不同地域的陽光光譜分布特性

王艷艷，陳亮，楊萬均，王玲

（1.西南技術工程研究所，重慶 400039；2.重慶市環境腐蝕與防護工程技術研究中心，重慶 400039）

到達地面的太陽光是影響聚合物老化的主要因素之一[1—3]，戶外使用的聚合物材料、制件都受到它的破壞[4—10]，其中的紫外光對聚合物老化的影響最大[11—13]。在自然環境下，不同地區的陽光輻照強度有所不同[14—15]，在地點、日期、時間和天氣狀況（無云）不變的前提下，平均海拔1000 m處的總輻照強度比海平面上增加約10%，在3000 m處則平均增加20%～25%[16]。

文中對我國高原、西北沙漠、熱帶海洋等3個太陽輻射較強、聚合物老化嚴重地域的陽光光譜能量分布進行了檢測，分析了不同地區、不同天氣狀況、不同掃描速度下的陽光光譜能量分布特性。掌握這些地區的陽光光譜分布特性及規律對更好地分析聚合物的老化規律和機理具有重要意義。

1 實驗

1.1 光譜測量設備

采用OL 756型便攜式紫外-可見分光輻射度計（美國Optronic Laboratories公司）進行光譜測量。該儀器能測量光譜輻照度、輻射亮度、透射率或反射率，可以覆蓋200～800 nm的波長范圍，波長精度為±0.15 nm，波長分辨率為0.025 nm，半譜帶寬度為0.4～10 nm，最大掃描速率為200 nm/s（快速掃描模式），光譜輻射度準確度在UVA～可見00波0000000000段約為1%，UVB～UVC波段約為3%。

1.2 測量條件

在夏日正午對陽光光譜進行檢測，將光譜儀的探頭對準太陽，采集入射的太陽光，檢測時間為12：30—14：00，波長范圍為200～800 nm。在不同波段對測得的光譜能量分布曲線進行積分，分析紫外和可見波段的能量分布。

2 結果與討論

2.1 不同地域晴天的光譜能量分布特性

高原地區晴天時的陽光光譜能量分布曲線如圖1所示，積分球垂直于陽光入射方向，掃描速率設定為4（1 nm/s）。紫外-可見波段（200～800 nm）的總輻射能量為654.84 W/m2，峰值出現在506 nm處，該波長處的輻照強度為1.941 W/m2。其中紫外波段（200～400 nm）的輻射總量為56.41 W/m2，占紫外-可見波段的8.6%，峰值出現在400 nm處，該波長處的輻照強度為1.282 W/m2。可見波段（400～800 nm）的輻射總量為598.43 W/m2。

圖1 高原地區陽光光譜能量分布曲線（200～800 nm，晴天）Fig.1 Sunlight spectral irradiation curve in the plateau area（200～800 nm，sunny）

從測試數據中可以看出，該地域的陽光紫外截止點為296 nm，此波長處的輻照強度為1.23×10-3W/m2，在340 nm處的輻照強度為0.61 W/m2。

采用相同條件測得的西北沙漠地區晴天時的陽光光譜能量分布曲線如圖2所示。紫外-可見波段（200～800 nm）的總輻射能量為534.39 W/m2，為高原地區的81.6%，峰值出現在506 nm處，該波長處的輻照強度為1.570 W/m2。其中紫外波段（200～400nm）的輻射總量為40.65 W/m2，僅相當于高原地區的72.1%，占紫外-可見波段的7.6%，峰值出現在400 nm處。該波長處的輻照強度為0.968 W/m2，可見波段（400～800 nm）的輻射總量為493.74 W/m2。

圖2 西北沙漠地區陽光光譜能量分布曲線（200～800 nm，晴天）Fig.2 Sunlight spectral irradiation curve in the northwest desert area（200～800 nm，sunny）

從測試數據中可以看出，該地域的陽光紫外截止點為297 nm，此波長處的輻照強度為1.00×10-3W/m2。

熱帶海洋地區晴天時的陽光光譜能量分布曲線如圖3所示。紫外-可見（200～800 nm）的總輻射能量為485.67 W/m2，相當于高原地區的74.2%，西北沙漠地區的90.9%。峰值出現在506 nm處，該波長處的輻照強度為1.460W/m2。其中紫外波段（200～400 nm）的輻射總量為37.38W/m2，占紫外-可見波段的7.7%，僅相當于高原地區的66.3%，西北沙漠地區的92.0%。峰值400 nm處，該波長處的輻照強度為0.896 W/m2，可見波段（400～800 nm）的輻射總量為448.29 W/m2。

