什么是太阳辐射？太阳辐射介绍

太阳辐射维持着地球上的生命，并决定着气候。太阳内部的能量流动导致其表面温度约为 5800 K，因此太阳辐射的光谱类似于 5800 K 黑体的光谱，由于外围太阳冷气体（弗劳恩霍夫线）的吸收，光谱具有精细结构。

太阳常数和 "太阳值
当太阳和地球相距 1 AU（地球/太阳的平均距离为 149 597 890 千米）时，太阳对外大气的辐照度称为太阳常数。目前公认的值约为 1360 W m-2（美国宇航局在 ASTM E 490-73a 中给出的值为 1353 ±21 W m-2）。世界气象组织（WMO）提倡的值为 1367 W m-2。太阳常数是整个光谱的总综合辐照度（图 1 中曲线下的面积加上较短和较长波长的 3.7%）。

由于地球/太阳距离的变化，落在地球大气层中的辐照度一年变化约 6.6%。太阳活动变化引起的辐照度变化可达 1%。对于太阳模拟器来说，用 "太阳 "来描述模拟器的辐照度比较方便。一个 "太阳 "相当于一个太阳常数的辐照度。

地外光谱
图 1 显示了地球大气层外的太阳辐射光谱。图中 200 - 2500 nm 的范围包括总辐照度的 96.3%，其余 3.7% 的辐照度大部分位于更长的波长。许多应用只涉及整个光谱的选定区域。在这种情况下，"3 太阳单元 "在相关光谱范围内的实际太阳辐照度是实际太阳辐照度的三倍，并且在此范围内具有合理的光谱匹配。

图 1. 地球大气层外的辐射光谱与 5800 K 黑体光谱的对比。
示例
91160 型太阳模拟器的光谱与地外光谱相似，输出功率为 2680 W m-2。这相当于 1367 W m-2 的 1.96 倍，因此该模拟器是 1.96 太阳单元。

地面光谱
地球表面的太阳辐射光谱由几个部分组成（见图 2）。直接辐射直接来自太阳，漫射辐射从天空和周围散射而来。从周围环境（地面或海洋）反射的其他辐射取决于当地的 "反照率"。地面辐射总量称为全球辐射。全球辐照度必须确定目标表面的方向。对于直接辐射，目标表面朝向射入的光束。

图 2. 地面上的全球总辐射包括直接辐射、散射辐射和反射辐射。
到达地面的所有辐射都会穿过大气层，大气层会通过吸收和散射改变光谱。原子氧和分子氮会吸收非常短的辐射波，从而有效阻挡波长小于 190 纳米的辐射。当大气中的分子氧吸收短波紫外线辐射时，它会发生光解。这就产生了臭氧。臭氧强烈吸收哈特利波段（200-300 纳米）的长波紫外线，微弱吸收可见光辐射。太阳辐射产生的平流层臭氧分布广泛，在 STP 时约相当于 3 毫米的臭氧层。薄臭氧层 "吸收 280 纳米以下的紫外线，（加上大气散射）形成陆地太阳光谱的紫外线边缘。

水蒸气、二氧化碳以及少量氧气会选择性地吸收近红外辐射（如图 3 所示）。与波长相关的瑞利散射以及气溶胶和其他微粒（包括水滴）的散射也会改变到达地面的辐射光谱（并使天空变蓝）。对于夏季典型的无云大气和零天顶角来说，到达大气层外的 1367 W m-2 直接光束辐射被减弱为约 1050 W m-2，在地面水平面上的全球辐射约为 1120 W m-2。


图 3. 晴天海平面上正常入射的太阳光谱。虚线表示地外光谱。
不断变化的地球太阳光谱
吸收和散射水平会随着大气成分的变化而变化。云层是人们最熟悉的变化例子；云层可以阻挡大部分直接辐射。臭氧层厚度的季节变化和趋势对地面紫外线水平有重要影响。

地面光谱也取决于太阳辐射必须穿过大气层的距离。海拔高度是一个因素。丹佛上空的大气层比华盛顿少 1 英里（1.6 千米），一年中的时间对太阳角度的影响也很重要，但最重要的变化是地球自转造成的（见图 4）。在任何地点，辐射到达地面的路径长度都会随着时间的推移而变化。因此，不仅地面太阳辐射量在白天会有明显的强度变化，晚上会归零，而且由于吸收和散射路径长度的变化，辐射的光谱每天都会发生变化。

当太阳在头顶时，到达地面的直接辐射会直接穿过整个大气层，即头顶上的所有气团。我们称这种辐射为 "气团 1 直接辐射"（AM 1D），为标准化起见，我们使用海平面参考点。太阳在上空的全球辐射同样称为 "气团 1 全球"（AM 1G）辐射。由于不经过任何气团，地外光谱被称为 "气团 0 "光谱。

任何天顶角的大气路径都可以简单描述为相对于头顶气团的路径（图 4）。实际路径长度可以对应小于 1 的气团（高海拔地区），也可以对应日落前非常高的气团值。我们的 Oriel 太阳模拟器使用滤光片来复制空气质量为 0、1、1.5 和 2 的光谱，大多数比较测试工作都是基于这些值进行的。


