太阳光和天空光的光谱测量分析

1、太阳光和天空光的光谱测量分析第37卷第4期南开大学(自然科学版)2004年12月ActaScientiarumNaturaliumUniversitatisNankaiensisVo1.37N94Dec.2004文章编号:04657942(2004)04006906太阳光和天空光的光谱测量分析杨希峰刘涛赵友博贾亚青王明伟张铁群朱晓农(南开大学现代光学研究所,光电信息技术科学教育部重点实验室,天津300071)摘要:采用一种便携式小型光谱仪对天津市区太阳光和天空光在200850Dm波段进行光谱测量.分析了一天中不同时刻的太阳光谱的变化,比较了太阳光谱与相应天空光谱间的关系,同时还给出了不同天气情

2、况下的天空光谱测量结果及相关理论分析,并对太阳光和天空光的颜色进行了色度计算.关键词:太阳光谱;大气光谱;光谱测量;天空光色度中图分类号:0433.1文献标识码:A0引言长期以来,为了获得太阳的发光特性,了解光在大气中的传输规律,以及利用光谱探测技术实现对大气组分的监测,人们对太阳光和天空光的光谱进行了大量的实验和理论研究1卅.但由于实验手段上的限制,国内有关户外直接测量天空光和太阳光光谱的报道还不多.尤其是不同地域间的光谱数据的比较,以及同一地区不同年代和时间所测光谱的对比.这一工作无疑将有助于户外大气光谱数据库的建立,对环境监测,气候变迁的追踪研究具有重要的现实意义.随着光谱测量仪器的更新

3、换代,以前做起来比较困难的测量实验现在变得相对简便易行,同时相应的实验结果也更加可靠.利用一台新近购人的美国OceanOptics公司SD2000型便携式光谱仪对天津市区的太阳光,天空光及月光进行了光谱测量,并对所测得的数据进行了较为详细的分析比较.结果表明:太阳光谱的峰值波长在一天中随着时间变化有规律地移动,这可很好地解释太阳光的颜色从早晨的红色到日间的白色再到傍晚的红色的周期性变化:晴朗天气情况下,天空光的相对光谱分布在一天中基本没有变化,但光谱曲线较太阳光谱而言向短波长方向移动;不同天气情况下的天空光谱有所不同,尤其是在有沙尘和阴天时,光谱测量的结果与晴天测量的结果有较为明显地不同,阴天

4、或沙尘天气测得的光谱长波长成份增加.实验中还观察到大气尘埃的多少除了影响太阳和天空的光谱外,还直接影响日出和日落的高度,这一特性可作为一个测量大气中微粒含量的重要指标.实验装置及光谱测量美国OceanOptics公司的SD2000型光谱仪是一种高度集成的小型便携式光谱仪.该仪器有两个光谱通道:主通道的光谱范围为200850am,副通道的光谱范围为5501100am,两通道的光谱分辨率均为1am.整个仪器的尺寸只有142×105×41mm.该光谱仪通过USB接口与计算机连接,实时测量的光谱曲线由仪器应用软件在Windows界面下直接显示.测量光通过一根双芯光纤及对应的两个SM

5、A接口进入光谱仪.测量时只需将光纤探头指向待测物体,便可得到其光谱.在光源到探头的距离给定的情况下,所记录光谱信号的强度和信噪比可通过计算机界面改变积分时间,平均采样次数以及Boxcar平滑点数等参数方便地进行控制.在早晨和傍晚太阳光不太强的情况下,将光谱仪的探头对准太阳,直接采集太阳光:其它时间当太阳光过强时,为避免光谱仪接收信号达到饱和,使用一块反射系数为4的光楔使太阳光经过一次反射后再收稿日期:20030506基金项目:天津市重大基础研究前期科研专项基金资助项目(2002CCA01C00)作者简介:杨希峰(1979一),女,山东青岛人,硕士研究生.?70?南开大学(自然科学版)第37卷进

6、入光谱仪探头.通常情况下通过调整光谱仪的积分时间,使相对光谱强度处在仪器的最佳测量范围内,从而获得最优的信噪比.在测量天空光的光谱时,将光纤探头对准上方天空,即天顶角近似为0.从日出到日落的一天时间中,每隔1h左右分别对天空光和太阳光测量一次.由于SD2000光谱仪所用光纤探测头的数值孔径为0.22,而太阳对地球的平均角半径只有0.0046,所以在用该仪器测量太阳光谱时不可避免地有天空光进入到光谱仪内.因而,严格地说,只有减去这部分天空光才能得到单纯的太阳光谱.但当太阳光很强时,进入探头的天空光强度与太阳光强度相比要小很多.在日出和日落两个时间段,由于此时进入探头的天空光的强度与太阳光的强度已

