为何需要「太空」太阳能标准？AM0的独特意义

在地球上，太阳光谱会受到大气层的显著影响，包括吸收和散射，尤其是在紫外线和蓝光波段 。大气层中的水蒸气、臭氧、气溶胶等成分会吸收特定波长的能量，导致光谱形状和总能量发生变化 。

「AM0」（Air Mass Zero）标准应运而生，它代表了在地球大气层之外、距离太阳1个天文单位（AU）处的太阳光谱。这与地球表面常见的「AM1.5」标准（考虑了穿过1.5个标准大气层厚度的太阳光）形成鲜明对比，AM1.5主要用于陆地光伏应用 。AM0标准的总辐照度为1366.1 W/m² ，这是一个关键的参考值，被称为「太阳常数」。尽管太阳常数并非绝对恒定，会因太阳活动而有约0.1%的波动，但在AM0标准中通常使用静态值以保持一致性 。

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，图片取自Characteristics of InGaN/sapphire-based photovoltaic devices with different superlattice absorption layers and buffer layers

AM0标准的确立是太空光伏技术发展的基础。没有一个统一的、精确的太空太阳光谱标准，不同研究机构和制造商之间就无法进行有意义的性能比较，这会严重阻碍技术的迭代和优化。这种标准化需求直接催生了对高空测量和模拟器技术的巨大投入和发展，以弥补无法直接在太空大规模测试的局限性。这种对标准化的追求，是确保太空光伏技术从实验室走向实际应用的关键一步。

本文将详细介绍太阳常数测量的演进历程和AM0标准的建立过程，从19世纪的地面热学实验到现代的精密卫星观测，展现这段近两百年的科学探索轨迹如何逐步演化成今日太空光伏技术和卫星设计的标准基础。

地面观测时代：太阳常数的测量与挑战

早期地面观测时代

1838 年，法国物理学家Claude Pouillet（克劳德·普意叶）与英国博学家John Herschel（约翰·赫歇尔）首度尝试以热学仪器（如 pyrheliometer 和 actinometer）量化测定太阳辐射，Pouillet 测得约 1,228 W/m²，略低于约 1,360–1,370 W/m²，显示方法虽有大气吸收等系统误差，但结果已相当接近现代值。

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

1881年，美国科学家Samuel P. Langley（朗利）携带自创的bolometer（螺栓电阻辐射计），远赴加州圣威帝山（Mt. Whitney，海拔约4,421公尺）进行高海拔观测。他透过多波长、多海拔的测量方式，从光谱角度系统地扣除大气对太阳辐射的吸收，证实大气吸收率的确随波长而变化。Langley 的初步计算结果高达 约 2,903 W/m²，几乎是现代卫星值（约 1,367 W/m²）的一倍。后来，其助手 Charles G. Abbot 根据相同实验数据进行重新分析，考虑更精确的数据处理方式，将太阳常数修正为 约 1,465 W/m²。

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

系统性观测时代

20 世纪初期，Charles Greeley Abbot（C. G. Abbot） 接任史密森天体物理台（Smithsonian Astrophysical Observatory, SAO）台长后，积极推动全球多地长期观测太阳常数。他先后在智利安地斯高地（如 Calama/Montézuma）、加州威尔逊山（Mt. Wilson）、亚利桑那州的 Harqua Hala 与 Table Mountain，以及纳米比亚、埃及等地设立观测站，以避开大气干扰、搜集多地资料。

经多年累积这些高海拔、干净空气条件下的长期观测，Abbot 发现外大气层顶的平均太阳常数集中在 1,322–1,548 W/m²（即 2.0 于 ±2% 卡/分钟/平方公分），最终将其定义为约 1,350 W/m²，后续数据浮动范围缩窄至 1,350–1,400 W/m²，常见值约落在 1,360 W/m² 左右 。

