Das Licht der Pflanzen

Der für die Pflanzenzucht relevante Wellenlängenbereich umfasst im wesentlichen den für das menschliche Auge sichtbare  Bereich von 380 bis 780 Nanometer (nm) und, für bestimmte Anwendungen, den UV-Bereich.

 

 

Da von Pflanzen die Lichtintensität anders wahrgenommen wird als durch das menschliche Auge und bestimmte Wellenlängen besonders effizient genutzt werden können, haben verschiedene Wellenlängenbereiche einen besonderen Nutzen. Zum Vergleich werden durch das menschliche Auge Wellenlängen im Bereich von 555nm besonders intensiv wahrgenommen, wohingegen für den Lichtsammelkomplex von Pflanzen Wellenlängen im Bereich der photosynthetisch aktiven Strahlung besonders relevant sind.




Der wichtigste Prozess ist hierbei die Photosynthese. Sie ermöglicht es für Pflanzen, Licht als Energiequelle zu nutzen. Hierfür ist im Wesentlichen das Blattgrün der Pflanze, das sogenannte Chlorophyll verantwortlich. Die beiden wichtigsten Chlorophyll –Arten sind das Chlorophyll A und B, neben diesen beiden gibt es noch weitere Hilfspigmente, wie z.B. die Carotinoide. Die Chlorophylle haben Absorptionsmaxima, welche bei Chlorophyll A, bei  430 und 662nm und bei Chlorophyll B bei 454 und 643nm liegen. Hilfspigmente wie das Beta-Carotin nutzten hingegen verschiedene Wellenlängenbereiche im Spektralbereich von 400 – 500nm.

 

Die Photosynthetisch aktive Strahlung (PAR)

Der Spektralbereich, welcher von Pflanzen zur Photosynthese genutzt wird, nennt man  „Photosynthetically Active Radiation“  oder auch „photosynthetisch wirksame Strahlung“ kurz PAR (400 – 700nm). Für optimale Wachstumsbedingungen und spezielle Anwendungen ist darüber hinaus der Nah-Infrarotbereich (700 – 800nm) von Bedeutung. Strahlung im Nahinfrarotbereich trägt dazu bei, die Photomorphogenese (Formentwicklung) zu beeinflussen, die photosynthetische Effizienz zu erhöhen (Emerson-Effekt) und die Blütenbildung der Pflanzen zu unterstützten.

 

Ultraviolettes Licht (100 – 380nm) hingegen ist nur für wenige Anwendungsfälle relevant. Hierzu zählen z. B. Vorbeugung von Schimmel und Pilzen, sowie die Aktivierung von bestimmten photobiologischen Schutzmechanismen der Pflanze, wie z.B. die Pigmentierung und die Produktion von sekundären Pflanzenstoffen. Da ultraviolettes Licht sich auch wachstumshemmend auf Pflanzen auswirken kann und zum anderen keine High-Power UV LEDs im für die sekundären Pflanzenstoffe relevanten und notwendigen UV-B Bereich (280 - 315nm) verfügbar sind, können auch noch keine UV-LEDs für diese Anwendung verwendet werden.

 

Pflanzen, welche ausgepflanzt werden und somit einer erhöhten UV-A und UV-B Strahlung durch die natürliche Sonneneinstrahlung ausgesetzt werden, können bereits im Vorfeld an die bevorstehenden Bedingungen gewöhnt werden um mögliche Schädigungen bei der Umstellung zu vermeiden.  Das kann durch verschiedene Methoden erfolgen: frühes Auspflanzen bei schlechter Witterung, allmähliches Gewöhnen im Gewächshaus oder durch die Verwendung von künstlicher Beleuchtung mit UV-Anteil. Die kostengünstigste und effektivste Methode ist hierbei die Verwendung von Metallhalogendampflampen oder spezielle Leuchtstoffröhren aus der Terraristik, mit hohem UV-Anteil. Dagegen sind UV-LEDs nicht empfehlenswert, denn die meisten LEDs, welche als UV-LEDs verkauft bzw. verbaut werden, emittieren Wellenlängen im Bereich von 400 bis 420nm und fallen somit gar nicht in den UV Bereich (100 – 380nm).

