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26 Aprile 2016

LA RADIAZIONE SOLARE ED IL SISTEMA VEGETALE

Di solito quando si pensa alla parola “radiazione” ci vengono in mente cattivi pensieri. In realtà la radiazione solare è molto utile infatti ogni essere vivente sulla Terra dipende, per la sua sopravvivenza dalla luce del sole, riscaldando  il pianeta e fornendo cibo per le piante. La radiazione solare è tutta la luce e l’energia che viene dal sole, e ci sono molte forme differenti. Lo spettro elettromagnetico spiega i diversi tipi di onde luminose che vengono emessi dal sole. Le onde luminose sono simili alle onde che si vedono sul mare – si muovono su e giù e viaggiare da un luogo ad un altro. La differenza è che invece delle vibrazioni dell’acqua, le onde luminose sono vibrazioni di campi elettromagnetici, da cui il nome spettro elettromagnetico.

Per definizione la radiazione solare è la radiazione che proviene dal sole sotto forma di onde elettromagnetiche che coprono la parte spettrale che va da 0,2 a 2,5 micron.
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Una rappresentazione di tale spettro solare è riportata in figura 1. Tutta la vita sulla terra è mantenuta dal flusso di energia irradiata dal sole che entra nella biosfera.
Per le piante, la radiazione è:
– Una fonte di energia (photoenergetic effect)
– Stimolo per lo sviluppo (photocybernetic effect)
– Fattore di stress (photodestructive effect)
Ai limiti esterni della atmosfera terrestre, l’intensità della radiazione è 1.360 W m (costante solare). Più della metà viene persa, essendo gettata nello spazio come risultato di rifrazione e diffrazione in atmosfera, o dispersa o assorbita dalle particelle presenti nell’aria.
La radiazione che raggiunge la superficie terrestre è chiamata radiazione globale, e va da 290 a 3000 nm; in media, il 45% della radiazione solare in arrivo rientra nel gamma di 389 a 710 nm, che è la gamma utilizzata per la fotosintesi dalle piante, questa gamma è spesso definita come fotosinteticamente radiazione attiva, PAR, ed è spesso indicato con range tra 400 e 700 nm.
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La radiazione a lunghezze d’onda più corte (UV-A da 315 a 380 nm e UV-B 280 al 315 nm) è nota come radiazione ultravioletta, ed è immersa nell’atmosfera superiore da ozono e ossigeno. Se non avessimo tale assorbimento di radiazione ultravioletta (ozono e ossigeno), la vita su questo pianeta come lo conosciamo non avrebbe avuto modo di esistere a causa dei livelli eccessivi di UV.
La luce è anche una particellache noi chiamiamo un fotoneCiascun fotone contiene un quantità di energia che è chiamato quantum (plurale quanti). Il contenuto energetico del luce non è continua ma piuttosto viene fornito in discreti pacchetti . Pertanto, la luce del sole è come una pioggia di fotoni di diversa frequenze (si noti come i nostri occhi, sono sensibili solo una piccola gamma di frequenze).
Con particolare attenzione al sistema vegetativo (in Figura) si nota come il 100% d
ell’energia totale  ricevuta dalla foglia, solo il 5% viene convertito in carboidrati.
Solar Radiation image
AZIONE DELLA LUCE NEL SISTEMA VEGETALE
Lo sviluppo naturale delle maggior parte delle piante è regolato dalla variazione del periodo di luce durante il giorno e durante le stagioni, oltre che dalle condizioni climatiche del luogo. L’intero ciclo di sviluppo delle piante viene condizionato dalla luce, i cui effetti dipendono sia dall’intensità della radiazione elettromagnetica (livello di illuminamento) che dall’efficacia della stessa nei diversi campi di radiazione (composizione della luce) entro lo spettro elettromagnetico.
La porzione di spettro elettromagnetico utilizzato per promuovere i processi di sviluppo delle piante è compresa tra i 400 e i 700 nanometri (nm) ed è definito dalla curva di sensibilità alla fotosintesi. Questo range viene definito radiazione fotosintetica attiva o PAR (Photosyntetically Active Radiation).
EFFETTI DELLA LUCE NEL ROSSO E NEL ROSSO LONTANO
Lo sviluppo di una pianta è un processo che risente dell’influenza di fattori interni, come per esempio l’orologio biologico e l’espressione genica, e di fattori esterni, quali temperatura e luce. Quest’ultima in particolare viene percepita dalle piante mediante particolari fotorecettori che vanno a stimolare la produzione di ormoni necessari alla crescita della pianta stessa.
Alcuni semi non riescono a germinare al buio ma possono farlo dopo essere stati esposti ad una luce di bassa intensità anche per brevi periodi. La luce blu e quella rossa sono molto efficaci nella stimolazione della germinazione. La luce si suddivide nella luce nel rosso lontano, con una lunghezza d’onda di circa 730 nm, al confine con i limiti della percezione umana, e nella luce rossa, la cui lunghezza d’onda è di circa 660 nm. Gli effetti della luce nel rosso lontano e in quello normale sono riconducibili a recettori proteici bluastri chiamati fitocromi. Ci sono due forme di fotocromi tra loro interconvertibili grazie alla luce. La forma che assorbe prevalentemente la luce rossa è chiamata Pr. Quando assorbe un fotone di luce rossa, una molecola di Pr viene convertita in Pfr; al contrario, quando un Pfr assorbe la luce nel rosso lontano viene riconvertita nella forma Pr.
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INTERAZIONE LUCE – PIANTA 
La luce promuove nei vegetali due processi primari che soprassiedono lo sviluppo:
– la fotosintesi
– la fotomorfogenesi

