成都地区太阳紫外辐射光谱的观测与分析

第28卷,第4期 光谱学与光谱分析Vol 128,No 14,pp8752878

2008年4月 Spectroscopy and Spectral Analysis April ,2008　

成都地区太阳紫外辐射光谱的观测与分析

孙　鹏,何　捷3,赵晓艳,左浩毅,杨经国

四川大学物理系,四川成都　610064

摘　要　利用紫外CCD 光学多道分析器,对成都地区2006年3月至7月UVA 和UVB 波段太阳紫外辐射

光谱进行了观测,对这一地区紫外辐射的基本特征进行了统计分析。分析表明:太阳紫外辐射在一天内早晚小,中午大,一年中6月份达到最强,与太阳天顶角的变化密切相关;UVB 辐射积分通量远小于UVA 辐射积分通量,其比值一般小于0104,在天气晴好时下午大于上午;雾能导致UVB 辐射积分通量与UVA 辐射积分通量的比值增大,其原因是雾对UVA 辐射衰减强于对UVB 辐射衰减;云对太阳紫外辐射存在异常吸收。

关键词　太阳紫外光谱;CCD 光学多道分析器;UVA ;UVB 中图分类号:P18213 文献标识码:A 文章编号:100020593(2008)0420875204

　收稿日期:2006212201,修订日期:2007203206

　基金项目:国家自然科学基金项目(60478044,10475058)资助

　作者简介:孙　鹏,1982年生,四川大学物理学院在读研究生 e 2mail :peng3219@

3通讯联系人 e 2mail :schjdxx163@1631com

引　言

尽管太阳紫外辐射在太阳总辐射中只占很小的比例(紫

外波段辐射能量约占太阳辐射总能量的8%),但因其对生物学、医学及环境科学方面具有重要影响,因此受到人们的广泛关注[1]。

到达地表的太阳紫外辐射要受到臭氧层吸收,光化学反应,气溶胶粒子及云滴粒子散射,空气分子散射,以及测站纬度和太阳天顶角等因素的影响

[2]

。大气臭氧层吸收了太阳

紫外辐射的70%～80%[3],构成了对地球生态系统的一个天然保护层。随着大气污染的进一步加剧,大气中氟氯化烃(CFC S )、氮氧化物(N 2O )等化学物质含量的显著升高,使平流层的臭氧(O 3)层逐年变薄,导致到达地面的太阳紫外辐射不断增强。这将对动物、植物以及人类本身造成许多不良的影响,使人类的生存环境面临巨大威胁[4]。太阳紫外辐射的过度照射会对人的健康产生不利影响,使人容易患白内障、皮肤癌等疾病,并使人的免疫系统受到干扰,导致一系列传染病和免疫系统疾病的发生[5]。因此,有必要对太阳紫外辐射进行有效的观测,研究太阳紫外辐射的特征和传输规律,制定出切实可靠的应对方法。成都地区地处西南腹地,云雾多晴天少,紫外辐射的观测有一定难度。

目前,太阳紫外辐射探测主要是采用滤色片式的分波段总量测量,其缺陷是不能对太阳紫外辐射各光谱段进行精确

测量,难以分析和判断各光谱段对环境和人体的影响。冯志庆、李福田[6]、刁丽军[7]等人使用光栅光谱仪分光、光电倍增管接收,测量了太阳紫外辐射光谱。使用光电倍增管接收方法及光栅扫描,难以实现光谱的实时探测。赵晓艳等成功地使用紫外CCD 光学多道分析器观测了成都地区2005年冬季的太阳紫外辐射光谱[8]。为获得成都地区紫外辐射详细信息,研究这一地区紫外辐射的基本规律,本工作使用自制紫外光学多道分析器对成都地区2006年3月至7月太阳紫外辐射光谱进行了长期系统的测量,同时将所测结果与紫外辐射表测量结果进行对比分析,获得了有意义的研究结果。

