Přírodovědecká fakulta Jihočeské univerzity Katedra fyziologie rostlin Kurz fyziologie rostlin Ekofyziologie fotosyntézy 1 Ivan Šetlík

čas [s] rozměry [m] hodinatýdenrokstoletí tisíciletí přenos energie fotochemie přenos elektronů biochemie metabolické regulace CO 2,O 2,H 2 O distribuce produktů produktivita a fenologie dynamika ekosystémů družicová měření další evoluce cévnatých rostlin struktury membrány organely orgán organismus společenstvo pochody mm nm

Ozářenost zemského povrchu za různých podmínek

x 1,5 W.m -2.μm x 1,5 W.m -2.μm -1 vlnová délka v l n o č e t (cm -1 )

1 J cm -2 min -1  m -1 = 0,1666 W m -2 nm -1 =166,66 W m -2 μm

1,0 1,5 2,0 4,0 globální záření přímé sluneční záření 1,0 1,5 4,0 2,0 ozářenost (W.m -2.μm -1 ) Vlnová délka (μm -1 )

globální záření % fotosynteticky účinného záření kWh m -2 den Ú h r n n á o z á ř e n o s t [W. m -2 ] Fotosynteticky účinné záření [%] 0

absorpce vlnová délka [nm] akční spektrum listu citlivost lidského oka chlorofyl a chlorofyl b

J E D N O T K Y P R O O Z Á Ř E N O S T

 W.m –2   mW.cm –2 . [erg.cm –2.s –1 ] [mol (h ).m –2.s –1 ] [  mol (h ).m –2.s –1 ] 1 einstein, symbol E [  E.m –2.s –1 ]

Pro „průměrné bílé“ (zelené, λ= 520 nm) záření 1 W.m –2 = 4,6  mol (h ). m –2.s –1 1  E. m –2.s –1 = 0,22 W.m –2

/ h

Pro průměrnou sluneční ozářenost můžeme za průměrný obsah energie považovat energii záření o λ = 540 nm, tj. 222 kJ.mol -1. Pak platí převody 1 W.m –2 = 4,6  E. m –2.s –1, neboli zhruba je převodní faktor 5 a naopak 1  E. m –2.s –1 = 0,22 W.m –2 čili také přibližně 0,2, nebo 1/5.

x 10 5 x 10 3 x 10 5 x 10 2 erg.cm -2.s -1 W.m -2 J.m -2.h -1  mol.m -2.s -1 lux x 10 0 cal.cm -2.min -1

Obsah energie jednoho fotonu je dán vztahem E = h. = h.c / E = 1240  eV.nm  /  nm  = 1240/  eV  hodnota energie, kterou nese jeden mol fotonů E = N.h. = N.h.c /  J.mol–1  E = (6,022  1023  mol –1  )  (6,626  10 –34  J.s  )  (2,998  1017  nm.s–1  ) /  nm  = =(1,196  108  J.mol–1.nm  ) /  nm  E = /  kJ.mol –1 

Obsah energie jednoho fotonu je E = h. = h.c / kde h je Planckova konstanta rovná 6,626  10 –34  J.s  nebo 0,4136  10 –14 [eV.s , je kmitočet záření [s -1 ] c je rychlost světla ve vakuu rovná 2,998  10 8  m.s –1  [m] je vlnová délka záření o které jde. Pro vlnovou délku vyjádřenou v nm nabude výpočet tvar E = 1240  eV.nm  /  nm  = 1240/  eV 

Energie, kterou nese jeden mol fotonů, je dána rovnicí E = N.h. = N.h.c /  J.mol –1  N je Avogadrovo číslo, 6,022   mol –1  h je Planckova konstanta, 6,626  10 –34  J.s] c rychlost světla ve vakuu 2,998  10 8  m.s –1  nebo 2,998   nm.s –1 ]

