ธรรมชาติของพลังงาน
แสงอาทิตย์ที่สาดส่องมายังพื้นโลกนั้น [ดูส่วนขยายความที่ 1] เป็นแหล่งพลังงาน 2 รูปแบบซึ่งได้แก่ พลังงานในรูปแบบของความร้อน หรือ heat energy ซึ่งเป็นพลังงานที่ก่อให้เกิดความร้อนในชั้นบรรยากาศ ทำให้เกิดวัฏจักรของน้ำ (water cycle) และเป็นแหล่งพลังงานที่ก่อให้เกิดการหมุนเวียนของกระแสน้ำและอากาศ และอีกรูปแบบหนึ่งของพลังงานที่ได้จากแสงอาทิตย์ได้แก่พลังงานเคมีที่ใช้ในการสังเคราะห์แสงของพืช หรือ photochemical energy หลังจากขบวนการสังเคราะห์แสงแล้ว พลังงานประเภทนี้เป็นพลังงานที่ถูกสะสมในรูปของคาร์โบไฮเดรท และสารประกอบอินทรีย์อื่น ๆ ซึ่งเป็นแหล่งพลังงานสำคัญของสิ่งมีชีวิตทั้งหลายในโลกนี้

ส่วนขยายความ 1
ดวงอาทิตย์
ดวงอาทิตย์มีเส้นผ่าศูนย์กลางมากกว่าของโลก (12,756 กม.) ประมาณ 109 เท่า และปริมาตรของดวงอาทิตย์เมื่อเปรียบเทียบกับโลก (1.084 x 1012 ลูกบาตรกิโลเมตร, km3) แล้วจะมากกว่าประมาณ 1,300,000 เท่า นั่นหมายความว่าถ้านำดวงดาวที่มีขนาดเท่าโลกมาวางต่อกันบนเส้นผ่าศูนย์กลางของดวงอาทิตย์ จะสามารถต่อเรียงกันได้ 109 ดวง และภายในของดวงอาทิตย์สามารถบรรจุดวงดาวที่มีขนาดเท่าโลกได้ถึง 1,300,000 ดวง มวล (mass) ของดวงอาทิตย์นั้นมากกว่ามวลของโลก (5.974 x 1024 กก.) ถึง 333,000 เท่าแต่เนื่องจากมวลนี้จะต้องกระจายในโครงสร้างที่มีปริมาตรมาก ดังนั้นความหนาแน่นของมวลของดวงอาทิตย์จะมีเพียงหนึ่งในสี่ของมวลของโลกเท่านั้น ระยะทางระหว่างโลกกับดวงอาทิตย์นั้นเฉลี่ยเท่ากับ 149.6 ล้านกิโลเมตร
ปฏิกิริยานิวเคลียร์ที่เป็นต้นกำเนิดพลังงานความร้อนบนดวงอาทิตย์เกิดขึ้นในแก่นกลาง (core) (ดังภาพที่ 1) ซึ่งพลังงานเหล่านี้จะถูกถ่ายทอดขึ้นไปสู่พื้นผิวและชั้นบรรยากาศรอบดวงอาทิตย์ การส่งถ่ายพลังงานความร้อนนี้ 80%ของพื้นที่ภายในจะส่งถ่ายโดยการกระจายของคลื่นรังสี (radiative diffusion) ภายใน radiative zone เมื่อพลังงานกระจายออกสู่พื้นผิวภายนอกดวงอาทิตย์แล้ว พลังงานความร้อนนี้จะถูกส่งถ่ายโดยขบวนการ convection ภายใน convective zone ซึ่งขบวนการส่งถ่ายความร้อนนี้จะต้องอาศัยตัวกลางในการเคลื่อนที่ของพลังงานความร้อน ซึ่งตัวกลางนี้คือมวลของดวงอาทิตย์ใน convective zone

