Introduzione

Con il termine luce si fa di solito riferimento a quella parte della radiazione solare che risulta visibile all'occhio umano. In realtà si tratta solamente di una piccola fetta del cosiddetto “spettro elettromagnetico” complessivo del sole; alcuni di questi raggi, infatti, non riescono neanche a raggiungere la superficie della terra. Lo spettro elettromagnetico include raggi ultravioletti, raggi infrarossi, raggi X, microonde e onde radio.

Sunlight

La luce è solo un piccolo segmento rispetto alla radiazione elettromagnetica complessiva. All'interno della gamma visibile, che per l'occhio umano va dai 380 ai 780 nm (nm), troviamo i sette colori dell'arcobaleno; mettendo insieme tutti i colori, la luce apparirà bianca. Attraversando una goccia d'acqua o un prisma di cristallo, una luce bianca può però suddividersi nei diversi colori; l'esempio più noto è l'arcobaleno: in questo caso la luce viene riflessa dalle goccioline di acqua sospese in aria.

Esistono diverse modalità di misurazione della luce. Alcune ben note unità di misura, come il lux o il lumen, sono concepite per misurare la visione del colore e la sensibilità alla luce dell'occhio umano. È però ben noto che le piante hanno una diversa sensibilità alla luce rispetto agli esseri umani. La cosiddetta “radiazione fotosinteticamente attiva” è oggi considerato il principale indicatore del settore e viene abbreviato in "PAR".

La Radiazione Fotosinteticamente Attiva (PAR)

Il PAR (Photosynthetically Active Radiation - Radiazione Fotosinteticamente Attiva) viene utilizzato in botanica per descrivere la gamma di emissione luminosa che permette alle piante di crescere. Il PAR si riferisce fondamentalmente alla gamma compresa fra i 400 e i 700 nanometri (nm). NON si tratta di un'unità di misura: il termine fa semplicemente riferimento al fatto che, per l'attivazione dei processi di fotosintesi della pianta, è necessaria una fonte di luce compresa fra i 400 nm e i 700 nm.

Studi scientifici hanno però dimostrato che il concetto di Radiazione Fotosinteticamente Attiva abbia un difetto fondamentale: La misurazione in PAR ha due punti deboli di un certo peso: da un lato, i raggi con una lunghezza d'onda inferiore ai 400 nm (in particolare i raggi UV-A e UV-B) nonché i raggi con lunghezza d'onda superiore ai 700 nm (infrarossi) vengono completamente esclusi dalla misurazione dei PAR. La radiazione fotosinteticamente attiva presuppone infatti che tutti i fotoni al di fuori della regione indicata non siano utili alla fotosintesi e alla salute della pianta. In realtà, le piante utilizzano anche la luce al di fuori del PAR, ad esempio i raggi infrarossi, che aumentano i livelli ormonali migliorando l'efficienza fotosintetica (effetto Emerson). I raggi UV giocano un ruolo importante nella pigmentazione delle piante e nella formazione delle sostanze necessarie ai meccanismi di difesa.

Le unità di misura più utilizzate per la misurazione di PAR sono il PPF (Photosynthetic Photon Flux - Flusso Fotonico Fotosintetico) e il PPFD (Photosynthetic Photon Flux Density - Densità del Flusso Fotonico Fotosintetico).

Flusso Fotonico Sintetico (PPF)

Il PPF rappresenta l'unità di misura della quantità totale di luce PAR emessa da una lampada per coltivazione ed è espresso in µmol/s (micromoli al secondo). Una micromole corrisponde a 602.214.150.000.000.000 fotoni. Questa unità di misura indica la quantità fotoni (particelle di luce) emessi da una fonte di luce ogni secondo, ed è facile comprenderne l’importanza. Il PPF non indica però la quantità di fotoni che raggiungono le piante, limitandosi ad indicare la quantità totale.

