產品列表
PROUCTS LIST
太陽輻(fu)射，是指太陽以電磁波的(de)形式向外傳遞能量，太陽輻(fu)射所傳遞的(de)能量，稱太陽輻(fu)射能。
地球所接受到的太陽輻射能量雖然僅為太陽向宇宙空間放射的總輻射能量的二十二億分之一，但卻是地球大氣運動的主要能量源泉，也是地球光熱能的主要來源。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、良好的溫度穩定性和可靠性等優點，在測量太陽輻射時，可以實現準確捕捉太陽輻射的細微變化，能夠快速響應光信號的變化，實現實時測量，捕捉太陽輻射的瞬時變化。
二、實驗部分
1.實驗原(yuan)理
光(guang)(guang)(guang)(guang)纖光(guang)(guang)(guang)(guang)譜(pu)(pu)儀通(tong)(tong)過光(guang)(guang)(guang)(guang)纖將太(tai)陽光(guang)(guang)(guang)(guang)引入光(guang)(guang)(guang)(guang)譜(pu)(pu)儀內部，利用光(guang)(guang)(guang)(guang)譜(pu)(pu)分(fen)析器對(dui)光(guang)(guang)(guang)(guang)信(xin)號進(jin)行分(fen)散，將不同波長(chang)的(de)(de)光(guang)(guang)(guang)(guang)信(xin)號分(fen)離出來，并通(tong)(tong)過探測(ce)器測(ce)量其(qi)光(guang)(guang)(guang)(guang)強度(du)。最終得到的(de)(de)光(guang)(guang)(guang)(guang)強度(du)隨波長(chang)變化(hua)的(de)(de)曲線即為太(tai)陽輻射(she)的(de)(de)光(guang)(guang)(guang)(guang)譜(pu)(pu)圖(tu)。根據光(guang)(guang)(guang)(guang)譜(pu)(pu)圖(tu)，可以分(fen)析太(tai)陽輻射(she)的(de)(de)波長(chang)分(fen)布、能(neng)量分(fen)布等特性(xing)。
2. 實驗步(bu)驟
(1)選擇一(yi)個開闊(kuo)的(de)地(di)(di)點，避免建筑物、樹木等遮擋(dang)物影(ying)響測量結果。將(jiang)Y型光(guang)(guang)纖一(yi)端(duan)連接光(guang)(guang)譜(pu)(pu)儀(yi)(yi)，另一(yi)端(duan)安裝(zhuang)在(zai)支架上(shang)，將(jiang)安有(you)余弦校準器(qi)的(de)一(yi)端(duan)對(dui)(dui)準天空，另一(yi)端(duan)對(dui)(dui)準地(di)(di)面。用USB線將(jiang)光(guang)(guang)譜(pu)(pu)儀(yi)(yi)與電(dian)腦相連。儀(yi)(yi)器(qi)連接如圖1所示。
圖(tu)1 光纖光譜儀測量太陽(yang)輻射儀器(qi)連接圖(tu)
(2)打開光(guang)譜采集軟(ruan)件，選擇運(yun)行(xing)模式為“輻(fu)照(zhao)度模式”。
(3)堵住支(zhi)架下方的光纖口，點擊“單次采集”，再(zai)點擊“輻照(zhao)度(du)(du)”，即可獲得(de)天(tian)空的輻照(zhao)度(du)(du)光譜;堵住支(zhi)架上方的光纖口，點擊“單次采集”，再(zai)點擊“輻照(zhao)度(du)(du)”，即可獲得(de)草地(di)的輻照(zhao)度(du)(du)光譜;
03.實驗結果
我(wo)們可以通過直接測量(liang)(liang)天空的(de)太陽輻(fu)(fu)射和測量(liang)(liang)照射到(dao)草地上反射的(de)二次輻(fu)(fu)照研究太陽輻(fu)(fu)射光(guang)譜。
我們對著天空測量(liang)了太陽的輻(fu)射照度光(guang)譜，結果(guo)如下圖(tu)。
圖2 天空的輻射光譜
太陽光(guang)的(de)(de)能量主要集中在可(ke)見光(guang)波段(duan)(duan)和短波紅外(wai)波段(duan)(duan)。當太陽光(guang)從天(tian)空照射下來時，大(da)氣中的(de)(de)元(yuan)素，例如氫、氦、鈉、鐵等會在特定波長處吸(xi)收光(guang)子(zi)，形成吸(xi)收峰。
