產品列表
PROUCTS LIST
太(tai)(tai)陽(yang)(yang)輻射(she)，是指太(tai)(tai)陽(yang)(yang)以電磁波的形式向外傳遞能(neng)量，太(tai)(tai)陽(yang)(yang)輻射(she)所傳遞的能(neng)量，稱太(tai)(tai)陽(yang)(yang)輻射(she)能(neng)。
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(fen)
1.實(shi)驗原理
光(guang)纖(xian)光(guang)譜(pu)(pu)(pu)儀(yi)通(tong)過光(guang)纖(xian)將(jiang)太(tai)(tai)陽(yang)光(guang)引入光(guang)譜(pu)(pu)(pu)儀(yi)內(nei)部，利用光(guang)譜(pu)(pu)(pu)分析(xi)器(qi)對光(guang)信號(hao)進行分散，將(jiang)不同波長(chang)的(de)(de)光(guang)信號(hao)分離出來，并通(tong)過探測(ce)器(qi)測(ce)量其光(guang)強度(du)。最終得到的(de)(de)光(guang)強度(du)隨波長(chang)變化的(de)(de)曲線即為太(tai)(tai)陽(yang)輻射的(de)(de)光(guang)譜(pu)(pu)(pu)圖。根據光(guang)譜(pu)(pu)(pu)圖，可以分析(xi)太(tai)(tai)陽(yang)輻射的(de)(de)波長(chang)分布、能量分布等特性(xing)。
2. 實驗步驟
(1)選(xuan)擇一(yi)個開闊的地點，避免建筑物、樹木(mu)等遮擋物影響測量結(jie)果。將(jiang)Y型光纖一(yi)端連(lian)接光譜儀，另(ling)一(yi)端安裝在支架上(shang)，將(jiang)安有余弦校準器的一(yi)端對準天空，另(ling)一(yi)端對準地面。用USB線將(jiang)光譜儀與電(dian)腦(nao)相連(lian)。儀器連(lian)接如(ru)圖(tu)1所示(shi)。
圖1 光(guang)(guang)纖光(guang)(guang)譜儀測量太陽輻射儀器連接圖
(2)打開光譜采集(ji)軟件(jian)，選擇運(yun)行(xing)模式(shi)為“輻照度模式(shi)”。
(3)堵住(zhu)支架下方的(de)光(guang)纖口，點(dian)擊(ji)(ji)(ji)“單(dan)(dan)次采集”，再點(dian)擊(ji)(ji)(ji)“輻(fu)照(zhao)(zhao)度”，即(ji)可(ke)獲(huo)得天(tian)空(kong)的(de)輻(fu)照(zhao)(zhao)度光(guang)譜;堵住(zhu)支架上方的(de)光(guang)纖口，點(dian)擊(ji)(ji)(ji)“單(dan)(dan)次采集”，再點(dian)擊(ji)(ji)(ji)“輻(fu)照(zhao)(zhao)度”，即(ji)可(ke)獲(huo)得草地的(de)輻(fu)照(zhao)(zhao)度光(guang)譜;
03.實驗結果
我(wo)們可以通過直(zhi)接(jie)測量天空的太陽輻(fu)射和測量照(zhao)射到草地上反射的二次輻(fu)照(zhao)研究太陽輻(fu)射光(guang)譜。
我(wo)們對(dui)著天空測量了太陽(yang)的輻(fu)射照度光譜，結果如下圖。
圖2 天空的(de)輻射光譜
太陽光(guang)的能量主(zhu)要集(ji)中(zhong)在可(ke)見光(guang)波(bo)段(duan)和短波(bo)紅外波(bo)段(duan)。當太陽光(guang)從天空照射下來時，大氣中(zhong)的元素，例如(ru)氫、氦、鈉、鐵等會在特定波(bo)長處吸收光(guang)子，形成吸收峰。
同(tong)(tong)時(shi)，氣(qi)(qi)體(ti)分子，如氧氣(qi)(qi)、二氧化碳、水(shui)蒸氣(qi)(qi)等也(ye)會在(zai)(zai)特定(ding)波(bo)長吸(xi)收(shou)太(tai)陽(yang)輻(fu)(fu)射(she)。此外，大氣(qi)(qi)中還會發生瑞(rui)利散(san)射(she)、拉(la)曼(man)散(san)射(she)、地球表面反(fan)射(she)等現象(xiang)，這些現象(xiang)的存在(zai)(zai)使得太(tai)陽(yang)輻(fu)(fu)射(she)在(zai)(zai)穿過大氣(qi)(qi)層到(dao)達地球表面時(shi)，某些光(guang)譜(pu)區(qu)域的輻(fu)(fu)射(she)能量受到(dao)較大的衰減，從(cong)而影響地面接(jie)收(shou)到(dao)的太(tai)陽(yang)輻(fu)(fu)射(she)的光(guang)譜(pu)特性，這些反(fan)映到(dao)輻(fu)(fu)照(zhao)度光(guang)譜(pu)中就是(shi)在(zai)(zai)不同(tong)(tong)波(bo)長處(chu)的吸(xi)收(shou)峰(feng)。
