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太陽(yáng)輻射，是指太陽(yáng)以電磁波的形式向外傳遞能量，太陽(yáng)輻射所傳遞的能量，稱太陽(yáng)輻射能。

地球所接受到的太陽(yáng)輻射能量雖然僅為太陽(yáng)向宇宙空間放射的總輻射能量的二十二億分之一，但卻是地球大氣運(yùn)動(dòng)的主要能量源泉，也是地球光熱能的主要來(lái)源。如杭州秋籟的光纖光譜儀具有高精度、高靈敏度、寬光譜范圍、快速響應(yīng)、良好的溫度穩(wěn)定性和可靠性等優(yōu)點(diǎn)，在測(cè)量太陽(yáng)輻射時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確捕捉太陽(yáng)輻射的細(xì)微變化，能夠快速響應(yīng)光信號(hào)的變化，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)測(cè)量，捕捉太陽(yáng)輻射的瞬時(shí)變化。

二、實(shí)驗(yàn)部分

1.實(shí)驗(yàn)原理

光纖光譜儀通過光纖將太陽(yáng)光引入光譜儀內(nèi)部，利用光譜分析器對(duì)光信號(hào)進(jìn)行分散，將不同波長(zhǎng)的光信號(hào)分離出來(lái)，并通過探測(cè)器測(cè)量其光強(qiáng)度。最終得到的光強(qiáng)度隨波長(zhǎng)變化的曲線即為太陽(yáng)輻射的光譜圖。根據(jù)光譜圖，可以分析太陽(yáng)輻射的波長(zhǎng)分布、能量分布等特性。

2. 實(shí)驗(yàn)步驟

(1)選擇一個(gè)開闊的地點(diǎn)，避免建筑物、樹木等遮擋物影響測(cè)量結(jié)果。將Y型光纖一端連接光譜儀，另一端安裝在支架上，將安有余弦校準(zhǔn)器的一端對(duì)準(zhǔn)天空，另一端對(duì)準(zhǔn)地面。用USB線將光譜儀與電腦相連。儀器連接如圖1所示。

圖1 光纖光譜儀測(cè)量太陽(yáng)輻射儀器連接圖

(2)打開光譜采集軟件，選擇運(yùn)行模式為“輻照度模式”。

(3)堵住支架下方的光纖口，點(diǎn)擊“單次采集”，再點(diǎn)擊“輻照度”，即可獲得天空的輻照度光譜;堵住支架上方的光纖口，點(diǎn)擊“單次采集”，再點(diǎn)擊“輻照度”，即可獲得草地的輻照度光譜;

03.實(shí)驗(yàn)結(jié)果

我們可以通過直接測(cè)量天空的太陽(yáng)輻射和測(cè)量照射到草地上反射的二次輻照研究太陽(yáng)輻射光譜。

我們對(duì)著天空測(cè)量了太陽(yáng)的輻射照度光譜，結(jié)果如下圖。

 圖2 天空的輻射光譜

太陽(yáng)光的能量主要集中在可見光波段和短波紅外波段。當(dāng)太陽(yáng)光從天空照射下來(lái)時(shí)，大氣中的元素，例如氫、氦、鈉、鐵等會(huì)在特定波長(zhǎng)處吸收光子，形成吸收峰。

同時(shí)，氣體分子，如氧氣、二氧化碳、水蒸氣等也會(huì)在特定波長(zhǎng)吸收太陽(yáng)輻射。此外，大氣中還會(huì)發(fā)生瑞利散射、拉曼散射、地球表面反射等現(xiàn)象，這些現(xiàn)象的存在使得太陽(yáng)輻射在穿過大氣層到達(dá)地球表面時(shí)，某些光譜區(qū)域的輻射能量受到較大的衰減，從而影響地面接收到的太陽(yáng)輻射的光譜特性，這些反映到輻照度光譜中就是在不同波長(zhǎng)處的吸收峰。