同時，氣體分子，如氧氣、二氧化碳、水(shui)蒸(zheng)氣等(deng)也會(hui)在特(te)定(ding)波長吸收(shou)(shou)太陽輻(fu)射(she)。此(ci)外，大氣中還會(hui)發生瑞利散(san)射(she)、拉曼散(san)射(she)、地球表面(mian)反(fan)射(she)等(deng)現(xian)象，這些現(xian)象的(de)存在使得太陽輻(fu)射(she)在穿過大氣層(ceng)到(dao)達(da)地球表面(mian)時，某些光譜(pu)區(qu)域的(de)輻(fu)射(she)能量受到(dao)較大的(de)衰減，從而(er)影響地面(mian)接收(shou)(shou)到(dao)的(de)太陽輻(fu)射(she)的(de)光譜(pu)特(te)性(xing)，這些反(fan)映(ying)到(dao)輻(fu)照度光譜(pu)中就是在不同波長處的(de)吸收(shou)(shou)峰。
從圖(tu)中可以(yi)明(ming)顯觀(guan)察到在430.774 nm處夫(fu)(fu)瑯(lang)(lang)(lang)禾(he)(he)費(fei)(fei)線(xian)(xian)(xian)G-線(xian)(xian)(xian)、486.134 nm處夫(fu)(fu)瑯(lang)(lang)(lang)禾(he)(he)費(fei)(fei)線(xian)(xian)(xian)F-線(xian)(xian)(xian)、517.270 nm處夫(fu)(fu)瑯(lang)(lang)(lang)禾(he)(he)費(fei)(fei)線(xian)(xian)(xian)b2-線(xian)(xian)(xian)、589.592 nm處夫(fu)(fu)瑯(lang)(lang)(lang)禾(he)(he)費(fei)(fei)線(xian)(xian)(xian)D1-線(xian)(xian)(xian)、556.281 nm處夫(fu)(fu)瑯(lang)(lang)(lang)禾(he)(he)費(fei)(fei)線(xian)(xian)(xian)C-線(xian)(xian)(xian)的(de)吸(xi)收(shou)峰(feng);688 nm和760 nm處氧氣(qi)(qi)的(de)吸(xi)收(shou)峰(feng);935 nm附近水(shui)蒸(zheng)氣(qi)(qi)的(de)吸(xi)收(shou)峰(feng);此外還有(you)一些大(da)氣(qi)(qi)氣(qi)(qi)溶膠(jiao)和顆粒物(wu)、二氧化碳、其他有(you)機分子或污染(ran)物(wu)的(de)影響。
通過(guo)分析這些吸收峰，我們可以了解大氣中的化學成分、溫度、壓力(li)等信息，這對于氣候研究、環境監(jian)測(ce)和天體物理學等領域(yu)都具有重要意義。
草(cao)地的太陽(yang)輻射光譜測量結果如圖3所示。
圖(tu)3 草(cao)地的輻射(she)光譜
從圖中(zhong)可(ke)(ke)以(yi)看出，在(zai)(zai)(zai)(zai)500-600nm之間出現了綠(lv)峰(feng)，這(zhe)(zhe)是由于(yu)葉(xie)綠(lv)素(su)對綠(lv)光的(de)(de)(de)(de)強烈反(fan)射，草地在(zai)(zai)(zai)(zai)這(zhe)(zhe)一波段的(de)(de)(de)(de)反(fan)射率(lv)(lv)較高(gao)。在(zai)(zai)(zai)(zai)700nm附(fu)近(jin)，輻(fu)射亮度(du)較低(di)，這(zhe)(zhe)是因為葉(xie)綠(lv)素(su)對紅(hong)(hong)光的(de)(de)(de)(de)吸收(shou)較強，導致這(zhe)(zhe)一波段的(de)(de)(de)(de)反(fan)射率(lv)(lv)較低(di)，形成紅(hong)(hong)谷(gu)。在(zai)(zai)(zai)(zai)近(jin)紅(hong)(hong)外波段，由于(yu)光在(zai)(zai)(zai)(zai)葉(xie)片(pian)內部的(de)(de)(de)(de)多(duo)次(ci)散射，草地在(zai)(zai)(zai)(zai)這(zhe)(zhe)一波段的(de)(de)(de)(de)反(fan)射率(lv)(lv)較高(gao)，形成近(jin)紅(hong)(hong)外平臺(tai)。