Cây nhìn thấy ánh sáng như thế nào?

Thanh Uyên Ι 01.2022

Hầu hết chúng ta đều biết rằng cây trồng, cũng như con người đều cần có ánh sáng để sinh trưởng và phát triển. Trải qua một vài ngày dưới thời tiết âm u dường như không gây ra tác hại gì đáng kể tới một số loại cây trồng. Tuy nhiên, nếu phải liên tục bị để trong tối, cây sẽ trở nên vàng vọt và chết đi cho dù có được tưới nước và bón phân đầy đủ. Rõ ràng, ánh sáng là thành phần không thể thiếu của hoạt động quang hợp, như ta đã biết.

Tuy nhiên, việc cây trồng sử dụng ánh sáng như thế nào trong hoạt động quang hợp là cả một chủ đề lớn và cần phải được tiếp cận thông qua các hoạt động sinh lý khác nhau. Trong phạm vi bài viết này, chúng ta sẽ cùng tìm hiểu sơ qua cách thức mà cây tiếp nhận ánh sáng. Cây không có mắt, vậy nó có nhìn thấy ánh sáng giống như chúng ta hay không?

Để trả lời câu hỏi này, hãy cùng tìm hiểu một chút về ánh sáng và bản chất của nó.

Ánh sáng là gì?

Ánh sáng là tên gọi dùng để diễn tả một phần của quang phổ năng lượng điện từ đến từ Mặt Trời hay một nguồn phát sáng nào đó mà mắt chúng ta thấy được, còn gọi là vùng khả kiến.

Quang phổ điện từ là thuật ngữ bao quát tất cả các loại bức xạ điện từ. Trong đó, bức xạ là các sóng điện từ hay một chùm các tia mang năng lượng truyền và phát ra trên đường di chuyển, mỗi tia có đặc điểm riêng dựa vào bước sóng của nó tính bằng nanomet (1 nanomet [nm] = 10^-9 mét). Sóng vô tuyến được xem là dài nhất, kéo dài đến hàng trăm hay hàng nghìn mét, trong khi tia gramma có bước sóng rất ngắn, nhỏ hơn 1nm. Các loại bức xạ khác có thể kể đến như vi sóng (dùng trong lò vi sóng), tia hồng ngoại, tia cực tím và tia X.

Quang phổ điện từ và các dạng bức xạ điện từ

Nguồn sáng từ Mặt Trời

Đối với nguồn sáng phát ra từ Mặt Trời, trong số tổng lượng bức xạ chiếu đến Trái Đất, khoảng 26% năng lượng bị phản xạ trở lại không gian khi chạm đến lớp ngoài của bầu khí quyển, 18% bị hấp thụ ở bầu khí quyển bởi tầng ozone – hơi nước và khí carbon dioxide CO₂, còn lại 56% đi xuyên qua bầu khí quyển và được hấp thu ở bề mặt Trái Đất. Tuy nhiên, do một lượng nhỏ bị phản xạ khi chạm đến các vật thể nhất định trên bề mặt, chỉ có khoảng 48% năng lượng thực sự được hấp thu bởi đất và nước.

Phần bức xạ Mặt Trời tới được bề mặt Trái Đất nằm trong dải sóng khoảng từ 300-2.500nm. Trong số này, khoảng 49.4% năng lượng là đã ở dạng bức xạ nhiệt, phát ra từ các tia hồng ngoại (near infrared – NIR) với bước sóng từ 700-2.500nm; 42.3% là ở dạng ánh sáng nhìn thấy được, gọi là bức xạ hoạt động quang hợp (Photosynthetically Active Radiation – PAR) với bước sóng nằm trong khoảng 400-700nm; và một phần nhỏ còn lại là ở dạng tia tử ngoại (hay còn gọi là tia cực tím, tia UV) có bước sóng từ 300-400nm.

Cường độ bức xạ Mặt Trời mà một nơi nào đó nhận được phụ thuộc vào nhiều yếu tố. Trong đó bao gồm: vĩ độ, mùa trong năm, thời gian trong ngày, độ che phủ của mây ở bên trên và độ cao so với mặt nước biển. Bức xạ toàn cầu được diễn giải theo 2 cách: bức xạ trực tiếp và khuếch tán. Vào một ngày nắng đẹp, không mây phần lớn bức xạ tới Trái Đất thuộc loại trực tiếp và ngược lại.

