王艷艷，陳亮，楊萬均，王玲

（1.西南技術(shù)工程研究所，重慶 400039；2.重慶市環(huán)境腐蝕與防護(hù)工程技術(shù)研究中心，重慶 400039）

到達(dá)地面的太陽光是影響聚合物老化的主要因素之一[1—3]，戶外使用的聚合物材料、制件都受到它的破壞[4—10]，其中的紫外光對聚合物老化的影響最大[11—13]。在自然環(huán)境下，不同地區(qū)的陽光輻照強(qiáng)度有所不同[14—15]，在地點(diǎn)、日期、時間和天氣狀況（無云）不變的前提下，平均海拔1000 m處的總輻照強(qiáng)度比海平面上增加約10%，在3000 m處則平均增加20%～25%[16]。

文中對我國高原、西北沙漠、熱帶海洋等3個太陽輻射較強(qiáng)、聚合物老化嚴(yán)重地域的陽光光譜能量分布進(jìn)行了檢測，分析了不同地區(qū)、不同天氣狀況、不同掃描速度下的陽光光譜能量分布特性。掌握這些地區(qū)的陽光光譜分布特性及規(guī)律對更好地分析聚合物的老化規(guī)律和機(jī)理具有重要意義。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 光譜測量設(shè)備

采用OL 756型便攜式紫外-可見分光輻射度計(jì)（美國Optronic Laboratories公司）進(jìn)行光譜測量。該儀器能測量光譜輻照度、輻射亮度、透射率或反射率，可以覆蓋200～800 nm的波長范圍，波長精度為±0.15 nm，波長分辨率為0.025 nm，半譜帶寬度為0.4～10 nm，最大掃描速率為200 nm/s（快速掃描模式），光譜輻射度準(zhǔn)確度在UVA～可見00波0000000000段約為1%，UVB～UVC波段約為3%。

1.2 測量條件

在夏日正午對陽光光譜進(jìn)行檢測，將光譜儀的探頭對準(zhǔn)太陽，采集入射的太陽光，檢測時間為12：30—14：00，波長范圍為200～800 nm。在不同波段對測得的光譜能量分布曲線進(jìn)行積分，分析紫外和可見波段的能量分布。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同地域晴天的光譜能量分布特性

高原地區(qū)晴天時的陽光光譜能量分布曲線如圖1所示，積分球垂直于陽光入射方向，掃描速率設(shè)定為4（1 nm/s）。紫外-可見波段（200～800 nm）的總輻射能量為654.84 W/m2，峰值出現(xiàn)在506 nm處，該波長處的輻照強(qiáng)度為1.941 W/m2。其中紫外波段（200～400 nm）的輻射總量為56.41 W/m2，占紫外-可見波段的8.6%，峰值出現(xiàn)在400 nm處，該波長處的輻照強(qiáng)度為1.282 W/m2?？梢姴ǘ危?00～800 nm）的輻射總量為598.43 W/m2。

圖1 高原地區(qū)陽光光譜能量分布曲線（200～800 nm，晴天）Fig.1 Sunlight spectral irradiation curve in the plateau area（200～800 nm，sunny）

從測試數(shù)據(jù)中可以看出，該地域的陽光紫外截止點(diǎn)為296 nm，此波長處的輻照強(qiáng)度為1.23×10-3W/m2，在340 nm處的輻照強(qiáng)度為0.61 W/m2。

采用相同條件測得的西北沙漠地區(qū)晴天時的陽光光譜能量分布曲線如圖2所示。紫外-可見波段（200～800 nm）的總輻射能量為534.39 W/m2，為高原地區(qū)的81.6%，峰值出現(xiàn)在506 nm處，該波長處的輻照強(qiáng)度為1.570 W/m2。其中紫外波段（200～400nm）的輻射總量為40.65 W/m2，僅相當(dāng)于高原地區(qū)的72.1%，占紫外-可見波段的7.6%，峰值出現(xiàn)在400 nm處。該波長處的輻照強(qiáng)度為0.968 W/m2，可見波段（400～800 nm）的輻射總量為493.74 W/m2。

圖2 西北沙漠地區(qū)陽光光譜能量分布曲線（200～800 nm，晴天）Fig.2 Sunlight spectral irradiation curve in the northwest desert area（200～800 nm，sunny）

從測試數(shù)據(jù)中可以看出，該地域的陽光紫外截止點(diǎn)為297 nm，此波長處的輻照強(qiáng)度為1.00×10-3W/m2。

熱帶海洋地區(qū)晴天時的陽光光譜能量分布曲線如圖3所示。紫外-可見（200～800 nm）的總輻射能量為485.67 W/m2，相當(dāng)于高原地區(qū)的74.2%，西北沙漠地區(qū)的90.9%。峰值出現(xiàn)在506 nm處，該波長處的輻照強(qiáng)度為1.460W/m2。其中紫外波段（200～400 nm）的輻射總量為37.38W/m2，占紫外-可見波段的7.7%，僅相當(dāng)于高原地區(qū)的66.3%，西北沙漠地區(qū)的92.0%。峰值400 nm處，該波長處的輻照強(qiáng)度為0.896 W/m2，可見波段（400～800 nm）的輻射總量為448.29 W/m2。

