radiační měření přednes 05112008
TRANSCRIPT
RADIAČNÍ MĚŘENÍ
1. Radiační režim v rostlinném porostu
2. Spektrálně optické vlastnosti fotosyntetického aparátu
3. Přístrojové vybavení teoreticky i názorně
Interakci živých organismů s dopadající radiací lze rozdělit na 3 části:
1) termální účinky radiace: > 70% solární radiace, která je absorbována rostlinami je
přeměněna na teplo a je využita jako energie pro transpiraci a pro vodivostní tepelnou
výměnu s okolním vzduchem.
2) fotosyntetické účinky radiace: až 28% (z absorbované) solární radiace je využito
pro fotosyntézu (uloženo do vysoce energických organických sloučenin). Využití
fotosynteticky aktivní radiace (PAR = množství fotonů v rozsahu 400-700 nm) závisí
na velkém počtu faktorů, např.:
účinnost absorpce
kapacita elektronového transportu a fixace CO2
úrovni stresů působících na rostlinu atp.
3) fotomorfogenetické účinky radiace: solární radiace regulace a kontrola procesů
růstu a vývoje.
- interval fotomorfogeneticky aktivního záření: od UV do NIR
- fotomorfogeneticky aktivní pigmenty – kryptochromy, fototropiny a fytochromy
ad kryptochromy (a fototropiny)
- absorbují v UVA až modré oblasti spektra (320-500 nm)
- podílí se na:
fototropismus
pohyby chloroplastů
expanze listů
rychlá inhibice růstu hypokotylu
otevírání průduchů
ad fytochromy:
- vyskytují se ve dvou formách, absorbujících radiaci v červené (fytochrom red - 660
nm) a daleké červené (fytochrom far red - 730 nm) oblasti spektra
- při změnách poměru radiace v této oblasti dochází ke vzájemné fotokonverzi jedné
aktivní formy v druhou neaktivní a naopak
- podílí se na:
regulace růstu
klíčení semen
prodlužování stonku
kvetení atd.
- kromě spektrální kvality a obsahu energie souvisí fotomorfogeneze i s periodickými
změnami radiace při střídání světla a tmy, délkou trvání jednotlivých period atd.
Obr. 1.: Absorpční spektra purifikovaných forem fytochromu red (R) a far-red (FR) z listů dubu.
Radiační režim v porostu je určen 4 faktory:
1) vlastnostmi dopadající krátkovlnné radiace
2) spektrálně optickými vlastnostmi listů a porostu
3) optickými vlastnostmi půdy
4) architekturou porostu
ad 1) Vlastnosti dopadající radiace
definice a jednotky:
zářivý tok – množství radiační energie emitované, transmitované nebo přijaté za jednotku
času. Jednotka = 1 W
intenzita záření – zářivý tok vycházející z bodu na povrchu zdroje vztažený na jednotku
prostorového úhlu prostoru v okolí zdroje. Jednotka = 1 W. sr-1
R
FR
hustota zářivého toku – zářivý tok vztažený na jednotkovou plochu. Jednotka = 1W. m-2
ozářenost – zářivý tok dopadající na povrch ze všech směrů, vztaženo na jednotkovou plochu
povrchu. Jednotka = 1 W. m-2
Všechny vlastnosti zářivého toku závisí na vlnové délce Předložka „spektrální“ se objeví
v případě, že chceme tuto závislost popsat.
např. spektrální ozářenost – ozářenost při dané vlnové délce, vztaženo na jednotkový
interval vlnové délky. Jednotka = 1 W. m-2. nm-1
Kvantové jednotky
Radiační energie je přenášena FOTONY. Ty se pohybují rychlostí světla a mají jak
částicový tak vlnový charakter (duální charakter). Vlnová délka radiace je spojena s energií
fotonu, což popisuje Planckova rovnice:
e = hc / Jednotka energie = 1 J
h = Planckova konstanta (6,63.10-34J. s)
c = rychlost světla
= vlnová délka
Tato energie je velmi malá, proto se udává energie obsažená v 1 molu fotonů (6.022 x
1023
). Analogickou kvantovou jednotkou je 1 einstein = 1 mol kvant = 6.022 x 1023 kvant.
Konverze z energetických na kvantové jednotky je možná, ale je potřeba znát spektrální
složení dopadající radiace.
DOPADAJÍCÍ RADIACE
Solární konstanta S – průměrná hodnota solární radiace (vně atmosféry), která dopadá na
povrch kolmý ke slunečním paprskům (1.35 kW m-2
). Její hodnota kolísá +/- 1,5 % vlivem fluktuacím sluneční aktivity a +/- 3,5% v průběhu roku
vlivem změny vzdálenosti Z x S.
