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  на константу Планка h, равную 6,626210^-34 Джс Е_фотон = h ;  = с /  , где с - скорость света, с = 2,9979  10⁸ м/с;  - длина волны света (м). Отсюда Е_фотон= hс/  = 6,6262  10^-34  2,9979  10⁸ / _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 / _нм  1/602210^-19 = 1,239910³/_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h, или 6,022  10²³ hс/ ; 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/  = 6,022210²³ 6,6262  10^-342,9979  10⁸/_нм10^-9 =1,1963  10⁸/_нм Дж. Энергия возрастает при увеличении частоты излучения  и уменьшении длины волны  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.