1　实验装置

紫外CCD 光学多道分析器基本结构如图1所示。入射太阳光由可变光阑L 调节入射光强,经石英凸透镜P 会聚,由紫外光纤导入光栅多色仪,经光栅分光后光谱图像被紫外

CCD 探测器(CCD ,EG &G RETICON RL2048D KQ )转换为相应的电信号,在专用驱动电源(CCD driver )支持下,信号经放大,采样保持,模数变换,进入专用微机(MPC )[9]。自编的Visual C ++专用应用软件用于系统控制,实现太阳紫外辐射光谱的采集分析。所研制的紫外CCD 光学多道分析器应用于太阳紫外光谱采集时,一次采集紫外光谱范围:280

～395nm ,光谱分辨率为0105nm/pixel 。多道分析器光谱波长用紫外Hg 光谱灯谱线31310和36511nm 校正,光谱强度由该CCD 器件光谱响应曲线校正。

2　光谱测量及结果分析

对成都市区2006年3月至7月的UVA 和UVB 波段太阳紫外辐射光谱进行了长期系统观测。为了能全天观测太阳紫外光谱,避免地面建筑物及植被的影响,所有观测均在四川大学第二理科楼(成都市区南一环外侧)楼顶天台上进行。 图2为用紫外CCD 光学多道分析器2006年4月27日测得的UVB 和UVA 波段光谱,图2(a )中3

条谱线由下至

Fig 11　I nstrument for solar ultraviolet spectra irradiance

上依次是9:00,11:00,13:00采集得到,图2(b )中3条谱线由上至下依次是13:00,15:00,17:00采集得到。从图中可以看出,紫外谱线强度早晚小、中午大,与太阳天顶角的变化成反相关

。

Fig 12　Solar ultraviolet irradiance spectra on April 27th ,2006

(a )1:9:00;2:11:00;3:13:00;(b )4:13:00;5:15:00;6:17:00

将所测光谱在UVB 和UVA 波段进行积分,获得UVB

和UVA 辐射积分通量。图3(a )是2006年4月7日UVB 辐射积分通量与UVA 辐射积分通量的比值在一天内的变化曲线,曲线显示比值下午大于上午,在傍晚达到最大(01066)。为了能在同一幅图中显示UVB 和UVA 一天内的变化趋势并利于比较,将UVB 和UVA 在不同时刻的辐射积分通量F 与各自的初始值F 0相比并取对数,得到图3(b )(由于UVA 辐射积分通量在16:00小于9:00,

致使数据点出现负值)。

Fig 13　Analytic result of solar ultraviolet irradiance spectrum on April 7th ,2006

(a ):UVB/UVA date change curve ;(b ):UVB and UVA date change curve ;1:UVA ;2:UVB

从图3(b )可以看出,UVB 和UVA 辐射积分通量均符合早晚小,中午大的规律。UVA 辐射积分通量的变化相对UVB 要更加剧烈,因此图3(a )中UVB 辐射积分通量与

UVA 辐射积分通量的比值在一天内的变化趋势更多的由UVA 辐射积分通量决定。

图3(a )显示,在一天中的绝大部分时间,UVB 辐射积分通量与UVA 辐射积分通量的比值不会超过0104,只有在傍晚光线很弱的情况下,此比值才会大于0104,2006年3月至7月其他晴天的观测也符合得很好。由此可见到达地表的

UVB 辐射积分通量远小于UVA 辐射积分通量,而波长更短

的UVC 在地面几乎探测不到。事实上大气臭氧层对UVA

很少吸收,对UVC 几乎可以吸收殆尽,其变化与UVB 关系最为密切。

图4是2006年3月至7月UVB 和UVA 辐射积分通量日最大值变化情况和多项式拟合曲线。从测量结果可见,从3月到6月,UVB 和UVA 辐射积分通量均逐渐增大,6月到7月又逐渐减小,可见6月份的紫外辐射最强。由于太阳

赤纬角在6月达到一年中的最大值(2314°

),此时天顶角最678光谱学与光谱分析 第28卷