Sp – ozářenost na povrchu Země kolmém ke slunečním paprskům. Během pohybu atmosférou
je radiace absorbována a rozptylována molekulami plynů, vody a prachovými částicemi
(ztráty redukují radiaci až na 0,7 – 1 kW m-2).
Sp vzrůstá s nárůstem elevačního úhlu slunce a propustností atmosféry p.
Dopadající solární radiaci můžeme rozdělit na dvě složky: přímou a difúzní radiaci.
Přímá solární radiace – svazek paralelních paprsků dopadající na povrch ze slunečního disku
skrz atmosféru.
ozářenost přímé solární radiace Sb na vodorovném povrchu
Sb = Sp sin
Sp = ozářenost na povrchu Země kolmém k dopadajícím paprskům
= elevační úhel Slunce
Difúzní solární radiace – radiace rozptýlená v atmosféře. Dopadá na povrch ze všech směrů.
ozářenost difúzní solární radiace Sd na vodorovném povrchu (0.03 to 0.45 kW m-2 )
- vzrůstá se vzrůstajícím elevačním úhlem
- klesá se vzrůstající propustností atmosféry
- silně ovlivněna množstvím a typem oblačnosti
St – součet přímé a difúzní radiace (v poledne při jasné obloze St ~1 – 1,2 kW m-2)
St = Sb + Sd = Sp sin + Sd
Obr. 2.: Denní distribuce jednotlivých komponent dopadající solární radiace.
přímá
difúzní
Podíl difúzní komponenty v globální radiaci lze vyjádřit pomocí tzv. difúzního indexu (DI) =
podíl difúzní / globální radiace. DI < 0,30 odpovídá radiaci pro jasnou oblohu.
SPEKTRÁLNÍ DISTRIBUCE DOPADAJÍCÍ RADIACE (Obr. 3)
- až 98% solární radiace dopadá v intervalu vlnových délek 300 – 3000 nm s maximem
kolem 470 nm.
- při 300 nm je ostrá hranice způsobená filtrací záření atmosférickým ozónem.
- po proniknutí záření do zemské atmosféry je při některých vlnových délkách téměř
úplně absorbováno (kyslíkem, oxidem uhličitým a vodními parami)
Obr. 3.: Spektrální ozářenost nad a uvnitř zemské atmosféry. Obrázek ukazuje významná absorpční maxima.
- Energie v celém spektrálním rozsahu je redukována Rayleigho (částice menší než vln.
délka) a Mieho (částice větší než vln. délka) rozptylem.
RAYLEIGHŮV ROZPTYL
- způsoben molekulami plynů, mlhou, malými částicemi prachu a ledovými krystalky
- projevuje se více v kratších vlnových délkách – rozptýlené záření je modré (zdroj
modrého zbarvení oblohy)
- stupeň rozptylu je nepřímo úměrný λ4
MIEŮV ROZPTYL
- obecně se více projevuje v delších vlnových délkách
wavelength (μm)
sp
ectr
al ir
rad
ian
ce (
W.m
-2.A
-1)
- způsobuje červenání rozptýleného záření vlivem rozptylu na částicích prachu a mlhy
- spektrální složení difúzní radiace v přítomnosti velkého počtu větších částic je při
zatažené obloze podobné spektrálnímu složení přímé radiace.
Spektrální distribuce přímé a difúzní radiace je rozdílná
- maximální hodnoty přímé radiace na jednotkový interval vln. délky leží v zelenožluté
oblasti spektra
- maximum pro difúzní radiaci při jasné obloze leží v modré oblasti
- spektrální distribuce přímé a difúzní radiace kolísá v závislosti na elevačním úhlu,
propustnosti atmosféry atd.
Obr. 4.: Spektrální ozářenost nad porostem (+ radiace odražené porostem). Srovnání měření za různých
podmínek.
- spektrální ozářenost při úplně zatažené obloze je ve srovnání s přímou solární radiací
relativně vyšší v kratších vln. délkách.
Obr. 5.: „Relativní“
spektrální ozářenost
při převládající
přímé (prázdné
symboly) a difúzní
(plné symboly)
radiaci.
difúzní
přímá
ad 2) Optické vlastnosti listů a porostu
- závisí na nich radiační režim v porostu
- radiace interaguje s rostlinami hlavně přes absorpci a rozptyl
- tyto procesy se značně liší pro různé spektrální intervaly a závisí na: struktuře listu,
stáří listu, spektrální distribuci, úhlu dopadu radiace atd.
