Измерение лучистой энергии, падающей на растения и поглощаемой ими, исключительно важно для физиологии растений и особенно для светокультуры растений. Однако до настоящего времени нет приборов или методов, которые позволяли бы в абсолютных энергетических единицах определить количество энергии данного спектрального состава, падающее на зеленый лист. Нет и единой общепринятой системы величин и единиц измерения. Измерение лучистой энергии, поглощаемой зеленым листом, — одна из труднейших и до сих пор окончательно не решенных проблем светофизиологии растений.
Еще в конце прошлого века К. А. Тимирязев говорил о том, что по отношению к растениям надо пользоваться не словом «свет», а понятием «лучистая энергия» и измерять ее в объективных единицах. Теперь это положение имеет еще большее основание, так как исследованиями последнего времени установлено сильное действие на растения не только видимого излучения, но также частично ультрафиолетового и инфракрасного излучений, т. е. вообще оптического излучения в широкой зоне.
Оптическое излучение независимо от его источника (солнце или какой-либо искусственный) — часть спектра электромагнитных колебаний (рис. 1). По спектральному составу его можно разделить на три части: ультрафиолетовое, видимое и инфракрасное.
Ультрафиолетовое излучение (УФ)
Ультрафиолетовое излучение в свою очередь делится на три области:
ближнюю с длиной волн от 380 до 315 нм (область А)
среднюю с длиной волн от 315 до 280 нм (область В)
дальнюю с длиной воли короче 280 нм (область С)
Видимое излучение (свет)
Спектр видимого излучения можно условно разделить на следующие области:
фиолетовую (380—430 нм);
желтую (570—600 нм);
синюю (430—490 нм);
оранжевую (600—620 нм);
зеленую (490—570 нм);
красную (620—780 нм).
Инфракрасное излучение (ИК)
Это излучение делится на:
коротковолновое (760—2500 нм);
средневолновое (2500—25000 нм);
длинноволновое (25000—34000 нм).
Термин «оптическое излучение» принят Международной системой единиц (СИ), рекомендованной к употреблению в Советском Союзе и во многих странах мира. Вместе с тем до сих пор в метеорологической, биологической и сельскохозяйственной литературе употребляются другие термины: «свет», «радиация», «лучистая энергия». Однако поскольку на растение действуют все участки
Инфракрасное радиационное излучение оптического излучения, эти термины применять не рекомендуется. Их необходимо знать только потому, что они встречаются в технической («свет») и метеорологической («радиация») литературе.
В порядке преемственности и постепенного перехода к современным (представлениям следует ознакомиться с энергетическими и эффективными величинами, используемыми для оценки излучения, оказывающего влияние на основные физиологические процессы у растений.
ВЕЛИЧИНЫ И ЕДИНИЦЫ
Энергетические величины и единицы
Энергетические величины являются чисто физическими и не учитывают специфику действия излучения на различные объекты. Спектральная чувствительность приборов для измерения этих величин постоянна в каждой определенной области спектра, что графически соответствует П-образной кривой чувствительности:
Поток излучения (лучистый поток) — основная величина, под которой понимается мощность излучения, или энергия излучения, переносимая в единицу времени. Поток излучения измеряется в ваттах (Вт — W), 1 Ватт = 1 Дж/с.
Облученность (плотность облучения) равна отношению потока излучения к площади равномерно облучаемой поверхности. Измеряется в Вт/м2 (W/м2) и других единицах (табл. 1).
Она может быть:
а) интегральной, когда создается суммой излучений всех длин волн, имеющихся в спектре данного источника;
б) спектральной, когда создается или однородным (монохроматическим) потоком излучения, или потоком излучения узкого участка спектра.
Количество облучения — величина энергии излучения, попавшей на единицу облучаемой поверхности в течение времени облучения. Измеряется в Вт*с/м2.
Эффективные величины и единицы
Если, пользуясь энергетическими величинами, измеряют излучение только по его энергии, независимо от реакции объекта излучения, то эффективные величины позволяют оценить излучение по величине вызываемого им эффекта.