7、比较接近,且不同方位的天空光强度分布不同,所以不能再直接用天顶角为O.时的天空光代替之.对于这种情况,在测完太阳光谱后将探头偏离太阳,使太阳处在探头的数值孔径之外,记录下这时的天空光谱,然后用对准太阳时所测的光谱减去偏离太阳后所测得的天空光光谱即为所求的朝阳(或夕阳)的真实光谱.2实验结果及分析从早晨6:30开始至下午17:4O,平均每隔1h测量一次太阳光谱.为便于比较,图1只给出了其中的一些归一化光谱曲线(2OO339).需要指出的是,图中的太阳光谱包含有天空光谱.由图1可以看出,所测得的太阳光谱从早到晚可分为三个区:日出后的双峰区(图1(a),日间的单峰区(图1(b)及傍晚时的双峰区(图1

8、(c).双峰的出现是由于测量中进入光谱仪探头的天空光的强度和太阳光的强度接近而造成的.换句话说,是太阳光和天空光相叠加的结果,不能代表真实的太阳光谱.关于这一点在后面会给出详细的讨论.隧黼200300400500600700800900波长/nm(a)越鹃200300400500600700800900波长/am(b)隧黼O.2O2003004005006007008009oo波长/nm(c)图1全天的太阳光谱Fig1Sunspectraoffullday图2为2003年3月9Et(晴,最高气温8)测得的不同时刻的天津南开大学上方天空光光谱.可以看出,同一天中天空光谱的形状基本没发生变化,且峰

9、值都在494nm左右.不难想象,如果这一天中风云变幻的话,所测的天空光谱将不会如此一致.图3是同一天所测得的太阳光谱,天空光谱及月亮光谱的比较.可以看出,月亮的光谱与太阳光谱(200339,上午11:29)基本重合,而天空光谱相对太阳光谱略向短波长移动.由这几条光谱可以测得天空光谱,月亮光谱和太阳光谱最大峰值所对应的波长分别为493nlTl,530nm和527nm.图4(a)是同一时刻(200339,下午17:32)的双峰太阳光谱和天空光光谱.由图4可看出,这时天空背景光的相对强度和太阳光光谱的相对强度已经很接近,由于实测光谱是进入光纤探头的太阳光和天空光的叠加结果,所以双峰的出现是由于天空背

10、景光的影响,只有减去进入光纤探头的天空背景光才能得到较准确的太阳光谱.图4(b)是图4(a)中的两条谱线相减所得到的结果.从图4(b)可以看出,真实的太阳光谱曲线仍是单峰的,且峰值波长向长波长方向移动.而一天中除早晨和傍晚之外测得的太阳光谱曲线均为单峰,则是由于此时天空背景光和太阳光相比很小,尽管所测得的光谱仍是太阳光和天空光叠加的结果,但天空光的影响可以忽略.图5是在日间光谱为单峰的情况下所对应的实测太阳光谱与天空光的相对强度做的一个比较,可见此时天空光的影响确实可以忽略.第4期杨希峰等:太阳光和天空光的光谱测量分析?71?黼波长/nm图2全天不同时刻的天空光谱2003/3/9Fig2Sky

11、lightspectrameasuredatdifferenttimesof2003/3/9黼波长/rim(a)黼1.210.80?6簧o.0.2O200300400500600700800900波长/rim图3太阳,天空和月亮的光谱2003/2/16Fig3Spectraofsunlight,skylightandmoonlightmeasuredon2003/2/16波长/rim(b)图4实测的单峰时的太阳光谱,天空背景及光减去北景之后的太阳光谱Fig4Themeasuredsinglepeaksunspectrum,andthebackgroundlight,andthesunspect

12、rumeliminatedbackground从图1至图3所示的光谱曲线中不难看出,太阳光,天空光和月亮光的光谱中都含有一些特征吸收谱线存在,在早晨和傍晚所测得的光谱中这些吸收峰尤为明显.为了便于分析,在图5中单独给出了图1中11:44时刻的太阳光谱曲线.在该图中,A,B,C等是几个明显的吸收峰.表1给出了实际测得的太阳光谱吸收谱线与以前报道的太阳光谱主要吸收谱线的比较.从表中可以看出,测得的结果和以前报道的结果基本相符(实测值与报道的最大误差约1am;与该小型光谱仪的实际光谱分辨率相当).图6绘出了真实太阳光谱的最高峰值波长在一天中的变化情况.早晨看到太阳是红色的,这表明太阳光透射到地球的可

