不同地域的阳光光谱分布特性

王艳艳，陈亮，杨万均，王玲

（1.西南技术工程研究所，重庆 400039；2.重庆市环境腐蚀与防护工程技术研究中心，重庆 400039）

到达地面的太阳光是影响聚合物老化的主要因素之一[1—3]，户外使用的聚合物材料、制件都受到它的破坏[4—10]，其中的紫外光对聚合物老化的影响最大[11—13]。在自然环境下，不同地区的阳光辐照强度有所不同[14—15]，在地点、日期、时间和天气状况（无云）不变的前提下，平均海拔1000 m处的总辐照强度比海平面上增加约10%，在3000 m处则平均增加20%～25%[16]。

文中对我国高原、西北沙漠、热带海洋等3个太阳辐射较强、聚合物老化严重地域的阳光光谱能量分布进行了检测，分析了不同地区、不同天气状况、不同扫描速度下的阳光光谱能量分布特性。掌握这些地区的阳光光谱分布特性及规律对更好地分析聚合物的老化规律和机理具有重要意义。

1 实验

1.1 光谱测量设备

采用OL 756型便携式紫外-可见分光辐射度计（美国Optronic Laboratories公司）进行光谱测量。该仪器能测量光谱辐照度、辐射亮度、透射率或反射率，可以覆盖200～800 nm的波长范围，波长精度为±0.15 nm，波长分辨率为0.025 nm，半谱带宽度为0.4～10 nm，最大扫描速率为200 nm/s（快速扫描模式），光谱辐射度准确度在UVA～可见00波0000000000段约为1%，UVB～UVC波段约为3%。

1.2 测量条件

在夏日正午对阳光光谱进行检测，将光谱仪的探头对准太阳，采集入射的太阳光，检测时间为12：30—14：00，波长范围为200～800 nm。在不同波段对测得的光谱能量分布曲线进行积分，分析紫外和可见波段的能量分布。

2 结果与讨论

2.1 不同地域晴天的光谱能量分布特性

高原地区晴天时的阳光光谱能量分布曲线如图1所示，积分球垂直于阳光入射方向，扫描速率设定为4（1 nm/s）。紫外-可见波段（200～800 nm）的总辐射能量为654.84 W/m2，峰值出现在506 nm处，该波长处的辐照强度为1.941 W/m2。其中紫外波段（200～400 nm）的辐射总量为56.41 W/m2，占紫外-可见波段的8.6%，峰值出现在400 nm处，该波长处的辐照强度为1.282 W/m2。可见波段（400～800 nm）的辐射总量为598.43 W/m2。

图1 高原地区阳光光谱能量分布曲线（200～800 nm，晴天）Fig.1 Sunlight spectral irradiation curve in the plateau area（200～800 nm，sunny）

从测试数据中可以看出，该地域的阳光紫外截止点为296 nm，此波长处的辐照强度为1.23×10-3W/m2，在340 nm处的辐照强度为0.61 W/m2。

采用相同条件测得的西北沙漠地区晴天时的阳光光谱能量分布曲线如图2所示。紫外-可见波段（200～800 nm）的总辐射能量为534.39 W/m2，为高原地区的81.6%，峰值出现在506 nm处，该波长处的辐照强度为1.570 W/m2。其中紫外波段（200～400nm）的辐射总量为40.65 W/m2，仅相当于高原地区的72.1%，占紫外-可见波段的7.6%，峰值出现在400 nm处。该波长处的辐照强度为0.968 W/m2，可见波段（400～800 nm）的辐射总量为493.74 W/m2。

图2 西北沙漠地区阳光光谱能量分布曲线（200～800 nm，晴天）Fig.2 Sunlight spectral irradiation curve in the northwest desert area（200～800 nm，sunny）

