為何需要「太空」太陽能標準？AM0的獨特意義

在地球上，太陽光譜會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光波段 。大氣層中的水蒸氣、臭氧、氣溶膠等成分會吸收特定波長的能量，導(dǎo)致光譜形狀和總能量發(fā)生變化 。

「AM0」（Air Mass Zero）標準應(yīng)運而生，它代表了在地球大氣層之外、距離太陽1個天文單位（AU）處的太陽光譜。這與地球表面常見的「AM1.5」標準（考慮了穿過1.5個標準大氣層厚度的太陽光）形成鮮明對比，AM1.5主要用于陸地光伏應(yīng)用 。AM0標準的總輻照度為1366.1 W/m2 ，這是一個關(guān)鍵的參考值，被稱為「太陽常數(shù)」。盡管太陽常數(shù)并非絕對恒定，會因太陽活動而有約0.1%的波動，但在AM0標準中通常使用靜態(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標準的確立是太空光伏技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)。沒有一個統(tǒng)一的、精確的太空太陽光譜標準，不同研究機構(gòu)和制造商之間就無法進行有意義的性能比較，這會嚴重阻礙技術(shù)的迭代和優(yōu)化。這種標準化需求直接催生了對高空測量和模擬器技術(shù)的巨大投入和發(fā)展，以彌補無法直接在太空大規(guī)模測試的局限性。這種對標準化的追求，是確保太空光伏技術(shù)從實驗室走向?qū)嶋H應(yīng)用的關(guān)鍵一步。

本文將詳細介紹太陽常數(shù)測量的演進歷程和AM0標準的建立過程，從19世紀的地面熱學(xué)實驗到現(xiàn)代的精密衛(wèi)星觀測，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)計的標準基礎(chǔ)。

地面觀測時代：太陽常數(shù)的測量與挑戰(zhàn)

早期地面觀測時代

1838 年，法國物理學(xué)家Claude?Pouillet（克勞德·普意葉）與英國博學(xué)家John?Herschel（約翰·赫歇爾）首度嘗試以熱學(xué)儀器（如 pyrheliometer 和 actinometer）量化測定太陽輻射，Pouillet 測得約 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，美國科學(xué)家Samuel P. Langley（朗利）攜帶自創(chuàng)的bolometer（螺栓電阻輻射計），遠赴加州圣威帝山（Mt.?Whitney，海拔約4,421公尺）進行高海拔觀測。他透過多波長、多海拔的測量方式，從光譜角度系統(tǒng)地扣除大氣對太陽輻射的吸收，證實大氣吸收率的確隨波長而變化。Langley 的初步計算結(jié)果高達 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，其助手 Charles?G.?Abbot 根據(jù)相同實驗數(shù)據(jù)進行重新分析，考慮更精確的數(shù)據(jù)處理方式，將太陽常數(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)性觀測時代

20 世紀初期，Charles Greeley Abbot（C.?G.?Abbot） 接任史密森天體物理臺（Smithsonian Astrophysical Observatory, SAO）臺長后，積極推動全球多地長期觀測太陽常數(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)立觀測站，以避開大氣干擾、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期觀測，Abbot 發(fā)現(xiàn)外大氣層頂?shù)钠骄柍?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)浮動范圍縮窄至 1,350–1,400 W/m2，常見值約落在 1,360 W/m2 左右 。

他還報告這些數(shù)值伴隨太陽黑子周期亦有小幅變化（3–10%），雖后來被證實多為大氣校正誤差，但 Abbot 的這套全球觀測網(wǎng)架構(gòu)奠定了現(xiàn)代太陽常數(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

高空觀測時代

1946 年，美國研究實驗室（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，拍攝到人類首張來自太空的太陽紫外光譜，覆蓋波長下限達約 220?nm 左右，突破臭氧層阻隔效果 。

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

1960年代，NASA開始使用載人飛機在11-12公里高空測量0.3至2.5微米范圍的太陽光譜。這些高空平臺大幅降低大氣和水氣影響，使所得太陽總輻照度結(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)值收斂時代

1969 至 1984 年間，來自不同團隊的高空與地面觀測結(jié)果在太陽常數(shù)估值上趨于一致：

• Arvesen      等人（1969 年） 使用飛機平臺進行測量，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） 基于類似高空測試，報告估值為 1353?W/m2，此數(shù)據(jù)之后也被選作 ASTM      E490?73a AM0 標準基礎(chǔ)。

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

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

從高空到太空：衛(wèi)星時代的直接觀測與ASTM E490標準誕生

人造衛(wèi)星元年與太空太陽能應(yīng)用

1957–58 年的人造衛(wèi)星元年，開啟了人類太空直接觀測太陽的新篇章。1958 年 3 月 17 日，由美國研究實驗室（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 六片硅晶小型太陽能電池板，驅(qū)動一顆功率約 5?mW 的 108.03?MHz 發(fā)射機，而另一顆由汞電池供電的發(fā)射機則功率為 10?mW, 僅持續(xù)運作約 20 天?。

• 相較之下，太陽能電池供電的發(fā)射機持續(xù)傳輸信號 超過六年直到 1964 年 5 月，成為「電池死亡、太陽能繼續(xù)傳播」的劃時代證明?。

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

太空太陽能時代的到來

1962 年 7 月 10 日，美國與貝爾實驗室（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 片硅晶太陽能電池（總功率約 14?W），并搭配鎳鎘電池儲能作為電力來源。

在發(fā)射后的幾個月中，Telstar?1 透過太陽能成功驅(qū)動放大器與發(fā)射系統(tǒng)，進行實況電視轉(zhuǎn)播與電話聯(lián)機。其中包括 1962 年 7 月 11 日傳輸美國國旗影像，以及 7 月 23 日的公開跨大西洋電視直播 。