Výpočet pak je buď E = (6,022   mol –1  )   (6,626  10 –34  J.s  )   s –1    3,99  10 –10   J.mol –1  Nebo E = (6,0   mol –1  )  (6,6  10 –34  J.s  )   (3,0   nm.s –1  ) /  nm    (1,196  10 8  J.mol –1.nm  ) /  nm  což je přibližně (a lépe se to pamatuje) E = /  kJ.mol –1 

S H R N U T Í Energie jednoho fotonu E = 1240  eV.nm  /  nm  = 1240/  eV  Energie, kterou nese jeden mol fotonů (jeden einstein) E = /  kJ.mol –1  1eV = 1, J

Denní a roční množství dopadajícího záření v závislosti na zeměpisné šířce a denní době

Všechny údaje jsou pro FAR MJ na m

1Wh = 3,6 kJ 1 kWh = 3,6 MJ 1 kJ = 0,278 Wh 1 MJ = 0,2777 kWh 1 cal = 4,187 J 1 J = 0,2388 cal 1 kWh = 859,8 Kcal

Odhady primární produkce z údajů o záření

Norma ve vyspělých zemích pro průměrnou denní spotřebu energie člověka při normální aktivitě je zhruba kJ (13 MJ, dříve také 3000 kcal) na den což přepočteno na rovnoměrný výkon odpovídá zhruba J.d –1 : 86, s.d –1 = 150,46 J.s –1, čili přibližně 150 W.

Průměrné množství fotosynteticky účinného záření, které dopadne v zeměpisné šířce 45 o za rok na 1 m 2 je okolo 2000 MJ. m -2. y -1 = 2 GJ. m -2. y -1 což odpovídá asi 5,5 MJ. m -2. d –1 a to zase průměrnému toku asi 60 W.m -2 protože 5,5 MJ d –1 : s.d –1 = 63,95 J.s -1 nebo 2GJ.y -1 : 31, s.y -1 = 63,41 J.s -1

Nárok člověka na energii v primární produkci je však vyšší nežli uvedných 13 MJ.d -1.člověk -1, a obnáší asi 45 MJ.d -1.člověk -1, protože v lidské stravě je mnoho bílkovin z masa, které vznikají přeměnou z primárních fotoasyntetických produktů se ztrátami danými nízkou účinností přeměny a zpracováním. 45 MJ.d –1. člověk -1 : s.d –1 = 520,83 J.s –1. člověk -1 Příkon asi 520 W se musí získat přeměnou dopadajícího záření o příkonu 60 W.m –2 a přeměna se děje s účinností η = 0,002.

Vychází tedy z údajů o výkonu / příkonu a o účinnosti přeměny 520 W.člověk -1 : 60 W.m –2 : 0,002 = = 4333,3 m 2.člověk -1 nebo z původních údajů o množství energie spotřebované / dopadlé za den při téže hodnotě účinnosti 45 MJ člověk -1 d –1 : 5,5 MJ m –2 d –1 : 0,002 = = 4090,1 m 2. člověk -1

Předpokládáme že obiloviny vytvoří výnos zrna za tři hlavní měsíce vegetační sezóny. V naší zeměpisné šířce dopadne za tyto tři měsíce zhruba 1000 MJ.m -2 ( = 1 GJ. m -2 ) fotosynteticky účinného záření. Poněvadž jde již o plně zapojený porost použijeme vyšší koeficient účinnosti přeměny nežli v prvém případě, η = 0,005.

S touto účinností bude k dispozici 1.0 G J. m -2  0,005 = 5 MJ. m -2 energie pro stavbu organických molekul. Při průměrném obsahu volné energie v rostlinných produktech 20 kJ.g –1 dostaneme produkci 5 MJ. m -2 : 0,02 MJ.g -1 = 250 g.m -2, což dává na 1 ha 250 g.m -2  10 4 m 2. ha -1 = g. ha -1 čili 2,5 t. ha -1 = 25 q. ha -1 produktu.