為何需要「太空」太陽能標準？AM0的獨特意義

在地球上，太陽光譜會受到大氣層的顯著影響，包括吸收和散射，尤其是在紫外線和藍光波段。大氣層中的水蒸氣、臭氧、氣溶膠等成分會吸收特定波長的能量，導致光譜形狀和總能量發生變化。

「AM0」（Air Mass Zero）標準應運而生，它代表了在地球大氣層之外、距離太陽1個天文單位（AU）處的太陽光譜。這與地球表面常見的「AM1.5」標準（考慮了穿過1.5個標準大氣層厚度的太陽光）形成鮮明對比，AM1.5主要用于陸地光伏應用。AM0標準的總輻照度為1366.1 W/m² ，這是一個關鍵的參考值，被稱為「太陽常數」。盡管太陽常數并非絕對恒定，會因太陽活動而有約0.1%的波動，但在AM0標準中通常使用靜態值以保持一致性。

The solar spectral irradiance at air mass 0 (AM0) and global air mass 1.5 (AM1.5G) and the cutoff wavelength of semiconductor materials for common PV applications，圖片取自Characteristics of InGaN/sapphire-based photovoltaic devices with different superlattice absorption layers and buffer layers

AM0標準的確立是太空光伏技術發展的基礎。沒有一個統一的、精確的太空太陽光譜標準，不同研究機構和制造商之間就無法進行有意義的性能比較，這會嚴重阻礙技術的迭代和優化。這種標準化需求直接催生了對高空測量和模擬器技術的巨大投入和發展，以彌補無法直接在太空大規模測試的局限性。這種對標準化的追求，是確保太空光伏技術從實驗室走向實際應用的關鍵一步。

本文將詳細介紹太陽常數測量的演進歷程和AM0標準的建立過程，從19世紀的地面熱學實驗到現代的精密衛星觀測，展現這段近兩百年的科學探索軌跡如何逐步演化成今日太空光伏技術和衛星設計的標準基礎。

地面觀測時代：太陽常數的測量與挑戰

早期地面觀測時代

1838年，法國物理學家Claude?Pouillet（克勞德·普意葉）與英國博學家John?Herschel（約翰·赫歇爾）首度嘗試以熱學儀器（如pyrheliometer和actinometer）量化測定太陽輻射，Pouillet測得約1,228?W/m²，略低于約1,360–1,370?W/m²，顯示方法雖有大氣吸收等系統誤差，但結果已相當接近現代值。

Pouillet's pyrheliometer (1837)，圖片取自Monitoring coastal areas: a brief history of measuring instruments for solar radiation

1881年，美國科學家Samuel P. Langley（朗利）攜帶自創的bolometer（螺栓電阻輻射計），遠赴加州圣威帝山（Mt.?Whitney，海拔約4,421公尺）進行高海拔觀測。他透過多波長、多海拔的測量方式，從光譜角度系統地扣除大氣對太陽輻射的吸收，證實大氣吸收率的確隨波長而變化。Langley的初步計算結果高達約2,903?W/m²，幾乎是現代衛星值（約1,367?W/m²）的一倍。后來，其助手Charles?G.?Abbot根據相同實驗數據進行重新分析，考慮更精確的數據處理方式，將太陽常數修正為約1,465?W/m²。

S. P. Langley, The Bolometer and Radiant Energy. Proc. Amer. Acad. Arts Sci., 1881, 16, 342–358，圖片取自Chemistry World

系統性觀測時代

20世紀初期，Charles Greeley Abbot（C.?G.?Abbot）接任史密森天體物理臺（Smithsonian Astrophysical Observatory, SAO）臺長后，積極推動全球多地長期觀測太陽常數。他先后在智利安地斯高地（如Calama/Monte?zuma）、加州威爾遜山（Mt.?Wilson）、亞利桑那州的 Harqua Hala 與 Table Mountain，以及納米比亞、埃及等地設立觀測站，以避開大氣干擾、搜集多地資料。

