HOOFDSTUK 5: Interacties met de abiotische omgeving
Stralingsregime in ecosystemen
Zon als stralingsbron
Zon = onaflaatbare bron van energie bij de voedselketen
Gedraagt zich als een plasma = hete massa atomen gaan degenereren in hun kern
Is 10-12 miljoen Kelvin daar → fusiereacties kunnen doorgaan: 41H → 4He + 2e+ + 2n
Straling wordt geproduceerd in de proton-proton keten (fusiereactie + annihilatie)
o 2 protonen (H+) vormen samen een deuterium + uitstoting positron en elektron
o Deuteriumkern vangt nog een proton en krijgt een helium-3-kern
o Twee helium-3-kernen (3He) vormen samen een helium-4-kern + 2 protonen
o 4He is stabiel en zwaarder → zal naar binnen zakken
o Het positron en elektron annihileren en krijgt hierbij vorming van straling
= stralingsenergie: E = mc0², massa wordt in energie omgezet → gewichtsverlies zon
Rode reus → wanneer de reactie ook in de schil optreedt = sterffase van ster wat 100 miljoen jaar
duurt, uiteindelijk geen protonen meer om naar helium om te zetten, helium zullen naar zwaardere
atomen omgezet worden door hoge druk en temperatuur, steeds zwaardere kernen, valt opeens in
een → witte dwerg (kan zwart gat als de massa zeer groot is)
Kortgolvige en langgolvige straling
Spectrale intensiteit = invallende straling bij bepaalde golflengte
Drie wetten dat het stralingsregime karakteriseren:
Beschouwen een zwarte straler = absorbeert alle invallende
straling bij elke golflengte en intensiteit: E =1 (Boltzman)
Wetten kennen + figuur kunnen uitleggen
1. Stralingswet van Planck
Beschrijft de spectrale intensiteit
2. Verplaatsingswet van Wien
Om de maximale golflengte bij bepaalde T (in K) te bepalen
= de piek van de curves, golflengte bij maximale energie-uitstraling
3. Wet van Stefan-Boltzman
Berekent de intensiteit zelf = opp onder grafiek
▪ Zonneschijf: buitenkant van de zon, is daar 6000K
Onder zonneschijf: 1365 Wm-2 = energie dat zon uitstuurt
= intensiteit aan zonneoppervlak (opp onder curve
= max intensiteit 900 W m-2 (typische zomerdag België) = intensiteit van alle golflengtes
▪ (2) rand atmosfeer = invallende straling in de
atmosfeer
(3) Kortgolvige straling (0,3 – 3,0 µm) = ecologisch interval ▪ (3), (5) aardoppervlak = straling die wij en de
ecosystemen ter beschikking krijgen
▪ Enkel door de zon geproduceerd en uitgestraald ▪ (4) Planck: T = 255K = voelbare temperatuur in de
Komt op aardoppervlak terecht atmosfeer ≈ -18°C → grotere golflengte → met
▪ Drijft de fotosynthese en transpiratie deze golflengte (koepel) zullen alle Aardse
objecten en de gassen in de atmosfeer langgolvige
▪ Door sluiting/opening huidmondjes door de
straling uitstralen
stralingsintensiteit
▪ Belangrijk voor plantenontwikkeling De grafiek omvat de verdeling van de uitgaande
straling van de zon over de verschillende golflengten
▪ Ons oog hier meer gevoelig voor
, (5) Langgolvige straling (3,0 – 100 µm) = meteorologisch interval
▪ Geproduceerd door gassen in de atmosfeer: T = 255K → 𝜆max = 11,4µm (adhv Wet van Wien)
▪ Geproduceerd door Aardse stralers: T = 288K (≈ 15°C) → 𝜆max = 10µm
▪ Is dag en nacht aanwezig kortgolvige straling
▪ Bewolkingsgraad f moet in rekening gebracht worden
▪ Belangrijke bijdrage aan energiehuishouding (volgende les)
▪ Dominante rol in serre-effect
o In het natuurlijke en door de mens gecreëerde broeikaseffect (infrarood)
Spectrale energieverdeling
= invallende straling bij een bepaalde golflengte, hebt dus verschillende spectra met elk andere
toepassingen
▪ Gammastralen
o Radioactiviteit: schadelijk → PET-metingen: kankerdetectie, hersenactiviteit
▪ X-stralen
o Medische beeldvorming: CT-scanners voor bv gebroken arm
▪ Kortgolvig (ecologisch)
o Zichtbare spectrum
▪ Langgolvig (geologisch)
o Infrarode spectrum
▪ Microwaves, Radio en tv
In de atmosfeer treedt er absorptie op door de aanwezige gassen → deel van de straling van welbepaalde golflengte wordt
geabsorbeerd = atmosferische absorptie → zorgt voor de gezaagde structuur van de aardopp curves op de pagina hierboven