他还报告这些数值伴随太阳黑子周期亦有小幅变化（3–10%），虽后来被证实多为大气校正误差，但 Abbot 的这套全球观测网架构奠定了现代太阳常数研究基础。

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

高空观测时代

1946 年，美国研究实验室（Naval Research Laboratory, NRL）利用战后获得的 V‑2 探空火箭，搭载自制紫外线摄谱仪，于 10 月 10 日从 White Sands 发射升空，飞行至约 88 公里（约 55 km）高度，拍摄到人类首张来自太空的太阳紫外光谱，覆盖波长下限达约 220 nm 左右，突破臭氧层阻隔效果 。

随后数年间（1946–1951），NRL 和其他机构在多次 V‑2 探空任务中持续改进仪器，先后收集到 200–300 nm 紫外光与更高能的 X 射线波段太阳辐射数据，奠定人类对地外气层上方短波辐射的第一手观测基础 。

1960年代，NASA开始使用载人飞机在11-12公里高空测量0.3至2.5微米范围的太阳光谱。这些高空平台大幅降低大气和水气影响，使所得太阳总辐照度结果更加接近真值。

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

数值收敛时代

1969 至 1984 年间，来自不同团队的高空与地面观测结果在太阳常数估值上趋于一致：

• Arvesen      等人（1969 年） 使用飞机平台进行测量，得出 1390 W/m²（1.99 cal/cm²/min）（航空飞行高度约 11.6–12.5 km）。

• Thekaekara      等人（1970 年） 基于类似高空测试，报告估值为 1353 W/m²，此数据之后也被选作 ASTM      E490‑73a AM0 标准基础。

• Labs 与      Neckel（1984 年） 结合地面测量与早期飞行数据，整合出约 1358 W/m²。

这些独立数据集彼此高度重迭，使得当时科学界普遍将太阳常数的共识估定为 1,350±40 W/m²（亦即 1,310–1,390 W/m² 范围），显示估测不确定度大幅收敛。

从高空到太空：卫星时代的直接观测与ASTM E490标准诞生

人造卫星元年与太空太阳能应用

1957–58 年的人造卫星元年，开启了人类太空直接观测太阳的新篇章。1958 年 3 月 17 日，由美国研究实验室（NRL）研发的 Vanguard 1 卫星（质量约 1.46 kg、直径约 15 cm 铝质球体）成功升空，成为第一颗使用太阳能电池供电的卫星。

设置与发射成果

• Vanguard 1 表面共配置了 六片硅晶小型太阳能电池板，驱动一颗功率约 5 mW 的 108.03 MHz 发射机，而另一颗由汞电池供电的发射机则功率为 10 mW, 仅持续运作约 20 天 。

• 相较之下，太阳能电池供电的发射机持续传输信号 超过六年直到 1964 年 5 月，成为「电池死亡、太阳能继续传播」的划时代证明 。

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

太空太阳能时代的到来

1962 年 7 月 10 日，美国与贝尔实验室（Bell Labs）合作推出的 Telstar 1 通信卫星 成功发射，成为首颗有源跨大西洋中继通讯卫星。该球形卫星直径约 88 cm、重量约 77 kg，其外壳覆盖约 3,600 片硅晶太阳能电池（总功率约 14 W），并搭配镍镉电池储能作为电力来源。

在发射后的几个月中，Telstar 1 透过太阳能成功驱动放大器与发射系统，进行实况电视转播与电话联机。其中包括 1962 年 7 月 11 日传输美国国旗影像，以及 7 月 23 日的公开跨大西洋电视直播 。

1962 年 7 月 9 日的高空核试验 Starfish Prime，在约 400 km 高空引爆，制造出人工辐射带，导致 Telstar 1 的辐射损伤。受损后，Telstar 在 1962 年 11 月命令通道失效；虽曾经再度修复运作，但最终于 1963 年 2 月停止运作 。

Telstar，图片取自National Air And Space Museum

标准制定的起步

1971 年，NASA 高达德太空飞行中心（Goddard Space Flight Center）的印度裔美籍光谱学家 Matthew P. Thekaekara 与 A. J. Drummond 在《Nature Physical Sciences》期刊发表文章，建议制定「工程用途」的标准 AM0 太阳光谱以及对应的太阳常数值，奠定太空应用设计所需的光谱基础。