經多年累積這些高海拔、干凈空氣條件下的長期觀測，Abbot發現外大氣層頂的平均太陽常數集中在1,322–1,548?W/m²（即2.0于±2%卡/分鐘/平方公分），最終將其定義為約1,350 W/m²，后續數據浮動范圍縮窄至1,350–1,400 W/m²，常見值約落在1,360 W/m²左右。

他還報告這些數值伴隨太陽黑子周期亦有小幅變化（3–10%），雖后來被證實多為大氣校正誤差，但Abbot的這套全球觀測網架構奠定了現代太陽常數研究基礎。

Observatory at Mt. Montezuma, Chile, 1920, Smithsonian Institution Archives, Record Unit 95, Image no. MNH-33668，圖片取自Early 20th-Century Women Computers at the Smithsonian

高空觀測時代

1946年，美國研究實驗室（Naval Research Laboratory, NRL）利用戰后獲得的V?2探空火箭，搭載自制紫外線攝譜儀，于10月10日從 White Sands 發射升空，飛行至約88公里（約55?km）高度，拍攝到人類首張來自太空的太陽紫外光譜，覆蓋波長下限達約220?nm左右，突破臭氧層阻隔效果。

隨后數年間（1946–1951），NRL和其他機構在多次V?2探空任務中持續改進儀器，先后收集到200–300?nm紫外光與更高能的X射線波段太陽輻射數據，奠定人類對地外氣層上方短波輻射的第一手觀測基礎。

1960年代，NASA開始使用載人飛機在11-12公里高空測量0.3至2.5微米范圍的太陽光譜。這些高空平臺大幅降低大氣和水氣影響，使所得太陽總輻照度結果更加接近真值。

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

數值收斂時代

1969至1984年間，來自不同團隊的高空與地面觀測結果在太陽常數估值上趨于一致：

• Arvesen      等人（1969年）使用飛機平臺進行測量，得出1390?W/m²（1.99?cal/cm²/min）（航空飛行高度約11.6–12.5?km）。

• Thekaekara      等人（1970年）基于類似高空測試，報告估值為1353?W/m²，此數據之后也被選作 ASTM      E490?73a AM0 標準基礎。

• Labs與      Neckel（1984年）結合地面測量與早期飛行數據，整合出約1358?W/m²。

這些獨立數據集彼此高度重迭，使得當時科學界普遍將太陽常數的共識估定為1,350±40?W/m²（亦即1,310–1,390?W/m²范圍），顯示估測不確定度大幅收斂。

從高空到太空：衛星時代的直接觀測與ASTM E490標準誕生

人造衛星元年與太空太陽能應用

1957–58年的人造衛星元年，開啟了人類太空直接觀測太陽的新篇章。1958年3月17日，由美國研究實驗室（NRL）研發的Vanguard?1衛星（質量約1.46?kg、直徑約15?cm鋁質球體）成功升空，成為第一顆使用太陽能電池供電的衛星。

設置與發射成果

• Vanguard?1表面共配置了六片硅晶小型太陽能電池板，驅動一顆功率約5?mW的108.03?MHz發射機，而另一顆由汞電池供電的發射機則功率為10?mW,僅持續運作約20天?。

• 相較之下，太陽能電池供電的發射機持續傳輸信號超過六年直到1964年5月，成為「電池死亡、太陽能繼續傳播」的劃時代證明?。

Satellite, Vanguard 1, Replica，圖片取自National Air And Space Museum

太空太陽能時代的到來

1962年7月10日，美國與貝爾實驗室（Bell Labs）合作推出的Telstar?1通信衛星成功發射，成為首顆有源跨大西洋中繼通訊衛星。該球形衛星直徑約88?cm、重量約77?kg，其外殼覆蓋約3,600片硅晶太陽能電池（總功率約14?W），并搭配鎳鎘電池儲能作為電力來源。

在發射后的幾個月中，Telstar?1透過太陽能成功驅動放大器與發射系統，進行實況電視轉播與電話聯機。其中包括1962年7月11日傳輸美國國旗影像，以及7月23日的公開跨大西洋電視直播。

1962年7月9日的高空核試驗Starfish?Prime，在約400?km高空引爆，制造出人工輻射帶，導致Telstar?1的輻射損傷。受損后，Telstar在1962年11月命令通道失效；雖曾經再度修復運作，但最終于1963年2月停止運作。