ภาพที่ 1 โครงสร้างของดวงอาทิตย์: แหล่งที่มา Journey to the Planets

ชั้นบรรยากาศของดวงอาทิตย์สามารถแบ่งได้เป็น 2 ส่วนได้แก่ photosphere ซึ่งเป็นส่วนของเปลือกที่ประกอบไปด้วยก๊าซที่มีความหนา 400 กม. และถูกคลอบคลุมด้วยส่วนของชั้น chromosphere (ดังภาพที่ 2) ที่เป็นเปลือกผิวนอก และชั้นนอกสุดของบรรยากาศได้แก่ชั้น corona ที่มีความหนา 200 กม. เลยจากชั้นของ corona ออกไปจะเป็นส่วนของ magnetosphere และ solar wind ซึ่งเป็นสารธารของอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าที่เรียกว่า plasma ประจุนี้มีทั้งประจุบวก (+) ในสภาพของ ion และประจุลบ (-) ในสภาพ electron ในปริมาณที่สมดุลย์ plasma จึงสถานะเป็นกลาง (electrically neutral) solar wind นี้จะพัดพาประไฟฟ้าดังกล่าวไปยังดวงดาวต่าง ๆ ในจักรวาล รวมทั้งโลก

ภาพที่ 2 ส่วนประกอบของผิวพื้นดวงอาทิตย์: แหล่งที่มา Journey to the Planets

จบขยายความ

ช่วงแสงที่พืชสามารถใช้ในขบวนการสังเคราะห์แสงได้นั้น จัดเป็นส่วนของแสงที่เราสามารถมองเห็นด้วยตาเปล่าได้ หรือที่เรียกว่า Visible light ซึ่งจะเป็นส่วนหนึ่งของลำแสงรัศมีพลังงานของแสงอาทิตย์ (radiant energy spectrum) [ดูส่วนขยายความที่ 2] ทฤษฎีที่บรรยายคุณสมบัติของพลังงานแสงอาทิตย์ที่สำคัญมี 2 ทฤษฎีได้แก่ ทฤษฎีที่ว่าด้วยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (electromagnetic wage theory) ซึ่งกล่าวว่าแสงเดินทางในบรรยากาศในรูปของคลื่น (ดังภาพ) โดยจำนวนคลื่นแสงที่เดินทางผ่านจุดใดจุหนึ่งในระยะเวลาที่กำหนดเรียกว่าเป็นความถี่ของคลื่นแสง ( v;=frequency) โดย

v=c/§

ซึ่ง หมายถึงความถี่ที่มีหน่วยเป็น ความยาวคลื่นต่อวินาที c หมายถึงความเร็วของแสงที่มีค่าประมาณเท่ากับ 3 x 10^10 เซ็นติเมตรต่อวินาที และ § หมายถึงความยาวคลื่น

ภาพที่ 3 พลังงานแสงที่แสดงในรูปแบบของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ความยาวคลื่น ( ) คือ ระยะระหว่าง 2 ยอดของช่วงคลื่นที่ติดกัน: แหล่งที่มา Kaufmann III (1985)

ความสัมพันธ์ระหว่างแสงและพลังงานที่วัดได้สามารถอธิบายด้วยทฤษฎีพลังงานควอนตั้ม หรือ Quantum theory ซึ่งกล่าวว่าแสงเดินทางในลักษณะของลำอนุภาคพลังงานที่เรียกว่า photon พลังงานที่อยู่ในแต่ละอนุภาค photon เรียกว่าพลังงาน quantum ทฤษฎีแสดงทั้งสองทฤษฎีนี้มีส่วนสัมพันธ์กันคือ พลังงานใน photon นั้นจะเป็นสัดส่วนกับความถี่ของคลื่นแสงซึ่งสามารถอธิบายได้ดังสมการ

