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翻譯:Erich Sia
人類眼睛對於可見光譜的感受度並非一致的,
而是在波長 555 nm 的黃綠色區域感受最強。
人類眼睛對於波長 430 nm 的藍光和波長 690 nm 的暗紅光,
敏感度只有百分之一(參見圖一和圖二)。
圖一:
圖二:
為了讓光學數據能表達出對人類的作用,
便將光譜中的輻射量 Xe,λ,
以人眼在日間視覺的光譜明亮感受度 V(λ) 來評估。
我們便得到了數值如每平方米的燭光(cd/qm)或光照強度 Lux。
如何進行評估?
光譜之輻射物理量 Xe,λ 的數值,
將和評估功能的數值 V(λ) 在 λ 的位置相乘,
並且在所期望的光譜範圍內相加,
然後把所獲得的數值再與常數 Km 相乘(參見圖三)。
在本評估當中,
Xe,λ 是單指的燈泡的輻射功率在波長 λ 時的量,
這個數值可由廠商所提供的燈泡資料圖表中讀取。
數學的算式寫起來如下:
這個光學數值和單位運用在植物上會有個問題,
光合作用的色素對於光照的反應和人眼完全不同。
葉綠素的吸收光譜在藍光和紅光的光譜區域是最大的,
而在之間則是最小的,
但此處卻又是人眼最敏感的區域(參見圖四)。
圖三:
圖四:
於是我們就決定了,
要以光合作用有效能量(PAR, Photosynthetic Active Radiation)來說明,
PAR 的單位有三種:
(1)在每單位面積每單位時間內,
介於波長 400 至 700 nm 光譜範圍內的照射光能。
單位為 PAR J/(s·m^2) 或 PAR W/m^2。
McCree 在 1972 年指出,
光子的數量表示方式,
比起光度計的測量值 Lux 或 Lumen,
是更好的光合作用效能測量方式。
底下的定義是用來計算光量子的。
一莫耳光子(6.022*10^23)稱為一愛因斯坦(Einstein),
愛因斯坦是光電效應的發現者,
因此以 E(Einsten)的單位來紀念他。
(2)由光源所送出在波長 400 至 700 nm 光譜範圍內的光子,
稱為光合作用光量子 PAR PPF(Photosynthetic Photon Flux),
單位是 μmol/s 或 μE/s。
(3)在單位面積所接受到波長 400 至 700 nm 光譜範圍內的光子,
稱為光合作用光量子密度 PAR PPFD (Photosynthetic Photon Flux Density),
單位是 μmol/(m^2*s) oder μE/(m^2*s)。
光合作用有效能量(PAR)並不顧及光合作用器官的光子吸收,
所以並非如同圖四所顯示出來的曲線。
光合作用有效能量將每個光子一視同仁來計算,
可是植物對於對於不同的光子(也就是不同波長)之吸收能量其實並不相同。
我的想法於是形成,
為光合作用進行一次評估,
就如同光度計的測量是一樣的。
很不幸的是不論在文獻或網路上,
都可找到許多不同的光合作用光譜,
以及研究學者們為何會採用這些光譜。
我曾對此進行過詳盡的文獻搜尋。
其中刊載於日本農業研究季刊(Japan Agricultural Research Quarterly)1999 年第 33 期中,
由田澤信二(Shinji TAZAWA)所發表的論文「不同光線來源對植物成長的影響」一文中,
總結了日本學者 Katsumi IANADA 和美國學者 Keith J. MCCREE 在美國德州農工大學所做的研究,
根據田澤的論述總共考量了 61 種植物的光合作用有效能量(在本文中以 McCree 光譜表示),
這也是至今研究規模最大的一次。
第二個採用的是 2000 年三月德國工業標準(DIN)所出版的 DIN 5031「視覺範圍的輻射物理與光學技術」中的第十部分「光合作用有效能量」。
對於這個準則我們要有個很清楚的認知,
這個曲線絕對不可套用至所有植物上的。
我之所以會挑選德國工業標準的光合作用有效能量,
是因為這個光譜和田澤的光譜相反:
田澤(Tazawa)的光譜最大值是在紅光區,
德國工業標準(DIN)則是在藍光區。
我覺得這是個很值得探究的議題,
這樣的差異在進行評估後會有何影響。
圖五呈現出這兩個光合作用光譜。
圖五:
我根據 DIN 5032-1 的光度計評估公式,
把光譜明亮感受度 V( λ) 以相對的光合作用感受度 s(λ)sy 來取代。
為了獲得在特定波長位置(λ)的輻射通量(也就是 Xe,λ 的數值大小),
我透過反推的方式,
也就是利用廠商所提供的燈泡光通量和光譜,
來計算 Xe,λ 數值的大小。
現在公式中還缺少的,
是類似針對人類眼睛的常數 Km。
不過對於只是在比較不同燈泡而言,
常數 Km 是無關緊要的。
我用了很簡單的數字 1000 來取代,
以便獲得容易計算的數字。
單位維持不變,
Km 用 syn/W 的單位。
本次評估過程中從光度計所測得的 X 值,
也使用 syn 的單位。
飛利浦公司從前在出版刊物中曾建議用「植物流明(Phyto-Lumen)」這個名稱,
目前這個名稱偶爾也會出現在一些出版品中。
由於經常在文獻中出現,
於是我將某一種剛毛藻和伊樂藻的光合作用光譜呈現在圖六。
但是這只是針對某一種類的觀察而已,
我就不在我的評估中做更深入的探討。
圖六:
譯註:
有興趣者可參考比較舊版「人類視覺光譜與植物成長光譜(2):光合作用有效能量的評估」。