Telstar，圖片取自National Air And Space Museum

標準制定的起步

1971年，NASA高達德太空飛行中心（Goddard Space Flight Center）的印度裔美籍光譜學家Matthew?P.?Thekaekara與A.?J.?Drummond在《Nature Physical Sciences》期刊發表文章，建議制定「工程用途」的標準AM0太陽光譜以及對應的太陽常數值，奠定太空應用設計所需的光譜基礎。

• 1973年，Thekaekara綜合當時最佳的高空與地面觀測資料，匯整出一套涵蓋0.2–4?µm的準確AM0太陽光譜，并由他與Drummond編輯于書籍《The Extraterrestrial Solar Spectrum》中公開發布。

• 隨后于1974年，ASTM實行此光譜數據作為AM0標準，正式收錄于ASTM E490?73a「Solar Constant and Zero Air Mass Solar Spectral Irradiance Table」中，這是專門為航天工程用途制定的太空太陽光譜標準。

• 根據Thekaekara的0.2–4?µm光譜積分，ASTM E490?73a將太陽常數定為約 1353      W/m²，成為各工程設計與研究應用的基準值。

衛星觀測的精進

1976年，NASA發射Nimbus?7衛星，搭載精密的腔輻射計（Earth Flux Monitor, EFM）。1978年至1979年期間，其觀測報告的平均太陽總輻照度為約1376?W/m²，波動范圍±0.05%（±0.7?W/m²）。

1980年，Solar Maximum Mission (SMM)任務中的ACRIM（Active Cavity Radiometer Irradiance Monitor）啟用，與Nimbus?7的數據進一步比對與整合，揭示了太陽常數隨11年太陽活動周期發生0.1–0.2%的變化。

這一系列太空測量結果也促成對太陽常數最佳估值輕微上調至1360–1370?W/m²的共識，并將不確定度收斂至±0.03–0.05%。

現代標準的確立

2000年，ASTM正式發布E490?00版「Air Mass Zero 太陽光譜標準」，成為航天與太空光伏應用的重要依據。新版光譜整合了：

• UV波段（119.5–410      nm），采自UARS衛星SUSIM與SOLSTICE的1993年平均數據；

• 可見光段（410–825 nm），引用 Kitt Peak 高解析地基光譜；

• 紅外段（825 nm–4 µm），采用Kurucz理論模型；

• 長波段（4–1000 µm），由Smith與Gottlieb的觀測資料外推。

所有片段經波段拼接、微調平滑后，最終整體太陽常數校準為1366.1?W/m²，成為新的標稱值。

小結與現況

• Nimbus?7和ACRIM的衛星觀測不僅揭示太陽常數隨太陽周期的細微變化（±0.1–0.2%），還將估值微調至1360–1370?W/m²的精確范圍；

• ASTM      E490?00則以綜合多平臺觀測與模型數據建立精細AM0光譜，并將常數標稱值定為1366.1?W/m²；

• 截至2020年代，此常數仍為航天工程、太空光伏與精密穩態模型常用依據，被廣泛采納于設計與校正流程中。

Enlitech的AM0太陽光模擬器SS-ZXR符合ASTM和ECSS的標準，光強可達1366 w/m2，真正吻合AM0規范。

時間軸整理

地面觀測時代：測量與挑戰

• 1838年：Pouillet（法國）與Herschel（英國）以pyrheliometer和      actinometer 首測太陽輻射，Pouillet得值約1,228?W/m²，顯示地面實驗結果已接近本初值（1,360–1,370?W/m²）。

• 1881年：Langley于 Mt. Whitney 以bolometer進行高海拔多波長觀測，初算值高達      ~2,903?W/m²，后由其助手Abbot修正為~1,465?W/m²，揭示大氣吸收的波長依賴性。

系統性觀測時代

• 20世紀初：C.?G.?Abbot在智利安地斯、Mt.?Wilson等地建立多處高海拔觀測站，多年平均結果集中于      1,322–1,548?W/m²，最終標定約1,350?W/m²，范圍收斂至1,350–1,400?W/m²，并指出部分與黑子周期相關，但后來發現為大氣校正問題。