• 1973 年，Thekaekara 综合当时最佳的高空与地面观测资料，汇整出一套涵盖 0.2–4 µm 的准确 AM0 太阳光谱，并由他与 Drummond 编辑于书籍《The Extraterrestrial Solar Spectrum》中公开发布。

• 随后于 1974 年，ASTM 实行此光谱数据作为 AM0 标准，正式收录于 ASTM E490‑73a 「Solar Constant and Zero Air Mass Solar Spectral Irradiance Table」 中，这是专门为航天工程用途制定的太空太阳光谱标准。

• 根据 Thekaekara 的 0.2–4 µm 光谱积分，ASTM E490‑73a 将太阳常数定为 约 1353      W/m²，成为各工程设计与研究应用的基准值。

卫星观测的精进

1976 年，NASA 发射 Nimbus 7 卫星，搭载精密的腔辐射计（Earth Flux Monitor, EFM）。1978 年至 1979 年期间，其观测报告的平均太阳总辐照度为 约 1376 W/m²，波动范围 ±0.05%（±0.7 W/m²）。

1980 年，Solar Maximum Mission (SMM) 任务中的 ACRIM（Active Cavity Radiometer Irradiance Monitor） 启用，与 Nimbus 7 的数据进一步比对与整合，揭示了太阳常数随 11 年太阳活动周期发生 0.1–0.2% 的变化。

这一系列太空测量结果也促成对太阳常数最佳估值轻微上调至 1360–1370 W/m² 的共识，并将不确定度收敛至 ±0.03–0.05%。

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

现代标准的确立

2000 年，ASTM 正式发布 E490‑00 版「Air Mass Zero 太阳光谱标准」，成为航天与太空光伏应用的重要依据。新版光谱整合了：

• UV 波段（119.5–410      nm），采自 UARS 卫星 SUSIM 与 SOLSTICE 的 1993 年平均数据；

• 可见光段（410–825 nm），引用 Kitt Peak 高解析地基光谱；

• 红外段（825 nm–4 µm），采用 Kurucz 理论模型；

• 长波段（4–1000 µm），由 Smith 与 Gottlieb 的观测资料 外推。

所有片段经波段拼接、微调平滑后，最终整体太阳常数校准为 1366.1 W/m²，成为新的标称值。

小结与现况

• Nimbus 7 和 ACRIM 的卫星观测不仅揭示太阳常数随太阳周期的细微变化（±0.1–0.2%），还将估值微调至 1360–1370 W/m² 的精确范围；

• ASTM      E490‑00 则以综合多平台观测与模型数据建立精细 AM0 光谱，并将常数标称值定为 1366.1 W/m²；

• 截至 2020 年代，此常数仍为航天工程、太空光伏与精密稳态模型常用依据，被广泛采纳于设计与校正流程中。

Enlitech的AM0太阳光模拟器SS-ZXR 符合ASTM和ECSS的标准，光强可达1366 w/m2，真正吻合AM0规范。

时间轴整理

地面观测时代：测量与挑战

• 1838 年：Pouillet（法国）与 Herschel（英国）以 pyrheliometer 和      actinometer 首测太阳辐射，Pouillet 得值约 1,228 W/m²，显示地面实验结果已接近本初值（1,360–1,370 W/m²）。

• 1881 年：Langley 于 Mt. Whitney 以 bolometer 进行高海拔多波长观测，初算值高达      ~2,903 W/m²，后由其助手 Abbot 修正为 ~1,465 W/m²，揭示大气吸收的波长依赖性。

系统性观测时代

• 20 世纪初：C. G. Abbot 在智利安地斯、Mt. Wilson 等地建立多处高海拔观测站，多年平均结果集中于      1,322–1,548 W/m²，最终标定约 1,350 W/m²，范围收敛至 1,350–1,400 W/m²，并指出部分与黑子周期相关，但后来发现为大气校正问题。

高空观测时代

• 1946–1951      年：NRL 利用 V‑2 探空火箭进行高空紫外与 X 光测量，成功拍摄首张太空紫外光谱，覆盖波段 200–300 nm 及 X 射线，奠定短波辐射观测基础。

