รังสีที่กระตุ้นการสังเคราะห์แสง ( PAR ) หมายถึงช่วงสเปกตรัม (แถบคลื่น) ของรังสีจากแสงอาทิตย์ตั้งแต่ 400 ถึง 700 นาโนเมตรซึ่งสิ่งมีชีวิตที่สังเคราะห์แสงสามารถนำไปใช้ในกระบวนการสังเคราะห์แสงได้ ช่วงสเปกตรัมนี้สอดคล้องกับช่วงแสงที่มองเห็นได้ด้วยตาเปล่าของมนุษย์โฟตอนที่มีความยาวคลื่นสั้นกว่ามักมีพลังงานสูงมากจนอาจเป็นอันตรายต่อเซลล์และเนื้อเยื่อ แต่ส่วนใหญ่จะถูกกรองออกโดย ชั้น โอโซนในชั้นบรรยากาศสตราโตสเฟียร์โฟตอนที่มีความยาวคลื่นยาวกว่านั้นมีพลังงานไม่เพียงพอที่จะทำให้การสังเคราะห์แสงเกิดขึ้นได้

สิ่งมีชีวิตอื่นๆ เช่นไซยาโนแบคทีเรียแบคทีเรียสีม่วงและเฮลิโอแบคทีเรียสามารถใช้ประโยชน์จากแสงอาทิตย์ในช่วงสเปกตรัมที่กว้างขึ้นเล็กน้อย เช่น ช่วงใกล้อินฟราเรดแบคทีเรียเหล่านี้อาศัยอยู่ในสภาพแวดล้อมต่างๆ เช่น ก้นบ่อที่มีน้ำนิ่ง ตะกอน และความลึกของมหาสมุทร เนื่องจากมีรงควัตถุพวกมันจึงก่อตัวเป็นแผ่นสีเขียว แดง และม่วงที่สวยงาม

คลอโรฟิลล์ซึ่งเป็นรงควัตถุที่พบมากที่สุดในพืช มีประสิทธิภาพสูงสุดในการดักจับแสงสีแดงและสีน้ำเงิน รงควัตถุเสริมเช่นแคโรทีนและแซนโทฟิลล์จะดักจับแสงสีเขียวบางส่วนและส่งต่อไปยังกระบวนการสังเคราะห์แสง แต่คลื่นแสงสีเขียวส่วนหนึ่งจะถูกสะท้อนกลับมามากพอที่จะทำให้ใบไม้มีสีที่เป็นเอกลักษณ์ ข้อยกเว้นสำหรับความเด่นของคลอโรฟิลล์คือฤดูใบไม้ร่วง เมื่อคลอโรฟิลล์ถูกย่อยสลาย (เนื่องจากมีไนโตรเจนและแมกนีเซียม ) แต่รงควัตถุเสริมจะไม่ถูกย่อยสลาย (เนื่องจากมีคาร์บอนไฮโดรเจนและออกซิเจนเท่านั้น ) และยังคงอยู่ในใบ ทำให้ใบไม้มีสีแดง เหลือง และส้ม

ในพืชบก ใบจะดูดซับแสงสีแดงและสีน้ำเงินเป็นส่วนใหญ่ในชั้นแรกของเซลล์สังเคราะห์แสงเนื่องจากการดูดซับของคลอโรฟิลล์อย่างไรก็ตาม แสงสีเขียวสามารถทะลุเข้าไปในส่วนภายในของใบได้ลึกกว่าและสามารถขับเคลื่อนการสังเคราะห์แสงได้อย่างมีประสิทธิภาพมากกว่าแสงสีแดง^{[ 1 ] [ 2 ]}เนื่องจากคลื่นแสงสีเขียวและสีเหลืองสามารถทะลุผ่านคลอโรฟิลล์และใบทั้งหมดได้ จึงมีบทบาทสำคัญในการเจริญเติบโตใต้ทรงพุ่มของพืช^{[ 3 ]}

