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Avant de commencer à lire la suite, je vous recommande de parcourir cet article qui aborde des notions concernant les grandeurs et unités en radiométrie et en photométrie.

Les Couleurs de la lumière

La lumière est un phénomène physique. Elle se déplace en ligne droite dans tout milieu transparent comme le vide ou l'air. Elle peut en revanche changer de trajectoire lors du passage d'un milieu à un autre.

Dans le vide, la lumière se déplace à une vitesse fixe d'environ 300 000 m.s-1.

La lumière qui nous parvient du soleil, dite lumière "blanche" est constituée d'un mélange de différentes longueurs d’ondes, c'est le spectre d'émission du soleil.

En dirigeant un faisceau de lumière "blanche" sur un prisme, celle ci est décomposée en différentes couleurs visibles par l'œil humain.

Ce spectre correspond à une petite partie de l'ensemble des ondes électromagnétiques émises par le soleil (voir schéma).

Elles se situent approximativement entre 400 et 700 nanomètres.

Même si le spectre chromatique est continu (il n’y a pas de frontière entre une couleur et la suivante), chaque couleur peut être caractérisée par sa longueur d'onde associée.

La température des couleurs de la lumière

La température de couleur (en anglais CCT = Correlated Color Temperature) est par définition la température à laquelle il faut chauffer un corps noir pour obtenir la couleur en question.

Son unité est le Kelvin (K), zéro K correspond à -273 degrés Celsius (0K=-273°C).

Remarque: Une LED peut produire une lumière de température de couleur 6 000 K (environ 5 700 °C) alors que la température de la diode est à peine supérieure à la température ambiante...

Unités photométriques: Cas particulier des végétaux

Comme nous l'avons vu dans l'article concernant les Grandeurs et unités en radiométrie et en photométrie, il n'est jamais fait référence à la sensibilité spectrale des plantes. Le récepteur qui est pris comme référence est l'œil humain avec sa sensibilité spécifique très différente de la sensibilité des plantes (schéma ci-dessous).

Il en découle que les unités photométriques tels le lux ou le lumen, que l'on retrouve sur l'emballage des source lumineuses en vente nous donne aucune indication pertinente pour l'éclairage de notre salle de culture.

Sur le schéma ci-dessus, on voit que les chlorophylles ne sont sensibles qu'à certaines plages du spectre lumineux. Elles ont chacune deux pics d'absorption qui se situent plutôt dans le rouge et le bleu.

A l'inverse, elle ne vont pas absorber (ou très peu) certaines longueur d'onde comme le vert, elles vont les réfléchir. C'est pour cette raison qu'une grande majorité de plante nous parait verte.

Jusqu'à présent, nous considérions la lumière comme une onde électromagnétique. Pour quantifier les interactions qui se produisent entre la lumière et les plantes lors de la photosynthèse (phase 1), il est nécessaire de considérer la nature corpusculaire de la lumière.

En effet, la lumière est constituée de 'grains' appelés photons.

Les photons n'ont pas de charges électriques, pas de masse; ils sont caractérisés par leur longueur d'onde λ.

Pour une lumière monochromatique (une seule couleur), l'énergie d'un photo s'écrit:

Qe= h.ν=hc/λ

ou ν est la fréquence de l'onde, h est la troisième constante fondamentale en physique appelée constante de Planck. h = 6,626 × 10-34 J.s et c est la célérité de la lumière. c = 2,997 × 108 m.s-1

Calcul de l'énergie d'un photon en fonction de sa longueur d'onde:

En regroupant les deux constantes , l'équation de l'énergie d'un photon peut s'écrire:

Qe= [1/λ].hc

soit

Qe= [1/λ].1,986.10-25J

Pour λ= 450 nm

Qe,450=4,417.10-19 J

Le flux énergétique correspondant s'écrit

Φe,450= Qe,450/t

soit

Φe,450= 4,417.10-19 J.s-1 soit Φe,450= 4,417.10-19 W

(1W = 1 J.s-1)

Pour 1 mole de photons (NA= 6,02.1023)

Φe,450= 4,417.10-19 x 6,02.1023 = 26,59.104 W

soit pour une micromole (10-6 mole)

Φe,450 = 0,2659 W

L'éclairement pour une surface de 1 m2 s'écrit:

Ee,450e,450/S

soit

Ee,450= 0,2659 W.m-2

Autrement dit, 1 µmole de photons λ= 450 nm produit un éclairement de 0,2659 watt sur une surface de 1 m2.

On en déduit qu'un éclairement de 1 W.m-2 correspond à 3,76 µmol.m-2 (1/0,2659) de photons λ= 450 nm.

En reprenant ce calcul pour quelques longueurs d'onde du spectre visible, on obtient le tableau ci dessous.

