為何需要「太空」太陽(yáng)能標(biāo)準(zhǔn)？AM0的獨(dú)特意義

在地球上，太陽(yáng)光譜會(huì)受到大氣層的顯著影響，包括吸收和散射，尤其是在紫外線和藍(lán)光波段。大氣層中的水蒸氣、臭氧、氣溶膠等成分會(huì)吸收特定波長(zhǎng)的能量，導(dǎo)致光譜形狀和總能量發(fā)生變化。

「AM0」（Air Mass Zero）標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)運(yùn)而生，它代表了在地球大氣層之外、距離太陽(yáng)1個(gè)天文單位（AU）處的太陽(yáng)光譜。這與地球表面常見(jiàn)的「AM1.5」標(biāo)準(zhǔn)（考慮了穿過(guò)1.5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣層厚度的太陽(yáng)光）形成鮮明對(duì)比，AM1.5主要用于陸地光伏應(yīng)用。AM0標(biāo)準(zhǔn)的總輻照度為1366.1 W/m² ，這是一個(gè)關(guān)鍵的參考值，被稱為「太陽(yáng)常數(shù)」。盡管太陽(yáng)常數(shù)并非絕對(duì)恒定，會(huì)因太陽(yáng)活動(dòng)而有約0.1%的波動(dòng)，但在AM0標(biāo)準(zhǔn)中通常使用靜態(tài)值以保持一致性。

The solar spectral irradiance at air mass 0 (AM0) and global air mass 1.5 (AM1.5G) and the cutoff wavelength of semiconductor materials for common PV applications，圖片取自Characteristics of InGaN/sapphire-based photovoltaic devices with different superlattice absorption layers and buffer layers

AM0標(biāo)準(zhǔn)的確立是太空光伏技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)。沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的、精確的太空太陽(yáng)光譜標(biāo)準(zhǔn)，不同研究機(jī)構(gòu)和制造商之間就無(wú)法進(jìn)行有意義的性能比較，這會(huì)嚴(yán)重阻礙技術(shù)的迭代和優(yōu)化。這種標(biāo)準(zhǔn)化需求直接催生了對(duì)高空測(cè)量和模擬器技術(shù)的巨大投入和發(fā)展，以彌補(bǔ)無(wú)法直接在太空大規(guī)模測(cè)試的局限性。這種對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化的追求，是確保太空光伏技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室走向?qū)嶋H應(yīng)用的關(guān)鍵一步。

本文將詳細(xì)介紹太陽(yáng)常數(shù)測(cè)量的演進(jìn)歷程和AM0標(biāo)準(zhǔn)的建立過(guò)程，從19世紀(jì)的地面熱學(xué)實(shí)驗(yàn)到現(xiàn)代的精密衛(wèi)星觀測(cè)，展現(xiàn)這段近兩百年的科學(xué)探索軌跡如何逐步演化成今日太空光伏技術(shù)和衛(wèi)星設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)。

地面觀測(cè)時(shí)代：太陽(yáng)常數(shù)的測(cè)量與挑戰(zhàn)

早期地面觀測(cè)時(shí)代

1838年，法國(guó)物理學(xué)家Claude?Pouillet（克勞德·普意葉）與英國(guó)博學(xué)家John?Herschel（約翰·赫歇爾）首度嘗試以熱學(xué)儀器（如pyrheliometer和actinometer）量化測(cè)定太陽(yáng)輻射，Pouillet測(cè)得約1,228?W/m²，略低于約1,360–1,370?W/m²，顯示方法雖有大氣吸收等系統(tǒng)誤差，但結(jié)果已相當(dāng)接近現(xiàn)代值。

Pouillet's pyrheliometer (1837)，圖片取自Monitoring coastal areas: a brief history of measuring instruments for solar radiation