В светокультуре растений пользуются световыми и фотосинтетическими величинами. Реакция приемника будет пропорциональна произведению потока однородного излучения на его спектральную чувствительность при данной длине волны.
Световые величины и единицы
Видимый участок спектра — свет — характеризуется следующими величинами.
Световой поток — мощность лучистой энергии, оцениваемая по производимому ею световому ощущению. За единицу светового потока принят люмен (лм). В качестве эталона люмена принят световой поток, излучаемый абсолютно черным телом площадью 0,5305 см2 при температуре застывания платины 2046 К- Лучистый поток с длиной волны 555 нм, равный 1 Вт, эквивалентен 683 лм светового потока. Чтобы учесть световую энергию, надо знать не только плотность светового потока, падающего на приемник, но и время его действия на приемник. Световая энергия измеряется в люмен-секундах (лм * с) или в люмен-часах (лм-ч).
Световая отдача. При характеристике искусственных источников излучения—ламп различных типов — дается оценка не только излучаемого лампой светового потока (лм — lm), но и ее световой отдачи, которая определяет экономичность лампы. Световой отдачей лампы называется отношение излучаемого ею светового потока к ее электрической мощности (лм/Вт — lm/W). Чем больший световой поток излучает лампа на единицу мощности, тем выше ее экономичность.
Сила света — пространственная плотность светового потока, т. е. световой поток, отнесенный к единице телесного угла. Силу света измеряют в канделах (кд — cd) .
Кандела — единица силы света, которую создает световой поток в один люмен, равномерно распределенный внутри телесного угла в один стерадиан. Кандела (свеча) есть сила света в перпендикулярном направлении плос- ской поверхности абсолютно черного тела площадью 1,6667 мм2 при температуре 2046 К.
Освещенность — отношение светового потока к площади поверхности, на которую он падает. Эта величина служит для оценки условий освещения. Единицей освещенности служит Люкс, или метросвеча. Один люкс (лк — 1х) соответствует освещенности, создаваемой световым потоком в люмен на площади 1 м2.
В зарубежной литературе, кроме люкса, иногда применяются другие единицы освещенности: футо-свеча (fed), которая создается световым потоком в 1 лм, равномерно распределенным на площади в один квадратный фут. Она соответствует 10,76 лк; несколько реже встречается люкс Гефнера (Н1х), который равен 0,88 метрического люкса.
Приведенные выше световые величины необходимо знать, так как ими в светотехнической литературе до сих пор оцениваются светотехнические свойства ламп. Однако эти величины и основанные на них приборы могут использоваться в светокультуре весьма относительно, так как спектральные кривые поглощения лучистой энергии и основных физиологических процессов в зеленом листе (фотосинтез, образование пигментов и др.) резко отличаются от спектральной кривой видимости человеческого глаза, на которой основаны все фотометрические величины (рис. 2). Поэтому теперь часто используют энергетические величины, хотя этот метод не всегда позволяет учитывать специфику действия излучения на зеленые растения.
Фотосинтетические величины и единицы
В современной ботанической литературе участок оптического излучения от 300 до 700 нм известен как физиологическая радиация. При этом облученность измеряется или в эргах в 1 с на 1 см2 облучаемой площади (эрг/с * см2), или в ваттах на 1 м2 (Вт/м2).
Однозначное обозначение (Вт/м2) облученности и электрической мощности источников искусственного излучения приводит иногда к .недоразумениям. Поэтому для измерения облученности желательно принять единицы, производные от Вт/м2: мВт/см2 или мВт/м2. Близкие границы (380—710 нм) имеет излучение, называемое фотосинтетически активной радиацией — ФАР (PAR), которое измеряется в этих же единицах. В некоторых странах границы ФАР немного отличаются от принятых в СССР с колебаниями от 300 до 800 нм (Bickford a. Dunn, 1972).
В СССР, по рекомендации А. А. Ничипоровича, при измерении фотосинтетически активного излучения, или ФАР, часто используют соответствующие стеклянные фильтры, выделяющие следующие участки спектра: 380— 535, 535—610 и 610—710 нм.