圖3 熱帶海洋地區(qū)陽光光譜能量分布曲線（200 nm-800 nm，晴天）Fig.3 Sunlight spectral irradiation curve in the tropic area（200-800 nm，sunny）

從測試數(shù)據(jù)中可以看出，該地域的陽光紫外截止點(diǎn)為298 nm，該波長出的輻照強(qiáng)度為2.59×10-3W/m2。

三地陽光光譜能量分布的對比如圖4所示。可以看出，三地陽光光譜能量分布圖的形狀沒有大的變化，但強(qiáng)度有明顯區(qū)別。晴朗的天氣狀況下，高原地區(qū)的紫外-可見波段的輻照強(qiáng)度明顯比其他兩地高，在對高分子材料老化非常敏感的短波長紫外波段也是如此。西北沙漠地區(qū)的陽光的輻照強(qiáng)度比熱帶海洋地區(qū)略高。

圖4 三個地區(qū)的陽光光譜能量分布對比（晴天）Fig.4 Comparison of sunlight spectral irradiation distribution in three areas（sunny）

太陽的直接輻射在穿過地球大氣層時，紅外波段部分被水汽吸收，紫外波段部分被臭氧吸收，大氣中的氮?dú)?、氧氣及其他氣體的散射也會造成直接輻射的衰減。由于散射量與波長的四次方成反比（瑞利定律），因此只有較短波長會被明顯散射[16]。到達(dá)地面的輻照強(qiáng)度隨著海拔高度增大而增強(qiáng)，主要是由于起衰減作用的大氣厚度減小了。高原地區(qū)海拔高、空氣稀薄，對紫外光的吸收和散射相對較少，到達(dá)地面的紫外光波長更短、強(qiáng)度更高。

2.2 天氣狀況對陽光光譜能量的影響

晴天和多云兩種天氣狀況下高原地區(qū)正午陽光光譜能量分布的對比如圖5所示，積分球水平放置，兩次測試的設(shè)備狀態(tài)和參數(shù)設(shè)置相同。

圖5 不同天氣情況下陽光光譜能量分布對比Fig.5 Comparison of sunlight spectral energy distribution in different weather conditions

天空多云時，云層對太陽直接輻射的吸收量與厚度有關(guān)，且造成的散射和漫反射也隨著云量的增加而增大，因此，當(dāng)天空被云層遮蓋時，不僅直接輻射被截止，而且漫射部分也被相當(dāng)程度地削弱[16]。從圖5中可以看出，在兩種天氣狀況下，不同波段的陽光光譜強(qiáng)度有明顯區(qū)別。晴朗的天氣狀況下，紫外和可見區(qū)域的強(qiáng)度明顯高于多云時。紫外波段多云時的輻射總量為晴天時的54%，紫外-可見區(qū)域（200～800 nm）范圍內(nèi)比晴天時降低1/4。

2.3 掃描速度對光譜測量結(jié)果的影響

紫外-可見分光輻射度計(jì)的掃描速度分別設(shè)定為2（0.2 nm/s），3（0.5 nm/s），4（1 nm/s）時，對陽光的光譜能量分布進(jìn)行了測定，結(jié)果如圖6所示?？梢钥闯觯瑨呙杷俣葘y定結(jié)果基本沒有影響。

圖6 不同掃描速度下的陽光光譜能量分布曲線（晴天）Fig.6 Sunlight spectral irradiation curves with different scanning speeds（sunny）

3 結(jié)論

1）到達(dá)地面的太陽光在不同地域的紫外截止點(diǎn)不同，高原地區(qū)的陽光紫外截止點(diǎn)為296 nm，西北沙漠地區(qū)的紫外截止點(diǎn)為297 nm，熱帶海洋地區(qū)的紫外截止點(diǎn)為298 nm。

2）晴朗的天氣狀況下，高原地區(qū)陽光光譜中的紫外-可見波段的輻照強(qiáng)度明顯比西北沙漠和熱帶海洋地區(qū)高，在對高分子材料老化非常敏感的短波長紫外波段也是如此。

3）高原地區(qū)多云時，200～800 mm波段的輻射總量與晴天相比降低1/4，但紫外波段的輻射總量僅為晴天時的54%，天氣狀況對太陽光譜中紫外波段的影響更大。

4）獲得的陽光紫外截止點(diǎn)、340 nm處的輻照強(qiáng)度、不同波段的輻照量，可為實(shí)驗(yàn)室光源暴露試驗(yàn)中的光源選擇、光譜能量控制提供參考。

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