從圖(tu)中可以明顯觀察到在430.774 nm處(chu)(chu)夫(fu)瑯(lang)(lang)禾(he)費線(xian)G-線(xian)、486.134 nm處(chu)(chu)夫(fu)瑯(lang)(lang)禾(he)費線(xian)F-線(xian)、517.270 nm處(chu)(chu)夫(fu)瑯(lang)(lang)禾(he)費線(xian)b2-線(xian)、589.592 nm處(chu)(chu)夫(fu)瑯(lang)(lang)禾(he)費線(xian)D1-線(xian)、556.281 nm處(chu)(chu)夫(fu)瑯(lang)(lang)禾(he)費線(xian)C-線(xian)的(de)吸(xi)(xi)收(shou)峰;688 nm和(he)(he)760 nm處(chu)(chu)氧(yang)氣(qi)的(de)吸(xi)(xi)收(shou)峰;935 nm附(fu)近水(shui)蒸氣(qi)的(de)吸(xi)(xi)收(shou)峰;此外還有一(yi)些大氣(qi)氣(qi)溶膠(jiao)和(he)(he)顆粒物(wu)、二氧(yang)化碳、其他有機分子或污(wu)染(ran)物(wu)的(de)影響。
通過分析這(zhe)些吸收峰，我們(men)可以了解大氣中的化學成(cheng)分、溫度、壓力等信(xin)息(xi)，這(zhe)對(dui)于氣候研究、環境監測和(he)天體物理學等領域(yu)都具有重要(yao)意義。
草地的(de)太陽輻射光譜(pu)測量結(jie)果如(ru)圖(tu)3所(suo)示。
圖3 草地的(de)輻射(she)光(guang)譜
從圖(tu)中可以看出，在(zai)(zai)(zai)(zai)500-600nm之間出現(xian)了綠峰，這(zhe)(zhe)(zhe)(zhe)是由于葉綠素(su)對(dui)綠光(guang)的(de)(de)強(qiang)(qiang)烈反(fan)射，草(cao)地在(zai)(zai)(zai)(zai)這(zhe)(zhe)(zhe)(zhe)一(yi)波段(duan)的(de)(de)反(fan)射率較高(gao)。在(zai)(zai)(zai)(zai)700nm附近(jin)(jin)(jin)，輻射亮度較低，這(zhe)(zhe)(zhe)(zhe)是因為葉綠素(su)對(dui)紅光(guang)的(de)(de)吸收(shou)較強(qiang)(qiang)，導致這(zhe)(zhe)(zhe)(zhe)一(yi)波段(duan)的(de)(de)反(fan)射率較低，形成紅谷(gu)。在(zai)(zai)(zai)(zai)近(jin)(jin)(jin)紅外(wai)波段(duan)，由于光(guang)在(zai)(zai)(zai)(zai)葉片內部的(de)(de)多(duo)次散射，草(cao)地在(zai)(zai)(zai)(zai)這(zhe)(zhe)(zhe)(zhe)一(yi)波段(duan)的(de)(de)反(fan)射率較高(gao)，形成近(jin)(jin)(jin)紅外(wai)平臺。此外(wai)，光(guang)譜圖(tu)中可以看到在(zai)(zai)(zai)(zai)760nm附近(jin)(jin)(jin)大氣對(dui)氧氣的(de)(de)吸收(shou)峰、在(zai)(zai)(zai)(zai)近(jin)(jin)(jin)紅外(wai)區域(yu)水分子和(he)二氧化碳的(de)(de)吸收(shou)峰等。這(zhe)(zhe)(zhe)(zhe)些特征峰的(de)(de)存在(zai)(zai)(zai)(zai)成為研究植被生(sheng)理狀態、生(sheng)物量和(he)生(sheng)長狀況的(de)(de)重要(yao)工具。通過(guo)分析這(zhe)(zhe)(zhe)(zhe)些特征峰的(de)(de)位(wei)置(zhi)、強(qiang)(qiang)度和(he)形狀，可以獲取草(cao)地植被的(de)(de)多(duo)種信息。
通過天空太陽輻(fu)(fu)射和(he)草(cao)地太陽輻(fu)(fu)射的數(shu)據，可以(yi)計(ji)算出草(cao)地的反(fan)射率，結果如下(xia)圖所示。
圖(tu)4 草地的反(fan)射(she)率光譜(pu)
