太阳辐射的波谱特征简析

在遥感中，传感器接收的地物反射的电磁波主要来源于太阳的电磁波辐射。地物的电磁波反射特性与太阳的照度有密切关系。我们可以把太阳辐射近似地看作黑体辐射，它的球体表面温度约为5770 K，它每秒输送到地球的能量约为1.72×1016J，地球上的能源主要来自太阳。太阳所辐射的峰值波长λmax在0.50μm上下波动。

太阳常数：不受大气影响，在距太阳一个天文单位（日地平均距离）内，垂直与太阳光辐射方向上，单位面积、单位时间内黑体所接收的太阳辐射能量。这个数值大小为：

I＝1360W/m2

这个数值表示在大气顶端，每平方米在每秒内接受的太阳能量为1 360 J。由于大气对太阳辐射的吸收，因此地面的太阳常数与大气层上的太阳常数相差巨大，这个差值大概为40%左右。直到人造卫星上天，科学家才解除大气对太阳常数的干扰。通过长期观测，太阳常数的变化不超过1 %。

这个常数很重要。通过对太阳常数的测量，和已知的日地平均距离，可以很容易计算太阳的总辐射通量，即太阳每秒释放的能量等于3.826×1026J。再加上太阳的半径，又可以求出太阳表面的辐射出射度M＝6.284×107W/m2。

图2-4给出了日地平均距离上太阳辐照度的分布曲线。图中的黑色曲线是5 800 K的黑体理论计算的曲线，这个曲线与大气层上界的太阳辐照度曲线基本吻合。而海平面上的太阳辐照度曲线明显在这两个曲线下方，而且成锯齿状。这说明两个问题：一是大气对太阳辐射有吸收作用；二是大气中含有各种气体，化学物质不同，因此对太阳辐射的电磁波有选择性地吸收，即对某些波长的电磁波吸收明显，而对某些波长的电磁波吸收偏弱。这就引出大气窗口的概念，这个概念在下节讲。

图2-4　地球表面太阳光谱辐照度分布曲线图(www.xing528.com)

在这里，再介绍一个物理现象，现在称为夫琅禾费谱线（或者称夫琅禾费吸收线）。即用高分辨率光谱仪观察太阳光谱时，无论在大气外层还是地面，都会发现连续光谱的明亮背景上有许多离散的暗谱线，这个暗色谱线，称为夫琅禾费吸收线，大约有26 000条。这些暗色谱线的产生，是因为太阳和大气中的化学元素构成的不同引发的。今天靠这些谱线，科学家们已经认证出太阳光球中存在的69种元素及它们在太阳大气中所占的比例。通常认为，太阳球体是一个巨大的球体，其中H元素占78.4%，He元素占19.8%，O元素占0.8%等。

夫琅禾费（Joseph von Fraunhofer，1787年—1826年），德国物理学家，1787年3月6日生于斯特劳宾，父亲是玻璃工匠。夫琅禾费幼年当学徒，后来自学了数学和光学。夫琅禾费11岁便成了孤儿，在慕尼黑的一家玻璃作坊当学徒。1801年，这家作坊的房子崩塌，巴伐利亚选帝侯马克西米利安一世亲自带人将其从废墟中救出。马克西米利安一世十分爱护夫琅禾费，为其提供了书籍和学习的机会。8个月后，夫琅禾费被送往著名的本讷迪克特伯伊昂修道院的光学学院接受训练，这所本笃会修道院十分重视玻璃制作工艺。1818年，夫琅禾费成为该院的经理，1823年担任慕尼黑科学院物理陈列馆馆长和慕尼黑大学教授、慕尼黑科学院院士。由于夫琅禾费的努力，巴伐利亚取代英国成为当时光学仪器的制作中心，连迈克尔·法拉第也只能甘拜下风。1824年，夫琅和费被授予蓝马克斯勋章，成为贵族和慕尼黑荣誉市民。

夫琅禾费自学成才，一生勤奋刻苦，终身未婚，1826年6月7日因肺结核、重金属中毒等原因在慕尼黑逝世，年仅39岁。夫琅禾费集工艺家和理论家的才干于一身，把理论与丰富的实践经验结合起来，对光学和光谱学作出了重要贡献。1814年他用自己改进的分光系统，发现并研究了太阳光谱中的暗线。他发现了574条黑线，这些线今天被称作夫琅禾费谱线。他还利用衍射原理测出了它们的波长。他设计和制造了消色差透镜，首创用牛顿环方法检查光学表面加工精度及透镜形状，对应用光学的发展起了重要的作用。他所制造的大型折射望远镜等光学仪器负有盛名。他发表了平行光单缝及多缝衍射的研究成果（后人称之为夫琅禾费衍射），做了光谱分辨率的实验，第一个定量地研究了衍射光栅，用其测量了光的波长，以后又给出夫琅禾费光栅方程。

下面我们看看，太阳辐射在地球表面随波长不同的能量分配。表2-2列出了太阳辐射各波段所占总辐射能量的百分比。可以看出，太阳辐射的主能量在可见光和近红外波段，分别占比43.5%和36.8%。这两部分的能量之和占到了总能量的80%，其他波长的电磁波仅占20%。而从近紫外到中红外这一波段区间能量最集中，而且最稳定，太阳强度变化最小。在其他波段如X射线、γ射线、远紫外及微波波段，尽管它们的能量加起来不到 1%，可是变化却很大。一旦太阳活动剧烈，如黑子和耀斑爆发，其强度也会有剧烈增长，最大时可差上千倍，对地球影响巨大。但就遥感而言，被动遥感主要利用可见光、红外等稳定的辐射，在这些波段监测，对遥感最为有利。

表2-2　太阳辐射各波段所占总辐射能量的百分比