1881年，美國(guó)科學(xué)家Samuel P. Langley（朗利）攜帶自創(chuàng)的bolometer（螺栓電阻輻射計(jì)），遠(yuǎn)赴加州圣威帝山（Mt.?Whitney，海拔約4,421公尺）進(jìn)行高海拔觀測(cè)。他透過(guò)多波長(zhǎng)、多海拔的測(cè)量方式，從光譜角度系統(tǒng)地扣除大氣對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收，證實(shí)大氣吸收率的確隨波長(zhǎng)而變化。Langley的初步計(jì)算結(jié)果高達(dá)約2,903?W/m²，幾乎是現(xiàn)代衛(wèi)星值（約1,367?W/m²）的一倍。后來(lái)，其助手Charles?G.?Abbot根據(jù)相同實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行重新分析，考慮更精確的數(shù)據(jù)處理方式，將太陽(yáng)常數(shù)修正為約1,465?W/m²。

S. P. Langley, The Bolometer and Radiant Energy. Proc. Amer. Acad. Arts Sci., 1881, 16, 342–358，圖片取自Chemistry World

系統(tǒng)性觀測(cè)時(shí)代

20世紀(jì)初期，Charles Greeley Abbot（C.?G.?Abbot）接任史密森天體物理臺(tái)（Smithsonian Astrophysical Observatory, SAO）臺(tái)長(zhǎng)后，積極推動(dòng)全球多地長(zhǎng)期觀測(cè)太陽(yáng)常數(shù)。他先后在智利安地斯高地（如Calama/Monte?zuma）、加州威爾遜山（Mt.?Wilson）、亞利桑那州的 Harqua Hala 與 Table Mountain，以及納米比亞、埃及等地設(shè)立觀測(cè)站，以避開(kāi)大氣干擾、搜集多地資料。

經(jīng)多年累積這些高海拔、干凈空氣條件下的長(zhǎng)期觀測(cè)，Abbot發(fā)現(xiàn)外大氣層頂?shù)钠骄?yáng)常數(shù)集中在1,322–1,548?W/m²（即2.0于±2%卡/分鐘/平方公分），最終將其定義為約1,350 W/m²，后續(xù)數(shù)據(jù)浮動(dòng)范圍縮窄至1,350–1,400 W/m²，常見(jiàn)值約落在1,360 W/m²左右。

他還報(bào)告這些數(shù)值伴隨太陽(yáng)黑子周期亦有小幅變化（3–10%），雖后來(lái)被證實(shí)多為大氣校正誤差，但Abbot的這套全球觀測(cè)網(wǎng)架構(gòu)奠定了現(xiàn)代太陽(yáng)常數(shù)研究基礎(chǔ)。

Observatory at Mt. Montezuma, Chile, 1920, Smithsonian Institution Archives, Record Unit 95, Image no. MNH-33668，圖片取自Early 20th-Century Women Computers at the Smithsonian

高空觀測(cè)時(shí)代

1946年，美國(guó)研究實(shí)驗(yàn)室（Naval Research Laboratory, NRL）利用戰(zhàn)后獲得的V?2探空火箭，搭載自制紫外線攝譜儀，于10月10日從 White Sands 發(fā)射升空，飛行至約88公里（約55?km）高度，拍攝到人類(lèi)首張來(lái)自太空的太陽(yáng)紫外光譜，覆蓋波長(zhǎng)下限達(dá)約220?nm左右，突破臭氧層阻隔效果。

隨后數(shù)年間（1946–1951），NRL和其他機(jī)構(gòu)在多次V?2探空任務(wù)中持續(xù)改進(jìn)儀器，先后收集到200–300?nm紫外光與更高能的X射線波段太陽(yáng)輻射數(shù)據(jù)，奠定人類(lèi)對(duì)地外氣層上方短波輻射的第一手觀測(cè)基礎(chǔ)。

1960年代，NASA開(kāi)始使用載人飛機(jī)在11-12公里高空測(cè)量0.3至2.5微米范圍的太陽(yáng)光譜。這些高空平臺(tái)大幅降低大氣和水氣影響，使所得太陽(yáng)總輻照度結(jié)果更加接近真值。

German V-weapons Post-war testing of a captured V-2 at White Sands, N.M. (U.S. Air Force photo)，照片取自Post-War Testing and Development