Densità del Flusso Fotonico Fotosintetico (PPFD)

Il PPFD (Photosynthetic Photon Flux Density - Densità del Flusso Fotonico Fotosintetico) misura invece la quantità di fotoni che ogni secondo irraggiano la superficie di un metro quadro ed è espressa in µmol/m2/s (micromole per metro quadro al secondo). Generalmente è proprio questa l’unità di misura riportata su un misuratore portatile di PAR. Il PPFD è il valore più importante per i coltivatori, poichè indica la quantità media di illuminazione sul terreno coltivato. Il PPFD indica il numero di fotoni che irraggiano le piante, ma una singola misurazione del PPDF non è sufficiente per l'intera area di coltivazione.

I PPFD possono variare a seconda delle dimensioni della lampada per coltivazione. Le misurazioni che avvengono a una distanza minima dalla lampada non sono significative: se la misurazione avviene nelle immediate vicinanze della sorgente di luce, infatti, tutte le lampade registreranno dei valori incredibilmente alti. È perciò essenziale misurare il valore del PPFD al livello dell'area di coltivazione su punti differenti e calcolarne una media, così da poter valutare in maniera affidabile se la lampada da coltivazione è sufficientemente efficiente e se riesce a irraggiare tutte le piante.

La misurazione dei PAR/PPFD dipende anche dall'altezza della sorgente di luce. In parole semplici, maggiore è la distanza della lampada, tanto più ampia (ma tanto meno intensa) sarà la copertura. È dunque importante sapere da quale distanza sono state prese le misurazioni rispetto alla sorgente di luce; perciò, nel valutare le prestazioni di una lampada LED, raccomandiamo di non prendere in considerazione le singole misurazioni. Inoltre, una serie di misurazioni sotto la lampada non possono darci informazioni sufficienti a valutare la capacità della lampada di coprire l'intera area di coltivazione.

Solamente misurando il valore in termini di PAR sull'intera area di illuminazione e a diverse distanze saremo in grado di confrontare le prestazioni di differenti lampade per coltivazione LED. Bisognerà inoltre tenere in considerazione l'intero spettro di emissione.

Curva di Efficienza Quantica (McCree/Inada)

Curva di Efficienza Quantica (McCree/Inada)

Efficienza Quantica Relativa

Un valore elevato in termini di PPFD non garantisce che la pianta cresca in maniera ottimale. Le misurazioni in termini di PPF/PPFD infatti non sono accurate, poiché non offrono informazioni sulla intensità relativa di specifiche lunghezze d'onda. Due noti scienziati (McCree/Inada) hanno ricostruito lo spettro ottimale di coltivazione, nel quale sono indicati gli effetti della qualità di luce sulla fotosintesi. La relativa Curva di Efficienza Quantica, anche nota come curva di McCree, è ampiamente utilizzata per valutare gli effetti della qualità e della quantità di illuminazione sulla fotosintesi. La curva mostra che i fotoni sullo spettro dell'arancione e del rosso, fra i 600 nm e i 630 nm, producono il 25% di fotosintesi in più rispetto ai fotoni nello spettro di luce blu, compreso fra i 400 nm e i 540 nm. Misurando il PAR di una luce blu al 100%, otterremmo comunque un valore significativo in termini di PPF/PPFD. Il semplice fatto che una lampada da coltivazione offra delle alte prestazioni in termini di PPF/PPFD non significa necessariamente che le piante cresceranno in maniera ottimale: occorre perciò tenere conto dello spettro.

Illuminamento in Lux e Lumen

Lux e Lumen sono unità di misura concepite per misurare la percezione della luce bianca da parte dell'occhio umano: non ricoprono perciò un ruolo significativo nella fotosintesi, sono semmai unità di misura adatte a valutare la qualità di un impianto di illuminazione in un ufficio. Il Lux esprime la quantità di flusso luminoso che interessa una determinata area. Otteniamo un Lux quando un flusso luminoso quantificabile in un lumen illumina in maniera uniforme una superficie di 1 m quadrato.

L'occhio umano ha un’elevata sensibilità rispetto alla luce nella regione gialla dello spettro. Nelle misurazioni in termini di lux/lumen, 100 fotoni di luce gialla permettono di raggiungere un valore superiore rispetto a 100 fotoni di luce blu o di luce rossa. È dunque evidente che queste misurazioni non sono adatte ai nostri scopi.

Human Eye Sensitivity

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