Unités photoniques: Le µmol.m-2.s-1

C'est l’unité de mesure de la densité de flux de photons par unité de temps, souvent appelé éclairement photonique.

Elle est utilisée pour mesurer le rayonnement photosynthétiquement actif.

Souvent noté PAR (Photosynthetically active radiation en anglais), Il correspond à la partie du spectre compris entre 400 à 700 nanomètres que les végétaux sont capables d'utiliser au cours de la photosynthèse.

Cette bande spectrale correspond plus ou moins à lumière visible.

Les anglo-saxons parlent de Photosynthetic Photon Flux Density ou PPFD ou de Photosynthetic Irradiance (PI) quand l'unité employée est le W.m-2

La relation entre le Rayonnement global (Rg) et le PAR n’est pas constante. En première approximation, on peut utiliser la formule suivante :

PAR = 0,48 x Rg

Rg : rayonnement global (0,3 - 3,0 µm) en W.m-2

PAR : Rayonnement photosynthétiquement actif (0,4 - 0,7 µm) en W.m-2

Ce facteur de conversion (0,48) varie en fonction du lieu et des conditions d’éclairement (essentiellement entre 0,45 et 0,52).

La conversion des µmol.m-2.s-1 en unité énergétique W.m-2 est compliquée (il faudrait faire l'intégrale de l'énergie des photons dans le PAR).

On utilisera en première approximation les facteurs de conversion suivants (valable dans le PAR):

1 W.m-2 = 4.57 µmol.m-2.s-1

0,018 µmol.m-2.s-1= 1 lux

0,22 W.m-2 = 1 µmol.m-2.s-1

54 Lux = 1 µmol.m-2.s-1

Aspects quantitatifs et qualitatifs de la lumière utilisée pour nos plantes

Aspects quantitatifs

L'objectif est de déterminer les valeurs d'intensité lumineuse qui permettent une activité photosynthétique optimale.

Comme nous l'avons vu précédemment, la photosynthèse correspond à un ensemble de réactions chimiques influencées tour à tour par la lumière, la concentration en CO2 et globalement par la température (comme toutes les réactions biochimiques).

Le phénomène global de la photosynthèse obéit à la loi dite des "facteurs limitants":

"Lorsqu'un processus est contrôlé par plusieurs facteurs agissant indépendamment, son intensité est limitée par le facteur qui présente la valeur minimum. Le facteur est alors limitant et la vitesse du processus est proportionnelle à la valeur de ce facteur."

Dans l'expérience qui suit, on fait varier l'éclairement de 0 à 600 µmol·m-2·s-1, tout en mesurant la photosynthèse nette.

On obtient une courbe dite de saturation de la photosynthèse figurée ci-dessous.

L'analyse de cette courbe laisse apparaitre deux parties bien distinctes:

  • Une partie linéaire ascendante entre 0 et environ 200 µmol·m-2·s-1 . Cette droite à un coefficient directeur Φ. Sa valeur correspond au rendement de l'absorption des photons ou rendement quantique foliaire. Pour ces valeurs  de l'éclairement, c'est la lumière qui est limitante.
  • Une partie linéaire horizontale obtenu pour des valeurs supérieures à 350 µmol·m-2·s-1. Au delà, les photons sont absorbés mais ne sont pas utilisés. Les réactions d'assimilation du CO2 deviennent alors limitantes et la photosynthèse présente une intensité maximale.

Sur cette courbe, deux points sont remarquables:

  • Le point de compensation pour lequel la photosynthèse compense juste la respiration.
  • Le point d'éclairement optimal au delà duquel les photons ne sont plus absorbés par la plante.

Chaque espèce a sa courbe de saturation spécifique qui varie en fonction de l'age de la plante.

Cette étude donne une idée de l'éclairement optimal pour plusieurs espèces communes.

A moins de tester nos plantes une à une pour déterminer l'éclairement optimum, on peut considérer qu'une valeur située entre 150 et 300 µmol·m-2·s-1 correspond à une fourchette acceptable pour l'éclairement de notre salle de culture.

Aspects qualitatifs

Il existe plusieurs types d'éclairages artificiels capables de produire un spectre satisfaisant. Je n'aborderais que deux d'entre eux.

Eclairage à l'aide de Tube fluorescent.

Il contient du mercure à l'état gazeux, dont les atomes sont ionisés sous l'effet d'un courant électrique appliqué entre les électrodes placées à chaque extrémité ; les atomes de mercure émettent alors un rayonnement essentiellement ultraviolet par luminescence, qui est converti en lumière visible par la poudre fluorescente déposée sur les parois du tube.

La couleur de la lumière émise dépend de la nature de la poudre fluorescente utilisée.

En fonction du diamètre, on parle de tube T5 (diamètre de 16mm) et de tube T8 (diamètre de 38 mm à 26 mm), ces derniers étant les plus utilisés.