數(shù)值收斂時(shí)代

1969至1984年間，來(lái)自不同團(tuán)隊(duì)的高空與地面觀測(cè)結(jié)果在太陽(yáng)常數(shù)估值上趨于一致：

• Arvesen      等人（1969年）使用飛機(jī)平臺(tái)進(jìn)行測(cè)量，得出1390?W/m²（1.99?cal/cm²/min）（航空飛行高度約11.6–12.5?km）。

• Thekaekara      等人（1970年）基于類(lèi)似高空測(cè)試，報(bào)告估值為1353?W/m²，此數(shù)據(jù)之后也被選作 ASTM      E490?73a AM0 標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)。

• Labs與      Neckel（1984年）結(jié)合地面測(cè)量與早期飛行數(shù)據(jù)，整合出約1358?W/m²。

這些獨(dú)立數(shù)據(jù)集彼此高度重迭，使得當(dāng)時(shí)科學(xué)界普遍將太陽(yáng)常數(shù)的共識(shí)估定為1,350±40?W/m²（亦即1,310–1,390?W/m²范圍），顯示估測(cè)不確定度大幅收斂。

從高空到太空：衛(wèi)星時(shí)代的直接觀測(cè)與ASTM E490標(biāo)準(zhǔn)誕生

人造衛(wèi)星元年與太空太陽(yáng)能應(yīng)用

1957–58年的人造衛(wèi)星元年，開(kāi)啟了人類(lèi)太空直接觀測(cè)太陽(yáng)的新篇章。1958年3月17日，由美國(guó)研究實(shí)驗(yàn)室（NRL）研發(fā)的Vanguard?1衛(wèi)星（質(zhì)量約1.46?kg、直徑約15?cm鋁質(zhì)球體）成功升空，成為第一顆使用太陽(yáng)能電池供電的衛(wèi)星。

設(shè)置與發(fā)射成果

• Vanguard?1表面共配置了六片硅晶小型太陽(yáng)能電池板，驅(qū)動(dòng)一顆功率約5?mW的108.03?MHz發(fā)射機(jī)，而另一顆由汞電池供電的發(fā)射機(jī)則功率為10?mW,僅持續(xù)運(yùn)作約20天?。

• 相較之下，太陽(yáng)能電池供電的發(fā)射機(jī)持續(xù)傳輸信號(hào)超過(guò)六年直到1964年5月，成為「電池死亡、太陽(yáng)能繼續(xù)傳播」的劃時(shí)代證明?。

Satellite, Vanguard 1, Replica，圖片取自National Air And Space Museum

太空太陽(yáng)能時(shí)代的到來(lái)

1962年7月10日，美國(guó)與貝爾實(shí)驗(yàn)室（Bell Labs）合作推出的Telstar?1通信衛(wèi)星成功發(fā)射，成為首顆有源跨大西洋中繼通訊衛(wèi)星。該球形衛(wèi)星直徑約88?cm、重量約77?kg，其外殼覆蓋約3,600片硅晶太陽(yáng)能電池（總功率約14?W），并搭配鎳鎘電池儲(chǔ)能作為電力來(lái)源。

在發(fā)射后的幾個(gè)月中，Telstar?1透過(guò)太陽(yáng)能成功驅(qū)動(dòng)放大器與發(fā)射系統(tǒng)，進(jìn)行實(shí)況電視轉(zhuǎn)播與電話聯(lián)機(jī)。其中包括1962年7月11日傳輸美國(guó)國(guó)旗影像，以及7月23日的公開(kāi)跨大西洋電視直播。

1962年7月9日的高空核試驗(yàn)Starfish?Prime，在約400?km高空引爆，制造出人工輻射帶，導(dǎo)致Telstar?1的輻射損傷。受損后，Telstar在1962年11月命令通道失效；雖曾經(jīng)再度修復(fù)運(yùn)作，但最終于1963年2月停止運(yùn)作。