13、见光中长波长成份较多;随着太阳升起,太阳光透过大气的厚度逐渐减小,由于大气对短波长成份的总衰减量相对减少,因而太阳的颜色由红色逐渐变成白色,太阳光谱的峰值向短波长方向移动;到中午太阳光最强,峰值波长达到最短;之后,随着太阳西落,太阳光透过大气的厚度逐渐增大,因而大气对短波长成份的总衰减量增加,峰值又开始向长波长方向移动,所以到傍晚太阳变红.因此,一天中太阳光谱峰值的移动规律是由长波长向短波长然后再到长波长.对不同天气情况下的天空光光谱进行测量,结果如图7所示.图中光谱曲线所对应的天气状况分别为:3月18日,晴天,天空灰白色;4月17日,阴天,扬沙;4月18日,阴天,天气状况和17日基本相同,无

14、扬沙;4月2O日,天气晴朗,天空呈蓝色.可以看出:与4月20日晴朗天气情况下的天空光谱相比,非晴朗天气中所测得的光谱曲线都向长波长方向移动.通过比较4月17日和4月18日的天空光光谱曲线可知,沙尘的散射使天空光光谱在长波部分得到了加强.通过比较4月18日和3月18日的天空光光谱曲线可知,阴天天气也会使得天空光?72?南开大学(自然科学版)第37卷光谱的长波部分相对加强;与其它天气状况下测得的光谱曲线相比可知,4月2O日测得的天空光光谱的短波部分相对增强,而长波部分相对减弱了,所以4月20日的天空呈蓝色(由于前一天晚上的降雨使空气中的灰尘减少;而灰尘等大粒子主要对太阳光的长波长散射,所以4月20

15、日比平时的天空更蓝).氍波长/nm图5单峰时的太阳光谱,天空背景光及减去背景之后的太阳光谱2003/3/9Fig5Themeasuredsinglepeaksunlightspectrum,thebackgroundskylightspectrum,andthesamesunlightspectrumwiththebackgroundskylightspectrumdeducted,allobtainedon2003/3/9表1实测太阳光谱的吸收峰Table1Wavelengthsoftheabsorptionpeaksinthespectrumofsunlight实测太阳光谱吸收峰参考文献E

16、4-61中所给吸收峰382.75393.99428.60484.775l7.01527.10589.626l6.64650.67688.137l9.53761_51382.04393.36427.55484.74516.91527.04589.59616.78650.63686.72718.45759.370.1,la切口0?¨¨."00时间图6一天中真实太阳光谱峰值的移动2003/2/16Fig6Variationofthespectralpeakofsunlightduringthedayof2003/2/16氍图7不同天气情况下的天空光谱Fig7Thespe

17、ctraofskylightmeasuredduring'differentweatherconditions对以上现象,可以用光的散射理论加以分析.在散射理论中,散射系数随着波长的变化一般可写为17一常数×专,这和瑞利散射表达式很相似,指数7可以从0变到4,粒子变小时7值变大,74适应于瑞利散射或非常小的粒子,粒子变大时7值减小.通过对太阳辐射的测量得出,可见光范围中的7值一般为1.3.7值减小,说明散射对波长的依赖减小,长波部分的散射有所加强.这与测得的阴天天空光谱较晴天时向长波方向稍微移动的事实相符.对于沙尘天气,大气中大尺度粒子增多,这些粒子对短波的尺度参量贡献很大,

18、而粒子尺度参量很大时,散射效率与波长无关8,所以其对短波的影响较小.而对于长波部分,此时由于粒子尺度的增大,7值将减小到0.5,相应的散射也会增大,从而导致了长波部分强度有所增加.通过以上的现象和分析可以认为,沙尘的散射会使天空光中长波成份得到相对加强,从而使天空看上去有灰蒙蒙的效果,实验测得的结果与散射理论的解释相符.O765432lg口煞第4期杨希峰等:太阳光和天空光的光谱测量分析?73?3色度计算根据色度学的理论,每一种光源或物体的颜色都可以用三刺激值(x,y,z)和色度坐标(z,)加以定量描述.光源的三刺激值通常用以下公式计算:XlP()Xl0(2)d2,(1)0YlP()Yl0(2)