การวัดค่า PAR ถูกนำมาใช้ในด้านการเกษตร ป่าไม้ และสมุทรศาสตร์ หนึ่งในข้อกำหนดสำหรับพื้นที่เพาะปลูกที่มีประสิทธิภาพคือค่า PAR ที่เพียงพอ ดังนั้น PAR จึงถูกนำมาใช้ในการประเมินศักยภาพการลงทุนทางการเกษตร เซ็นเซอร์ PAR ที่ติดตั้งในระดับต่างๆ ของเรือนยอดป่าจะวัดรูปแบบการมีอยู่และการใช้ประโยชน์ของ PAR อัตราการสังเคราะห์แสงและพารามิเตอร์ที่เกี่ยวข้องสามารถวัดได้โดยไม่ทำลายโดยใช้ระบบการสังเคราะห์แสงและเครื่องมือเหล่านี้จะวัดค่า PAR และบางครั้งก็ควบคุมค่า PAR ที่ความเข้มที่กำหนดไว้ การวัดค่า PAR ยังถูกนำมาใช้ในการคำนวณ ความลึกของเขต ยูโฟติกในมหาสมุทร ด้วย

ในบริบทเหล่านี้ เหตุผลที่ PAR ได้รับความนิยมมากกว่าตัวชี้วัดแสงอื่นๆ เช่นฟลักซ์ส่องสว่างและความสว่าง คือ ตัวชี้วัดเหล่านั้นอิงตามการรับรู้ความสว่างของมนุษย์ซึ่งมีแนวโน้มไปทางสีเขียวอย่างมาก และไม่ได้อธิบายปริมาณแสงที่สิ่งมีชีวิตสามารถนำไปใช้ในการสังเคราะห์แสงได้อย่างแม่นยำ

เมื่อวัดความเข้มของ PAR ค่าต่างๆ จะแสดงโดยใช้หน่วยพลังงาน (W/m² ⁾ซึ่งมีความเกี่ยวข้องกับการพิจารณาสมดุลพลังงานสำหรับสิ่งมีชีวิต ที่สังเคราะห์ แสง^{[ 4 ]}

อย่างไรก็ตาม การสังเคราะห์แสงเป็นกระบวนการควอนตัม และปฏิกิริยาเคมีของการสังเคราะห์แสงขึ้นอยู่กับจำนวนโฟตอนมากกว่าพลังงานที่มีอยู่ในโฟตอน ดังนั้น นักชีววิทยาพืชจึงมักวัดปริมาณ PAR โดยใช้จำนวนโฟตอนใน ช่วง 400-700 นาโนเมตรที่พื้นผิวได้รับในช่วงเวลาที่กำหนด หรือความหนาแน่นของฟลักซ์โฟตอนสังเคราะห์แสง (PPFD) ^{[ 4 ]}ค่า PPFD มักแสดงโดยใช้หน่วย mol⋅m ⁻² ⋅s ⁻¹ในส่วนที่เกี่ยวข้องกับการเจริญเติบโตและสัณฐานวิทยาของพืช การกำหนดลักษณะความพร้อมของแสงสำหรับพืชโดยใช้ปริมาณแสงรายวัน (DLI) ซึ่งเป็นฟลักซ์ของโฟตอนต่อพื้นที่ในแต่ละวัน และรวมทั้งความแปรผันรายวันและความแปรผันของความยาววัน จะดีกว่า ^{[ 5 ]}

PPFD เคยถูกแสดงโดยใช้หน่วยไอน์สไตน์ เป็นบางครั้ง เช่น μE⋅m ⁻² ⋅s ^{−1 [ 6 ]} แม้ว่าการใช้งานแบบนี้จะไม่เป็นมาตรฐาน และไม่ได้ใช้อีกต่อไปแล้ว^{[ 7 ]}