從圖中可以明顯觀察到在430.774 nm處夫瑯禾費(fèi)線G-線、486.134 nm處夫瑯禾費(fèi)線F-線、517.270 nm處夫瑯禾費(fèi)線b2-線、589.592 nm處夫瑯禾費(fèi)線D1-線、556.281 nm處夫瑯禾費(fèi)線C-線的吸收峰;688 nm和760 nm處氧氣的吸收峰;935 nm附近水蒸氣的吸收峰;此外還有一些大氣氣溶膠和顆粒物、二氧化碳、其他有機(jī)分子或污染物的影響。

通過分析這些吸收峰，我們可以了解大氣中的化學(xué)成分、溫度、壓力等信息，這對(duì)于氣候研究、環(huán)境監(jiān)測(cè)和天體物理學(xué)等領(lǐng)域都具有重要意義。

草地的太陽(yáng)輻射光譜測(cè)量結(jié)果如圖3所示。

圖3 草地的輻射光譜

從圖中可以看出，在500-600nm之間出現(xiàn)了綠峰，這是由于葉綠素對(duì)綠光的強(qiáng)烈反射，草地在這一波段的反射率較高。在700nm附近，輻射亮度較低，這是因?yàn)槿~綠素對(duì)紅光的吸收較強(qiáng)，導(dǎo)致這一波段的反射率較低，形成紅谷。在近紅外波段，由于光在葉片內(nèi)部的多次散射，草地在這一波段的反射率較高，形成近紅外平臺(tái)。此外，光譜圖中可以看到在760nm附近大氣對(duì)氧氣的吸收峰、在近紅外區(qū)域水分子和二氧化碳的吸收峰等。這些特征峰的存在成為研究植被生理狀態(tài)、生物量和生長(zhǎng)狀況的重要工具。通過分析這些特征峰的位置、強(qiáng)度和形狀，可以獲取草地植被的多種信息。

通過天空太陽(yáng)輻射和草地太陽(yáng)輻射的數(shù)據(jù)，可以計(jì)算出草地的反射率，結(jié)果如下圖所示。

圖4 草地的反射率光譜

從圖中可以看出，在500-600 nm區(qū)域出現(xiàn)了反射峰，這是因?yàn)椴莸刂腥~綠素和類胡蘿卜素對(duì)光的反射。在近紅外區(qū)域，反射率相對(duì)較高，這是由于植物內(nèi)部細(xì)胞結(jié)構(gòu)、水分含量、大氣中二氧化碳和土壤背景的影響。草地反射光譜的特征峰是遙感監(jiān)測(cè)植被生長(zhǎng)狀況、生物量、水分含量和健康狀況的重要依據(jù)。通過分析這些特征峰，可以更好地理解草地生態(tài)系統(tǒng)的功能和狀態(tài)。利用反射率，我們可以了解歸一化植被指數(shù)(Normalized Difference Vegetation Index，NDVI)、增強(qiáng)植被指數(shù)(Enhanced Vegetation Index，EVI)、比值植被指數(shù)(Ratio Vegetation Index，RVI)、差值環(huán)境植被指數(shù)(Difference Vegetation Index，DVI)、葉面積指數(shù)(Leaf Area Index，LAI)和植被覆蓋度等多種植被參數(shù)。植被參數(shù)NDVI是反映土地覆蓋植被狀況的一種遙感指標(biāo)。其定義為近紅外通道與可見光通道反射率之差與之和的商，具體計(jì)算公式為NDVI=(NIR-R)/(NIR+R)，其中NIR為近紅外波段的反射值，R為紅光波段的反射值。NDVI能夠反映植被的生長(zhǎng)狀態(tài)、植被覆蓋度以及消除部分輻射誤差等。它是評(píng)估植被健康狀況和生長(zhǎng)情況的重要指標(biāo)。通過測(cè)量作物地區(qū)的NDVI值，農(nóng)民和農(nóng)業(yè)科學(xué)家可以了解作物的健康狀態(tài)和生長(zhǎng)潛力，從而及時(shí)采取措施，如施肥、灌溉和病蟲害防治，以保證作物的產(chǎn)量和質(zhì)量。