• 1960 年代：NASA 高空飞机（11–12 km）测量 0.3–2.5 µm 波段，避开水气与大气吸收，让所得太阳总辐照度更接近太空真值。

数值收敛时代

• 1969 年：Arvesen 等人得出 1,390 W/m²（飞机平台）；

• 1970 年：Thekaekara 等人报出 1,353 W/m²（高空）；

• 1984 年：Labs 与 Neckel 结合地面与高空数据得 1,358 W/m²。
       这些测值使共识汇聚于 1,350 ± 40 W/m² 范围内。

卫星观测与标准建立

• 1976–1980      年：Nimbus 7 的 EFM 探测器与 SMM 任务中的 ACRIM 辐射计揭露太阳常数有      0.1–0.2% 的 11 年周期变动，并微调估值至 1,360–1,370 W/m²。

• 2000 年：ASTM E490‑00 标准发布，整合包括 UARS      SOLSTICE/SUSIM（UV）、Kitt Peak（可见光）、Kurucz 模型（IR）及 Smith/Gottlieb（长波）等多源数据，最终校准太阳常数为 1,366.1 W/m² 。

概览时间轴

EnliTech SS‑ZXR — 真实重现太空 AM0 光谱的模拟器

在探索 AM0（Air Mass Zero）规范演进的历程中，最关键的一环便是将理论光谱转化为可实测、可验证的光源。EnliTech SS‑ZXR 在此领域中脱颖而出：

• 精准光谱对应：SS‑ZXR 匹配 ASTM E490-00 所定义的 AM0 光谱，输出辐照度高度稳定于 1366 W/m²，并保持空间一致性 < 2%

• 符合国际太空标准：同时通过 ASTM 与 ECSS（欧洲太空标准）的严格验证，确保在波段匹配、均匀度与时间稳定度方面皆达航天级规范

• 高耐久性与适应性：采用高温耐受的 xenon短弧灯设计，有效避免 LED 光源在高于25°C 工作环境中的劣化问题，搭配光学结构，提供光源寿命与光强调整灵活性

• 为太空光伏而生：设计目标为 Space‑Grade 硅晶、III‑V、钙钛矿太阳电池，SS‑ZXR 不仅精准再现 0.2–4 µm AM0 端光谱，亦可透过配合 IVS‑KA6000      控制软件实现动态强度补偿，支持整合测试与高阶定速策略。

AM0标准的现况与未来展望

截至2020年代中期，ASTM E490（2000年版）仍是国际航天界普遍采用的AM0太阳光谱标准，总辐照度为1366.1 W/m²。然而，近年更精密的太空测量显示这一标准值可能略高于实际平均。NASA SORCE卫星上的TIM辐照计在2008-2017年期间观测到太阳极小期的TSI约为1360.9±0.5 W/m²，经跨仪器校正后，科学家提出太阳常数的新估计值约为1361.1 W/m²，比现行标准减少约5 W/m²（差异约0.4%）。

鉴于上述发现，ASTM已在2019-2022年期间召集专家审议E490标准的修订方案。未来的AM0标准很可能采用~1361 W/m²作为新的基准太阳常数，同时融入更高光谱分辨率的观测数据。太阳本身的周期活动意味着不存在「永远精确」的太阳常数值，标准中的数值更多代表长期平均的参考值。随着人类向月球、火星展开长期探测，AM0标准或许会扩充内容，提供各行星轨道处的太阳辐照对照表以供设计参考。

AM0太空光照标准的建立与发展，是科学与工程社群长期合作的结果：从最初概念提出，到火箭和卫星实测支撑，再到标准制定和不断修订，体现了科学演进和技术决策的脉络。在未来，随着观测精度提高和太阳物理新知识的累积，AM0标准将继续微调演进，但它将一如既往地在太空太阳能与航天光伏领域发挥基石作用，为研究人员和工程师提供统一而可靠的参照。

lstar，图片取自NationalAir And Space Muse