มีการวัดรังสีที่กระตุ้นการสังเคราะห์แสงสองวิธีที่ใช้กันทั่วไป ได้แก่ ฟลักซ์โฟตอนสังเคราะห์แสง (PPF) และฟลักซ์โฟตอนผลผลิต (YPF) ค่า PPF จะให้น้ำหนักโฟตอนทั้งหมดตั้งแต่ 400 ถึง 700  นาโนเมตรเท่ากัน ในขณะที่ YPF จะให้น้ำหนักโฟตอนในช่วงตั้งแต่ 360 ถึง 760  นาโนเมตรตามการตอบสนองการสังเคราะห์แสงของพืช^{[ 8 ]}

PAR ตามที่อธิบายไว้ด้วย PPF ไม่ได้แยกแยะความแตกต่างระหว่างความยาวคลื่นต่างๆ ระหว่าง 400 ถึง 700  นาโนเมตร และถือว่าความยาวคลื่นนอกช่วงนี้ไม่มีผลต่อการสังเคราะห์แสง หากทราบสเปกตรัมที่แน่นอนของแสง ค่าความหนาแน่นของโฟตอนสังเคราะห์แสง (PPFD) ในหน่วย μmol⋅s ⁻¹ ⋅m ⁻²สามารถปรับเปลี่ยนได้โดยการใช้ปัจจัยถ่วงน้ำหนักที่แตกต่างกันกับความยาวคลื่นต่างๆ ซึ่งส่งผลให้ได้ปริมาณที่เรียกว่าผลผลิตโฟตอนฟลักซ์ (YPF) ^{[ 8 ]}เส้นโค้งสีแดงในกราฟแสดงให้เห็นว่าโฟตอนที่มีความยาวคลื่นประมาณ 610  นาโนเมตร (สีส้มแดง) มีปริมาณการสังเคราะห์แสงต่อโฟตอนสูงสุด อย่างไรก็ตาม เนื่องจากโฟตอนที่มีความยาวคลื่นสั้นกว่ามีพลังงานต่อโฟตอนมากกว่า ปริมาณการสังเคราะห์แสงสูงสุดต่อหน่วยพลังงานที่ตกกระทบจึงอยู่ที่ความยาวคลื่นที่ยาวกว่า ประมาณ 650  นาโนเมตร (สีแดงเข้ม)

เป็นที่ทราบกันดีว่ามีความเข้าใจผิดอย่างมากเกี่ยวกับผลกระทบของคุณภาพแสงต่อการเจริญเติบโตของพืช ผู้ผลิตหลายรายอ้างว่าการเจริญเติบโตของพืชเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญเนื่องจากคุณภาพแสง (ค่า YPF สูง) เส้นโค้ง YPF แสดงให้เห็นว่าโฟตอนสีส้มและสีแดงระหว่าง 600 ถึง 630  นาโนเมตรสามารถทำให้เกิดการสังเคราะห์แสงได้มากกว่าโฟตอนสีน้ำเงินหรือสีฟ้าครามระหว่าง 400 ถึง 540  นาโนเมตร ถึง 20 ถึง 30% ^{[ 9 ] [ 10 ]} แต่เส้นโค้ง YPF ได้รับการพัฒนาจากการวัดระยะสั้นที่ทำกับใบเดี่ยวในสภาพแสงน้อย การศึกษาในระยะยาวล่าสุดกับพืชทั้งต้นในสภาพแสงที่สูงขึ้นแสดงให้เห็นว่าคุณภาพแสงอาจมีผลต่ออัตราการเจริญเติบโตของพืชน้อยกว่าปริมาณแสง แสงสีน้ำเงินแม้ว่าจะไม่ได้ให้โฟตอนต่อจูลมากเท่า แต่ก็กระตุ้นการเจริญเติบโตของใบและส่งผลต่อผลลัพธ์อื่นๆ^{[ 9 ] [ 11 ]}

การแปลงระหว่าง PAR ที่อิงตามพลังงานและ PAR ที่อิงตามโฟตอนขึ้นอยู่กับสเปกตรัมของแหล่งกำเนิดแสง (ดูประสิทธิภาพการสังเคราะห์แสง ) ตารางต่อไปนี้แสดงปัจจัยการแปลงจากวัตต์สำหรับสเปกตรัมของวัตถุดำที่ถูกตัดให้อยู่ในช่วง 400 – 700  นาโนเมตร นอกจากนี้ยังแสดงประสิทธิภาพการส่องสว่างสำหรับแหล่งกำเนิดแสงเหล่านี้และสัดส่วนของตัวแผ่รังสีวัตถุดำจริงที่ปล่อยออกมาเป็น PAR