此外，光譜圖中(zhong)可(ke)(ke)以(yi)看到在(zai)(zai)(zai)(zai)760nm附(fu)近(jin)大氣對氧氣的(de)(de)(de)(de)吸收(shou)峰(feng)、在(zai)(zai)(zai)(zai)近(jin)紅(hong)(hong)外區域水(shui)分子和(he)二氧化碳的(de)(de)(de)(de)吸收(shou)峰(feng)等。這(zhe)(zhe)些特征峰(feng)的(de)(de)(de)(de)存在(zai)(zai)(zai)(zai)成為研究植(zhi)被(bei)生(sheng)理狀(zhuang)態(tai)、生(sheng)物量(liang)和(he)生(sheng)長狀(zhuang)況的(de)(de)(de)(de)重要工具。通過(guo)分析這(zhe)(zhe)些特征峰(feng)的(de)(de)(de)(de)位(wei)置、強度(du)和(he)形狀(zhuang)，可(ke)(ke)以(yi)獲取草地植(zhi)被(bei)的(de)(de)(de)(de)多(duo)種(zhong)信息。
通過天空太陽輻(fu)射(she)和草(cao)地(di)太陽輻(fu)射(she)的(de)數據(ju)，可以計算出草(cao)地(di)的(de)反射(she)率，結(jie)果(guo)如下圖(tu)所示。
圖4 草地的反射率光譜
從圖中可(ke)以看(kan)出，在(zai)500-600 nm區域出現(xian)了反(fan)(fan)射(she)(she)峰，這是因為(wei)(wei)(wei)草地(di)中葉綠素(su)和(he)(he)類胡蘿(luo)卜素(su)對(dui)光(guang)的(de)(de)(de)反(fan)(fan)射(she)(she)。在(zai)近紅(hong)外(wai)(wai)區域，反(fan)(fan)射(she)(she)率相對(dui)較高(gao)，這是由于植(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)物(wu)內部(bu)細胞(bao)結(jie)構、水分(fen)含(han)量(liang)(liang)、大氣中二氧化(hua)碳和(he)(he)土(tu)壤背景(jing)的(de)(de)(de)影響。草地(di)反(fan)(fan)射(she)(she)光(guang)譜的(de)(de)(de)特(te)(te)征峰是遙感(gan)監測植(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)被(bei)(bei)(bei)(bei)(bei)生(sheng)長(chang)(chang)狀(zhuang)(zhuang)(zhuang)況(kuang)(kuang)、生(sheng)物(wu)量(liang)(liang)、水分(fen)含(han)量(liang)(liang)和(he)(he)健(jian)(jian)康(kang)狀(zhuang)(zhuang)(zhuang)況(kuang)(kuang)的(de)(de)(de)重(zhong)要依據。通過分(fen)析這些特(te)(te)征峰，可(ke)以更好地(di)理解草地(di)生(sheng)態系統的(de)(de)(de)功能和(he)(he)狀(zhuang)(zhuang)(zhuang)態。利用反(fan)(fan)射(she)(she)率，我們可(ke)以了解歸一(yi)化(hua)植(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)被(bei)(bei)(bei)(bei)(bei)指(zhi)(zhi)數(Normalized Difference Vegetation Index，NDVI)、增強植(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)被(bei)(bei)(bei)(bei)(bei)指(zhi)(zhi)數(Enhanced Vegetation Index，EVI)、比值植(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)被(bei)(bei)(bei)(bei)(bei)指(zhi)(zhi)數(Ratio