- optické vlastnosti listů, stonků, květů a dalších částí rostlin jsou charakterizovány
pomocí:
reflektančního koeficientu ρ (R) = část dopadající radiace odražené povrchem do všech
směrů nad povrchem
transmitančního koeficientu τ (T) = část dopadající radiace propuštěná do všech směrů
pod povrchem
absorpčního koeficientu α (A) = absorbovaná část radiace, tzv. ABSORPTANCE
- tyto koeficienty spolu souvisí, vyjádřeno rovnicí
α = 1 – ρ – τ
- optické vlastnosti listů se mění vlivem druhových rozdílů, struktury listu a s jeho
věkem.
mladé listy
- světle zelená barva, malá absorpce
- relativně velká transmitance a reflektance
propuštěno + emitováno
abso
rbo
váno
odraženo + emitováno
propuštěno + emitováno
abso
rbo
váno
odraženo + emitováno
plně zralé listy
- tmavě zelená barva, velká absorpce
- malá reflektance a transmitance
Transmitanční, reflektanční a absorptanční spektra mají specifický tvar (Obr. 6)
Obr. 6.: Spektrální transmitance, reflektance a absorptance u reprezentativního zeleného listu.
- UV – velká absorpce (pigmenty, UV absorbující látky)
- PAR – velká absorpce způsobená chlorofyly a dalšími pigmenty (minimum je
lokalizováno v zelené oblasti)
- 700 – cca 1200 nm velmi malá absorpce
- nad cca 1200 nm – absorpce způsobená hlavně vodou, výrazný vliv struktury
Obr. 7.: Absorpční spektra fotosynteticky aktivních pigmentů v metanolu.
Tab.1.: Absorpční maxima vybraných biochemických složek listu.
0.00
0.20
0.40
0.60
0.80
1.00
370 570 770 970
wavelength (nm)
refle
ctan
ce
0.00
0.20
0.40
0.60
0.80
1.00
tran
smitt
ance
Obr. 8.: Spektrálně optické vlastnosti listů buku.
Obr. 9.: Efekt absorpce dopadající sluneční radiace v porostu.
Využití spektrálně optických vlastností – praktická aplikace
- spektrálně optické vlastnosti rostlin odrážejí jejich interakci s dopadající radiací
informace o fyziologickém stavu (obsah pigmentů, vody, biomasy atd.)
nedestruktivní získání informace o vybraných charakteristikách asimilačního
aparátu (působení stresu, senescence aj.)
- využití tzv. INDEXŮ = poměry R v určitých vlnových délkách korelující s obsahem
pigmentů, vody, obsahem biomasy atd.
Obr. 10.: Spektrální reflektance (a)
a první derivace reflektance (b)
typického zdravého listu. Hlavní
vlnové délky používané
v reflektančních indexech jsou:
430 a 445 nm pro karotenoidy; 531
a 570 nm pro xantofyly; 550 – 680
nm a poloha red edge
pro chlorofyly; 800 – 900 nm jako
reference minimalizující vliv
struktury; 970 nm pro vodu; a 800 -
900 a 680 nm pro zelenou biomasu
Tab.2.: Míra lineární korelace (vyjádřená hodnotou regresního koeficientu r2) reflektančních indexů
s obsahem vody a plošným obsahem pigmentů u vybraných rostlinných druhů. Více „xxx“ = lepší korelace.
ad 3) Optické vlastnosti půdy
- závisí na jejích fyzikálních (vlhkost, struktura, …) a chemických vlastnostech
(složení, barva, …)
- jsou specifikovány tzv. REFLEKČNÍM KOEFICIENTEM – albedo = průměrná
odrazivost povrchu (poměr dopadající / odražené radiace). V některých případech
může být odraz od povrchu země zanedbán (hustá vegetace), hraje důležitou roli
v případě řídké vegetace.
Tab.3.: Albedo vybraných povrchů (vyjádřeno v procentech).
ad 4) Architektura porostu
- ovlivňuje radiační režim
- pronikání radiace skrz porost závisí na:
množství listů a dalších částí rostlin bránících paprskům dopadající radiace
prostorové distribuci a vzájemném stínění listů
velikosti a vzájemné orientaci listů atd.
- orientace listové plochy závisí na druhu rostlin a vykazuje vertikální a sezónní změny.