De part leur fabrication, ces tubes vont émettre un spectre de raies (discontinu) caractéristique du revêtement déposé sur leurs parois intérieures.

Le schéma ci-dessous montre un spectre d'émission d'un tube T8 à 4000K (lumière du jour) comparé à un spectre de même température émis par le soleil.

Le spectre de ce tube correspond partiellement aux pics d'absorption des chlorophylles. C'est en combinant plusieurs types de tubes aux caractéristiques complémentaires que l'on pourra trouver un spectre qui se rapproche le plus de l'idéal.

La grande majorité des laboratoires professionnels et des amateurs est équipée avec des tubes fluorescents.

Les avantages à utiliser ces tubes sont:

  • faciles de mise en œuvre
  • disponibles partout
  • relativement peu onéreux
  • consomment "peu"

Les inconvénients:

  • chauffent
  • leur caractéristiques optiques se dégradent rapidement dans le temps
  • Spectre approximatif

Eclairage à l'aide de LED

Une diode électroluminescente fonctionne sur le principe d’une jonction pn.

Cette jonction est en fait un semi-conducteur ayant deux régions de conductivité différente : une de type p (constituée essentiellement de charges  positives : les trous) et une autre de type n(constituée essentiellement de charges négatives : les électrons), ainsi qu’une région de recombinaison radiative qui donne lieu au phénomène de luminescence.

Sous l'effet d'une différence de potentiel entre deux électrodes, les électrons se recombinent avec  les trous dans la zone de recombinaison. Cela engendre l’émission de photons.

La nature des photons émis (la couleur) va dépendre des matériaux constituant la jonction. Le tableau ci-dessous donne quelques exemples d'alliages utilisés pour obtenir les différentes couleurs des LED que l'on trouve dans le commerce.

Dans le commerce, on trouve des LED allant de 1 à 10W et des multichips (assemblage de plusieurs LED de 1W)de 10 à plusieurs centaines de watts.

Toutes les couleurs nécessaires au développement des plantes est disponible dans le commerce. Il existe même des multiships élaborés spécialement pour les chambres de culture.

Le spectre produit  devra englober le spectre d'absorption des chlorophylles et fournir une intensité suffisante pour s'approcher de l'intensité saturante qui correspond à l'éclairement optimal.

En pratique...

L'éclairement de nos chambres de culture va dépendre:

  1. quantitativement

  • de l'intensité lumineuse (nombre de photons qui atteignent les chloroplastes)
  • de la surface de culture
  • de la durée ou photopériode de l'éclairement.
  1. Qualitativement

Des longueurs d'ondes utilisées.

Vous trouverez ici un article concernant la fabrication d'une rampe LED DIY (Do It Yourself).

Sources: http://flor.hrt.msu.edu/lighting

Glossaire

chlorophylle

chlorophyllea.png

coefficient directeur

Le coefficient directeur d'une droite est un nombre qui permet de décrire

  • Le sens de l'inclinaison de la droite: si la droite monte quand on la parcourt de la gauche vers la droite, le nombre est positif, si la droite descend, le nombre est négatif
  • La force de celle-ci: plus le nombre est grand en valeur absolue, plus la pente est forte.

coeffdirecteur.png

longueur d'onde

La longueur d’onde est une grandeur physique analogue à une longueur, caractéristique d'une onde monochromatique (une seule couleur), définie comme la distance séparant deux maxima consécutifs.

longueuronde.png

mole

La mole est une unité qui mesure un nombre d'objets extrêmement petits et nombreux, comme les molécules, les atomes, les électrons, les photons...

Un échantillon de matière de taille macroscopique contient un très grand nombre d'atomes.

Par exemple, 6 grammes d'aluminium contiennent environ 1,34×1023 atomes (134 000 000 000 000 000 000 000 atomes ; soit 134 000 milliards de milliards).

Pour éviter l'utilisation d'aussi grands nombres, on a créé une unité de mesure, la mole (dans le cas présent, 6 grammes d'aluminium représentent 0,22 mole d'atomes).

Une mole d’atomes contient environ 6,02214040×1023 atomes.

Ce nombre est appelé nombre d'Avogadro. Il est constant quel que soit l'élément quantifié. Autrement dit, de la même manière qu'il y a autant d'éléments dans une douzaine de pommes que dans une douzaine d'œufs, il y a le même nombre d'atomes dans une mole de carbone que dans une mole de plomb (soit 602 214 milliards de milliards d'atomes).

nanomètre

Le nanomètre, de symbole nm, est une unité de longueur du système international d'unités (SI).

C'est un sous-multiple du mètre, qui vaut 10-9 m = 0,000 000 001 mètre = 0,000 001 millimètre = 0,001 micromètre.

Prisme

dispersionprisme.gif


Date de création : 19/09/2016 16:00
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