從(cong)圖中(zhong)(zhong)可以(yi)(yi)看出(chu)(chu)，在500-600 nm區域出(chu)(chu)現了(le)反(fan)(fan)射(she)峰(feng)(feng)，這是(shi)(shi)(shi)因為(wei)(wei)草地(di)中(zhong)(zhong)葉綠素和(he)(he)(he)(he)(he)類胡蘿(luo)卜素對光(guang)的(de)(de)反(fan)(fan)射(she)。在近(jin)紅外區域，反(fan)(fan)射(she)率相對較高(gao)，這是(shi)(shi)(shi)由于植(zhi)物(wu)(wu)內部細(xi)胞結(jie)構(gou)、水分含量、大氣中(zhong)(zhong)二氧化碳和(he)(he)(he)(he)(he)土(tu)壤背(bei)景的(de)(de)影響。草地(di)反(fan)(fan)射(she)光(guang)譜的(de)(de)特征(zheng)峰(feng)(feng)是(shi)(shi)(shi)遙感監測植(zhi)被(bei)生(sheng)(sheng)長狀(zhuang)況(kuang)、生(sheng)(sheng)物(wu)(wu)量、水分含量和(he)(he)(he)(he)(he)健(jian)康狀(zhuang)況(kuang)的(de)(de)重要依據。通過(guo)分析這些特征(zheng)峰(feng)(feng)，可以(yi)(yi)更好地(di)理解(jie)草地(di)生(sheng)(sheng)態系統的(de)(de)功(gong)能和(he)(he)(he)(he)(he)狀(zhuang)態。利用(yong)反(fan)(fan)射(she)率，我們可以(yi)(yi)了(le)解(jie)歸一化植(zhi)被(bei)指(zhi)(zhi)(zhi)數(shu)(shu)(Normalized Difference Vegetation Index，NDVI)、增強植(zhi)被(bei)指(zhi)(zhi)(zhi)數(shu)(shu)(Enhanced Vegetation Index，EVI)、比值植(zhi)被(bei)指(zhi)(zhi)(zhi)數(shu)(shu)(Ratio Vegetation Index，RVI)、差值環境植(zhi)被(bei)指(zhi)(zhi)(zhi)數(shu)(shu)(Difference Vegetation Index，DVI)、葉面(mian)積(ji)指(zhi)(zhi)(zhi)數(shu)(shu)(Leaf Area Index，LAI)和(he)(he)(he)(he)(he)植(zhi)被(bei)覆蓋(gai)度等多(duo)種(zhong)植(zhi)被(bei)參(can)數(shu)(shu)。植(zhi)被(bei)參(can)數(shu)(shu)NDVI是(shi)(shi)(shi)反(fan)(fan)映(ying)土(tu)地(di)覆蓋(gai)植(zhi)被(bei)狀(zhuang)況(kuang)的(de)(de)一種(zhong)遙感指(zhi)(zhi)(zhi)標。其定義為(wei)(wei)近(jin)紅外通道與(yu)可見光(guang)通道反(fan)(fan)射(she)率之(zhi)差與(yu)之(zhi)和(he)(he)(he)(he)(he)的(de)(de)商，具體計算公(gong)式(shi)為(wei)(wei)NDVI=(NIR-R)/(NIR+R)，其中(zhong)(zhong)NIR為(wei)(wei)近(jin)紅外波段(duan)的(de)(de)反(fan)(fan)射(she)值，R為(wei)(wei)紅光(guang)波段(duan)的(de)(de)反(fan)(fan)射(she)值。NDVI能夠反(fan)(fan)映(ying)植(zhi)被(bei)的(de)(de)生(sheng)(sheng)長狀(zhuang)態、植(zhi)被(bei)覆蓋(gai)度以(yi)(yi)及消(xiao)除部分輻射(she)誤差等。它是(shi)(shi)(shi)評估植(zhi)被(bei)健(jian)康狀(zhuang)況(kuang)和(he)(he)(he)(he)(he)生(sheng)(sheng)長情(qing)況(kuang)的(de)(de)重要指(zhi)(zhi)(zhi)標。通過(guo)測量作物(wu)(wu)地(di)區的(de)(de)NDVI值，農民(min)和(he)(he)(he)(he)(he)農業科(ke)學(xue)家可以(yi)(yi)了(le)解(jie)作物(wu)(wu)的(de)(de)健(jian)康狀(zhuang)態和(he)(he)(he)(he)(he)生(sheng)(sheng)長潛(qian)力(li)，從(cong)而及時采取措施，如施肥、灌溉和(he)(he)(he)(he)(he)病蟲害防治，以(yi)(yi)保證作物(wu)(wu)的(de)(de)產(chan)量和(he)(he)(he)(he)(he)質量。