Фотосинтетически активное излучение измеряют с помощью энергетических и световых величин. В последнем случае иногда приходится пересчитывать эти величины по специальным таблицам, что весьма осложняет оценку излучения. Необходимо создать величины и единицы, которые бы позволили характеризовать оптическое излучение по его поглощению зеленым листом или по фотосинтезу.
В Институте электрификации сельского хозяйства (ВИЭСХ) сделана попытка создания системы величин, которая по аналогии с системой световых величин использует спектр действия фотосинтеза. Эффективный поток в этой системе назван фитопотоком.
Фитопоток характеризует содержание энергии (в интегральном оптическом излучении), осуществляющей фотосинтез. За единицу фитопотока 'Принят фит (фт), равный потоку излучения в 1 Вт при длине волны 680 нм, обладающей максимальной фотосинтетической эффективностью. Эта эффективная облученность получила название фитооблученности. Единица фитооблученности — фт/м2. Эффективная отдача источника излучения названа фитоотдачей, которая измеряется в фт/Вт.
В настоящее время обоснованность этой системы единиц еще спорна.
Таким образом, к сожалению, пока нет унифицированных методов и приборов, позволяющих непосредственно определить количество воспринимаемого растениями излучения в абсолютных энергетических единицах.
Для более точной оценки оптического излучения его часто делят на отдельные участки в соответствии с их влиянием на физиологические процессы. Так, голландский Комитет по исследованию действия оптического излучения на растения предложил изучать спектры по следующим зонам:
ОСОБЕННОСТИ ИЗМЕРЕНИЯ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В РАСТЕНИЕВОДСТВЕ
Для оценки количества лучистой энергии, полученной растением за определенное время, вводится понятие количества облучения, или дозы облучения.
Суммарная облученность (Е) определяется как поверхностная плотность мощности оптического излучения, падающего на данную поверхность; представляет собой отношение лучистого потока (мощности излучения) F к площади облучаемой поверхности S:
Облученность рекомендуется измерять в ваттах на 1 м2 (Вт/м2). Иногда облученность выражают также в калориях на 1 дм2 в час, в эргах на 1 см2 в секунду и т. д. Соотношения между различными единицами облученности представлены в табл. 1. Для измерения суммарной облученности можно применять пиранометр системы Ю. Д. Янишевского.
Количество облучения учитывает количество лучистой энергии, полученной растениями на определенной поверхности за данное время. В случае неизменной облученности количество облучения равно произведению облученности на время. В общем случае при изменяющейся облученности количество облучения определяется как интеграл:
где Е1 — мгновенное значение облученности, a и t2 — время начала и конца облучения. Количество облучения измеряют в ватт-часах, а также в калориях или эргах на единицу поверхности: Вт • ч/м2 = 8,6 кал/дм2 = 3,6 • 10е эр г/см2.
Приборами для непосредственного определения дозы облучения служат фотоинтегратор Института физиологии растений и фитодозиметр Института биофизики.
В то же время следует определять не только горизонтальную, но и сферическую облученность, которая поможет характеризовать количество излучения, получаемого со всех сторон определенной точкой растения или отдельно стоящим растением.
Сферическая облученность. Листья растений обычно имеют различный наклон и кроме прямого излучения получают со всех сторон отраженное излучение. Для характеристики поверхностной плотности падающего со всех сторон излучения пользуются понятием средней сферической облученности, т. е. средней облученности на поверхности сферы бесконечно малого радиуса, описанной вокруг данной точки. Для измерения среднего сферического количества излучения разработан ряд приборов, характерная особенность которых — наличие приемного устройства в виде сферы.
При исследованиях влияния оптического излучения на фотосинтез и другие физиологические процессы в растениях очень важное значение имеет спектральная облученность. Спектральная облученность, или спектральная интенсивность облученности еЯ,, представляет собой отношение облученности ДЕ, соответствующей узкому участку спектра ДЯ, к длине этого участка: и измеряется в ваттах на квадратный метр на нанометр: Вт/м2 • нм.