我們使用光纖光譜儀測(cè)量了葉綠素誘導(dǎo)熒光(Solar-Induced Chlorophyll Fluorescence，SIF)的光譜信號(hào)。葉綠素誘導(dǎo)熒光是植物葉綠體在光照條件下，吸收光能后部分能量以熒光形式釋放出來(lái)的現(xiàn)象。這種熒光信號(hào)與植物的光合作用過程緊密相關(guān)。通過監(jiān)測(cè)葉綠素誘導(dǎo)熒光的強(qiáng)度和變化，可以深入了解植物光合作用的動(dòng)態(tài)過程和效率。我們?cè)谕惶靸?nèi)每隔一個(gè)小時(shí)采集這段時(shí)間內(nèi)SIF的平均值，一天中不同時(shí)間的SIF平均值的測(cè)試結(jié)果如下圖所示。

圖5 一天中不同時(shí)間的SIF變化情況

從圖中可以看出，隨著時(shí)間的變化，由于太陽(yáng)位置的移動(dòng)，光照強(qiáng)度會(huì)發(fā)生變化，植物的光合作用速率也隨之發(fā)生變化，造成了SIF的變化。中午時(shí)光照強(qiáng)，植被組織中的葉綠素分子會(huì)吸收更多的光能，產(chǎn)生更強(qiáng)的熒光發(fā)射，從而使SIF值較高。而傍晚時(shí)日照條件較差，因此SIF值較低。

葉綠素誘導(dǎo)熒光在作物測(cè)量中的應(yīng)用具有廣泛的前景和重要的價(jià)值。葉綠素?zé)晒馀c葉綠素含量密切相關(guān)，通過測(cè)量葉綠素誘導(dǎo)熒光可以間接評(píng)估作物的葉綠素含量，從而了解作物的生長(zhǎng)狀態(tài)和營(yíng)養(yǎng)狀況。葉綠素含量的多少直接反映了作物的光合作用能力和生長(zhǎng)潛力。作物在遭受干旱、鹽堿、高溫等非生物脅迫時(shí)，其葉綠素?zé)晒馓匦詴?huì)發(fā)生變化。通過測(cè)量葉綠素誘導(dǎo)熒光可以評(píng)估作物對(duì)非生物脅迫的響應(yīng)和耐受性，為制定逆境應(yīng)對(duì)措施提供科學(xué)依據(jù)。葉綠素誘導(dǎo)熒光還與作物的光合作用效率密切相關(guān)，而光合作用效率是影響作物產(chǎn)量的關(guān)鍵因素之一。因此，通過監(jiān)測(cè)葉綠素誘導(dǎo)熒光可以預(yù)測(cè)作物的產(chǎn)量潛力，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)規(guī)劃提供參考。此外，綠素?zé)晒饪梢苑从匙魑飳?duì)養(yǎng)分的吸收和利用情況。通過測(cè)量葉綠素誘導(dǎo)熒光可以診斷作物的養(yǎng)分需求狀況，為精準(zhǔn)施肥提供依據(jù)。例如，當(dāng)作物缺乏某種營(yíng)養(yǎng)元素時(shí)，其葉綠素?zé)晒馓匦詴?huì)發(fā)生變化，從而提示種植者需要補(bǔ)充相應(yīng)的養(yǎng)分。

三、實(shí)驗(yàn)結(jié)論

使用高分辨光纖光譜儀可以準(zhǔn)確簡(jiǎn)單、快速方便地測(cè)量出太陽(yáng)輻射光譜。在測(cè)量光譜輻射強(qiáng)度分布、光合有效輻照度(PAR)、光質(zhì)比、光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度、作物生長(zhǎng)和發(fā)育指標(biāo)等方面具有重要應(yīng)用。通過這些測(cè)量數(shù)據(jù)，可以深入了解太陽(yáng)輻射對(duì)作物生長(zhǎng)和發(fā)育的影響機(jī)制，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)。