从地面到太空：AM0太阳光谱与1366.1 W/m²标准的诞生

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，略低于今天公认的约 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，首次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

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

1946年，美国海军研究实验室（Naval Research Laboratory, NRL）首次利用战后获得的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，拍摄到人类历史上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

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。

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，由美国海军研究实验室（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，成为史上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

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日首次传输美国国旗影像，以及 7 月 23 日的首个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高空引爆核弹，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

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，首次建议制定「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官方 AM0 标准，正式收录于 ASTM E490‑73a "Solar Constant and Zero Air Mass Solar Spectral Irradiance Table"中，这是首个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。

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

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：

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

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

3. 红外段（825 nm–4 µm），采用 Kurucz 理论模型；

4. 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，高度吻合AM0规范。

EnliTech SS‑ZXR — 真实重现太空 AM0 光谱的模拟器

参考资料

Pouillet 1838 年测得太阳常数约 1,228 W/m²
https://en.wikipedia.org/wiki/Claude_Pouillet
https://encyclopedia.pub/entry/36208

Langley 1881 年 高海拔观测与 Abbot 修正至约 1,465 W/m²
https://www.astro.umontreal.ca/~paulchar/grps/histoire/newsite/sp/great_moments_e.html
https://www.sciengine.com/doi/pdf/314EA19A3F814FA49CDC203F1E1B4C37

Pouillet与 Herschel 首次地面测量背景
https://www2.hao.ucar.edu/education/solar-physics-timeline/1800-1999

C. G. Abbot多地系统性观测(~1,322–1,548 W/m²)
https://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%A4%AA%E9%99%BD%E5%B8%B8%E6%95%B8

Nimbus 7卫星 Earth Flux Monitor 测得平均1376 W/m² ±0.05%
https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/17820045/
https://asdc.larc.nasa.gov/project/NIMBUS-7

ACRIM揭示太阳常数随太阳周期变动0.1–0.2%
https://ntrs.nasa.gov/citations/19910003180

ASTM E490‑00标准确立（太阳常数1,366.1 W/m²）
https://www.nrel.gov/grid/solar-resource/spectra-astm-e490

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