ตัวอย่างเช่น แหล่งกำเนิดแสงขนาด 1000  ลูเมน ที่อุณหภูมิสี 5800 เคลวิน จะปล่อย พลังงาน PAR  ประมาณ 1000/265 = 3.8 วัตต์ ซึ่งเทียบเท่ากับ 3.8 × 4.56 = 17.3 ไมโครโมล/วินาที สำหรับแหล่งกำเนิดแสงแบบวัตถุดำที่อุณหภูมิ 5800 เคลวิน เช่น ดวงอาทิตย์ โดยประมาณแล้ว รังสีทั้งหมดที่ปล่อยออกมาจะมีสัดส่วน 0.368 ที่ถูกปล่อยออกมาในรูปของ PAR สำหรับแหล่งกำเนิดแสงประดิษฐ์ ซึ่งโดยทั่วไปไม่มีสเปกตรัมแบบวัตถุดำ ปัจจัยการแปลงเหล่านี้จึงเป็นเพียงค่าประมาณเท่านั้น  

ปริมาณในตารางคำนวณได้ดังนี้

${\displaystyle \eta _{v}(T)={\frac {\int _{\lambda _{1}}^{\lambda _{2}}B(\lambda ,T)\,683\mathrm {~[lm/W]} \,y(\lambda )\,d\lambda }{\int _{\lambda _{1}}^{\lambda _{2}}B(\แลมบ์ดา ,T)\,d\แลมบ์ดา }},}$

${\displaystyle \eta _{\mathrm {photon} }(T)={\frac {\int _{\lambda _{1}}^{\lambda _{2}}B(\lambda ,T)\,{\frac {\lambda }{hcN_{\text{A}}}}\,d\lambda }{\int _{\lambda _{1}}^{\แลมบ์ดา _{2}}B(\แลมบ์ดา ,T)\,d\แลมบ์ดา }},}$

${\displaystyle \eta _{\mathrm {PAR} }(T)={\frac {\int _{\lambda _{1}}^{\lambda _{2}}B(\lambda ,T)\,d\lambda }{\int _{0}^{\infty }B(\lambda ,T)\,d\lambda }},}$

ที่ไหน${\displaystyle B(\lambda ,T)}$คือสเปกตรัมของวัตถุดำตามกฎของพลังค์${\displaystyle y}$คือ ฟังก์ชันความสว่างมาตรฐาน${\displaystyle \lambda _{1},\lambda _{2}}$แสดงถึงช่วงความยาวคลื่น (400–700  นาโนเมตร) ของ PAR และ${\displaystyle N_{\text{A}}}$คือค่าคงที่ของอะโวกาโด

นอกเหนือจากปริมาณรังสีที่ตกกระทบพืชในย่าน PAR ของสเปกตรัมแล้ว คุณภาพของรังสีนั้นก็มีความสำคัญเช่นกัน รังสีที่ตกกระทบพืชประกอบด้วยเอนโทรปีและพลังงาน และเมื่อรวมสองแนวคิดนี้เข้าด้วยกัน เราสามารถกำหนดเอ็กเซอร์จีได้ การวิเคราะห์ประเภทนี้เรียกว่าการวิเคราะห์เอ็กเซอร์จีหรือการวิเคราะห์ตามกฎข้อที่สอง และเอ็กเซอร์จีแสดงถึงการวัดงานที่เป็นประโยชน์ กล่าวคือ ส่วนที่เป็นประโยชน์ของรังสีที่สามารถเปลี่ยนไปเป็นพลังงานรูปแบบอื่นได้