▪ O3 → zorgt voor 100% absorptie van UV-C, want is zeer korte straling → zou onze cellen kapot maken, gebeurt door de
ozonlaag in de stratosfeer
▪ Logisch dat ook ter hoogte van de kortgolvige straling bijna niets tegengehouden wordt want is zichtbare spectrum op opp
▪ Ziet dat ook bijna alle langgolvige straling geabsorbeerd wordt, dit door de C-verbindingsgassen → serre-effect
▪ Wolken (H2O) houden de straling ook voor een stuk tegenc
, Mensen zien 0,38 – 0,75 µm = alle kleuren hierin (kortgolvig)
Ultraviolet-staling = UV Planten zien 0,4 – 0,7 µm
▪ UV-A: 0,32 – 0,38 µm zonnebruin, zichtbare veld start na UV-A
▪ UV-B: 0,29 – 0,32 µm zorgt voor huidkanker maar hebt wel nodig voor productie vitamine D
▪ UV-C: 0,2 – 0,29 µm volledig door ozon geabsorbeerd in de ozonlaag
Zichtbare gebied = VIS
▪ Fotosynthese: lichtreactie gebruik zichtbare licht om C uit CO2 te kunnen inbouwen in koolhydraten
▪ Transpiratie: levert energie voor het omzetten van vloeibaar water naar dampfase thv de huidmondjes
▪ Fotomorfogenese, fototropisme, fotoperiodisme, (zie 2de jaar)
Infrarood gebied = IR
▪ Voor energiehuishouding in ecosystemen
Spectrale gevoeligheid
Menselijk oog en blad hebben andere gevoeligheid
▪ Wij nemen sterkst groen waar
▪ Terwijl een blad een piek heeft voor blauw en rood
Komt door chlorofyl: molecule dat uit hoofdje en staart bestaat
Bij blauwe en rode kleur begint het hoofdje te trillen
Zal zo licht (golflengte) = energiepakket omzetten in chemische energie
Er zitten ook nog andere zaken in een blad → ook bij groen en geel geabsorbeerd
Een foton is een kwantum met golflengte tussen 380 – 750 nm = ook in PAR
Kwantum = lichtdeeltje waarvoor geldt:
= wet van Planck
laat ons toe golflengte om te zetten in energiepakket
PAR = fotosynthetisch actieve straling: 0,4 – 0,7 µm
= deel ven elektromagnetische spectrum dat door
planten gebruikt wordt voor fotosynthese
Spectrale verschuivingen in vegetatie
Er zijn 3 belangrijke concepten (zie grafiek hiernaast), gaan alle drie over het spectrum dat verschuift
Blauw schaduwlicht (terrestrische vegetatie) !!! de kleuren van de grafieken wijzen op
het fenomeen, niet op het type kleur
Intensiteit is gedaald
Dit is te wijten aan Rayleigh verstrooiing
▪ Als gasmoleculen een veel kleinere diameter hebben dan de golflengte die erop invalt zal een
deel geabsorbeerd worden en de rest uitgestraald met andere golflengte en intensiteit
= verstrooiing
▪ Blauw licht wordt 9 verstrooid dan rood licht (𝜆B < 𝜆R) → dus verstrooiing blauw groter = 1/𝜆4
▪ Krijgt hierdoor een blauwe hemel
▪ Zonsopgang en ondergang:
o Straling legt een veel langere weg af door de atmosfeer want schuine inval
o Al het blauw licht is al verstrooit voor het aankomt want 9 keer meer verstrooit
o Ziet daarom enkel de rode en gele verstrooiing nog
Verstrooiing is typisch voor schaduwplanten = blauw schaduwlicht, ze kunnen beter groeien dan
verwacht (als je enkel naar de lichtintensiteit bekijkt dat ze ontvangen), krijgen dus meer door de
verstrooiing = globale kortgolvige straling (som van niet-verstrooide en verstrooide straling), is door
de blauwe fotonen van het verstrooide licht → goed voor de fotosynthese want chlorofylpigmenten
kunnen deze zeer goed opnemen (brede absorptieband van chlorofyl op afbeelding)
, 𝑟𝑜𝑜𝑑 𝑎𝑎𝑛𝑡𝑎𝑙 𝑓𝑜𝑡𝑜𝑛𝑒𝑛 𝑏𝑖𝑗 𝜆=0,66µ𝑚
= 𝑣𝑒𝑟−𝑟𝑜𝑜𝑑 = 𝑎𝑎𝑛𝑡𝑎𝑙 𝑓𝑜𝑡𝑜𝑛𝑒𝑛 𝑏𝑖𝑗 𝜆=0,73µ𝑚
Infrarood (terrestrische vegetatie)
Het bladerdek bovenaan neemt alle golflengte op voor PAR
maar dus niet daarbuiten = werkt dus als filter
Heb dus nog een ander spectrum over (bv infrarood)
o Rood schaduwlicht
o Kan de 𝜁-verhouding bepalen
o Vertel hoeveel filtering er is geweest
o Hoe groter het bladerdek, hoe lager 𝜁
= sterke filtering
Ecologische consequentie:
o Planten in kruidenlaag aan ver-rood licht
blootgesteld → signaal voor ongunstige
lichtsituatie → fytochroomsysteem dat ver-rood
verschuiving kan detecteren zet reactie op gang
waardoor stengelstrekking bevordert wordt