我們使用光(guang)(guang)纖光(guang)(guang)譜儀測量了葉(xie)綠(lv)素誘(you)導熒(ying)(ying)光(guang)(guang)(Solar-Induced Chlorophyll Fluorescence，SIF)的(de)光(guang)(guang)譜信(xin)號。葉(xie)綠(lv)素誘(you)導熒(ying)(ying)光(guang)(guang)是植(zhi)物(wu)葉(xie)綠(lv)體在(zai)光(guang)(guang)照條(tiao)件下(xia)，吸收光(guang)(guang)能后部分能量以(yi)熒(ying)(ying)光(guang)(guang)形式釋(shi)放出來的(de)現象。這種熒(ying)(ying)光(guang)(guang)信(xin)號與植(zhi)物(wu)的(de)光(guang)(guang)合作(zuo)用過程(cheng)緊密相關。通(tong)過監(jian)測葉(xie)綠(lv)素誘(you)導熒(ying)(ying)光(guang)(guang)的(de)強度和(he)變化，可(ke)以(yi)深入了解植(zhi)物(wu)光(guang)(guang)合作(zuo)用的(de)動態過程(cheng)和(he)效(xiao)率。我們在(zai)同一(yi)天(tian)內每(mei)隔一(yi)個小時(shi)采集這段時(shi)間內SIF的(de)平均值，一(yi)天(tian)中不同時(shi)間的(de)SIF平均值的(de)測試結(jie)果如下(xia)圖所示。
圖5 一天(tian)中不同時間的(de)SIF變化情況
從圖中可以看出(chu)，隨(sui)著時(shi)(shi)(shi)間的(de)變化(hua)，由于太陽位置(zhi)的(de)移動，光照強(qiang)度會(hui)發(fa)生變化(hua)，植物的(de)光合作用速(su)率也隨(sui)之發(fa)生變化(hua)，造成了SIF的(de)變化(hua)。中午時(shi)(shi)(shi)光照強(qiang)，植被(bei)組織中的(de)葉綠素(su)分子會(hui)吸收更多的(de)光能，產生更強(qiang)的(de)熒光發(fa)射，從而(er)使SIF值(zhi)較(jiao)高。而(er)傍晚時(shi)(shi)(shi)日照條件較(jiao)差，因此(ci)SIF值(zhi)較(jiao)低。
葉(xie)(xie)(xie)(xie)綠(lv)(lv)素(su)誘(you)導(dao)(dao)熒(ying)(ying)光(guang)(guang)在(zai)作(zuo)(zuo)(zuo)物(wu)(wu)測量中的(de)(de)(de)(de)應用(yong)具有廣(guang)泛的(de)(de)(de)(de)前景和(he)(he)(he)重(zhong)要(yao)的(de)(de)(de)(de)價值(zhi)。葉(xie)(xie)(xie)(xie)綠(lv)(lv)素(su)熒(ying)(ying)光(guang)(guang)與葉(xie)(xie)(xie)(xie)綠(lv)(lv)素(su)含量密切相(xiang)關(guan)，通(tong)過(guo)測量葉(xie)(xie)(xie)(xie)綠(lv)(lv)素(su)誘(you)導(dao)(dao)熒(ying)(ying)光(guang)(guang)可(ke)以(yi)間接評估(gu)作(zuo)(zuo)(zuo)物(wu)(wu)的(de)(de)(de)(de)葉(xie)(xie)(xie)(xie)綠(lv)(lv)素(su)含量，從而(er)了(le)解作(zuo)(zuo)(zuo)物(wu)(wu)的(de)(de)(de)(de)生(sheng)(sheng)長(chang)狀態和(he)(he)(he)營養(yang)狀況。葉(xie)(xie)(xie)(xie)綠(lv)(lv)素(su)含量的(de)(de)(de)(de)多少(shao)直接反映了(le)作(zuo)(zuo)(zuo)物(wu)(wu)的(de)(de)(de)(de)光(guang)(guang)合作(zuo)(zuo)(zuo)用(yong)能力(li)和(he)(he)(he)生(sheng)(sheng)長(chang)潛力(li)。