1962 年 7 月 9 日的高空核試驗 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)運作，但最終于 1963 年 2 月停止運作 。

Telstar，圖片取自National Air And Space Museum

標準制定的起步

1971 年，NASA 高達德太空飛行中心（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」的標準 AM0 太陽光譜以及對應(yīng)的太陽常數(shù)值，奠定太空應(yīng)用設(shè)計所需的光譜基礎(chǔ)。

• 1973 年，Thekaekara 綜合當時最佳的高空與地面觀測資料，匯整出一套涵蓋 0.2–4?µm 的準確 AM0 太陽光譜，并由他與 Drummond 編輯于書籍《The Extraterrestrial Solar Spectrum》中公開發(fā)布。

• 隨后于 1974 年，ASTM 實行此光譜數(shù)據(jù)作為 AM0 標準，正式收錄于 ASTM E490?73a 「Solar Constant and Zero Air Mass Solar Spectral Irradiance Table」 中，這是專門為航天工程用途制定的太空太陽光譜標準。

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

衛(wèi)星觀測的精進

1976 年，NASA 發(fā)射 Nimbus?7 衛(wèi)星，搭載精密的腔輻射計（Earth Flux Monitor, EFM）。1978 年至 1979 年期間，其觀測報告的平均太陽總輻照度為 約 1376?W/m2，波動范圍 ±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)進一步比對與整合，揭示了太陽常數(shù)隨 11 年太陽活動周期發(fā)生 0.1–0.2% 的變化。

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

Nimbus 7，圖片取自NASA’s Earth Observing System

現(xiàn)代標準的確立

2000 年，ASTM 正式發(fā)布 E490?00 版「Air Mass Zero 太陽光譜標準」，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；

• 長波段（4–1000 µm），由 Smith 與 Gottlieb 的觀測資料 外推。

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

小結(jié)與現(xiàn)況

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

• ASTM      E490?00 則以綜合多平臺觀測與模型數(shù)據(jù)建立精細 AM0 光譜，并將常數(shù)標稱值定為 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)計與校正流程中。

Enlitech的AM0太陽光模擬器SS-ZXR 符合ASTM和ECSS的標準，光強可達1366 w/m2，真正吻合AM0規(guī)范。

時間軸整理

地面觀測時代：測量與挑戰(zhàn)

• 1838 年：Pouillet（法國）與 Herschel（英國）以 pyrheliometer 和      actinometer 首測太陽輻射，Pouillet 得值約 1,228?W/m2，顯示地面實驗結(jié)果已接近本初值（1,360–1,370?W/m2）。

• 1881 年：Langley 于 Mt. Whitney 以 bolometer 進行高海拔多波長觀測，初算值高達      ~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依賴性。

系統(tǒng)性觀測時代

• 20 世紀初：C.?G.?Abbot 在智利安地斯、Mt.?Wilson 等地建立多處高海拔觀測站，多年平均結(jié)果集中于      1,322–1,548?W/m2，最終標定約 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)，但后來發(fā)現(xiàn)為大氣校正問題。

高空觀測時代

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

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

數(shù)值收斂時代

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

• 1970 年：Thekaekara 等人報出 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。
       這些測值使共識匯聚于 1,350?±?40?W/m2 范圍內(nèi)。

衛(wèi)星觀測與標準建立

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

• 2000 年：ASTM E490?00 標準發(fā)布，整合包括 UARS      SOLSTICE/SUSIM（UV）、Kitt Peak（可見光）、Kurucz 模型（IR）及 Smith/Gottlieb（長波）等多源數(shù)據(jù)，最終校準太陽常數(shù)為 1,366.1?W/m2 。

概覽時間軸

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

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

• 精準光譜對應(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%

• 符合國際太空標準：同時通過 ASTM 與 ECSS（歐洲太空標準）的嚴格驗證，確保在波段匹配、均勻度與時間穩(wěn)定度方面皆達航天級規(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，有效避免 LED 光源在高于25°C 工作環(huán)境中的劣化問題，搭配光學(xué)結(jié)構(gòu)，提供光源壽命與光強調(diào)整靈活性

• 為太空光伏而生：設(shè)計目標為 Space?Grade 硅晶、III?V、鈣鈦礦太陽電池，SS?ZXR 不僅精準再現(xiàn) 0.2–4?µm AM0 端光譜，亦可透過配合 IVS?KA6000      控制軟件實現(xiàn)動態(tài)強度補償，支持整合測試與高階定速策略。

AM0標準的現(xiàn)況與未來展望

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

鑒于上述發(fā)現(xiàn)，ASTM已在2019-2022年期間召集專家審議E490標準的修訂方案。未來的AM0標準很可能采用~1361 W/m2作為新的基準太陽常數(shù)，同時融入更高光譜分辨率的觀測數(shù)據(jù)。太陽本身的周期活動意味著不存在「永遠精確」的太陽常數(shù)值，標準中的數(shù)值更多代表長期平均的參考值。隨著人類向月球、火星展開長期探測，AM0標準或許會擴充內(nèi)容，提供各行星軌道處的太陽輻照對照表以供設(shè)計參考。

AM0太空光照標準的建立與發(fā)展，是科學(xué)與工程社群長期合作的結(jié)果：從最初概念提出，到火箭和衛(wèi)星實測支撐，再到標準制定和不斷修訂，體現(xiàn)了科學(xué)演進和技術(shù)決策的脈絡(luò)。在未來，隨著觀測精度提高和太陽物理新知識的累積，AM0標準將繼續(xù)微調(diào)演進，但它將一如既往地在太空太陽能與航天光伏領(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