Vegetation Index，RVI)、差(cha)值環境植(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)被(bei)(bei)(bei)(bei)(bei)指(zhi)(zhi)數(Difference Vegetation Index，DVI)、葉面(mian)積指(zhi)(zhi)數(Leaf Area Index，LAI)和(he)(he)植(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)被(bei)(bei)(bei)(bei)(bei)覆蓋度(du)等多種植(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)被(bei)(bei)(bei)(bei)(bei)參(can)(can)數。植(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)被(bei)(bei)(bei)(bei)(bei)參(can)(can)數NDVI是反(fan)(fan)映土(tu)地(di)覆蓋植(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)被(bei)(bei)(bei)(bei)(bei)狀(zhuang)(zhuang)(zhuang)況(kuang)(kuang)的(de)(de)(de)一(yi)種遙感(gan)指(zhi)(zhi)標。其定義為(wei)(wei)(wei)近紅(hong)外(wai)(wai)通道與可(ke)見光(guang)通道反(fan)(fan)射(she)(she)率之差(cha)與之和(he)(he)的(de)(de)(de)商，具(ju)體計算公式為(wei)(wei)(wei)NDVI=(NIR-R)/(NIR+R)，其中NIR為(wei)(wei)(wei)近紅(hong)外(wai)(wai)波段(duan)(duan)的(de)(de)(de)反(fan)(fan)射(she)(she)值，R為(wei)(wei)(wei)紅(hong)光(guang)波段(duan)(duan)的(de)(de)(de)反(fan)(fan)射(she)(she)值。NDVI能夠反(fan)(fan)映植(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)被(bei)(bei)(bei)(bei)(bei)的(de)(de)(de)生(sheng)長(chang)(chang)狀(zhuang)(zhuang)(zhuang)態、植(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)被(bei)(bei)(bei)(bei)(bei)覆蓋度(du)以及(ji)消除部(bu)分(fen)輻(fu)射(she)(she)誤差(cha)等。它是評估植(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)被(bei)(bei)(bei)(bei)(bei)健(jian)(jian)康(kang)狀(zhuang)(zhuang)(zhuang)況(kuang)(kuang)和(he)(he)生(sheng)長(chang)(chang)情況(kuang)(kuang)的(de)(de)(de)重(zhong)要指(zhi)(zhi)標。通過測量(liang)(liang)作物(wu)地(di)區的(de)(de)(de)NDVI值，農民和(he)(he)農業科學家可(ke)以了解作物(wu)的(de)(de)(de)健(jian)(jian)康(kang)狀(zhuang)(zhuang)(zhuang)態和(he)(he)生(sheng)長(chang)(chang)潛(qian)力，從而(er)及(ji)時采(cai)取措施(shi)，如施(shi)肥、灌(guan)溉和(he)(he)病(bing)蟲害防(fang)治，以保證(zheng)作物(wu)的(de)(de)(de)產量(liang)(liang)和(he)(he)質量(liang)(liang)。