作(zuo)(zuo)(zuo)物(wu)(wu)在(zai)遭受(shou)(shou)干(gan)旱(han)、鹽(yan)堿、高溫(wen)等非(fei)生(sheng)(sheng)物(wu)(wu)脅(xie)迫(po)時，其葉(xie)(xie)(xie)(xie)綠(lv)(lv)素(su)熒(ying)(ying)光(guang)(guang)特性(xing)(xing)會(hui)發(fa)生(sheng)(sheng)變化(hua)。通(tong)過(guo)測量葉(xie)(xie)(xie)(xie)綠(lv)(lv)素(su)誘(you)導(dao)(dao)熒(ying)(ying)光(guang)(guang)可(ke)以(yi)評估(gu)作(zuo)(zuo)(zuo)物(wu)(wu)對非(fei)生(sheng)(sheng)物(wu)(wu)脅(xie)迫(po)的(de)(de)(de)(de)響應和(he)(he)(he)耐受(shou)(shou)性(xing)(xing)，為(wei)制定逆境應對措施(shi)提(ti)(ti)供科(ke)學依(yi)(yi)據。葉(xie)(xie)(xie)(xie)綠(lv)(lv)素(su)誘(you)導(dao)(dao)熒(ying)(ying)光(guang)(guang)還與作(zuo)(zuo)(zuo)物(wu)(wu)的(de)(de)(de)(de)光(guang)(guang)合作(zuo)(zuo)(zuo)用(yong)效(xiao)(xiao)率密切相(xiang)關(guan)，而(er)光(guang)(guang)合作(zuo)(zuo)(zuo)用(yong)效(xiao)(xiao)率是影響作(zuo)(zuo)(zuo)物(wu)(wu)產量的(de)(de)(de)(de)關(guan)鍵因素(su)之一。因此(ci)，通(tong)過(guo)監測葉(xie)(xie)(xie)(xie)綠(lv)(lv)素(su)誘(you)導(dao)(dao)熒(ying)(ying)光(guang)(guang)可(ke)以(yi)預(yu)測作(zuo)(zuo)(zuo)物(wu)(wu)的(de)(de)(de)(de)產量潛力(li)，為(wei)農業生(sheng)(sheng)產規劃(hua)提(ti)(ti)供參考。此(ci)外(wai)，綠(lv)(lv)素(su)熒(ying)(ying)光(guang)(guang)可(ke)以(yi)反映作(zuo)(zuo)(zuo)物(wu)(wu)對養(yang)分(fen)(fen)(fen)的(de)(de)(de)(de)吸收和(he)(he)(he)利用(yong)情況。通(tong)過(guo)測量葉(xie)(xie)(xie)(xie)綠(lv)(lv)素(su)誘(you)導(dao)(dao)熒(ying)(ying)光(guang)(guang)可(ke)以(yi)診斷作(zuo)(zuo)(zuo)物(wu)(wu)的(de)(de)(de)(de)養(yang)分(fen)(fen)(fen)需求狀況，為(wei)精準施(shi)肥提(ti)(ti)供依(yi)(yi)據。例如，當(dang)作(zuo)(zuo)(zuo)物(wu)(wu)缺乏某種(zhong)營養(yang)元素(su)時，其葉(xie)(xie)(xie)(xie)綠(lv)(lv)素(su)熒(ying)(ying)光(guang)(guang)特性(xing)(xing)會(hui)發(fa)生(sheng)(sheng)變化(hua)，從而(er)提(ti)(ti)示種(zhong)植者需要(yao)補充相(xiang)應的(de)(de)(de)(de)養(yang)分(fen)(fen)(fen)。
三、實驗結論
使用(yong)高(gao)分辨光(guang)(guang)纖光(guang)(guang)譜(pu)儀可以(yi)準確(que)簡(jian)單、快速(su)(su)方(fang)便地測量(liang)出太陽(yang)輻(fu)(fu)射(she)(she)光(guang)(guang)譜(pu)。在測量(liang)光(guang)(guang)譜(pu)輻(fu)(fu)射(she)(she)強度分布(bu)、光(guang)(guang)合有效輻(fu)(fu)照度(PAR)、光(guang)(guang)質比、光(guang)(guang)合速(su)(su)率、蒸騰速(su)(su)率、氣孔(kong)導度、作物生長和(he)發育(yu)(yu)指標等方(fang)面具有重要應用(yong)。通(tong)過這些(xie)測量(liang)數據，可以(yi)深入了解太陽(yang)輻(fu)(fu)射(she)(she)對作物生長和(he)發育(yu)(yu)的影響機制(zhi)，為農業生產提供科學依(yi)據。
