Солнечный свет-источник энергии для фотосинтеза

СОЛНЕЧНЫЙ СВЕТ - ИСТОЧНИК ЭНЕРГИИ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЙ

ПРИ ФОТОСИНТЕЗЕ

Слово "свет" относится к широкому классу электромагнитных волн. Волна - это термин, используемый для описания периодического изменения какой-либо физической величины, распространяющейся или проходящей через некоторую среду. В случае света термин “волна” относится к регулярно повторяющимся изменениям интенсивности чрезвычайно слабых электрических и магнитных полей. Одной из характеристик света является длина его волны. В биологии длины волн обычно выражают в нанометрах (нм), 1 нм =10^-9м.

Наибольший интерес для биологов представляют излучения с такими длинами волн, которые характерны для ультрафиолетовых видимых, и  инфракрасных лучей. Лучи света, длина волн которых меньше примерно 400 нм, называются ультрафиолетовыми, т.е. они находятся за фиолетовыми лучами в том смысле, что имеют меньшую длину волны. Видимая область спектра простирается примерно от 400 до 700 нм и подразделяется на различные участки-полосы:  красную, оранжевую, желтую, зеленую, голубую синюю, фиолетовую на основании субъективной оценки цвета, испытываемой людьми. Область больших длин волн, лежащих за пределами красного видимого спектра, называется инфракрасной.

Свет имеет одновременно и волновые, и  корпускулярные свойства: он распространяется как волна, а поглощается и излучается порциями, которые называются фотонами, или квантами света. Энергия одного фотона равна произведению его частоты n на константу Планка  h, равную 6,6262´10^-34 Дж´с Е_фотон = h n;       n = с / l ,  где   с – скорость света, с = 2,9979 ´ 10⁸ м/с; l  – длина волны света (м). Отсюда Е_фотон=   hс/ l  = 6,6262 ´ 10^-34 ´ 2,9979  ´ 10⁸ / l_нм  Дж. Энергию фотона часто выражают  также в электронвольтах (эВ), исходя из того, что 1 эВ= 1,6022 ´ 10^-19 Дж: Е_фотон = 1,9865´10^-16 / l_нм  ´ 1/6022´10^-19 = 1,2399´10³/l_нм  эВ. Согласно закону фотохимической эквивалентности, сформулированному  Эйнштейном, молекула принимает участие в фотохимической реакции после того, как поглощает в точности фотон. Поэтому один моль молекул вступает в реакцию только после поглощения одного моля фотонов, или 6,0222´10²³ фотонов (число 6,0222´10²³, называемое числом Авогадро (N), показывает сколько молекул содержится в одном моле любого вещества). Энергия 1 моля фотонов равна 6,0222´10²³´hn, или 6,022 ´ 10²³ hс/ l; такое количество энргии называется 1 эйнштейн. Один эйнштейн - это количество энергии света при определенной длине волны, которое должно поглотиться 1 молем вещества для того, чтобы каждая его молекула вступила в фотохимическую реакцию. Энергия 1 эйнштейн дается уравнением Е_{эйнштейн} = Nhс/ l = 6,0222´10²³´ 6,6262 ´ 10^-34´2,9979  ´ 10⁸/l_нм´10^-9 =1,1963 ´ 10⁸/l_нм Дж. Энергия возрастает при увеличении частоты излучения n и уменьшении длины волны l волны света.

Важной характеристикой света является его интенсивность. Интенсивность солнечного излучения, падающего на атмосферу Земли, составляет, в среднем, 8,37 Дж/см²´мин. Общее дневное количество лучистой энергии Солнца, достигающей поверхности Земли, составляет в безоблачный летний день около 3780 Дж (истинная величина варьирует в зависимости от широты местности). Около 41% всех квантов, падающих на поверхность Земли, приходится на инфракрасную область, 7% - на ультрафиолетовое излучение, а остальные - на видимый свет.

Большая часть ультрафиолетовой компоненты солнечного излучения, падающего в атмосферу,  не достигает поверхности Земли из-за присутствующего в верхних слоях атмосферы озона (О₃). Озон поглощает часть видимого излучения  и эффективно экранирует коротковолновый ультрафиолет, сильно поглощая в области ниже 300 нм. Большая часть инфракрасного излучения Солнца адсорбируется водяными парами атмосферы. Количество паров воды в воздухе варьирует в зависимости от широты местности и сезона. Средняя концентрация паров эквивалентна слою жидкой воды толщиной 2,6 см.

В среднем, листья поглощают 80-85% энергии фотосинтетически активных лучей солнечного спектра (400-700 нм) и 25% энергии инфракрасных лучей, что составляет около 55% от энергии общей радиации. На фотосинтез расходуется 1,5-2% поглощенной энергии .

Для процесса фотосинтеза важен и качественный состав света. Наиболее высока интенсивность фотосинтеза в красных лучах. Красный свет всегда присутствует в лучах прямой солнечной радиации. Если Солнце находится под углом 90^о, то красные лучи составляют примерно четвертую часть полного солнечного света. Если же Солнце низко, красные лучи становятся преобладающими. При стоянии Солнца под углом 5^о красный свет составляет 2/3 от полного.