我們(men)使用(yong)光(guang)(guang)(guang)(guang)纖光(guang)(guang)(guang)(guang)譜儀測量了葉綠素(su)(su)誘導(dao)(dao)熒(ying)(ying)光(guang)(guang)(guang)(guang)(Solar-Induced Chlorophyll Fluorescence，SIF)的(de)光(guang)(guang)(guang)(guang)譜信號。葉綠素(su)(su)誘導(dao)(dao)熒(ying)(ying)光(guang)(guang)(guang)(guang)是植物(wu)(wu)葉綠體在(zai)光(guang)(guang)(guang)(guang)照條件下，吸收光(guang)(guang)(guang)(guang)能后部分(fen)能量以熒(ying)(ying)光(guang)(guang)(guang)(guang)形式釋放(fang)出(chu)來的(de)現象(xiang)。這種熒(ying)(ying)光(guang)(guang)(guang)(guang)信號與植物(wu)(wu)的(de)光(guang)(guang)(guang)(guang)合作用(yong)過程(cheng)緊密相關。通(tong)過監測葉綠素(su)(su)誘導(dao)(dao)熒(ying)(ying)光(guang)(guang)(guang)(guang)的(de)強度和變(bian)化，可以深入了解植物(wu)(wu)光(guang)(guang)(guang)(guang)合作用(yong)的(de)動態過程(cheng)和效率。我們(men)在(zai)同(tong)一(yi)(yi)天內(nei)每隔一(yi)(yi)個小時(shi)采集這段(duan)時(shi)間內(nei)SIF的(de)平均(jun)值，一(yi)(yi)天中不同(tong)時(shi)間的(de)SIF平均(jun)值的(de)測試結果(guo)如(ru)下圖所示。
圖5 一天中不(bu)同時間的SIF變化情況
從圖中可(ke)以看(kan)出，隨(sui)著時間(jian)的(de)(de)變(bian)化(hua)，由于太陽位置的(de)(de)移動，光(guang)照(zhao)強度(du)會(hui)發(fa)生(sheng)變(bian)化(hua)，植(zhi)物的(de)(de)光(guang)合(he)作(zuo)用速率也隨(sui)之(zhi)發(fa)生(sheng)變(bian)化(hua)，造成(cheng)了SIF的(de)(de)變(bian)化(hua)。中午(wu)時光(guang)照(zhao)強，植(zhi)被組織中的(de)(de)葉綠素分子會(hui)吸收更多的(de)(de)光(guang)能，產生(sheng)更強的(de)(de)熒光(guang)發(fa)射，從而使SIF值較高(gao)。而傍(bang)晚時日照(zhao)條件較差，因此SIF值較低(di)。
葉綠(lv)(lv)素(su)(su)誘導(dao)熒(ying)(ying)(ying)光(guang)在作(zuo)(zuo)物(wu)(wu)(wu)(wu)測(ce)(ce)量(liang)(liang)中的(de)(de)(de)應(ying)用具(ju)有廣泛的(de)(de)(de)前景(jing)和(he)重要(yao)的(de)(de)(de)價值。葉綠(lv)(lv)素(su)(su)熒(ying)(ying)(ying)光(guang)與葉綠(lv)(lv)素(su)(su)含量(liang)(liang)密切相(xiang)(xiang)關(guan)，通(tong)過測(ce)(ce)量(liang)(liang)葉綠(lv)(lv)素(su)(su)誘導(dao)熒(ying)(ying)(ying)光(guang)可(ke)以(yi)(yi)(yi)間(jian)接(jie)評估作(zuo)(zuo)物(wu)(wu)(wu)(wu)的(de)(de)(de)葉綠(lv)(lv)素(su)(su)含量(liang)(liang)，從而(er)了(le)(le)解作(zuo)(zuo)物(wu)(wu)(wu)(wu)的(de)(de)(de)生(sheng)(sheng)長狀(zhuang)態和(he)營(ying)養(yang)(yang)狀(zhuang)況(kuang)。葉綠(lv)(lv)素(su)(su)含量(liang)(liang)的(de)(de)(de)多少直接(jie)反映(ying)了(le)(le)作(zuo)(zuo)物(wu)(wu)(wu)(wu)的(de)(de)(de)光(guang)合(he)(he)作(zuo)(zuo)用能力和(he)生(sheng)(sheng)長潛(qian)力。