19、d2,(2)矗0.ZlP()Zlo(2)d2,(3)矗0式中P()为光源的相对功率分布函数,一Xlo(2),一Ylo(),一Zlo(2)为CIE1964补充标准光谱三刺激值(10.视场),对波长的积分范围为380780nm.由公式(1),(2),(3)可知,要想计算出一个光源的色度,关键在于知道它的光谱功率分布P().如果物体本身不发光,则它的颜色依赖于照明它的光源的光谱以及物体本身的光谱特性.假设照明光源的相对功率分布函数为P(),物体对照明光谱的透射或反射调制函数为(),则经过物体对光源的调制后,透射光(或反射光)的光谱功充分布便为P()?).令P()一P()?(),则P()代表实际进入测

20、试系统的光谱功率分布,可以把它看作一个次级光源,其相应的颜色三刺激值可用以下公式计算:XlP()Xl0(2)d2,(4)矗0YlP()Yl0(2)d2,(5)矗0皂9ZlP()Zl0(2)d2,(6)矗0实际上,可以将实验测得的太阳光谱分布看作是太阳光谱功率分布函数P()与大气对太阳光谱的调制函数)之积.(测量月亮光谱时还多了月亮的反射调制函数).物体的(,)色度坐标分别由下式给出:一;(7)y一而(8)基于Excel的宏功能编制了一个由给定光谱分布曲线计算色度的简易程序.为力求准确,在进行色度计算之前,对光谱仪进行了仪器的光谱响应标定.在计算色度时,运行这个程序后得到的结果是加上仪器的光谱响

21、应修正后的色度值.表2列出了用图6对应的数据计算出的相应的太阳和天空在不同时间的色度值.从表2中可以看出:朝阳和夕阳的色度值分别为(0.497,0.447),(0.496,0.423),两个值基本一样,长波长占优势;而算出的日间太阳光的色度(0.352,0.353)表明太阳光接近白色,与实际观察相符;由天空光的色度(0.295,0.303)可知蓝色成份占优势,与看到的天空呈蓝色相一致,天空光谱的最大峰值波长较太阳光谱的峰值相比略向短波长偏移.表2太阳光和天空光的色度Table2ThecbromavaluesoftheSUnlightandtheskylight?74?南开大学(自然科学版)第3

22、7卷4结论通过对天津市区太阳光和天空光光谱的实地测量和分析得出如下结论:(1)正常大气情况下,太阳光谱的峰值在一天中有规律的变化,从日出时的666nm,到日间的530nm,再到日落时的642nm.(2)正常天气情况下,所测得的太阳光谱和天空光谱的吸收峰,与以前报道的数据基本吻合.(3)正常天气情况下,同一天中测得的正上方的天空光光谱的分布不变;相对太阳光谱而言,天空光光谱的峰值向短波长方向移动.(4)正常天气情况下,月亮的光谱与太阳的光谱的分布基本一致,因此可以说月亮是太阳的一面中性的反射镜.(5)阴霾或扬沙的天气情况下,由于沙尘的影响,天空光谱的峰值略向长波长方向移动.(6)尽管该光谱仪的分

23、辨率只有1am,不能鉴别出大气中各成份的具体含量,但由于天气情况不同,空气中的尘埃含量不同,所测得的光谱曲线较晴朗天气下测得的光谱曲线向长波方向平移的程度就有所不同,这就提示可用这种方法来检测大气中尘埃的相对含量.需要说明的是:在计算色度之前所给出的所有光谱曲线都没有考虑仪器的光谱响应.致谢:感谢陈文驹老师对此工作的支持.123456789参考文献宣焕灿.天文学名着选译EM.北京:知识出版社,1985,191197.吴鑫基,温学诗.宇宙佳音:天体物理学M.上海:上海出版社,2001.沃隆佐夫一维利亚米诺夫,苏寿祁,叶式辉.宇宙概论M.南京:江苏科技出版社,1983.OriscollWG,WilliamVaughan.HandbookofOpticsMI.NewYork:McGrawHill,1978.HerzbergG,王鼎昌.分子光谱与分子结构第二卷M.北京:科学出版社,1986.JohnTalbot.LaserstarsSpectraofGasDischargesDB/OL.index.htm1.McCartneyEJ,潘乃先.大气光学分子和粒子散射M.北京:科学出版社,1988,298302.McCartneyEJ,潘乃先.大气光学分子和粒子散射M.北京:科学出版社,1988.郝允祥,张宝渊.光度学M.北京:北京师范大学出版社,1998.M