Измерение количества падающего на растения физиологически активного излучения необходимо для создания оптимальных режимов облучения растений в условиях светокультуры. Чтобы определить суммарную энергию, попавшую на растения за определенный промежуток времени (день, месяц, вегетационный период), пользуются несколькими методами.
Первый, более грубый метод, заключается в подсчете числа часов горения ламп за все время физиологически активной облученности по приведенной ниже табл. 2. Перемножая эти две величины, узнают количество физиологически активного облучения в ваттах, эргах или калориях (см. табл. 1), потраченное за время выращивания растений. Более точные данные можно получить, если систематически (например, через час) измерять облученность растений, результаты перевести в энергетические единицы, а затем либо суммировать их, либо построить график суточного (месячного) хода изменения облученности. Наконец, можно воспользоваться фотоинтегратором ИФРа, который суммирует все количество физиологически активного излучения за время облучения растений.
В настоящее время измерительные приборы классифицируют в соответствии со спектральной характеристикой, формой приемного устройства (плоская или сферическая) и способом отсчета (мгновенным или интегральным) .
Теория и приемы измерений, используемые для оценки оптической и энергетической характеристик излучения и процесса его поглощения, относятся к разделу физической оптики — фотометрии. Фотометрия как наука существует более 300 лет, со времени классических исследований Кеплера. Он сформулировал один из основных законов фотометрии, иногда используемый в светокультуре растений, — закон обратной пропорциональности между величиной облученности в точке и квадратом расстояния от этой точки до источника излучения.
Измерения в различных областях спектра называются спектральной фотометрией.
В ботанико-физиологических исследованиях фотометрию стали применять в XIX в. Вначале преобладала визуальная фотометрия, когда условия облучения оценивали или непосредственно «на глаз», или с помощью примитивных оптических приборов в световых единицах.
Следующим этапом была фотохимическая фотомет- о рия, когда облученность определяли по скорости химической реакции. Распространенным приемом фотохимической фотометрии было определение времени, необходимого для полного почернения фотобумаги. В этом случае за эталон принимали время, необходимое для почернения бумаги в ясный июньский полдень.
Для измерения количества лучистой энергии, поглощаемой листом, т. е. для фитофотометрии, в физиологии растений применяли различные фотохимические приборы. Первый такой прибор, названный фитоактинометром, был создан Л. А. Ивановым (1946).
В настоящее время в светофизиологии и светокультуре наибольшее распространение получили приборы, основанные на явлении фотоэлектрического эффекта, позволяющие быстро и точно определить величину облученности (люксметры, пиранометры, фотоинтеграторы, фито- пиранометры и Др.).
Применительно к практике облучения растений следует пользоваться энергетическими величинами, так как для физиологических целей важно знать полезную энергию, получаемую растениями, а не освещенность, ощущаемую нашим глазом.
На рис. 3 показано спектральное распределение энергии излучения физиологически активной области спектра солнца, лампы накаливания и люминесцентной лампы дневного света. Здесь же приведены кривые спектральной чувствительности фотоэлемента АФИ (объективный люксметр) и люксметра завода «Вибратор» с корректирующим светофильтром, соответствующим кривой вид- ности человеческого глаза. Очевидно, если от каждого из источников излучения на фотоэлемент люксметра падает одно и то же количество энергии, то показания люксметра будут различны. Следовательно, количество энергии, падающей на растение в единицу времени, соответствующее освещенности в 1 лк, неодинаково для разных источников излучения.
Оценка физиологической активности I лк, приводимая различными авторами, значительно варьирует. Причины для расхождения весьма разнообразны: метод оценки, ширина участка учитываемого спектра (400—700; 300—710; 300—720 нм и т. д.), особенности изготовления различными предприятиями (фирмами) ламп одной и той же марки. Поэтому для одного и того же источника искусственного излучения переводные коэффициенты также неодинаковы:
Отражение лучистой энергии от какого-либо тела (в том числе от листа) в зависимости от характера его поверхности может быть следующим: направленным (зеркальным), когда угол падения равен углу отражения; диффузным (рассеянным), когда лучистая энергия распространяется во все стороны более или менее одинаково; смешанным, когда лучистая энергия отражается неравномерно как по направлению, так и по количеству.
