Prodovdeck fakulta Jihoesk univerzity Katedra fyziologie rostlin Kurz

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

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

Ozářenost zemského povrchu za různých podmínek

vlnová délka x 1, 5 W. m-2. μm-1 30000 25000 20000 15000 10000 5000 v l n o č e t (cm-1)

10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 1 J cm-2 min-1 m-1 = 0, 1666 W m-2 nm-1 =166, 66 W m-2μm-1

ozářenost (W. m-2. μm-1) 4, 0 2, 0 1, 5 1, 0 globální záření 1500 přímé sluneční záření 1000 500 Vlnová délka (μm-1)

k. Wh m-2 den-1 1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5 6 800 Ú h r n n á o z á ř e n o s t [W. m-2] 600 400 200 0 globální záření 1000 800 % fotosynteticky 600 účinného záření 400 200 0 0 Fotosynteticky účinné záření [%]

citlivost lidského oka chlorofyl b absorpc e akční spektrum listu 400 450 500 550 vlnová délka 600 650 700

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

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

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

Pro průměrnou sluneční ozářenost můžeme za průměrný obsah energie považovat energii záření o λ = 540 nm, tj. 222 k. J. 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 105 erg. cm-2. s-1 x 102 W. m-2 x 102 J. m-2. h-1 x 100 cal. cm-2. min-1 x 103 mol. m-2. s-1 x 105 lux

Obsah energie jednoho fotonu je dán vztahem E = h. c / E = 1240 e. V. nm / nm = 1240/ e. V hodnota energie, kterou nese jeden mol fotonů E = 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 = 120 000 / k. J. mol– 1

Obsah energie jednoho fotonu je E = h. c / kde h je Planckova konstanta rovná 6, 626 10– 34 J. s nebo 0, 4136 10– 14 [e. V. s , je kmitočet záření [s-1] c je rychlost světla ve vakuu rovná 2, 998 108 m. s– 1 [m] je vlnová délka záření o které jde. Pro vlnovou délku vyjádřenou v nm nabude výpočet tvar E = 1240 e. V. nm / nm = 1240/ e. V

Energie, kterou nese jeden mol fotonů, je dána rovnicí E = N. h. c / J. mol– 1 N je Avogadrovo číslo, 6, 022 1023 mol– 1 h je Planckova konstanta, 6, 626 10– 34 J. s] c rychlost světla ve vakuu 2, 998 108 m. s– 1 nebo 2, 998 1017 nm. s– 1]

Výpočet pak je buď E = (6, 022 1023 mol– 1 ) (6, 626 10– 34 J. s ) s– 1 3, 99 10– 10 J. mol– 1 Nebo E = (6, 0 1023 mol– 1 ) (6, 6 10– 34 J. s ) (3, 0 1017 nm. s– 1 ) / nm (1, 196 108 J. mol– 1. nm ) / nm což je přibližně (a lépe se to pamatuje) E = 120 000 / k. J. mol– 1

S H R N U T Í Energie jednoho fotonu E = 1240 e. V. nm / nm = 1240/ e. V Energie, kterou nese jeden mol fotonů (jeden einstein) E = 120 000 / k. J. mol– 1 1 e. V = 1, 602. 10 -19 J

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

Všechny údaje jsou pro FAR MJ na m 2 4665 1670 45801623 432 148 3 0 3905 1271 337 1011 6 2782 734 182 333 8

1 Wh = 3, 6 k. J 1 k. Wh = 3, 6 MJ 1 k. J = 0, 278 Wh 1 MJ = 0, 2777 k. Wh 1 cal = 4, 187 J 1 J = 0, 2388 cal 1 k. Wh = 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 13000 k. J (13 MJ, dříve také 3000 kcal) na den což přepočteno na rovnoměrný výkon odpovídá zhruba 6 – 1 3 – 1

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 : 86. 103 s. d– 1 = 63, 95 J. s-1

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 : 86400 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

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 k. J. 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-2 104 m 2. ha-1 = 2500000 g. ha-1 čili 2, 5 t. ha-1 = 25 q. ha-1 produktu.