E = hv

โดย E = พลังงาน photon (quantum) h เป็นค่าคงที่ที่เรียกว่า Planck's constant ซึ่งมีค่าเท่ากับ 6.625 x 10-27 erg/sec พลังงานแสงที่พืชสามารถใช้ในการสังเคราะห์แสงได้นั้นเป็นพลังงาน quantum ที่ได้จากจากดูดพลังงานจากอนุภาค photon ที่ของโมเลกุลของ pigment เช่น chlorophyll อย่างไรก็ตามพลังงาน quantum ในอนุภาค photon ทุกอนุภาคไม่สามารถเป็นแหล่งพลังงานที่ใช้ในการกระตุ้นโมเลกุลของ pigment ในพืชเพื่อให้เกิดพลังงานที่ใช้ขบวนการสังเคราะห์แสงได้ อนุภาค photon ที่อยู่สูงกว่าช่วงคลื่น 760 nanometer (10-9 เมตร) จะมีพลังงาน quantum ไม่พอเพียงที่ใช้ในการสังเคราะห์แสง ส่วน photon ที่อยู่ต่ำกว่าช่วงคลื่น 390 nm จะมีพลังงาน quantum สูงเกินไปที่จะมีส่วนทำให้เกิดการสลายของ pigment ในพืชได้ ดังนั้น photon ที่อยู่ในช่วงคลื่น 390 nm ถึง 760 nm จะปล่อยพลังงาน quantum ในช่วงเหมาะสมที่ใช้ในขบวนการสังเคราะห์แสงของพืชได้ (ภาพที่ 4) จำนวนอนุภาค photon ที่ตกกระทบพื้นผิววัตถุหนึ่ง ๆ เช่นใบพืช ในพื้นที่และระยะเวลาที่จำกัดเราเรียกกลุ่มอนุภาค photon เหล่านี้ว่ากระแสความหนาแน่นของ photon หรือ photon flux density เนื่องจาก

ภาพที่ 4 พลังงาน quantum ของอนุภาค photon ที่ช่วงคลื่นแสงต่างกัน ในช่วงคลื่นระหว่าง 390 ถึง 760 nm จะมีพลังงาน quantum ที่สามารถใช้ในขบวนการสังเคราะห์แสงได้: แหล่งที่มา Gardner et al. (1985)

หน่วยของการวัดค่าพลังงานในทางนิเวศนี้จะกำหนดหน่วยเป็น gram calorie (g cal) ซึ่งหมายถึงพลังงานที่สามารถทำให้น้ำบริสุทธิ์ซึ่งหนัก 1 กรัม ณ ที่อุณหภูมิ 15 องศาเซลเซียส มีอุณหภูมิเพิ่มขึ้น 1 องศาเซลเซียส ถ้าหากพลังงานที่ทำการวัดมีปริมาณมาก หน่วยที่ใช้อาจเป็น kilogram calorie (kcal) ซึ่งหมายถึงพลังงานที่สามารถทำให้น้ำบริสุทธิ์ซึ่งหนัก 1 กิโลกรัม ณ ที่อุณหภูมิ 15 องศาเซลเซียส มีอุณหภูมิเพิ่มขึ้น 1 องศาเซลเซียส นอกจากนั้นการวัดค่าพลังงาน ณ พื้นผิวใดพื้นผิวหนึ่ง เช่นพลังงานต่อพื้นที่ 1 ตารางเซ็นติเมตร หรือ 1 ตารางเมตร หน่วยของพลังงานที่วัดจะกำหนดเป็น langley ซึ่งหมายถึงปริมาณพลังงาน 1 g cal ที่วัดได้บนพื้นที่ 1 ตารางเซ็นติเมตร (1 g cal/cm2) สำหรับหน่วยวัดพลังงานอื่น ๆ ที่ใช้ได้แก่ joule ซึ่งมีค่าเท่ากับ 0.24 g cal หรือ watt ซึ่งมีค่าเท่ากับ 1 joule/sec หรือเท่ากับ 14.3 g cal/m2 หน่วยวัดพลังงานที่นิยมใช้โดยเฉพาะในการวัดค่าพลังงานไฟฟ้า ได้แก่ British thermal unit (Btu) ซึ่งหมายถึงพลังงานความร้อนที่สามารถทำให้น้ำบริสุทธิ์หนัก 1 ปอนด์ เพิ่มอุณหภูมิขึ้น 1 องศาฟาเรนไฮซ์ โดยมีค่าเท่ากับ 252 g cal