การกระจายสเปกตรัมของเอ็กเซอร์จีของการแผ่รังสีถูกกำหนดดังนี้: ^{[ 12 ]}

${\displaystyle Ex_{\lambda }=L_{\lambda }(T)-L_{\lambda }(T_{0})-T_{0}[S_{\lambda }(T)-S_{\lambda }(T_{0})]}$

ข้อดีอย่างหนึ่งของการทำงานกับเอ็กเซอร์จีคือ มันไม่ได้ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิของแหล่งกำเนิด (ดวงอาทิตย์) เพียงอย่างเดียว${\displaystyle T}$แต่ยังขึ้นอยู่กับอุณหภูมิของตัวรับ (พืช) ด้วย${\displaystyle T_{0}}$กล่าวคือ รวมถึงข้อเท็จจริงที่ว่าพืชนั้นปล่อยรังสีออกมา การตั้งชื่อ${\displaystyle x={\frac {hc}{\lambda kT}}}$และ${\displaystyle y={\frac {hc}{\lambda kT_{0}}}}$พลังงานเอ็กเซอร์จีที่แผ่กระจายออกมาจากรังสีในบริเวณหนึ่งถูกกำหนดดังนี้:

${\displaystyle \int _{0}^{\lambda _{i}}Ex(\lambda ,T)d\lambda =\Im _{Ex_{0\rightarrow \lambda _{i}}}={\frac {15}{\pi ^{4}}}\sigma \left\{T^{3}\left[(T-T_{0})x^{3}\mathrm {Li} _{1}(e^{-x})+(3T-4T_{0})x^{2}\mathrm {Li} _{2}(e^{-x})\right.\right.}$

${\displaystyle +\left.(6T-8T_{0})x\mathrm {Li} _{3}(e^{-x})+(6T-8T_{0})\mathrm {Li} _{4}(e^{-x})\right]}$

${\displaystyle +\left.T_{0}^{4}\left[y^{2}\mathrm {Li} _{2}(e^{-y})+2y\mathrm {Li} _{3}(e^{-y})+2\mathrm {Li} _{4}(e^{-y})\right]\right\}}$

ที่ไหน${\displaystyle \mathrm {Li} _{s}(z)}$เป็นฟังก์ชันพิเศษที่เรียกว่าโพลีลอการิทึมตามคำนิยาม พลังงานศักยภาพที่ได้รับจากวัตถุรับจะมีค่าต่ำกว่าพลังงานที่แผ่รังสีออกมาจากวัตถุดำที่ปล่อยรังสีเสมอ อันเป็นผลมาจากปริมาณเอนโทรปีในรังสี ดังนั้น ผลจากปริมาณเอนโทรปี ทำให้รังสีทั้งหมดที่มาถึงพื้นผิวโลกไม่ได้ "มีประโยชน์" ในการผลิตงานเสมอไป ดังนั้น ประสิทธิภาพของกระบวนการที่เกี่ยวข้องกับรังสีจึงควรวัดจากพลังงานศักยภาพ ไม่ใช่พลังงาน

โดยใช้การแสดงออกข้างต้น ประสิทธิภาพที่เหมาะสมที่สุดหรือประสิทธิภาพตามกฎข้อที่สองสำหรับการแปลงรังสีให้ทำงานในบริเวณ PAR ^{[ 13 ]} (จาก${\displaystyle \lambda _{1}=}$400  นาโนเมตร ถึง${\displaystyle \lambda _{2}=}$700  นาโนเมตร) สำหรับวัตถุดำที่${\displaystyle T}$= 5800 K และสิ่งมีชีวิตที่${\displaystyle T_{0}}$= 300 K ถูกกำหนดดังนี้:

${\displaystyle \eta _{\text{PAR}}^{ex}(T)={\frac {\int _{\lambda _{1}}^{\lambda _{2}}Ex(\lambda ,T)d\lambda }{\int _{0}^{\infty }L(\lambda ,T)d\lambda }}=0.337563}$