作(zuo)(zuo)物(wu)(wu)(wu)(wu)在遭受(shou)(shou)干旱、鹽堿(jian)、高溫等非生(sheng)(sheng)物(wu)(wu)(wu)(wu)脅迫時，其葉綠(lv)(lv)素(su)(su)熒(ying)(ying)(ying)光(guang)特(te)性會(hui)發生(sheng)(sheng)變化。通(tong)過測(ce)(ce)量(liang)(liang)葉綠(lv)(lv)素(su)(su)誘導(dao)熒(ying)(ying)(ying)光(guang)可(ke)以(yi)(yi)(yi)評估作(zuo)(zuo)物(wu)(wu)(wu)(wu)對(dui)非生(sheng)(sheng)物(wu)(wu)(wu)(wu)脅迫的(de)(de)(de)響(xiang)應(ying)和(he)耐受(shou)(shou)性，為(wei)(wei)制定逆境應(ying)對(dui)措施(shi)提(ti)供科學(xue)依據。葉綠(lv)(lv)素(su)(su)誘導(dao)熒(ying)(ying)(ying)光(guang)還與作(zuo)(zuo)物(wu)(wu)(wu)(wu)的(de)(de)(de)光(guang)合(he)(he)作(zuo)(zuo)用效率密切相(xiang)(xiang)關(guan)，而(er)光(guang)合(he)(he)作(zuo)(zuo)用效率是影響(xiang)作(zuo)(zuo)物(wu)(wu)(wu)(wu)產量(liang)(liang)的(de)(de)(de)關(guan)鍵因素(su)(su)之一。因此(ci)，通(tong)過監測(ce)(ce)葉綠(lv)(lv)素(su)(su)誘導(dao)熒(ying)(ying)(ying)光(guang)可(ke)以(yi)(yi)(yi)預測(ce)(ce)作(zuo)(zuo)物(wu)(wu)(wu)(wu)的(de)(de)(de)產量(liang)(liang)潛(qian)力，為(wei)(wei)農業生(sheng)(sheng)產規(gui)劃(hua)提(ti)供參考。此(ci)外(wai)，綠(lv)(lv)素(su)(su)熒(ying)(ying)(ying)光(guang)可(ke)以(yi)(yi)(yi)反映(ying)作(zuo)(zuo)物(wu)(wu)(wu)(wu)對(dui)養(yang)(yang)分的(de)(de)(de)吸收和(he)利用情況(kuang)。通(tong)過測(ce)(ce)量(liang)(liang)葉綠(lv)(lv)素(su)(su)誘導(dao)熒(ying)(ying)(ying)光(guang)可(ke)以(yi)(yi)(yi)診斷作(zuo)(zuo)物(wu)(wu)(wu)(wu)的(de)(de)(de)養(yang)(yang)分需求狀(zhuang)況(kuang)，為(wei)(wei)精準(zhun)施(shi)肥(fei)提(ti)供依據。例如(ru)，當作(zuo)(zuo)物(wu)(wu)(wu)(wu)缺乏某種營(ying)養(yang)(yang)元素(su)(su)時，其葉綠(lv)(lv)素(su)(su)熒(ying)(ying)(ying)光(guang)特(te)性會(hui)發生(sheng)(sheng)變化，從而(er)提(ti)示(shi)種植者需要(yao)補(bu)充相(xiang)(xiang)應(ying)的(de)(de)(de)養(yang)(yang)分。
三、實驗(yan)結論
使用高(gao)分辨光纖光譜(pu)儀可以準確簡單(dan)、快(kuai)速方(fang)便地(di)測量出太陽(yang)輻(fu)(fu)射(she)(she)光譜(pu)。在測量光譜(pu)輻(fu)(fu)射(she)(she)強度分布、光合有(you)效輻(fu)(fu)照(zhao)度(PAR)、光質比、光合速率、蒸(zheng)騰速率、氣(qi)孔導度、作物生長(chang)和(he)發育指標等方(fang)面具有(you)重要應(ying)用。通(tong)過(guo)這些測量數據，可以深入了(le)解太陽(yang)輻(fu)(fu)射(she)(she)對作物生長(chang)和(he)發育的影響機(ji)制，為農業生產(chan)提供科(ke)學依據。
