Přírodovědecká fakulta Jihočeské univerzity Katedra fyziologie rostlin Kurz fyziologie rostlin Ekofyziologie fotosynté

1. Přírodovědecká fakulta Jihočeské univerzityKatedra fyziologie rostlinKurz fyziologie rostlinEkofyziologie fotosyntézy1Ivan Šetlík

2. další evoluce cévnatých rostlin společenstvo organismus struktury dynamika ekosystémů družicová měření orgán distribuce produktů produktivita a fenologie rozměry [m] organely metabolické regulace CO2,O2,H2O mm membrány přenos elektronů biochemie nm pochody přenos energie fotochemie hodina týden rok století tisíciletí čas [s]

3. Ozářenost zemského povrchu za různých podmínek

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

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

6. 4,0 2,0 1,5 1,0 globální záření přímé sluneční záření 1500 1000 500 ozářenost (W.m-2.μm-1) Vlnová délka (μm-1) 2,0 4,0 1,5 1,0

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

8. akční spektrum listu chlorofyl a chlorofyl b citlivost lidského oka absorpce 650 700 400 450 500 550 600 vlnová délka [nm]

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

10. 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]

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

12. / hn

13. Pro průměrnou sluneční ozářenost můžeme za průměrný obsah energie považovat energii záření o λ = 540 nm, tj. 222 kJ.mol-1. Pak platí převody1 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–2čili také přibližně 0,2, nebo 1/5.

14. erg.cm-2.s-1 x 105 x 102 W.m-2 x 102 J.m-2.h-1 x 100 cal.cm-2.min-1 x 103 mmol.m-2.s-1 mmol.m-2.s-1 x 103 mmol.m-2.s-1 x 105 x 105 lux

15. Obsah energie jednoho fotonu je dán vztahemE= h. = h.c / E = 1240 eV.nm /  nm = 1240/ eVhodnota energie, kterou nese jeden mol fotonůE = 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 = 120 000 /  kJ.mol–1

16. 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 jerychlost 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 eV.nm / nm = 1240/eV

17. Energie, kterou nese jeden mol fotonů, je dána rovnicí E = N.h. = 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]

18. 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 / kJ.mol–1

19. S H R N U T ÍEnergie jednoho fotonu E= 1240 eV.nm / nm = 1240/eVEnergie, kterou nese jeden mol fotonů (jeden einstein)E= 120 000 /  kJ.mol–11eV = 1,602 . 10-19 J

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

21. Všechny údaje jsou pro FAR MJ na m2 4665 1670 1623 4580 1483 4320 3905 1271 1011 3376 2782 734 333 1828

23. 1Wh = 3,6 kJ 1 kWh = 3,6 MJ 1 kJ = 0,278 Wh1 MJ = 0,2777 kWh1 cal = 4,187 J1 J = 0,2388 cal1 kWh = 859,8 Kcal

24. Odhady primární produkce z údajů o záření

25. Norma ve vyspělých zemích pro průměrnou denní spotřebu energie člověka při normální aktivitě je zhruba 13000 kJ (13 MJ, dříve také 3000 kcal) na den což přepočteno na rovnoměrný výkon odpovídá zhruba 13 . 106 J.d–1 : 86,4 . 103 s.d–1 = 150,46 J.s–1, čili přibližně 150 W.

26. Průměrné množství fotosynteticky účinného záření, které dopadne v  zeměpisné šířce 45oza rok na 1 m2 je okolo 2000 MJ. m-2.y-1 = 2 GJ. m-2 . y-1 což odpovídá asi 5,5 MJ. m-2. d–1a to zase průměrnému toku asi 60 W.m-2 protože 5,5 MJ d–1: 86.103 s.d–1= 63,95 J.s-1nebo 2GJ.y-1 : 31,536.106s.y-1= 63,41 J.s-1

27. Nárok člověka na energii v primární produkci je však vyšší nežli uvedných 13 MJ.d-1.člověk-1, a obnáší asi45 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–2a přeměna se děje s účinností η = 0,002.

28. Vychází tedy z údajů o výkonu / příkonua o účinnosti přeměny520 W.člověk-1 : 60 W.m–2 : 0,002 = = 4333,3 m2.člověk-1nebo z původních údajů o množství energie spotřebované / dopadlé za denpři téže hodnotě účinnosti 45 MJ člověk-1 d–1 : 5,5 MJ m–2d–1 : 0,002 = = 4090,1 m2.člověk-1

29. 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.

30. S touto účinností bude k dispozici 1.0 G J. m-2 0,005 = 5 MJ . m-2energie pro stavbu organických molekul.Při průměrném obsahu volné energie v rostlinných produktech 20 kJ.g–1dostaneme produkci 5 MJ. m-2 : 0,02 MJ.g-1 = 250 g.m-2, což dává na 1 ha 250 g.m-2 104 m2. ha-1 = 2500000 g. ha-1čili 2,5 t. ha-1 = 25 q. ha-1 produktu.