- architekturu lesního porostu lze popisovat pomocí některých vhodných charakteristik,
jako jsou
výška porostu,
výška koruny (korunové vrstvy),
index listové plochy (LAI = listová plocha v m2 připadající na m2 půdy),
hustota listové plochy (listová plocha v m2 připadající na jednotku prostoru
v určité výšce porostu),
-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Přístrojové vybavení
PŘENOSNÝ SPEKTRORADIOMETR LI – 1800 (LI – COR, Nebraska, USA) (schéma viz. obr.)
dovoluje zjišťovat kvalitativní a kvantitativní charakteristiky světelného zdroje, v našem
případě slunečního záření.
určený k měření spektroradiometrických, radiometrických a fotometrických veličin
optický receptor - kosinový senzor s PTFE (polytetrafluoroethylen - teflon) kopulí; úhlový
rozsah 2π steradiánů (180°) umožňuje vztahovat při měření hustotu toku na jednotkovou
plochu (m2)
Před vstupem do monochromátoru prochází dopadající záření přes filtry. Filtry jsou
umístěny v kole filtrů, spolu s nepropustnou destičkou a mají za úkol eliminovat záření z
nežádoucích oblastí spektra (druhé a vyšší řády). Filtrů je celkem 7 s následujícími
intervaly vlnových délek: 299-348, 349-418, 419-558, 559-678, 679-775, 776-938, 939-
2598 nm. Nepropustná destička slouží k získání temnostního signálu před a po skončení
každého scanu.
monochromátor tvoří holografická mřížka, rychlost scanu 20 - 40 nm.s-1
vstupní a výstupní štěrbina monochromátoru mají geometrickou šířku 0,5 mm.
detektor - silikonová fotodioda, pracující ve fotovoltaickém modu.
měřící rozsah přístroje 300-1100 nm s volitelným intervalem scanu 1, 2, 5 a 10 nm
softwarové vybavení přístroje (verze 1800-14) umožňuje konverzi na kvantové jednotky
(tok fotonů), fotosynteticky aktivní radiaci, ozářenost, lineární kombinace souborů a
poměry výsledků. Vnitřní kapacita RAM je 256 Kb
LI-1800 lze využít pro studium optických vlastností
Pro tato měření se využívá externí integrační sféra, která:
dovoluje sledovat veškeré optické záření odražené, nebo prošlé materiálem vzorku.
Je jednopaprsková; využívá substituční metodu tj. vzorek i standard (práškový Ba SO4) jsou
měřeny ve stejné pozici.
Obr. 10.: Popis těla integrační sféry: A) port pro vzorek, zde se umisťuje lampa při měření transmitance, B)
reflektanční port, zde se umisťuje lampa při měření reflektance, C) referenční port, zde se umisťuje lampa při
referenčním scanu, D) port pro standard – práškový BaSO4, E) port pro optický kabel.
Konstrukce integrační sféry:
uvnitř pokrytá práškovým BaSO4 (materiál s vysokou reflektancí). Porty (5 portů):
a) pro vzorek, zde se umisťuje lampa při měření transmitance
b) reflektanční, zde se umisťuje lampa při měření reflektance
c) referenční, zde se umisťuje lampa při referenčním scanu
d) pro standard – práškový BaSO4
e) pro optický kabel
Princip – světlo ať už odražené, nebo prošlé vzorkem se nedostává do přístroje přes světelný
kabel přímo, ale odráží se od stěn sféry a do přístroje jde tedy pouze světlo odražené a
rozptýlené.
Měření REFLEKTANCE Rs = srovnání odrazivosti standardu (výběr podle max. odrazivosti
≈ 100%) a měřeného materiálu, takže
Rs = Is / I r
kde Is = výstup při měření vzorku (odražená radiace)
A
B
C
D
E
Ir = výstup při měření reference
v případě, že referenční materiál nemá 100% odrazivost a měřící paprsek není dokonale
kolimován, je nutno počítat reflektanci ze vztahu
Rs = [(Is – Id)Rr] / [(Ir – Id)
kde Id = signál způsobený rozptýleným světlem v důsledku nedokonale kolimovaného
světelného paprsku (měří se stejně jako reflektance vzorku, ale port pro vzorek je
prázdný)
Rr = reflektance referenčního materiálu
Měření TRANSMITANCE Ts = srovnání propustnosti vzorku a referenčního měření (stejně
jako při měření reflektance), takže platí:
Ts = (It . Rr) / Ir
kde It = výstup při měření vzorku (prošlá radiace)
Ir = výstup při měření reference
Rr = reflektance referenčního materiálu