B. zur Flächendarstellung der Lichtverteilung. Ein SDK wird für Software Systementwickler bereitgestellt, zudem kann die S-MSC15 genutzt werden.

4. Zusammenfassung

LED Beleuchtung ermöglicht neue Möglichkeiten in der Kontrolle der spektralen Zusammensetzung des Lichts, mit der die Wachstumsrate, Form und Blüte einer Pflanze gesteuert werden kann. Daher müssen moderne PAR-Messgeräte weit mehr als nur ein integrales Messsystem sein. Spektrometer werden benötigt, um die verschiedenen benötigten spektralen Gewichtungsfunktionen zu bestimmen. Diese Vielfalt an Funktionen kann nicht mehr mit einfachen Filter + Photodetektor-Kombinationen realisiert werden. PAR-Messgeräte sollten zudem den mobilen Einsatz erlauben und müssen mindestens spritzwassergeschützt sein, da der größte Teil ihrer Verwendung entweder im Freien oder in Gewächshäusern durchgeführt wird. Die Fähigkeit, typische PAR-Messwerte wie PAR PPFD, den DLI und das R/FR -Verhältnis direkt zu messen, ist dabei vorteilhaft. Das von der Gigahertz-Optik GmbH entwickelte  BTS256-EF unterstützt all diese Funktionen und besticht zusätzlich mit seiner Benutzerfreundlichkeit und seiner leistungsstarken S-BTS256-Anwendersoftware, mit der sogar benutzerdefinierte Gewichtungsfunktionen definiert und gemessen werden können. Das preiswerte und benutzerfreundliche MSC15 eignet sich perfekt für routinemäßige PAR-Messungen und das CSS-45 bietet sich beispielsweise für Messungen an entfernten und unzugänglichen Stellen an.

5. Quellen

[1] ISO 23539:2005 (CIE S010/E:2004) Photometry -- The CIE system of physical photometry

[2] J. Krochmann and R. Rattunde, Quantities and Units of Photosynthetically Effective Radiation, Institut für Lichttechnik der Technischen Universität Berlin, Gartenbauwissenschaft, 45 (5), S. 214-210, ISSN 0016-478X, Verlag Eugen Ulmer GmbH Co., Stuttgart 1980

[3] W.S. Combs, The measurement and prediction of irradiances available for photosynthesis by phytoplankton in lakes, Ph.D. Thesis University of Minnesota, Limnology 1977.

[4] K.J. McCree, Test of current definitions of photosynthetically active radiation against leaf photosynthesis data, Agric, Meteorol. 10:443-453 1972

[5] Ariana P. Torres and Roberto G. Lopez, Measuring Daily Light Integral in a Greenhouse Ariana Department of Horticulture and Landscape Architecture, Purdue University 2013

[6] O. Levy*, Z. Dubinsky and Y. Achituv, Photobehavior of stony corals: responses to light spectra and intensity, Faculty of Life Sciences, Bar-Ilan University, Ramat Gan 52900, Israel 2003

[7] John J. Cullen. Richard F. Davis and Yannick Huot, Spectral model of depth-integrated water column photosynthesis and its inhibition by ultraviolet radiation, Department of Oceanography, Dalhousie University, Canada, Département de Géomatique Appliquée, Université de Sherbrooke, Global Biogeochemical Cycles, Vol. 26, GB1011, Canada 2012

[8] Optical radiation physics and illuminating engineering - Part 10: Photobiologically effective radiation, quantities, symbols and action spectra, DIN 5031-10:2018, Beuth, Berlin 2018