 

In der Biologie hat es sich durchgesetzt die Kenngröße der PAR Messungen als photosynthetische Photonenstromdichte (PPFD, photophotonic Flux density) in µmol/m²s anzugeben. Diese Kenngröße sagt aus, wie viel Mikromol (Stoffmenge) des Lichts im Wellenlängenbereich von 400 bis 700nm pro Sekunde auf einem Quadratmeter auftrifft. Dabei entspricht ein Mikromol 602,214,078,000,000,000 Photonen.

 

Jedoch hat die Messung der photoaktiven Strahlung (PAR) einige Schwachstellen

Zum einen werden Wellenlängen unter 400nm und über 700nm ausgeschlossen, zum anderen sagt die reine Messgröße nichts über den tatsächlichen Nutzen der gemessenen Strahlung aus. Es wäre denkbar, dass z.B. nur grünes Licht gemessen wird, was auch einen hohen PAR-Wert liefern kann. Doch wie wir wissen, wird das grüne Licht zum Großteil von den Pflanzen reflektiert und trägt vergleichsweise wenig zur Photosynthese bei. Es ist also entscheidend, neben der PAR-Messung, die Verteilung der Lichtintensität über die Wellenlänge zu betrachten. Siehe hierzu unsere spektrale Aufteilung.

 

Was bei einer PAR-Messung sonst noch zu beachten ist:

Einzelne PAR-Messungen direkt unterhalb der Lichtquelle können sehr hohe Messwerte erreichen, doch liefern solche Messwerte noch keine Aussage darüber, ob die Beleuchtung geeignet ist. Um eine plausible Bewertung vornehmen zu können, muss eine Vielzahl von Messungen auf der zu bestrahlenden Kulturfläche in der Ebene, mit einer horizontal ausgerichteten Messanordnung durchgeführt werden.  Entscheidend ist nun, wie hoch auf der vorgegebenen Fläche z.B. 1m² die Lichtintensität ist und wie sich diese verteilt. Dabei ist eine möglichst gleichmäßige Verteilung anzustreben.

 

Als weiteres Kriterium wird oft der Abstand der Lichtquelle zum Messpunkt angeführt, doch ist dieser von untergeordneter Bedeutung. Denn die Strahlung selbst verliert auf einer kurzen Strecke keine Energie. Einzig und allein für den Intensitätsverlust ist die Streuung der Strahlung verantwortlich. Zum Beispiel wird eine LED mit einer Abstrahlung von 90° bei einer Verdoppelung des Abstands eine vierfach so große Fläche beleuchten. Die gleiche Menge an Photonen verteilt sich nun auf einer viermal so großen Fläche, weshalb die Intensität der Strahlung auch nur ein Viertel des ursprünglichen Wertes beträgt.

 

Wir schließen daraus, dass wir für eine gleichmäßige Verteilung der Strahlung auf einer uns vorgegebenen Fläche, Leuchten mit einem kleinen Abstrahlwinkel mit einen großen Abstand zur Kultur aufhängen müssen. Leuchten mit großem Abstrahlwinkel hingegen erreichen die gleiche Ausleuchtung bereits bei einem kleinen Abstand und helfen uns somit wesentlich dabei, weniger Raum zu verbrauchen. Dadurch ist es möglich, Pflanzen in mehreren Schichten zu kultivieren. Für eine Beurteilung der Beleuchtung ist es also alleine entscheidend, eine genaue Darstellung der Verteilung der PAR-Intensität auf einer definierten Fläche zu betrachten bzw. zu vergleichen. Dabei ist es bei einem Vergleich von Leuchten mit unterschiedlichem Abstrahlwinkel, für das Ergebnis  nicht relevant, in welchem Abstand die Messung erfolgte, sondern ausschließlich wie sich die Lichtintensität auf der Kulturfläche verteilt.