高空觀測時代

• 1946–1951      年：NRL利用V?2探空火箭進行高空紫外與X光測量，成功拍攝首張太空紫外光譜，覆蓋波段200–300?nm及X射線，奠定短波輻射觀測基礎。

• 1960年代：NASA高空飛機（11–12?km）測量0.3–2.5?µm波段，避開水氣與大氣吸收，讓所得太陽總輻照度更接近太空真值。

數值收斂時代

• 1969年：Arvesen等人得出1,390?W/m²（飛機平臺）；

• 1970年：Thekaekara等人報出1,353?W/m²（高空）；

• 1984年：Labs與Neckel結合地面與高空數據得1,358?W/m²。
       這些測值使共識匯聚于1,350?±?40?W/m²范圍內。

衛星觀測與標準建立

• 1976–1980      年：Nimbus?7的EFM探測器與SMM任務中的ACRIM輻射計揭露太陽常數有      0.1–0.2% 的11年周期變動，并微調估值至1,360–1,370?W/m²。

• 2000年：ASTM E490?00標準發布，整合包括 UARS      SOLSTICE/SUSIM（UV）、Kitt Peak（可見光）、Kurucz模型（IR）及Smith/Gottlieb（長波）等多源數據，最終校準太陽常數為1,366.1?W/m²。

概覽時間軸

EnliTech?SS?ZXR—真實重現太空AM0光譜的模擬器

在探索AM0（Air Mass Zero）規范演進的歷程中，最關鍵的一環便是將理論光譜轉化為可實測、可驗證的光源。EnliTech?SS?ZXR在此領域中脫穎而出：

• 精準光譜對應：SS?ZXR匹配 ASTM E490-00 所定義的AM0光譜，輸出輻照度高度穩定于1366?W/m²，并保持空間一致性<?2%

• 符合國際太空標準：同時通過ASTM與ECSS（歐洲太空標準）的嚴格驗證，確保在波段匹配、均勻度與時間穩定度方面皆達航天級規范

• 高耐久性與適應性：采用高溫耐受的xenon短弧燈設計，有效避免LED光源在高于25°C工作環境中的劣化問題，搭配光學結構，提供光源壽命與光強調整靈活性

• 為太空光伏而生：設計目標為Space?Grade硅晶、III?V、鈣鈦礦太陽電池，SS?ZXR不僅精準再現0.2–4?µm AM0 端光譜，亦可透過配合IVS?KA6000      控制軟件實現動態強度補償，支持整合測試與高階定速策略。

AM0標準的現況與未來展望

截至2020年代中期，ASTM E490（2000年版）仍是國際航天界普遍采用的AM0太陽光譜標準，總輻照度為1366.1 W/m²。然而，近年更精密的太空測量顯示這一標準值可能略高于實際平均。NASA SORCE衛星上的TIM輻照計在2008-2017年期間觀測到太陽極小期的TSI約為1360.9±0.5 W/m²，經跨儀器校正后，科學家提出太陽常數的新估計值約為1361.1 W/m²，比現行標準減少約5 W/m²（差異約0.4%）。

鑒于上述發現，ASTM已在2019-2022年期間召集專家審議E490標準的修訂方案。未來的AM0標準很可能采用~1361 W/m²作為新的基準太陽常數，同時融入更高光譜分辨率的觀測數據。太陽本身的周期活動意味著不存在「永遠精確」的太陽常數值，標準中的數值更多代表長期平均的參考值。隨著人類向月球、火星展開長期探測，AM0標準或許會擴充內容，提供各行星軌道處的太陽輻照對照表以供設計參考。

AM0太空光照標準的建立與發展，是科學與工程社群長期合作的結果：從最初概念提出，到火箭和衛星實測支撐，再到標準制定和不斷修訂，體現了科學演進和技術決策的脈絡。在未來，隨著觀測精度提高和太陽物理新知識的累積，AM0標準將繼續微調演進，但它將一如既往地在太空太陽能與航天光伏領域發揮基石作用，為研究人員和工程師提供統一而可靠的參照。

lstar，圖片取自NationalAir And Space Muse