Welche Rolle spielt das Chlorophyll?

Da es immer wieder einige Diskussionen zur Rolle des Chlorophylls in der Infrarotfotografie gibt, will ich (m)ein Statement hier mal kurz darlegen und auch mit entsprechender Literatur hinterlegen. Zunächst einmal absorbiert Chlorophyll Strahlung im sichtbaren roten und blauen Spektralbereich und reflektiert stark im Bereich 500 bis 650 nm. Dementsprechend empfindet das menschliche Auge chlorophyllhaltige Pflanzenteile als grün. Der Chlorophyllgehalt von Pflanzen wird auf Basis dieser optischen Eigenschaften durch Spektralanalysen mit wenigen nm Bandbreite im Bereich bis 750 nm und entsprechenden Algorithmen zur Datenverarbeitung ermittelt. Hartnäckig hält sich, vor allem im Netz, die Behauptung Chlorophyll sei verantwortlich für die Reflexion der infraroten Strahlung. Anbei dazu der Vergleich einer Aufnahme im sichtbaren Spektrum (oben) mit der Aufnahme im nahen Infraroten (unten, Heliopan RG830) von unterschiedlich gefärbten Blättern der Walderdbeere:

walderdbeere

Chlorophyll spielt somit nicht die herausragende Rolle für die IR-Fotografie zu der es in Internet-Blogs etc. gerne hochstilisiert wird. Ganz im Gegenteil: Genau wie alle anderen Farbpigmente die normalerweise für die jeweilige Blattfarbe verantwortlich sind, nimmt im nahen infraroten Bereich die Transmission für diese Stoffe zu, d.h. sie lassen diese Strahlung einfach durch. Erst in der Blattstruktur kommt es zur Reflexion an einem Luft-Zellwand-Übergang (häufig wird auch dem eingelagertem Wasser noch eine Bedeutung zu teil). Natürlich ist Chlorophyll in der Lage über den Effekt der Fluoreszenz Strahlung im NIR-Bereich zu emittieren. Dessen Anteil ist im Vergleich zur Reflexion der primären IR-Quelle (meist die Sonne) durch die Blattstruktur allerdings gering und damit irrelevant für die Aufnahmetechnik.

Zugegeben es ist recht schwer überhaupt Literatur (also im wesentlichen Fachpublikationen in wissenschaftl. Journalen) zu finden. Bücher sind zwar schön und gut, haben aber den Nachteil, dass jeder schreiben kann was er will und dies einfach veröffentlicht wird. Wissenschaftliche Paper müssen zumindest in der Community gereviewt werden. Leider beschäftigt sich ein Großteil der jüngeren Abhandlungen aber eher mit der Anwendung im Bereich Kriminologie, Geologie, Landwirtschaft, Simluation von Pflanzenwachstum etc. und weniger mit Vorgängen innerhalb der Blattstruktur.

  • R. Mecke und W.C.G. Baldwin, Warum erscheinen die Blätter im ultraroten Licht hell?, Naturwissenschaften, Vol. 25(20), S. 305-307, 1937.
    Eine der älteren, aber durchaus guten Publikationen ist der bereits zuvor im Tutorial erwähnte Artikel von 1937. Dort wird anhand von 100 fotografierten Blättern (auch chlorophyllfreie) beschrieben, dass bei allen Pflanzenfarbstoffen oberhalb einer Grenzwellenlänge zu Transmission kommt und somit auch rote, gelbe und was weiß ich wie gefärbte Blätter in der Infrarotaufnahme hell erscheinen. Ist meiner Meinung nach eine gute Referenz, da einige ja immernoch glauben, es würde alles am Blättgrün liegen. Zum Schluss wird noch eine Gegenüberstellung eines normalen und eines mit Wasser gefüllten Blattes dargelegt, was recht interessant ist, da wasserinfiltrierte Blätter in der IR-Aufnahme weniger hell und dafür durchsichtig erscheinen.
    –> https://link.springer.com/article/10.1007/BF01491748
  • E. Knippling, „Physical and Physiological Basis for the Reflectance of Visible and Near-Infrared Radiation from Vegetation“, in: Remote Sensing and Environment, Bd. 1, S. 155-159, 1970.
    Ist so eine Art Übersichtspublikation in der einige ältere Erkenntnisse dargestellt werden, u.a. das weder das Vorhandensein, noch das Fehlen von Chlorophyll eine Rolle spielt und ferner wird mit zwei Diagrammen die Reflexion im Blatt für den dehydrierten und wasserinfiltrierten Zustand gezeigt.
    –> https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0034425770800219
  • J. Woolley, „Reflectance and Transmittance of Light by Leaves“, in: Plant Physiologoical, Bd. 47, S. 656-662, 1971.
    Die dargestellten Diagramme finde ich nicht ganz so übersichtlich, aber zum Glück gibts ja noch den Textteil. Der ist wiederum gut gegliedert. Schön ist, dass auch auf den Unterschied zwischen Vorder- und Rückseite eines Blattes eingegangen wird.
    –> https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC396745/pdf/plntphys00184-0062.pdf
  • M. R. Slaton et al., „Estimating near-infrared leaf reflectance from leaf structural characteristics“, American Journal of Botany, Bd. 88(2), S. 278-284, 2001.

Zitat: „Leaf reflectance in the near-infrared region (NIR; 750–1350 nm) is affected primarily by leaf structure, whereas reflectance in the visible region (400–700 nm) is determined mostly by photosynthetic pigments, and reflectance in the middle-infrared region (1350–2500 nm) by water content.“

Normalerweise kann man sich die gegen schmales Geld bei seiner örtlichen Bibliothek als Fernleihe kommen lassen (zumindest geht das im Bibliotheksverbund Bayern). Wer eine Uni-Bib in der Nähe hat, kann mit Glück von dort aus sogar direkt online darauf zugreifen. Wer noch weitere Literatur diesbezügl. kennt… immer her damit.