Telstar，圖片取自National Air And Space Museum

標(biāo)準(zhǔn)制定的起步

1971年，NASA高達(dá)德太空飛行中心（Goddard Space Flight Center）的印度裔美籍光譜學(xué)家Matthew?P.?Thekaekara與A.?J.?Drummond在《Nature Physical Sciences》期刊發(fā)表文章，建議制定「工程用途」的標(biāo)準(zhǔn)AM0太陽(yáng)光譜以及對(duì)應(yīng)的太陽(yáng)常數(shù)值，奠定太空應(yīng)用設(shè)計(jì)所需的光譜基礎(chǔ)。

• 1973年，Thekaekara綜合當(dāng)時(shí)最佳的高空與地面觀測(cè)資料，匯整出一套涵蓋0.2–4?µm的準(zhǔn)確AM0太陽(yáng)光譜，并由他與Drummond編輯于書(shū)籍《The Extraterrestrial Solar Spectrum》中公開(kāi)發(fā)布。

• 隨后于1974年，ASTM實(shí)行此光譜數(shù)據(jù)作為AM0標(biāo)準(zhǔn)，正式收錄于ASTM E490?73a「Solar Constant and Zero Air Mass Solar Spectral Irradiance Table」中，這是專(zhuān)門(mén)為航天工程用途制定的太空太陽(yáng)光譜標(biāo)準(zhǔn)。

• 根據(jù)Thekaekara的0.2–4?µm光譜積分，ASTM E490?73a將太陽(yáng)常數(shù)定為約 1353      W/m²，成為各工程設(shè)計(jì)與研究應(yīng)用的基準(zhǔn)值。

衛(wèi)星觀測(cè)的精進(jìn)

1976年，NASA發(fā)射Nimbus?7衛(wèi)星，搭載精密的腔輻射計(jì)（Earth Flux Monitor, EFM）。1978年至1979年期間，其觀測(cè)報(bào)告的平均太陽(yáng)總輻照度為約1376?W/m²，波動(dòng)范圍±0.05%（±0.7?W/m²）。

1980年，Solar Maximum Mission (SMM)任務(wù)中的ACRIM（Active Cavity Radiometer Irradiance Monitor）啟用，與Nimbus?7的數(shù)據(jù)進(jìn)一步比對(duì)與整合，揭示了太陽(yáng)常數(shù)隨11年太陽(yáng)活動(dòng)周期發(fā)生0.1–0.2%的變化。

這一系列太空測(cè)量結(jié)果也促成對(duì)太陽(yáng)常數(shù)最佳估值輕微上調(diào)至1360–1370?W/m²的共識(shí)，并將不確定度收斂至±0.03–0.05%。

現(xiàn)代標(biāo)準(zhǔn)的確立

2000年，ASTM正式發(fā)布E490?00版「Air Mass Zero 太陽(yáng)光譜標(biāo)準(zhǔn)」，成為航天與太空光伏應(yīng)用的重要依據(jù)。新版光譜整合了：

• UV波段（119.5–410      nm），采自UARS衛(wèi)星SUSIM與SOLSTICE的1993年平均數(shù)據(jù)；

• 可見(jiàn)光段（410–825 nm），引用 Kitt Peak 高解析地基光譜；

• 紅外段（825 nm–4 µm），采用Kurucz理論模型；

• 長(zhǎng)波段（4–1000 µm），由Smith與Gottlieb的觀測(cè)資料外推。

所有片段經(jīng)波段拼接、微調(diào)平滑后，最終整體太陽(yáng)常數(shù)校準(zhǔn)為1366.1?W/m²，成為新的標(biāo)稱值。

小結(jié)與現(xiàn)況

• Nimbus?7和ACRIM的衛(wèi)星觀測(cè)不僅揭示太陽(yáng)常數(shù)隨太陽(yáng)周期的細(xì)微變化（±0.1–0.2%），還將估值微調(diào)至1360–1370?W/m²的精確范圍；

