3. Характеристика світла
Промениста енергія, така необхідна для рослин,— це енергія електромагнітних коливань, що виникають в результаті коливальних рухів електронів, збуджених атомів і молекул. Згідно з сучасними уявленнями, промениста енергія випромінюється і поширюється не безперервно, а окремими неподільними порціями — квантами, або фотонами, величина яких визначається довжиною хвилі або частотою:
де А — стала Планка, що дорівнює 6,55-10~37 ерг-с; V — частота; с — швидкість, що дорівнює 300000 км/с; А. — довжина хвилі.
Згідно з законом Ейнштейна, інтенсивність фотохімічних процесів залежить не від абсолютного поглинання енергії безвідносно до її квантової природи, а від кількості поглинутих квантів певної величини. При одному й тому ж поглинанні енергії кількість поглинутих квантів зростає разом із довжиною хвилі.
Спектр сонячного світла щодо фізіологічної характеристики обмежується довжинами хвиль від 300 нм і менше до 6000 нм і більше. Фотосинтетично активна радіація (ФАР), яка поглинається пігментами листка і забезпечує нормальний ріст і розвиток рослин, становить 300—750 нм.
Короткі ультрафіолетові промені з довжиною хвилі <300 нм згубні для всіх живих організмів Землі. Це вітацидна радіація. Ультрафіолетові промені з довжиною хвилі 300—400 нм, які поглинаються на 99 %, є росторегулюючими променями, що запобігають надмірному витягуванню рослин. Під дією цієї радіації у рослин змінюється хімічний склад, підвищується вміст білків, вітамінів.
Синьо-фіолетові промені з довжиною хвилі 400-500 нм, які поглинаються хлорофілом, каротиноїдами, ферментами та іншими компонентами клітини, здебільшого затримують перехід рослини до цвітіння, сприяють синтезу білків і впливають на хімічний склад рослин.
Зелені промені з довжиною хвилі 500-600 нм, які поглинаються на 75 %, мінімально активні, фізіолого-біохімічні процеси дуже загальмовані, і вирощування рослин нераціональне через велику витрату променистої енергії.
Оранжево-червоні промені з довжиною хвилі 600-700 нм — максимально активні і поглинаються тільки хлорофілом на 95 %. У цих променях з максимальною швидкістю здійснюється фотосинтез, утворення листків, формування коренеплодів, цибулин, стеблових потовщень, перехід рослин до цвітіння, фотоперіодичний процес тощо. При цьому буває найвищий урожай.
Інфрачервоні промені з довжиною хвилі 700-1000 нм не поглинаються або дуже мало поглинаються (15 %) пігментами і тканинами рослин. Фізіологічного значення вони практично не мають, і тому їхнє випромінювання називають абіотичною радіацією.
Далекі інфрачервоні промені з довжиною хвилі 1000-6000 нм, які поглинаються на 90 % в основному водою, пігментами і цитоплазмою, визначають тепловий режим рослинних тканин. Вони впливають на швидкість і напрям фізіолого-біохімічних процесів відповідно до температури навколишнього середовища. При низьких температурах повітря (<20°С) вони зігрівають тканини, а при високих температурах (>30 °С) негативно впливають на обмін речовин.
Видиму сонячну радіацію з довжиною хвилі 400-720-нм рослини поглинають неоднаково. Поглинання видимої радіації рослиною зростає із зменшенням широти місцевості, із збільшенням прозорості атмосфери, з висотою над рівнем моря, з онтогенезом (індивідуальним розвитком рослин) і переважно у деревних.
При вирощуванні рослин на червоному світлі або в темряві вони набувають вигляду етіольованих: у них забарвлення біле або світло-жовте, стебла дуже витягнені, листя недорозвинене, покривні механічні і провідні тканини розвинені мало. Явище етіоляції використовується для вирощування деяких овочів: спаржі, салату-ромену, капусти та ін. Етіольовані рослини на сонячному світлі швидко зеленіють завдяки утворенню хлорофілу.
Для фотосинтезу, крім води і світлової енергії, потрібен вуглекислий газ, якого в атмосфері в середньому 0,03 %. Максимальна кількість його в ґрунтовому повітрі — до 5%. Завдяки градієнтові активності молекул вуглекислий газ накопичується на поверхні ґрунту, звідки конвекційними повітряними потоками піднімається вгору, в атмосферу. У зв’язку з тим, що вуглекислий газ має більшу густину, ніж повітря, він опускається в низькі місця на поверхні Землі. А тому мінімальну кількість його (0,006 %) зафіксовано високо в горах.
Вуглекислий газ рослини поглинають листками величезною поверхнею клітин паренхіми, що вимірюється гектарами. Пропускаючи крізь листя повітря, рослина просто-таки виловлює молекули вуглекислого газу.
Щоб синтезувати 4 кг глюкози, рослина поглинає 3 м3 вуглекислого газу із 10 000 м3 повітря, з яким треба зіткнутися кожній фотосинтезуючій клітині листків. Визначено, що кожні 200 років весь атмосферний вуглекислий газ пропускається крізь рослини і весь атмосферний кисень оновлюється ними кожних 2000 років. Без рослин в атмосфері не залишилось би кисню і життя на Землі було б практично неможливе.