probeert zo naar nieuwe lichtsituatie te gaan
o Planten die aan lage 𝜁-verhouding blootgesteld
worden gaan fileren door fytochroomisch systeem
Intensiteit - PAR
Men zal soms planten in zo'n condities aan ver rood blootstellen
zodat de verhouding weer stijgt en de planten niet denken dat ze in 900 Wm-2 - 2000µmol m-2 s-1
de schaduw zitten en dus niet beginnen te fileren want is niet goed
als het langdurig is → morfologie van plant wijzigen door spectrum (op warme zomerdag in België), zoveel
te verschuiven: fytochroom systeem treedt niet in werking produceren ze dan, moet wel naar PAR
want de intensiteit zegt niet over de trilling
van chlorofyl = mate voor fotosynthese
Spectrale filtering door water (aquatische vegetatie) sterkte → zorgen voor ATP in calvincylcus
Licht zal in het water ook verstrooid worden, pigment fyco-eritrine speelt een rol, voornamelijk bij rode algen
Zal voornamelijk in het groengele absorberen rood wordt gereflecteerd
Zie verder
Fotosynthetische lichtresponsiekromme
Bladeren krijgen een andere morfologie obv de
lichtintensiteit + chloroplasten + chlorofylmoleculen
Relatie fotosynthesesnelheid en lichtintensiteit
Zonneblad: heeft veel lagen want bij hoge intensiteit
kan het licht tot binnenste laag gaan → krijgt meer
fotosynthese
Schaduwblad: dun blad, al bij lage intensiteit
maximale fotosynthese
Lichtcompensatiepunt Ic = punt waarop ze genoeg
produceren (foto) om CO2 uitstoot te compenseren
Bij voldoende licht wordt fotosynthese = respiratie,
kan vanaf dit punt beginnen groeien
, Het quantumconcept (extra uitleg bij voorgaande pagina’s)
‘Zichtbare straling’ vervangen door fotosynthetisch actieve straling = PAR (0,4 – 0,7 µm)
= absorptieband waarin fotosynthetische pigmenten als chlorofyl en carotenen straling kunnen absorberen
Het concept stelt ook dat biochemische reacties die door straling gestimuleerd worden steeds een volledige
quantum opnemen = precies de energie die nodig is om een pigmentmolecule (chlorofyl) van grondtoestand
naar een bepaald energie-excitatie niveau over te brengen
Chlorofyl kan dit enkel bij 𝜆 = 0,4 (blauw) en 𝜆 = 0,7 (rood)
Chlorofyl absorbeert de blauwe en rode fotonen
Stralingsextinctie in vegetaties
Stralingsuitdoving of extinctie is een belangrijke abiotische interactie van de vegetatie met de invallende
straling: op de bodem in een bosbestand zal de meeste kort en langgolvige straling al geabsorbeerd zijn
Krijgt daar schaduw minnende planten of sciofyten
Monsi en Saeki Bedenken dat als ze de lichtintensiteit boven de kruin kennen (I0) kan je de
lichtintensiteit in functie van f, de bladoppervlakte bepalen
Monsi en Saeki model:
▪ I(f) = stralingsintensiteit in de vegetatie op niveau f
▪ I(0) = stralingsintensiteit boven de vegetatie: f = 0
▪ f = de neerwaartse cumulatieve bladoppervlakte-index = hoogteniveau
▪ k = de extinctiecoëfficient, typisch voor bepaalde vegetatie
Belangrijk concept ook voor de fotosynthese
𝒎𝟐 𝒃𝒍𝒂𝒅𝒐𝒑𝒑𝒆𝒓𝒗𝒍𝒂𝒌𝒕𝒆 (𝒂𝒂𝒏 𝟏 𝒛𝒊𝒋𝒅𝒆)
Bladoppervlakte-index f = 𝒎𝟐 𝒃𝒐𝒅𝒆𝒎𝒐𝒑𝒑𝒆𝒓𝒗𝒍𝒂𝒌𝒕𝒆
, van top -> bodem (neerwaarts)
Totale bladoppervlakte-index = foliage index F = leaf area index = LAI
brengt de totale bladoppervlakte van de vegetatie in rekening
De som van alle bladoppervlaktes op de niveaus fi
Ze introduceren ook de extinctiecoëfficient k
kf bepaald hoe exponentieel het licht gaat uitdoven
Bladoriëntatie t.o.v. invallende zonnestralen
Hangt af van de bladoriëntatie en zonshoogte
▪ Horizontaal
Oriëntatie volgt de invallende zonnestraal richting, kijken hoeveel lagen
het zo het licht kan doorprikken
De zonshoogte heeft hier niet echt een invloed
k = 1 (onafhankelijk van de zonhoogte)
▪ Verticaal
Bij een hoge zonshoogte zal het licht er gewoon doorvallen en zal je een
lage k hebben (hoge intensiteit hierdoor want is e-kf), dus het zal niet zo
snel uitdoven
k van 2,376 (lage zonhoogte) → k = 0,170 (hoge zonhoogte)
Hoge k = slechte penetratie
Met dit model kan je de intensiteit op een niveau bepalen en zo ook de fotosynthese