• ASTM      E490?00則以綜合多平臺(tái)觀測(cè)與模型數(shù)據(jù)建立精細(xì)AM0光譜，并將常數(shù)標(biāo)稱值定為1366.1?W/m²；

• 截至2020年代，此常數(shù)仍為航天工程、太空光伏與精密穩(wěn)態(tài)模型常用依據(jù)，被廣泛采納于設(shè)計(jì)與校正流程中。

Enlitech的AM0太陽(yáng)光模擬器SS-ZXR符合ASTM和ECSS的標(biāo)準(zhǔn)，光強(qiáng)可達(dá)1366 w/m2，真正吻合AM0規(guī)范。

時(shí)間軸整理

地面觀測(cè)時(shí)代：測(cè)量與挑戰(zhàn)

• 1838年：Pouillet（法國(guó)）與Herschel（英國(guó)）以pyrheliometer和      actinometer 首測(cè)太陽(yáng)輻射，Pouillet得值約1,228?W/m²，顯示地面實(shí)驗(yàn)結(jié)果已接近本初值（1,360–1,370?W/m²）。

• 1881年：Langley于 Mt. Whitney 以bolometer進(jìn)行高海拔多波長(zhǎng)觀測(cè)，初算值高達(dá)      ~2,903?W/m²，后由其助手Abbot修正為~1,465?W/m²，揭示大氣吸收的波長(zhǎng)依賴性。

系統(tǒng)性觀測(cè)時(shí)代

• 20世紀(jì)初：C.?G.?Abbot在智利安地斯、Mt.?Wilson等地建立多處高海拔觀測(cè)站，多年平均結(jié)果集中于      1,322–1,548?W/m²，最終標(biāo)定約1,350?W/m²，范圍收斂至1,350–1,400?W/m²，并指出部分與黑子周期相關(guān)，但后來(lái)發(fā)現(xiàn)為大氣校正問(wèn)題。

高空觀測(cè)時(shí)代

• 1946–1951      年：NRL利用V?2探空火箭進(jìn)行高空紫外與X光測(cè)量，成功拍攝首張?zhí)兆贤夤庾V，覆蓋波段200–300?nm及X射線，奠定短波輻射觀測(cè)基礎(chǔ)。

• 1960年代：NASA高空飛機(jī)（11–12?km）測(cè)量0.3–2.5?µm波段，避開(kāi)水氣與大氣吸收，讓所得太陽(yáng)總輻照度更接近太空真值。

數(shù)值收斂時(shí)代

• 1969年：Arvesen等人得出1,390?W/m²（飛機(jī)平臺(tái)）；

• 1970年：Thekaekara等人報(bào)出1,353?W/m²（高空）；

• 1984年：Labs與Neckel結(jié)合地面與高空數(shù)據(jù)得1,358?W/m²。
       這些測(cè)值使共識(shí)匯聚于1,350?±?40?W/m²范圍內(nèi)。

衛(wèi)星觀測(cè)與標(biāo)準(zhǔn)建立

• 1976–1980      年：Nimbus?7的EFM探測(cè)器與SMM任務(wù)中的ACRIM輻射計(jì)揭露太陽(yáng)常數(shù)有      0.1–0.2% 的11年周期變動(dòng)，并微調(diào)估值至1,360–1,370?W/m²。

• 2000年：ASTM E490?00標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布，整合包括 UARS      SOLSTICE/SUSIM（UV）、Kitt Peak（可見(jiàn)光）、Kurucz模型（IR）及Smith/Gottlieb（長(zhǎng)波）等多源數(shù)據(jù)，最終校準(zhǔn)太陽(yáng)常數(shù)為1,366.1?W/m²。

概覽時(shí)間軸

EnliTech?SS?ZXR—真實(shí)重現(xiàn)太空AM0光譜的模擬器

在探索AM0（Air Mass Zero）規(guī)范演進(jìn)的歷程中，最關(guān)鍵的一環(huán)便是將理論光譜轉(zhuǎn)化為可實(shí)測(cè)、可驗(yàn)證的光源。EnliTech?SS?ZXR在此領(lǐng)域中脫穎而出：