图 4. 以空气质量为单位的路径长度随天顶角变化。
标准光谱
到达地球表面的太阳辐射随地点、大气条件（包括云层、气溶胶含量和臭氧层状况）、一天中的时间、地球/太阳距离、太阳自转和活动而有很大不同。由于太阳光谱取决于许多变量，因此开发了标准光谱，为太阳辐射影响的理论评估提供依据，并作为模拟器设计的基础。这些标准光谱从测量到的地外光谱的简化（即较低分辨率）版本开始，利用复杂的大气影响模型来计算地面光谱。

使用最广泛的标准光谱是由国际光度委员会（CIE）发布的，该委员会是世界上权威的辐射计和光度命名及标准机构。美国材料与试验协会 (ASTM) 发布了三种光谱--针对 37° 倾斜表面的 AM 0、AM 1.5 直接光谱和 AM 1.5 全球光谱。ASTM 选择 AM 1.5 光谱的条件 "是因为它们代表了美国 48 个毗连州的平均条件"。图 5 显示了标准直接光谱和全球光谱的典型差异。这些曲线来自 ASTM 标准 E 891 和 E 892 中 AM 1.5 的数据，浊度为 0.27，朝向太阳的倾斜度为 37°，地面反照率为 0.2。

图 5. AM 1.5 的标准光谱。直接光谱来自 ASTM E891 和全球 ASTM E892。
表 1 已公布标准的功率密度

* 通过改良梯形技术进行整合
CEI - 国际电工委员会
IEC - 国际电工委员会

光谱的外观取决于测量和显示的分辨率。图 6 显示了连续背景上的光谱结构在两种不同分辨率下的表现。它还显示了使用萨维茨基-戈莱平滑法平滑的高分辨率光谱。太阳光谱包含我们光谱中没有的细微吸收细节。图 7 显示了世界气象组织（WMO）地外光谱紫外线部分的细节。图 7 还显示了 CEI AM 1 光谱的一部分。建模光谱没有显示 WMO 光谱的任何细节，WMO 光谱是基于许多仔细测量的精选数据。


图 6. 上图：分辨率低于 2 纳米的模拟器实际扫描图；高分辨率不会增强这些多普勒增宽线。中图 同一模拟器以 10 纳米分辨率进行的扫描。下图 顶部曲线的平滑版本。我们使用了重复萨维茨基-戈莱平滑法。
我们为我们的产品提供的光谱，以及大多数可用的参考数据，都是基于光谱分辨率为 1 纳米或更高的仪器进行的测量。太阳光谱的精细结构对我们所知的所有应用都不重要；大多数生物和材料系统都具有宽广的辐射吸收光谱。对于发射具有较强线结构光谱的模拟器来说，光谱显示则更为重要。这些光谱的低分辨率或对数图会掩盖线结构，使光谱看起来更接近太阳光谱。紫外线输出的宽带测量结果是单一的紫外线总辐照度数据。这意味着与太阳光谱非常接近。这些模拟器的辐照度效果取决于应用，但其结果往往与太阳辐照产生的结果大相径庭，即使指定波长（如 UVA，320 - 400 nm）内的总水平相似。


图 7. 世界气象组织测量的太阳光谱紫外线部分与模拟的 CIE AM 1 直接光谱的比较。所有作为标准的 CIE 或 ASTM 模拟光谱都忽略了测量光谱中的细节。
太阳辐射的几何形状
太阳是一个直径约 139 万千米的球形光源，与地球的平均距离（1 天文单位）为 1.496 亿千米。太阳辐射的直射部分的准直角约为 0.53°（全角），而 "漫射 "部分则来自半球天空以及地面反射和散射。全局 "辐照，即直射和漫射部分的总和，基本上是均匀的。由于气溶胶散射有很强的正向分布，大气中气溶胶的高负荷导致大量散射辐射似乎来自太阳圆盘周围的一个小环面，即太阳极晕。这种与直接光束混合的辐射被称为环太阳辐射。


图 8. 太阳圆盘与地球成 1/2° 角。
轨道和年变化

图 9 和图 10 显示了全球太阳辐射通量的典型昼夜变化。曲线形状的实际半宽和峰值位置取决于纬度和时间。图 9 显示的是无云大气。


图 9. 晴天全球太阳辐射通量的日变化。
图 10 显示了云层的影响。


图 10 阴天全球太阳辐射通量的日变化。
图 11 显示了在亚利桑那州测量到的正午全球太阳辐照度的年变化。


图 11：亚利桑那州太阳正午的全球太阳辐照度 在亚利桑那州测得的太阳正午的全球太阳辐照度，显示出年变化情况。
模拟器的优势；可预测的稳定输出
户外曝晒是对任何材料或产品耐候性的最终考验。由于太阳辐射的变化难以预测且可用性有限，因此太阳能模拟器具有显著的优势。有了模拟器，您就可以随心所欲地进行测试，而且可以 24 小时持续进行，还可以控制湿度和当地环境的其他方面。您可以在实验室或任何其他地点重复同样的测试，并将辐照度与国际公认的太阳辐照度水平联系起来。与直接太阳辐照一样，您可以集中光束进行加速测试。