利用光谱法测量雪的反照率
1. 实验背景
在夏天,人们通常会通过涂抹防晒霜,戴上遮阳帽和太阳镜来做防晒。到了冬天,比起防晒人们要更注重保暖。然而不论哪个季节,紫外线都可能对身体造成损伤:在冬季,当我们的眼睛长时间暴露在积雪反射出的紫外线中,就可能灼伤眼睛形成光性角膜炎。
积雪反射出的光强可量化为反照率,其定义是反射辐射通量与入射辐射通量之比。反照率的取值范围为0~1,0表示完全吸收所有入射辐射(如黑体),而1表示完全反射所有入射辐射(如理想镜面)。举个例子,地球整体的平均反照率约为0.3,月球的平均反照率为0.12。雪的反照率变化很大,新鲜雪的反照率可高达0.9,脏雪的反照率可低至0.2。
反照率可以用来判断雪的消融程度,雪中是否存在其他颗粒和分子,在人类研究气候变化对极地冰川的影响中起到了关键作用。
2. 实验系统
实验系统(图1)使用了两款光谱仪,其中一款为近红外光谱仪NIR512-2.5-HSC-EVO,它配备512像素InGaAs(铟镓砷)阵列探测器和二阶TE制冷,本实验使用25μm狭缝,波长范围为1000- 2500nm。

图1:雪样测量的实验系统-已用附带光纤和余弦校正器校准辐照度的2个光谱仪
另一款为迷你型光谱仪AvaSpec-NXS2048CL,通称为NEXOS™。它配备2048像素CMOS探测器,覆盖波长范围200-1100nm。实验使用的其他附件包括两根600μm芯径光纤和两个余弦校正器。
2. 实验方法
测量将在室外进行,使用太阳作为光源,实验中的雪样是下过中雪后第二天室外的雪。
我们总共选择了5个测量样品点,其中3个测量点使用2款光谱仪测量,覆盖波长范围200-2500nm。另外2个测量点单独使用可见光谱仪NEXOS™测量,覆盖波长范围200-1100nm。
对于NEXOS™,我们使用了25ms的积分时间,平均次数设为21;对于NIR512-2.5-HSC,我们使用125 ms的积分时间,平均次数设为7。


实验测量环境与现场
实验使用了AvaSoft软件中的两种测量模块。第一种为反射率测量模块。第二种为辐照度测量模块,我们需要测量样品的辐照度和辐射通量来得到雪的反照率,由于AvaSoft中的辐射通量单位是μWatt而不是μWatt/cm²,我们将通过除以余弦校正器的面积来实现数值转换。
3. 实验结果
如下显示的是5个雪样品点的反射光谱,辐照度和辐射通量表,并计算了各点的反照率。

图2:样品点1的反射光谱(可见+近红外)

图3:样品点2的反射光谱(可见+近红外)

图4:样品点3的反射光谱(可见+近红外)

图5:样品点4的反射光谱(可见)

图6:样品点5的反射光谱(可见)

图7:所有样品点的反射光谱

表1:每个样品点的辐射测量值
与计算所得反照率
反射光谱图分析表明,所有被测点的紫外-可见光谱范围反射率曲线相对平坦,该范围的后端(即1050-1100 nm)在样品点1(图2)、2(图3)和5(图6)中略微向下弯曲,在样品点3(图4)和4(图5)中略微向上弯曲。与样品点1和2相比,样品点3、4和5的反射率总体上更高。这两种差异都与光强度更大,总辐照度值更高有关。但是这并不会导致反照率值的增加,因为辐射通量随之成比例增大。
近红外光谱显示:在992nm、1380nm、1874nm和2500nm左右波长处呈现出一致的反射率波谷。虽然波谷位置一致,但数值范围变化较大,样品点3显示反射率波谷值约为-750%,而样品点1在同一波谷的反射率值约为-150%。但由于辐照度和辐射通量成比例变化,并不会影响反照率的大小。
4. 实验结论
总之,光谱分析可以应用在雪的反照率计算方面。AvaSpec-NIR512-2.5-HSC-EVO是一款高度通用的近红外光谱仪, AvaSpec-NXS2048CL是适配OEM应用和集成测量的迷你光谱仪。