При этом надо учесть, что коэффициент отражения зависит от направления падающего излучения и его спектрального состава.
Поглощение лучистой энергии пропорционально поверхностной концентрации поглощающих веществ (пигментов). Зная количество пропущенной (Г) и отраженной (R) лучистой энергии (в %), можно вычислить поглощенную телом энергию в процентах от падающей на нее: Л = 100—(T+R). Величины Т и R определяются экспериментально, а А рассчитывается по приведенной формуле.
Величину пропускаемой листом энергии можно приблизительно определить, накладывая вплотную изучаемый лист на приемник излучения. До сих пор для измерения общей (нейтральной) облученности приемником служил пиранометр. При измерении видимого излучения большинство исследователей применяет селеновый фотоэлемент. Выше уже отмечалось, что из-за его селективности результаты, полученные при измерении излучения разного спектрального состава, нельзя считать точными. Однако поскольку до настоящего времени практически не было приемника, который бы одинаково воспринимал излучение всех спектральных участков физиологически активного излучения, приходилось пользоваться этим приемником с относительно малой достоверностью результатов.
Таким образом, падающее на лист и пропущенное им излучение определяется сравнительно просто. Значительно сложнее измерение величины отражения у листьев, особенно в условиях светокультуры. При измерении отраженного излучения посевами на открытом воздухе пользуются или альбедометром, или прибором Н. Н. Ка- литина. В обоих случаях источник излучения — солнце — находится на бесконечно далеком расстоянии от отражающего объекта, который равномерно облучается прямым или рассеянным солнечным излучением.
В условиях светокультуры, когда источники излучения находятся от листьев на очень малом расстоянии (до 5 см), методы, используемые в полевых условиях, применить нельзя. В лабораторных условиях один из методов измерения отражения основан на использовании системы зеркал. В сочетании со спектрофотометром или монохроматором они дают величину отражения монохроматического излучения только для определенного угла его падения. Однако при этом измеряется не все количество отраженной листом лучистой энергии, а только какая-то ее доля.
Одно время широко использовали светомерный шар, известный как сфера Ульбрихта.
В настоящее время для определения оптических свойств листьев пользуются более совершенными приборами, позволяющими проводить измерения и в узких, и в широких участках спектра. Таковы спектрофотометры типа СФ-4, СФ-10 и фотоинтегрирующие сферы разных типов. В качестве приемника энергии часто используют фотоэлектронные умножители.
ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ
В настоящее время получили распространение более быстрые и точные приемы фотоэлектрической фотометрии, основанные на явлении фотоэлектрического эффекта, которым обладают некоторые тела. При действии на их поверхность какого-либо излучения они испускают поток электронов, число которых прямо пропорционально интенсивности падающего излучения. Фотоэлектрический эффект проявляется практически мгновенно. Разные вещества обнаруживают фотоэффект в различных участках спектра (рис. 4). Конструкции фотоэлементов различны: плоские (селеновый) или в виде стеклянной колбочки (сурьмяно-цезиевый) и др. Интенсивность фототока измеряется по отклонению стрелки гальванометра, отградуированного в относительных или абсолютных единицах.
Селеновые фотоэлементы относятся к группе так называемых вентильных, или элементов с запирающим слоем. Основа фотоэлементов — железная пластинка (один электрод), на которую нанесен слой кристаллического селена серого цвета. Поверх селена имеется прозрачный слой второго электрода из какого-либо металла (например, золото) толщиной около 5 мкм. Между пленкой золота и селеновым слоем образуется так называемый запирающий слой с односторонней проводимостью. Световой тоток, попав на селен, освобождает электроны из слоя селена. Если соединить проводником железную пластинку (первый электрод) со вторым электродом, то по цепи потечет ток, пропорциональный падающему световому потоку. Для предохранения от влаги и пыли светочувствительную поверхность покрывают прозрачным лаком. Селеновый фотоэлемент под действием сильных источников света «утомляется», его чувствительность ‘падает, поэтому его не следует оставлять на сильном свету открытым.
