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

在地球上，太陽光譜會(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1個(gè)天文單位（AU）處的太陽光譜。這與地球表面常見的「AM1.5」標(biāo)準(zhǔn)（考慮了穿過1.5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣層厚度的太陽光）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「太陽常數(shù)」。盡管太陽常數(shù)并非絕對(duì)恒定，會(huì)因太陽活動(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)。沒有一個(gè)統(tǒng)一的、精確的太空太陽光譜標(biāo)準(zhǔn)，不同研究機(jī)構(gòu)和制造商之間就無法進(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)高空測量和模擬器技術(shù)的巨大投入和發(fā)展，以彌補(bǔ)無法直接在太空大規(guī)模測試的局限性。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)介紹太陽常數(shù)測量的演進(jìn)歷程和AM0標(biāo)準(zhǔn)的建立過程，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，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)。

地面觀測時(shí)代：太陽常數(shù)的測量與挑戰(zhàn)

早期地面觀測時(shí)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(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。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(duì)太陽輻射的吸收，證實(shí)大氣吸收率的確隨波長而變化。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，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(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)長后，積極推動(dòng)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(dòng)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(bào)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(shí)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(shí)代

1946 年，美國研究實(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，拍攝到人類首張來自太空的太陽紫外光譜，覆蓋波長下限達(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 射線波段太陽輻射數(shù)據(jù)，奠定人類對(duì)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(jī)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(tái)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(shí)代

1969 至 1984 年間，來自不同團(tuán)隊(duì)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(jī)平臺(tái)進(jìn)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(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)代的直接觀測與ASTM E490標(biāo)準(zhǔn)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(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(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，太陽能電池供電的發(fā)射機(jī)持續(xù)傳輸信號(hào) 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(shí)代證明?。

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

太空太陽能時(shí)代的到來

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

在發(fā)射后的幾個(gè)月中，Telstar?1 透過太陽能成功驅(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(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 太陽光譜以及對(duì)應(yīng)的太陽常數(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資料，匯整出一套涵蓋 0.2–4?µm 的準(zhǔn)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(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，這是專門為航天工程用途制定的太空太陽光譜標(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，其觀測報(bào)告的平均太陽總輻照度為 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，揭示了太陽常數(shù)隨 11 年太陽活動(dòng)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(duì)太陽常數(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(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)星觀測不僅揭示太陽常數(shù)隨太陽周期的細(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

地面觀測時(shí)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(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)行高海拔多波長觀測，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依賴性。

系統(tǒng)性觀測時(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)，但后來發(fā)現(xiàn)為大氣校正問題。

高空觀測時(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(jī)（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(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。
       這些測值使共識(shí)匯聚于 1,350?±?40?W/m² 范圍內(nèi)。

衛(wèi)星觀測與標(biāo)準(zhǔn)建立

• 1976–1980      年：Nimbus?7 的 EFM 探測器與 SMM 任務(wù)中的 ACRIM 輻射計(jì)揭露太陽常數(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（可見光）、Kurucz 模型（IR）及 Smith/Gottlieb（長波）等多源數(shù)據(jù)，最終校準(zhǔn)太陽常數(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、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%

• 符合國際太空標(biāo)準(zhǔn)：同時(shí)通過 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、鈣鈦礦太陽電池，SS?ZXR 不僅精準(zhǔn)再現(xiàn) 0.2–4?µm AM0 端光譜，亦可透過配合 IVS?KA6000      控制軟件實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)強(qiáng)度補(bǔ)償，支持整合測試與高階定速策略。

AM0標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)，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(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(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年期間召集專家審議E490標(biāo)準(zhǔn)的修訂方案。未來的AM0標(biāo)準(zhǔn)很可能采用~1361 W/m²作為新的基準(zhǔn)太陽常數(shù)，同時(shí)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(dòng)意味著不存在「永遠(yuǎn)精確」的太陽常數(shù)值，標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)或許會(huì)擴(kuò)充內(nèi)容，提供各行星軌道處的太陽輻照對(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)與工程社群長期合作的結(jié)果：從最初概念提出，到火箭和衛(wèi)星實(shí)測支撐，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，隨著觀測精度提高和太陽物理新知識(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