La luce inoltre interviene direttamente anche in due processi secondari, ma comunque di vitale importanza:
– il fototropismo;
– il fotoperiodismo.

LA FOTOSINTESI CLOROFILLIANA 
Tramite questo processo, la pianta preleva dall’aria la CO2 (anidride carbonica) e utilizza il carbonio che necessita, liberando a sua volta nell’ambiente acqua e ossigeno. Questo processo biochimico è alimentato dall’assorbimento da parte delle piante della radiazione elettromagnetica compresa tra i 400 e i 700 nanometri (zona PAR). Lo sviluppo corretto della pianta si ottiene quando avvengono in modo equilibrato i due processi che compongono la fotosintesi clorofilliana ovvero la respirazione (sintesi della clorofilla) e la fotosintesi. La respirazione si verifica continuamente, non è influenzata dalla luce e comporta la decomposizione dei carboidrati tramite l’assorbimento dell’ossigeno e la liberazione nell’ambiente di anidride carbonica; da questo processo si forma la clorofilla, una sorta di “pannello solare” della pianta, che raccoglie energia utile al suo sviluppo. La fotosintesi invece, avviene esclusivamente in presenza di luce e comporta il processo inverso alla respirazione, ovvero l’assorbimento di anidride carbonica e il rilascio di ossigeno. Lo sviluppo armonico si verifica solo quando l’azione della fotosintesi prevale su quella della respirazione. La fotosintesi è stimolata dalla radiazione blu alla lunghezza d’onda di 425 ÷ 450 nm e dalla rossa tra i 575 ÷ 675 nm. Per la sintesi della clorofilla o respirazione risultano più importanti i toni blu con massimale a 450 nm e con un picco minore nel rosso a 650 nm. L’attivazione del processo di fotosintesi richiede una quantità minima di energia luminosa, che varia in funzione della varietà colturale: alcune piante crescono esclusivamente se sono esposte a grandi quantità di luce, (piante eliofile come il girasole), mentre altre si sviluppano esclusivamente in presenza di un ridotto irraggiamento (piante ombrofile come l’avogado o la yucca). Nelle piante eliofile, l’azione fotosintetica cresce con l’aumentare dell’irraggiamento luminoso, ma poiché l’assimilazione da parte dei vegetali è soggetta a saturazione, essa raggiunge il massimo a valori prossimi ai 10.000 lux.
EFFETTI DELLA TEMPERATURA SULLA FOTOSINTESI
A 45 °C la fotosintesi si arresta in quanto si chiudono gli stomi che consentono sia l’entrata di CO2 per la fotosintesi che l’uscita di vapore acqueo derivante dall’attività traspiratoria. Questo è un fenomeno che la pianta attua per evitare perdite eccessive di acqua che la porterebbero alla disidratazione.  Come si può vedere (Figura 4) con temperature di 30 °C si ha il massimo di attività fotosintetica, che poi decresce progressivamente con l’aumentare delle temperature sino ad arrestarsi completamente 45 °C.
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