Bản chất sóng

Như vậy, có thể thấy rằng ánh sáng cũng là một dạng bức xạ điện từ và mang theo năng lượng, trong đó bước sóng của nó là yếu tố quyết định màu sắc mà ta nhìn thấy. Khi cho ánh sáng trắng đi xuyên qua lăng kính hay một giọt nước, nó sẽ bị phân tán thành các bước sóng hay các màu khác nhau tạo thành quang phổ khả kiến: đỏ-cam-vàng-lục-lam-chàm-tím.

Bản chất sóng của ánh sáng

Bản chất sóng và hạt của ánh sáng

Bản chất hạt

Ngoài ra, quang phổ điện từ còn được mô tả dưới dạng các hạt rời rạc, gọi là các hạt photon trong đó bức xạ điện từ được ví như là một luồng sóng mang theo các hạt photon riêng lẻ không trọng lượng di chuyển với tốc độ rất nhanh, gọi là tốc độ ánh sáng. Nói cách khác, photon là các hạt ánh sáng chứa năng lượng. Mỗi photon chứa một lượng năng lượng tỉ lệ nghịch với bước sóng ánh sáng đặc trưng cho photon đó. Chính vì vậy, năng lượng ánh sáng của các luồng sóng sẽ khác nhau tùy thuộc vào loại hạt photon mà nó mang theo.

Ví dụ, mắt người chỉ nhạy cảm với một dải tần số nhỏ nằm trong khoảng 400-700nm, trong đó bao gồm các loại màu sắc khác nhau như ta đã biết. Ở ngưỡng này, năng lượng của một photon màu lam (xanh biển) sẽ cao hơn năng lượng của một photon màu đỏ.

Đơn vị đo năng lượng và ánh sáng

Tùy theo đặc tính vật lý (bước sóng, tần số, năng lượng) cũng như mục đích sử dụng, bức xạ điện từ có thể được đo lường thông qua nhiều loại đơn vị khác nhau. Ánh sáng truyền đi theo dạng sóng nên bước sóng được định nghĩa là khoảng cách từ đỉnh đến đỉnh và được đo bằng nanomet (nm). Tần số được định nghĩa là chu kỳ bước sóng trên giây và được biểu thị bằng Hertz (Hz). Các dải có bước sóng ngắn hơn tạo ra tần số cao hơn. Tương tự như vậy, bước sóng càng dài thì thời gian hoàn thành một chu kỳ càng lâu, tạo ra tần số thấp hơn. Năng lượng của bước sóng tăng theo tần số và giảm theo độ lớn của bước sóng. Nói cách khác, bước sóng ngắn hơn có nhiều năng lượng hơn so với bước sóng dài hơn. Năng lượng bức xạ thường được đo bằng đơn vị Joule và công suất được đo bằng Watt (Joule/giây).

Bởi vì ánh sáng nhìn thấy được cũng là một dạng bức xạ điện từ mang theo năng lượng nên có thể được đo đạc dựa vào các đặc tính vật lý như năng lượng, bước sóng hay tần số. Tuy nhiên, sẽ dễ hiểu hơn nếu ta nói đến thời gian chiếu sáng (năng lượng theo thời gian), chất lượng ánh sáng (bước sóng hay màu sắc) và cường độ ánh sáng (số lượng photon ở các bước sóng hay màu sắc nhất định) theo cách nói thông thường.

Con người và ánh sáng

Màu sắc trong quang phổ khả kiến mà con người nhìn thấy

Đối với con người, cách nhận biết ánh sáng phổ biến nhất là thông qua cảm nhận về màu sắc như sáng hay tối, trắng hay vàng cam, xanh hay đỏ, nhẹ nhàng hay chói chang… Đặc điểm này liên quan đến yếu tố “chất lượng”, nghĩa là thông qua đặc tính bước sóng và màu sắc của ánh sáng. Đây là tiêu chuẩn phổ biến nhất để sản xuất ra các loại đèn chiếu sáng sử dụng cho mục đích sinh hoạt và công nghiệp. Phép đo ánh sáng dựa vào chất lượng được gọi là phéo đo trắc quang và sử dụng các đơn vị khác nhau. Ví dụ:

Lumen (quang thông): Cho biết tổng lượng ánh sáng phát ra từ một nguồn sáng. Lumen càng cao ánh sáng phát ra càng nhiều, nghĩa là càng sáng hơn.
Lux (độ rọi): Dùng để đo ánh sáng phát ra trong một khu vực nhất định hay mật độ quang thông trên một đơn vị diện tích: 1lux = 1lm/m². Nó cho phép chúng ta đo được tổng lượng ánh sáng nhìn thấy và cường độ chiếu sáng trên một bề mặt nào đó. Nghĩa là với cùng một nguồn sáng nhưng nếu được đặt trong một diện tích (không gian) hẹp hơn thì cường độ chiếu sáng (sản lượng) sẽ tăng lên.
Kelvin (nhiệt độ màu): Đơn vị đo này thường liên quan đến khái niệm “màu” của ánh sáng: ấm, trung tính hay mát. Chỉ số nhiệt độ màu càng thấp thì ánh sáng càng ấm và ngược lại.
Watt (công suất): Đơn vị Watt chỉ thể hiện lượng năng lượng mà sản phẩm này tiêu thụ, không thể hiện độ sáng mà đèn có thể cung cấp. Vì vậy, nếu muốn tiết kiệm năng lượng tiêu thụ thì nên xem xét chỉ số watt. Trong khi để biết đèn sáng ít hay nhiều thì nên xem chỉ số lumen.

Cây trồng và ánh sáng

Tuy nhiên, khác với con người và động vật, cây cối không chỉ muốn “nhìn thấy”, chúng còn phải dùng ánh sáng như là một nguồn năng lượng để sản xuất thức ăn trong quá trình quang hợp. Và vì vậy, sử dụng các loại đèn chiếu sáng với mục đích cảm quang của con người không giúp đưa ra một cái nhìn toàn diện về vai trò của ánh sáng đối với cây trồng, qua đó có biện pháp canh tác phù hợp, đặc biệt trong sản xuất nhà kính vốn cần sử dụng ánh sáng nhân tạo trong một số trường hợp.

Do đó, phép đo bức xạ dựa vào tiêu chuẩn “số lượng” giúp xác định các thông số vật lý ở tất cả các bước sóng được sử dụng phổ biến hơn trong nghiên cứu khoa học. Cụ thể là việc đo lường năng lượng. Tất cả các loại bức xạ điện từ đều chứa năng lượng, từ nhiệt NIR (tia hồng ngoại), ánh sáng nhìn thấy PAR đến các tia tử ngoại UV. Đơn vị đo lường dùng trong trường hợp này thường là Joules/s/m² và Watt/m². Trong đó, Joule là đơn vị năng lượng. Trong khi Watt là đơn vị đo tốc độ sử dụng năng lượng (1 Watt = 1 Joule/s).

Lục lạp trong tế bào lá là nơi tiếp nhận các hạt photon riêng lẻ

Riêng đối với lĩnh vực trồng trọt, nói đến “số lượng” ánh sáng là nói đến cường độ ánh sáng và thời gian chiếu sáng (tổng lượng ánh sáng) mà cây tiếp nhận được. Trong đó, vai trò của các hạt photon là tương đối giống nhau đối với chức năng quang hợp, bất kể lượng năng lượng mà nó mang theo. Nói rõ hơn, là cây tiếp nhận ánh sáng dưới dạng các hạt photon. Khi lá tiếp nhận ánh sáng, mỗi sắc tố trong lục lạp chỉ hấp thu một lượng hạt photon tại một thời điểm nhất định, thông thường vài photon cho mỗi giây trong điều kiện ánh sáng chói chang. Và mỗi điện tử của sắc tố đó chỉ tiếp nhận năng lượng của một photon mang theo.

Chính vì vậy, phép đo lượng tử hiện nay được sử dụng phổ biến hơn nhằm xác định lượng ánh sáng tức thời (số lượng hạt photon) hoặc tích lũy theo thời gian trên một đơn vị diện tích nhất định thông qua hai đơn vị tương ứng là PPFD- Photosynthetic Photon Flux Densit (mmol/m²/s) và DLI- Day Light Integral (mol/m²/ngày).

Bạn đã tìm được câu trả lời hợp lý chưa?

(Tác giả: Thanh Uyên)

Tham khảo thêm về Ánh sáng
http://sunmastergrowlamps.com/plant-science/
https://www.horti-growlight.com/en-gb/par-ppf-ypf-ppfd-dli

Để tìm hiểu thêm về nội dung bài viết cũng như được tư vấn về cách chăm sóc cây chuyên nghiệp, đặc biệt trong lĩnh vực rau quả – trồng cây trong giá thể và môi trường nhà kính, bạn có thể liên hệ qua email: vuoncaybama@gmail.com