圖3 熱帶海洋地區陽光光譜能量分布曲線（200 nm-800 nm，晴天）Fig.3 Sunlight spectral irradiation curve in the tropic area（200-800 nm，sunny）

從測試數據中可以看出，該地域的陽光紫外截止點為298 nm，該波長出的輻照強度為2.59×10-3W/m2。

三地陽光光譜能量分布的對比如圖4所示。可以看出，三地陽光光譜能量分布圖的形狀沒有大的變化，但強度有明顯區別。晴朗的天氣狀況下，高原地區的紫外-可見波段的輻照強度明顯比其他兩地高，在對高分子材料老化非常敏感的短波長紫外波段也是如此。西北沙漠地區的陽光的輻照強度比熱帶海洋地區略高。

圖4 三個地區的陽光光譜能量分布對比（晴天）Fig.4 Comparison of sunlight spectral irradiation distribution in three areas（sunny）

太陽的直接輻射在穿過地球大氣層時，紅外波段部分被水汽吸收，紫外波段部分被臭氧吸收，大氣中的氮氣、氧氣及其他氣體的散射也會造成直接輻射的衰減。由于散射量與波長的四次方成反比（瑞利定律），因此只有較短波長會被明顯散射[16]。到達地面的輻照強度隨著海拔高度增大而增強，主要是由于起衰減作用的大氣厚度減小了。高原地區海拔高、空氣稀薄，對紫外光的吸收和散射相對較少，到達地面的紫外光波長更短、強度更高。

2.2 天氣狀況對陽光光譜能量的影響

晴天和多云兩種天氣狀況下高原地區正午陽光光譜能量分布的對比如圖5所示，積分球水平放置，兩次測試的設備狀態和參數設置相同。

圖5 不同天氣情況下陽光光譜能量分布對比Fig.5 Comparison of sunlight spectral energy distribution in different weather conditions

天空多云時，云層對太陽直接輻射的吸收量與厚度有關，且造成的散射和漫反射也隨著云量的增加而增大，因此，當天空被云層遮蓋時，不僅直接輻射被截止，而且漫射部分也被相當程度地削弱[16]。從圖5中可以看出，在兩種天氣狀況下，不同波段的陽光光譜強度有明顯區別。晴朗的天氣狀況下，紫外和可見區域的強度明顯高于多云時。紫外波段多云時的輻射總量為晴天時的54%，紫外-可見區域（200～800 nm）范圍內比晴天時降低1/4。

2.3 掃描速度對光譜測量結果的影響

紫外-可見分光輻射度計的掃描速度分別設定為2（0.2 nm/s），3（0.5 nm/s），4（1 nm/s）時，對陽光的光譜能量分布進行了測定，結果如圖6所示。可以看出，掃描速度對測定結果基本沒有影響。

圖6 不同掃描速度下的陽光光譜能量分布曲線（晴天）Fig.6 Sunlight spectral irradiation curves with different scanning speeds（sunny）

3 結論

1）到達地面的太陽光在不同地域的紫外截止點不同，高原地區的陽光紫外截止點為296 nm，西北沙漠地區的紫外截止點為297 nm，熱帶海洋地區的紫外截止點為298 nm。

2）晴朗的天氣狀況下，高原地區陽光光譜中的紫外-可見波段的輻照強度明顯比西北沙漠和熱帶海洋地區高，在對高分子材料老化非常敏感的短波長紫外波段也是如此。

3）高原地區多云時，200～800 mm波段的輻射總量與晴天相比降低1/4，但紫外波段的輻射總量僅為晴天時的54%，天氣狀況對太陽光譜中紫外波段的影響更大。

4）獲得的陽光紫外截止點、340 nm處的輻照強度、不同波段的輻照量，可為實驗室光源暴露試驗中的光源選擇、光譜能量控制提供參考。

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