ต่ำกว่าค่าที่เคยพิจารณาไว้ประมาณ 8.3% ซึ่งเป็นผลโดยตรงจากข้อเท็จจริงที่ว่าสิ่งมีชีวิตที่ใช้รังสีจากแสงอาทิตย์ก็ปล่อยรังสีออกมาด้วยเช่นกัน อันเป็นผลมาจากอุณหภูมิของตัวเอง ดังนั้น ปัจจัยการแปลงของสิ่งมีชีวิตจึงแตกต่างกันไปตามอุณหภูมิ และแนวคิดเรื่องเอ็กเซอร์จีจึงเหมาะสมกว่าแนวคิดเรื่องพลังงาน

โดยปกติ PAR จะวัดด้วยเครื่องวัด PAR ซึ่งวัดปริมาณแสงในช่วง 400-700 นาโนเมตรที่พืชใช้ในการสังเคราะห์แสง มีเครื่องวัด PAR หลายชนิดในเชิงพาณิชย์ รวมถึงรุ่นที่ใช้เซ็นเซอร์สเปกตรัมแบบหลายช่องสัญญาณซึ่งมีต้นทุนต่ำกว่า และได้รับการเผยแพร่เป็นฮาร์ดแวร์แบบเปิด^{[ 14 ]}

นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยแห่งรัฐยูทาห์ได้เปรียบเทียบการวัดค่า PPF และ YPF โดยใช้อุปกรณ์ประเภทต่างๆ พวกเขาทำการวัดค่า PPF และ YPF ของแหล่งกำเนิดรังสีทั่วไปเจ็ดแหล่งด้วยเครื่องสเปกโตรเรดิโอเมเตอร์จากนั้นจึงนำไปเปรียบเทียบกับการวัดจากเซ็นเซอร์ควอนตัมหกตัวที่ออกแบบมาเพื่อวัดค่า PPF และเซ็นเซอร์ควอนตัมสามตัวที่ออกแบบมาเพื่อวัดค่า YPF

พวกเขาพบว่าเซ็นเซอร์ PPF และ YPF มีความแม่นยำน้อยที่สุดสำหรับแหล่งกำเนิดแสงแบบแถบแคบ (สเปกตรัมแสงแคบ) และมีความแม่นยำมากที่สุดสำหรับแหล่งกำเนิดแสงแบบแถบกว้าง (สเปกตรัมแสงที่เต็มกว่า) พวกเขาพบว่าเซ็นเซอร์ PPF มีความแม่นยำมากกว่าเซ็นเซอร์ YPF อย่างมีนัยสำคัญภายใต้หลอดไฟเมทัลฮาไลด์ โซเดียมความดันต่ำ และโซเดียมความดันสูง (>9% ความแตกต่าง) ทั้งเซ็นเซอร์ YPF และ PPF มีความไม่แม่นยำมาก (>18% ข้อผิดพลาด) เมื่อใช้ในการวัดแสงจากไดโอดเปล่งแสงสีแดง^{[ 8 ]}

• สเปกตรัมการออกฤทธิ์
• ปริมาณแสงรายวัน
• การดูดซับคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าโดยน้ำ
• สาง
• การนับโฟตอน

• Gates, David M. (1980). นิเวศวิทยาชีวฟิสิกส์ , Springer-Verlag, นิวยอร์ก, 611 หน้า
• McCree, Keith J (1972). "การทดสอบนิยามปัจจุบันของรังสีที่กระตุ้นการสังเคราะห์แสงกับข้อมูลการสังเคราะห์แสงของใบ" อุตุนิยมวิทยาการเกษตรและป่าไม้ 10 : 443– 453. Bibcode : 1972AgMet..10..443M . doi : 10.1016 /0002-1571(72)90045-3 .
• McCree, Keith J. (1981). "รังสีที่กระตุ้นการสังเคราะห์แสง". ใน: สารานุกรมสรีรวิทยาของพืช เล่ม 12A . Springer-Verlag, เบอร์ลิน, หน้า 41–55.

• กระบวนการสังเคราะห์แสง
• การเปรียบเทียบเซนเซอร์ควอนตัม (PAR) ที่มีความไวต่อสเปกตรัมต่างกัน