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    愛萬

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      愛萬提斯
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      愛萬提斯
    利用光譜法測量雪的反照率

    1. 實驗背景

    在夏天,人們通常會通過涂抹防曬霜,戴上遮陽帽和太陽鏡來做防曬。到了冬天,比起防曬人們要更注重保暖。然而不論哪個季節,紫外線都可能對身體造成損傷:在冬季,當我們的眼睛長時間暴露在積雪反射出的紫外線中,就可能灼傷眼睛形成光性角膜炎。

    積雪反射出的光強可量化為反照率,其定義是反射輻射通量與入射輻射通量之比。反照率的取值范圍為0~1,0表示完全吸收所有入射輻射(如黑體),而1表示完全反射所有入射輻射(如理想鏡面)。舉個例子,地球整體的平均反照率約為0.3,月球的平均反照率為0.12。雪的反照率變化很大,新鮮雪的反照率可高達0.9,臟雪的反照率可低至0.2。

    反照率可以用來判斷雪的消融程度,雪中是否存在其他顆粒和分子,在人類研究氣候變化對極地冰川的影響中起到了關鍵作用。




    2. 實驗系統

    實驗系統(圖1)使用了兩款光譜儀,其中一款為近紅外光譜儀NIR512-2.5-HSC-EVO,它配備512像素InGaAs(銦鎵砷)陣列探測器和二階TE制冷,本實驗使用25μm狹縫,波長范圍為1000- 2500nm。



    圖1:雪樣測量的實驗系統-已用附帶光纖和余弦校正器校準輻照度的2個光譜儀

    另一款為迷你型光譜儀AvaSpec-NXS2048CL,通稱為NEXOS?。它配備2048像素CMOS探測器,覆蓋波長范圍200-1100nm。實驗使用的其他附件包括兩根600μm芯徑光纖和兩個余弦校正器。




    2. 實驗方法

    測量將在室外進行,使用太陽作為光源,實驗中的雪樣是下過中雪后第二天室外的雪。

    我們總共選擇了5個測量樣品點,其中3個測量點使用2款光譜儀測量,覆蓋波長范圍200-2500nm。另外2個測量點單獨使用可見光譜儀NEXOS?測量,覆蓋波長范圍200-1100nm。

    對于NEXOS?,我們使用了25ms的積分時間,平均次數設為21;對于NIR512-2.5-HSC,我們使用125 ms的積分時間,平均次數設為7。




    實驗測量環境與現場

    實驗使用了AvaSoft軟件中的兩種測量模塊。第一種為反射率測量模塊。第二種為輻照度測量模塊,我們需要測量樣品的輻照度和輻射通量來得到雪的反照率,由于AvaSoft中的輻射通量單位是μWatt而不是μWatt/cm2,我們將通過除以余弦校正器的面積來實現數值轉換。




    3. 實驗結果

    如下顯示的是5個雪樣品點的反射光譜,輻照度和輻射通量表,并計算了各點的反照率。


    圖2:樣品點1的反射光譜(可見+近紅外)



    圖3:樣品點2的反射光譜(可見+近紅外)




    圖4:樣品點3的反射光譜(可見+近紅外)




    圖5:樣品點4的反射光譜(可見)




    圖6:樣品點5的反射光譜(可見)



    圖7:所有樣品點的反射光譜




    表1:每個樣品點的輻射測量值

    與計算所得反照率

    反射光譜圖分析表明,所有被測點的紫外-可見光譜范圍反射率曲線相對平坦,該范圍的后端(即1050-1100 nm)在樣品點1(圖2)、2(圖3)和5(圖6)中略微向下彎曲,在樣品點3(圖4)和4(圖5)中略微向上彎曲。與樣品點1和2相比,樣品點3、4和5的反射率總體上更高。這兩種差異都與光強度更大,總輻照度值更高有關。但是這并不會導致反照率值的增加,因為輻射通量隨之成比例增大。

    近紅外光譜顯示:在992nm、1380nm、1874nm和2500nm左右波長處呈現出一致的反射率波谷。雖然波谷位置一致,但數值范圍變化較大,樣品點3顯示反射率波谷值約為-750%,而樣品點1在同一波谷的反射率值約為-150%。但由于輻照度和輻射通量成比例變化,并不會影響反照率的大小。




    4. 實驗結論

    總之,光譜分析可以應用在雪的反照率計算方面。AvaSpec-NIR512-2.5-HSC-EVO是一款高度通用的近紅外光譜儀, AvaSpec-NXS2048CL是適配OEM應用和集成測量的迷你光譜儀。