Светофильтры. Для изучения действия на растение отдельных участков спектра необходимо выделить их из потока общей радиации, что достигается с помощью светофильтров, получивших широкое распространение в све- тофизиологии растений. Светофильтрами называют специальные среды, пропускающие строго определенные участки излучения. Они бывают твердые, жидкие и газообразные. Твердые светофильтры изготовляются из стекла, кварца и различных органических пленок, жидкие — представляют собой окрашенные растворы определенной концентрации и толщины; газообразные в светокультуре не применяются. Из твердых наиболее распространены светофильтры, изготовленные из оптического стекла. Ко всем светофильтрам предъявляются следующие требования. Они должны быть стойкими к температуре и влажности и обладать постоянством радиационных свойств во времени. Каждый фильтр пропускает, помимо основной области спектра, также другие линии или участки в видимой, инфракрасной или ультрафиолетовой областях. Поэтому при особо высоких требованиях к спектральному составу проходящего излучения пользуются системой фильтров, перекрывающих друг друга. Однако при этом сильно ослабляется интенсивность излучения. При менее точных работах можно пользоваться желатиновыми или водяными фильтрами, которые дешевле и проще в изготовлении.
Простейшими фильтрами являются:
обыкновенное стекло, которое не пропускает ультрафиолетовые -лучи короче 310—315 нм, и вода (особенно с небольшим количеством медного купороса), поглощающая инфракрасное излучение. Физиологически активное излучение (400—720 нм) можно измерить только при выделении его с помощью стеклянных светофильтров марки ЖС-11 и КС-19 (рис. 5, 6).
Светофильтр ЖС-11 толщиной 2 мм поглощает ультрафиолетовое излучение с длинами волн короче 380 нм и пропускает видимое и ближнее инфракрасное излучение.
Светофильтр КС-19 толщиной 2 мм поглощает ультрафиолетовое и видимое излучение с длинами волн короче 720 нм.
Разность показаний термоэлектрического прибора с этими светофильтрами дает приближенное значение фотосинтетически активной облученности. Если хотят измерить длинное ультрафиолетовое излучение (300—400 нм), применяют фильтры БС-4.
При отсутствии стеклянных фильтров пользуются либо цветными желатиновыми пленками, либо цветными растворами, налитыми в кюветы с плоскопараллельными стенками. Иногда жидкие фильтры наливают в ванны со стеклянным дном, которые помещают между растениями и лампой.
Кроме спектральных светофильтров, существуют так называемые нейтральные, которые применяются для ослабления потока излучения. Они изготовляются или из стекла (марки «НС»), или из металла (сетки или перфорированные листы).
В светофизиологии растений часто пользуются неселективными приборами типа термостолбика или пирано- распространен пиранометр системы Ю. Д. Янишевского. Он предназначен для измерения солнечного излучения с длинами волн от 300 до 3000 нм. Размеры приемной части пиранометра бывают 2x2 см, 4X4 см и т- д. (рис. 7).
Приемная часть пиранометра — термобатарея, состоящая из манганиновых и кон- стантановых участков, расположенных в шахматном порядке. Одна группа спаев окрашена окисью магния, другая — сажей. Различие в поглощении лучистой энергии черными и белыми участками способствует возбуждению термоэлектрического тока, который измеряется стрелочным гальванометром ГСА-1. Для защиты от ветра, осадков и пыли термобатарея обычно покрыта полусферическим стеклянным колпаком. При измерении излучения ламп, а также излучения, проходящего через листья, можно пользоваться пиранометром с плоским стеклом. Чтобы под стеклом не конденсировались водяные пары, к корпусу пиранометра прикрепляют сушилку с хлористым кальцием.
