レタスの水耕栽培と徒長 - 週末はいつも晴れ

はまっています。
IoTと組み合わせて遊んでます。
しかし、この時期のためか徒長（ひょろひょろ成長）してしまっています。

1. 徒長の原因
2. 日当たり不足対策
3. その他対策

1. 徒長の原因

徒長の原因は4つあるそうです。
徒長の原因を知ることで、対策を練ることができます| PHYTOCHROME WEB Site HOME

日当たり不足
水遣り過多
風の不足
窒素肥料過多

以下でそれぞれの対策を考えていきます。

2. 日当たり不足対策

部屋内で育成しているため、これが主要因と思われます。
窓際に置いているので、日光だけではどうしようもない状態です。

そこで、人工光を与えることにしました。
人口光としては電気代が少なくて済むLEDライトを使用します。

では、LEDライトはどのように選べばいいのでしょう。
選択の条件（スペック）として、波長と消費電力があります。

2.1 LEDライトの波長

いくつかWebサイトを見ましたが、青色と赤色の可視光が植物の成長に重要なようです。
文部省の情報なのだし、自分で実験することもできないので鵜呑みにしてしまいます。

光合成にはクロロフィル（葉緑素）という色素が関わっているが、これは図2に示すような吸収スペクトルを持っている。これを見ると、赤色（660nm近辺）と青色（450nm近辺）に二つの吸光合収ピークがあり、この波長が光合成に特に有効であることがわかる。白色光が葉に当たると赤と青が吸収されて、残りの光は緑が多くなるので葉は緑色に見えるのである。筆者らの実験によると植物の健全な生育にはこの赤色光と青色光がバランスよく配合されていることが大切で、後に述べる光量子束密度の単位でR／B比（赤と青の比率）が10：1あるいは5：1が適切なようである。

第2章豊かなくらしに寄与する光 2 光と植物－植物工場：文部科学省

以上から、赤色LED（660nm）と青色LED（450nm）が10:1~5:1の範囲のものを検討することとします。

2.2 LEDライトの消費電力

2.2.1 植物に必要な光

植物に必要なものは照度[lx]で決まるようです。

光合成で生成されるエネルギーは照度に比例するが、飽和する点（光飽和点）がある
（植物の成長に使われるエネルギー）＝（光合成で生成されるエネルギー）ー（呼吸で消費されるエネルギー）
植物の成長に使われるエネルギーが0となる照度が光補償点と呼ばれている

植物工場の照明システム | 技術資料 | 岩崎電気

1969年のデータですが、レタスの光補償点は1.5～2[klx]、光飽和点は25[klx]です。

しかし、この値は自然光（太陽光）スペクトルをベースに算出されていることに注意しなければなりません。
上記の通り、LEDライトは植物の成長に抜群な波長の光のみを放出しています。
同じ照度[lx]でも、自然光とLEDでは成長の度合いは大きく異なることが予想されます。
つまり、LEDライトにおける光補償点、光飽和点は上記の値よりも小さくなります。

どのくらい小さくなるのか、はかなり難しい問題だと思います。
それぞれのスペクトルに対してエネルギー応答の重み及び葉緑素の応答の重みを乗じ、和をとって比とします。

$\frac{LED光補償点}{自然光光補償点} = \frac{\int S_{LED}(\lambda)M_{Energy}(\lambda)M_{Chloro}(\lambda) d\lambda}{\int S_{sun}(\lambda)M_{Energy}(\lambda)M_{Chloro}(\lambda) d\lambda}$

上記のうち、エネルギー応答だけは波長に反比例するので、簡単に求められます。
葉緑素の応答は上記リンクのグラフから読み取るしかなさそうです。
自然光スペクトルはどこかで手に入れることができるかもしれません。
LEDのスペクトルは・・・自分で測定するしかないですかね(-_-;)

2.2.2 LEDライトの照度

LED電球が広く使われるようになり、ルーメンの記載が義務付けられるようになったらしいので、ルーメンが分かっているものとします。

まず、ルクス[lx]とルーメン[lm]とカンデラ[cd]の定義を読みました。
ルクス - Wikipedia
ルーメン - Wikipedia
カンデラ - Wikipedia

用語	単位*	定義
光度	cd	単色光(540 THz)の光源からの放射強度が1/683[W/Sr]となる光度
光束	lm	1カンデラの光源から1ステラジアン内に放射される光束
照度	lx	1平方メートルの面が1ルーメンの光束で照らされるときの照度

光束[lm]が分かれば、位置関係から照度[lx]は求まりそうです。

$照度[lx] = 光束[lm] ／照射面積[m^2]$

LED電球には指向性があるものとして、電球を中心とした下方向半球の範囲に光があたるとします。
電球とレタスが50cm離れていると、照射面積は
$4 \times \pi \times 0.5^2 ／2=1.5 [m^2$ ]
となります。

さらに光が集中的にレタスに当たるようなLEDライトとすれば、照射面積は小さくなり、効率的になります（同じ光束でも照度が高くなります）。

2.3 自然光や時間を考慮する

自然光（太陽光）の照度は当然ですが時間的に変化しています。

LEDライトも私が部屋にいる間は付けたくないので、運転時間が決まっています。

このため、時間積分（または時間平均）を考慮した計算が必要となります。
パラメータを整理しておきます。

自然光の時間積分（自然光の照度×時間）[lx h]
LEDライトの光束[lm]
LEDライトの照射面積[m2]
LEDライトの運転時間[h]
植物の育成に必要な照度の時間積分[lx h]

2.3.1 LEDライトの計算

参考のため以下のライトを使用するとします（現時点で購入はしていません）。

植物育成LEDライト 15W 225個SMD LEDで光合成室内・水耕栽培園芸温室日照不足解消植物がすくすく育つ

メディア: その他

本当かどうか分かりませんが、このライトの光束は1300~1500[lm]と記載されています。ここでは1500[lm]とします。
このライトは平板形ですが、先ほどの議論と同じように50cm離れた場所で下方向半球に光が広がるとします（若干厳しい仮定かも知れません）。
このとき、レタスの位置における照度は $1500[lm] ／ 1.5[m^2]=1000[lx]$ となります。