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