Необходимо отметить, что пиранометр Янишевского со стрелочным гальванометром малопригоден для работы с газоразрядными лампами типа люминесцентных или ДРЛ. Эти лампы обеспечивают относительно слабую облученность, которую можно уловить только применяя высокочувствительные (10-9А) зеркальные гальванометры.
Зато излучение ксеноновых ламп и солнца пиранометр учитывает надежно.
Кроме пиранометра Янишевского, существуют оригинальные конструкции, приспособленные для учета физиологического излучения, т. е. того участка спектра, который оказывает наиболее сильное влияние на физиологические процессы растений. К ним относятся компенсационный термостолбик системы Института физиологии растений АН СССР с фильтрами БС-4 и КС-19.
Интересен термоэлектрический фитопиранометр системы Б. П. Козырева, выпускаемый в мастерских Ленинградского электротехнического института (ЛЭТИ).
Он предназначен для измерения излучения в участке спектра от 380 до 710 нм. Результаты измерения выражают в абсолютных величинах (Вт/см2). Размеры и вес прибора значительно меньше, чем пиранометра Ю. Д. Янишевского. Фитопиранометр ЛЭТИ выпускается в двух модификациях (рис. 8). Первая состоит из двух черных или черно-белых кольцевых приемников. Один из них покрыт полусферическим фильтром из стекла БС-8, другой—из стекла КС-19. Включенные навстречу один другому, они в результате совместного действия дают показание облученности в зоне 380—710 нм. Во второй модификации имеется один приемник, покрытый полусферой из увиолевого стекла и имеющий сменные полусферы из стекол БС-8 и КС-19. Такая система позволяет измерить излучение в трех областях спектра: 280—2500, 380—2500 и 710—2500 нм. Затем путем соответствующих расчетов оценивают физиологически активное излучение. Показания приборов практически постоянны при температуре от 10 до 40° С. Возникающая электродвижущая сила регистрируется высокочувствительным стрелочным (М-91, М-195 и др.), зеркальным (ГЗП-47) гальванометрами или электронным потенциометром ЭПП-09.
Малые размеры, высокая чувствительность и ограниченный участок спектра, воспринимаемый фитопиранометром ЛЭТИ, дают основание предположить, что он будет полезен как при светофизиологических исследованиях, так и тепличной светокультуре растений.
Хорошим измерительным прибором является фотоинтегратор системы ИФР АН СССР, созданный Л. Н. Беллом, С. Н. Чмора и В. П. Корнильевым (1959) (рис. 9). Приемная часть прибора —цезиевый вакуумный фотоэлемент ЦВ-3 или ЦВ-6 (р ис. Ю), который присоединен к интегрирующей схеме, снабженной механическим счетчиком. Этот прибор позволяет определить физиологически активную облученность в пределах от 400 до 800 нм, получаемую растениями за определенное время по П-образной кривой, и относительную облученность в импульсах за одну минуту- Прибор работает со сферическим приемником. Источник энергопитания прибора — переменный ток или аккумуляторы. Стеклянные светофильтры (СЗС-14 и ЖС-11) обеспечивают неселективную чувствительность приемника в области физиологически активного излучения. Фотоинтегратором со сферическим приемником можно пользоваться для определения дозы облучения, которую получают растения при объемном или переменном облучении. Этот прибор очень удобен и при работе в камерах с экранирующими стенками, когда создается многократное отражение, учитывать которое плоскими приемниками (люкс-метр, пиранометр) довольно трудно и ненадежно. Наконец, фотоинтегратор позволяет получить суммарную характеристику облученности растений под передвижными лампами.