从测试数据中可以看出，该地域的阳光紫外截止点为297 nm，此波长处的辐照强度为1.00×10-3W/m2。

热带海洋地区晴天时的阳光光谱能量分布曲线如图3所示。紫外-可见（200～800 nm）的总辐射能量为485.67 W/m2，相当于高原地区的74.2%，西北沙漠地区的90.9%。峰值出现在506 nm处，该波长处的辐照强度为1.460W/m2。其中紫外波段（200～400 nm）的辐射总量为37.38W/m2，占紫外-可见波段的7.7%，仅相当于高原地区的66.3%，西北沙漠地区的92.0%。峰值400 nm处，该波长处的辐照强度为0.896 W/m2，可见波段（400～800 nm）的辐射总量为448.29 W/m2。

图3 热带海洋地区阳光光谱能量分布曲线（200 nm-800 nm，晴天）Fig.3 Sunlight spectral irradiation curve in the tropic area（200-800 nm，sunny）

从测试数据中可以看出，该地域的阳光紫外截止点为298 nm，该波长出的辐照强度为2.59×10-3W/m2。

三地阳光光谱能量分布的对比如图4所示。可以看出，三地阳光光谱能量分布图的形状没有大的变化，但强度有明显区别。晴朗的天气状况下，高原地区的紫外-可见波段的辐照强度明显比其他两地高，在对高分子材料老化非常敏感的短波长紫外波段也是如此。西北沙漠地区的阳光的辐照强度比热带海洋地区略高。

图4 三个地区的阳光光谱能量分布对比（晴天）Fig.4 Comparison of sunlight spectral irradiation distribution in three areas（sunny）

太阳的直接辐射在穿过地球大气层时，红外波段部分被水汽吸收，紫外波段部分被臭氧吸收，大气中的氮气、氧气及其他气体的散射也会造成直接辐射的衰减。由于散射量与波长的四次方成反比（瑞利定律），因此只有较短波长会被明显散射[16]。到达地面的辐照强度随着海拔高度增大而增强，主要是由于起衰减作用的大气厚度减小了。高原地区海拔高、空气稀薄，对紫外光的吸收和散射相对较少，到达地面的紫外光波长更短、强度更高。

2.2 天气状况对阳光光谱能量的影响

晴天和多云两种天气状况下高原地区正午阳光光谱能量分布的对比如图5所示，积分球水平放置，两次测试的设备状态和参数设置相同。

图5 不同天气情况下阳光光谱能量分布对比Fig.5 Comparison of sunlight spectral energy distribution in different weather conditions

天空多云时，云层对太阳直接辐射的吸收量与厚度有关，且造成的散射和漫反射也随着云量的增加而增大，因此，当天空被云层遮盖时，不仅直接辐射被截止，而且漫射部分也被相当程度地削弱[16]。从图5中可以看出，在两种天气状况下，不同波段的阳光光谱强度有明显区别。晴朗的天气状况下，紫外和可见区域的强度明显高于多云时。紫外波段多云时的辐射总量为晴天时的54%，紫外-可见区域（200～800 nm）范围内比晴天时降低1/4。

2.3 扫描速度对光谱测量结果的影响

紫外-可见分光辐射度计的扫描速度分别设定为2（0.2 nm/s），3（0.5 nm/s），4（1 nm/s）时，对阳光的光谱能量分布进行了测定，结果如图6所示。可以看出，扫描速度对测定结果基本没有影响。

图6 不同扫描速度下的阳光光谱能量分布曲线（晴天）Fig.6 Sunlight spectral irradiation curves with different scanning speeds（sunny）

3 结论

1）到达地面的太阳光在不同地域的紫外截止点不同，高原地区的阳光紫外截止点为296 nm，西北沙漠地区的紫外截止点为297 nm，热带海洋地区的紫外截止点为298 nm。

2）晴朗的天气状况下，高原地区阳光光谱中的紫外-可见波段的辐照强度明显比西北沙漠和热带海洋地区高，在对高分子材料老化非常敏感的短波长紫外波段也是如此。

3）高原地区多云时，200～800 mm波段的辐射总量与晴天相比降低1/4，但紫外波段的辐射总量仅为晴天时的54%，天气状况对太阳光谱中紫外波段的影响更大。

4）获得的阳光紫外截止点、340 nm处的辐照强度、不同波段的辐照量，可为实验室光源暴露试验中的光源选择、光谱能量控制提供参考。

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