Comment la lumière fonctionne-t-elle ?

La lumière est un flux de photons émis par une source tel que le soleil, une ampoule ou une chip LED. Peu importe la source, ces photons sont toujours de même nature, on les caractérise par leurs énergies et leurs longueurs d’ondes qui sont directement liées entre elles. Alors, les photons sont classés selon leurs longueurs d’ondes qui caractérisent leurs couleurs. Les longueurs d’ondes sont évoquées en nanomètre (nm), leur unité de mesure, pour la suite de cet article. Dans cette classification, les ultraviolets (UV) ont les longueurs d’ondes les plus faibles de 200 à 400 nm. Tandis que les infrarouges (IR) ont les longueurs d’ondes les plus élevées de 800 à 1500 nm. Entre les UV et les IR se situe le spectre visible pour l’œil humain entre 400 et 700 nm. Comme indiqué précédemment, chaque longueur d’onde correspond à une couleur : le Bleu de 400 à 500 nm, le Vert de 500 à 600 nm et le Rouge de 600 à 700 nm. Toutes les variations de couleurs connues sont issues de ces trois couleurs primaires du spectre visible.

Un faisceau de lumière, c’est le mélange d’un grand nombre de nombre de photons. Ce qui diffèrent entre les sources de lumière sont les quantités de photons émis dans chaque longueur d’onde. Si tous ces photons sont de mêmes caractéristiques, ils ont la même couleur. Ce phénomène s’appelle un faisceau de lumière monochromatique. C’est le cas des LEDs qui sont capables d’émettre dans une seule couleur. De plus, il existe d’autres faisceaux de lumière composés de plusieurs types de photons, c’est le cas de la lumière du soleil, des LEDs blanches ou des ampoules incandescentes et à économie d’énergie. Enfin, le spectre d’un faisceau lumineux est obtenu en le décomposant. Cela permet d’obtenir l’association exacte de photons présent dans la lumière et donc leurs couleurs individuelles.

Quelles mesures de lumière ?

Pour l’œil humain, la vision des photons s’étend de 400 à 700 nm et a une capacité de voir plus facilement le vert.

De ce fait, les fabricants d’éclairages caractérisent donc leurs sources avec des mesures de Lumen. Les Lumens sont la quantité de photons visible par l’œil. Ainsi, l’efficacité d’un éclairage destiné aux Hommes se calcule en Lumen par Watt (Lumen/W). Ces photons étant plus ou moins bien répartis dans l’espace, une mesure a été inventée pour mesurer la quantité de Lumen sur une surface donnée, le LUX.

Ces mesures ne sont pas destinées aux plantes. Par conséquence, elles ne sont pas adaptées au développement des plantes. Il est nécessaire de comprendre l’interaction entre la lumière et les plantes.

Comment les plantes utilisent la lumière ?

Afin de pouvoir se développer les plantes transforment l’énergie présentent dans les photons qui composent la lumière. Contrairement à l’œil humain qui est particulièrement sensible au photons de longueur d’onde vert 500 nm, les plantes sont sensibles à l’ensemble du spectre et possède des récepteurs pour chaque type de photons dans leurs feuilles.

Elles utilisent la lumière sous deux formes :

• La première est pour en tirer de l’énergie. Ce processus est la photosynthèse. Les plantes utilisent principalement les longueurs d’ondes visibles allant de 400 à 700 nm pour la photosynthèse, c’est pourquoi cette fourchette est appelé la radiation active photosynthétique (PAR). Les longueurs d’ondes activent différents pigments dont la chlorophylle A&B, le caroténoïde ou encore l’anthocyanine. Le spectre utilisé est alors très large de 350 à 800 nm avec une efficacité d’absorption différente selon la couleur.
• La deuxième est l’utilisation de la lumière comme signal de leur environnement : c’est tout l’objet de la photobiologie qui est l’étude du développement d’une plante sous différent type de spectre lumineux et qui sera abordé plus en détails dans un prochain article.

Il existe bel et bien des métriques adaptées à l’horticulture.

Quelles mesures de lumière pour les plantes ?

La mesure de la qualité de la lumière est le spectre. C’est un indicateur subjectif.  Elle nous renseigne sur la réaction de la plante face à la lumière. Ainsi, un spectre large et équilibré comme celui du soleil favorise le développement homogène d’une plante. Au contraire, un spectre très marqué avec des pics de couleurs favorisera un aspect ou un autre sur la plante. Cela permet de dicter aux plantes quoi faire. C’est tout l’intérêt de la photobiologie.

Lorsque qu’on parle d’éclairage photosynthétique, on s’intéresse uniquement au PAR c’est-à-dire uniquement les photons présents dans la bande spectrale 400 à 700 nm qui apporte à la plante l’énergie nécessaire pour se développer. En admettant que le spectre soit équilibré, la mesure de la quantité de lumière pour les plantes nous renseigne directement sur la capacité de la plante à croitre. On peut dire que 1% de lumière en plus, c’est 1% de production en plus.

Le DLI (Daily Light Integral) est la quantité de photons reçue par la plante sur une journée complète. Certaine plante gourmande en lumière comme la tomate requiert un minima de 16mol/jour à contrario une salade ne requiert que de 6mol/jour. Ainsi, cette mesure nous renseigne sur le besoin moyen en lumière mais ne prend pas en compte l’intensité lumineuse à un instant donnée. Pour cela, il y a une autre mesure le PPF. C’est une analogie directe au Lumen. Le PPF est une mesure de micromole par seconde (µmol/s), c’est-à-dire la quantité de photons émise par seconde dans le faisceau lumineux.  De plus, l’analogie du LUX chez les plantes est le PPFD qui est la quantité de photons émise dans la bande du PAR sur une surface donnée. Cette mesure doit être la plus homogène possible sur la surface de culture pour assurer un développement identique sur toute la surface. Ainsi, le PPF nous donne l’intensité globale d’un éclairage tandis que le PPFD la répartition de ces photons sur une surface donnée.

Enfaite, l’efficacité d’une source horticole se mesure en micromole par seconde (µmol/s). Cette mesure se calcule en divisant les PPF par la consommation énergétique.

Conclusion : Les mesures sont importantes pour votre culture.

Tout d’abord le spectre est primordial pour un éclairage horticole, il fera l’objet d’un prochain article sur la photobiologie et l’impact de la lumière sur les plantes. Ensuite, le PPF est une mesure permettant de connaitre l’intensité lumineuse d’une source et le calcul de son efficacité en micromole par joule (µmol/J) (ce n’est pas µmol/s ??). Quant au PPFD qui est la mesure la plus importante pour choisir une source lumineuse nous renseigne sur la répartition de la lumière dans notre espace de culture et assure une consistance de développement et de qualité de nos surfaces de culture. Enfin, le DLI et les heures maximales d’éclairage nécessaire au bon développement d’un cultivar impose un PPFD minimum propre à chaque plante et aux objectifs de culture. Ainsi, toutes ces mesures diffèrent en fonction des conditions climatiques autours d’un éclairage LED. Il est important que les mesures soient prises dans les conditions réelles d’utilisation.

Chez RED nous concevons des éclairages de haute efficacité dont le spectre large et équilibré est réparti de manière optimale sur la surface de culture. Nos mesures sont certifiées par un laboratoire indépendant accrédité COFRAC. De plus, notre solution Solstice gère les éclairages via une Intelligence Artificielle (IA) et prend en compte les paramètres environnementaux en temps réel pour délivrer uniquement le PPFD nécessaire au bon développement des cultures.