На базе фотоинтегратора ИФРа опытным заводом ВАСХНИЛ разработана серия приборов: а) фотоинтегратор «ФИ-1» с аналогичной спектральной чувствительностью, но, к сожалению, с плоским приемником; б) фотоинтегратор «Фипол-70» для измерения дозы облучения в полевых условиях и в теплицах, имеющий двухслойный набор светофильтров П-образной спектральной чувствительности; в) автоматический фотоинтегратор
«ФИАР-70» для автоматического измерения и регистрации фотосинтетически активной облученности и дозы облучения в пределах 400—700 нм, спектральная чувствительность которого близка к П-образной форме. На базе люксметра Ю-16 Л. Н. Беллом создан фотоэлектрический фитоактинометр, предназначенный для измерения физиологически активного излучения. В этом приборе поверхность фотоэлемента покрыта сложной мозаикой из красных и синих фильтров, которая обеспечивает неселективную чувствительность в области спектра от 400 до 720 нм.
Во Всесоюзном научно-исследовательском светотехническом институте (ВНИСИ) В. С. Хазановым разработана серия приборов для измерения облученности и средней сферической облученности в области ФАР. Приемником излучения в этих малогабаритных приборах служит кремниевый фотодиод, снабженный набором светофильтров.
В связи с недостатком специальных приборов для измерения физиологически активного излучения часто используют люксметры. Наиболее доступный и распространенный прибор — люксметр Ю-16, состоящий из селенового фотоэлемента и гальванометра. Гальванометр имеет переключатель на три предела измерений. Переход от одного предела на другой осуществляется включением соответствующих шунтов. Используя 100-кратный нейтральный светофильтр (молочная пластинка с металлической сеткой), можно измерять освещенность до 50 тыс. лк. При длительном действии излучения на селеновый фотоэлемент чувствительность его падает. Поэтому при длительных измерениях освещенности люксметр необходимо периодически помещать на несколько минут в темноту. Люксметр, выпускаемый заводом «Вибратор», градуируется под лампами накаливания.
При попадании на фотоэлемент люксметра одного и того же количества энергии от разных источников излучения (солнце, лампа) показания прибора будут неодинаковы. Следовательно, физиологически активная облученность, соответствующая освещенности 1 лк, для разных источников излучения различна (табл. 2).
Выше говорилось о желательности оценки оптического излучения, падающего на лист, по его способности обеспечить фотосинтез. Хотя вопрос о так называемых фо- тосинтетических величинах еще не вышел за пределы дискуссии, тем не менее в настоящее время выпущен прибор, измеряющий это излучение в эффективных единицах.
Фитофотометр ВИЭСХ — ФФМ-1 сконструирован из висмуто-серебряно-цезиевого фотоэлемента с мозаичным фильтром. Прибор имеет двугорбую кривую на участке спектра от 300 до 750 нм, близкую к чувствительности «среднего листа». Результаты измерения даются в фитах на 1 м2 (фт/м2). Тип этой кривой близок к спектральной кривой поглощения оптического излучения пигментами листа и к кривой фотосинтеза. Однако кривые такого рода недостаточно полно учитывают условия выращивания сельскохозяйственных растений: густоту стояния в ценозе, где их листья взаимно перекрывают друг друга, многочисленность слоев листьев разных ярусов и, наконец, толщину отдельного листа. - Последняя в значительной степени определяет поглощение падающего излучения (см. рис. 51). Поэтому в настоящее время большинство исследователей считает, что в пределах ФАР действие отдельных участков излучения почти одинаково по своей эффективности. При измерении излучения в этой зоне спектра желательно придерживаться кривой П-образной формы.
В последнее время появились приборы (НПО «Агроприбор» МСХ СССР) с несколькими датчиками; смена их позволяет измерять раздельно дозы (дозиметр оптического излучения) или облученность (интенсиметр оптического излучения) в разных областях спектра электромагнитного излучения: 280—380 или 380—710 нм.
В других странах до сих пор пользуются главным образом селеновыми фотоэлементами, оформленными в виде разного типа люксметров, либо различными термоэлементами: термостолбиками, пиранометрами, актинометрами и т. п.
Таким образом, проблема измерения оптического излучения в растениеводстве до сих пор не решена окончательно, так как не ясно, какая система величин и единиц позволяет наиболее точно определить оптимальный спектр излучения для отдельных растений и на разных этапах их роста. Видимо, пока придется пользоваться обеими системами. То же относится и к определению количественного учета облученности.