• 精準(zhǔn)光譜對(duì)應(yīng)：SS?ZXR匹配 ASTM E490-00 所定義的AM0光譜，輸出輻照度高度穩(wěn)定于1366?W/m²，并保持空間一致性<?2%

• 符合國(guó)際太空標(biāo)準(zhǔn)：同時(shí)通過(guò)ASTM與ECSS（歐洲太空標(biāo)準(zhǔn)）的嚴(yán)格驗(yàn)證，確保在波段匹配、均勻度與時(shí)間穩(wěn)定度方面皆達(dá)航天級(jí)規(guī)范

• 高耐久性與適應(yīng)性：采用高溫耐受的xenon短弧燈設(shè)計(jì)，有效避免LED光源在高于25°C工作環(huán)境中的劣化問(wèn)題，搭配光學(xué)結(jié)構(gòu)，提供光源壽命與光強(qiáng)調(diào)整靈活性

• 為太空光伏而生：設(shè)計(jì)目標(biāo)為Space?Grade硅晶、III?V、鈣鈦礦太陽(yáng)電池，SS?ZXR不僅精準(zhǔn)再現(xiàn)0.2–4?µm AM0 端光譜，亦可透過(guò)配合IVS?KA6000      控制軟件實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)強(qiáng)度補(bǔ)償，支持整合測(cè)試與高階定速策略。

AM0標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)況與未來(lái)展望

截至2020年代中期，ASTM E490（2000年版）仍是國(guó)際航天界普遍采用的AM0太陽(yáng)光譜標(biāo)準(zhǔn)，總輻照度為1366.1 W/m²。然而，近年更精密的太空測(cè)量顯示這一標(biāo)準(zhǔn)值可能略高于實(shí)際平均。NASA SORCE衛(wèi)星上的TIM輻照計(jì)在2008-2017年期間觀測(cè)到太陽(yáng)極小期的TSI約為1360.9±0.5 W/m²，經(jīng)跨儀器校正后，科學(xué)家提出太陽(yáng)常數(shù)的新估計(jì)值約為1361.1 W/m²，比現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)減少約5 W/m²（差異約0.4%）。

鑒于上述發(fā)現(xiàn)，ASTM已在2019-2022年期間召集專(zhuān)家審議E490標(biāo)準(zhǔn)的修訂方案。未來(lái)的AM0標(biāo)準(zhǔn)很可能采用~1361 W/m²作為新的基準(zhǔn)太陽(yáng)常數(shù)，同時(shí)融入更高光譜分辨率的觀測(cè)數(shù)據(jù)。太陽(yáng)本身的周期活動(dòng)意味著不存在「永遠(yuǎn)精確」的太陽(yáng)常數(shù)值，標(biāo)準(zhǔn)中的數(shù)值更多代表長(zhǎng)期平均的參考值。隨著人類(lèi)向月球、火星展開(kāi)長(zhǎng)期探測(cè)，AM0標(biāo)準(zhǔn)或許會(huì)擴(kuò)充內(nèi)容，提供各行星軌道處的太陽(yáng)輻照對(duì)照表以供設(shè)計(jì)參考。

AM0太空光照標(biāo)準(zhǔn)的建立與發(fā)展，是科學(xué)與工程社群長(zhǎng)期合作的結(jié)果：從最初概念提出，到火箭和衛(wèi)星實(shí)測(cè)支撐，再到標(biāo)準(zhǔn)制定和不斷修訂，體現(xiàn)了科學(xué)演進(jìn)和技術(shù)決策的脈絡(luò)。在未來(lái)，隨著觀測(cè)精度提高和太陽(yáng)物理新知識(shí)的累積，AM0標(biāo)準(zhǔn)將繼續(xù)微調(diào)演進(jìn)，但它將一如既往地在太空太陽(yáng)能與航天光伏領(lǐng)域發(fā)揮基石作用，為研究人員和工程師提供統(tǒng)一而可靠的參照。

lstar，圖片取自NationalAir And Space Muse