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挺拔在险峰的天文坐标
2016-5-11 9:31:34本站原创 】 【收藏】 【打印

挺拔在险峰的天文坐标

16-05-10
支教地理吧
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    人类及其文明,已经在太阳下生存了至少300万年,和其他万事万物一样,人类依靠着太阳,能源来于太阳、被太阳所塑造和决定。虽然太阳与我们息息相关,但至今,我们对这个和我们息息相关的庞大天体却知之甚少。特别是关于太阳爆发在日地空间如何作用的规律和关键细节的掌握,仍是天体物理研究中巨大的空白和未知。毫无疑问,不断发掘最好的太阳观测台址,不断发展最好的太阳观测设备,是认识、懂得、进而把握太阳活动秘密的重要手段,是从根本上提升我们认识宇宙能力的途径。    

       寄语西部太阳选址——刘煜、柴枫子   2011-1-27 


早在2011年初,为了更好地进行太阳观测,中国科学院云南天文台就开始了全面的选址工作,选址队的足迹也因此遍布了整个青藏高原的高海拔地区。2015年初,在综合了各项数据之后,选址队最终把新站点定在了四川省甘孜州的稻城。用选址队首席科学家刘煜老师的话来说,这里好比是美国的夏威夷,具有十分有利的天文观测条件。



云南天文台老中青三代科学家合影  

左起第一为本文作者刘煜,云南天文台天文选址项目首席科学家


挺拔在险峰的天文坐标

        ——记云南天文台天文选址队


选址,添云南天文新骄傲

    随着我国天文科学研究的发展和国家对空间环境探索需求的日益增长,需要建设和运行更多、更复杂的天文观测装置。为这些天文观测装置找一个既符合它们运行所需的独特环境,又可以尽可能有更多观测时间的“家”,就成为天文观测研究中一项很重要的前期工作。

   云南,地处低纬高原,在这彩云南现的地方,形成了独具特色的地理气候。云南境内兼具北热带南亚热带中亚热带北亚热带暖温带中温带高原气候7个温度带气候类型。冬夏两季受不同大气环流的控制和影响,在云南的中西部高海拔地区,空气干燥稀薄、山高谷深,日照时间长、降水量少、晴天多,这些地域都特别适合开展不同类型的天文光学观测,包括太阳和夜天文观测。正因为如此,云南正在成为我国重要的天文地基观测、空天目标监测和深空探测的重要基地。在云南天文台长达十余年的天文选址工作基础上,多台大型天文观测设备已经落户云南,如丽江2.4米望远镜、瀓江抚仙湖1米红外太阳塔、探月工程昆明40米射电望远镜等。

   当然,如果能把望远镜发射到太空,的确可以避免地球大气的干扰,还能够全天不间断的24小时观测,在空间还能开展地面无法进行的紫外、X射线、γ射线波段的天文观测。但是,由于太空发射能力、飞船或卫星的搭载重量和空间等原因的限制,空间望远镜的口径、重量和复杂程度都远远不及地面大型设备,而空间望远镜在升级改造、维修维护等方面,也不及地面设备便利。除此之外,另一个重要的原因,是空间望远镜的工作寿命相对地面观测设备要短很多。因此,在天气晴好、大气视宁度一流的地区开展地面天文观测,能够让观测设备的能力发挥到极致。纵观发达国家的天文观测,从来都是地面——空间均衡发展,这种平行发展的两条路线,有利于空间和地面天文观测密切配合及优势互补。

进入新世纪,国际上越来越多的地基大型天文观测设备逐渐提上议事日程,例如用于太阳观测的4米级巨型太阳望远镜和用于夜天文观测的30米级夜天文望远镜。面对中国地基天文观测设备相对落后的实际情况,中国天文界也提出了要在未来10年之内建成5米至8米量级的超巨型太阳光学望远镜方案,此案得到了国家有关部门的高度重视和肯定,也一度成为国家有关部门大型科学仪器设备发展战略的重要候选项目之一。这样的大型望远镜,耗资巨大,必须遴选一个与其匹配的优良台址,才能使得望远镜充分发挥最好效力。让国家的投资物有所值,是每一位天文选址人员的必须责任!

近年来,云南天文台在云南省及滇、川、藏交界区域,即大香格里拉地区,启动了新一轮的天文选址工作,其目的就是为了建设我国新一代的大口径夜天文望远镜、中国巨型太阳望远镜(CGST)以及大口径射电望远镜而做好前期准备工作。



西部太阳选址的启动

    2009—2010年,全国相关天文学者齐聚一堂,召开了二次全国性选址工作研讨会,其中在大理日环食期间举办的第二次选址会议上,针对太阳选址现状,提出了“达成共识、立即行动”的口号,确定了中国太阳选址的中长期规划,命名为“中国大型太阳物理观测设备的西部选址”,简称“中国西部太阳选址”,并将太阳选址的艰巨任务,交由云南天文台领衔具体实施。当大家展望中国太阳观测设备建设发展的远景时,老院士们激动不已,年轻人则是摩拳擦掌。由来自国内多所高校和天文台的天文专业人员,迅速组成了专业选址队—中国西部太阳选址队,老院士们则亲自挂帅督战。对参加天文选址工作的队员而言,意味着他们要停下自己的研究工作,在艰苦的野外跋涉、蹲守数年的时间,对个人而言其实是一个很大的牺牲。但选址队员们能够牺牲个人名利,服从天文事业发展大局的需求。大家纷纷表示,一切以选址工作为重,全力以赴,坚持到底,决不三心二意。甚至还有队员郑重立下了决不当逃兵、不达目的不罢休的誓言,还立下了生死状。各个合作单位也从政策、人力、财力各方面对选址工作予以积极支持协助,选址工作就这样在各方的团结努力下启动了。

  2010年,国家自然科学基金委以联合重点项目的形式支持西部选址工作,国家天文台和云南天文台也及时启动了对选址工作的财政支持,虽然资金离总预算尚有不小差距,但这已是当时能够争取的最大额度,而且也是各个部门在力所能及的范围内能够给予的最大支持了。每每回想到这里,激动之情难以言表。

中国西部太阳选址队!这是一个响亮的名称,这是一个特别的天文部落,这儿聚集着最好的天文选址专家,这儿拥有一群甘于奉献、奔波在祖国西部最艰苦地区的热血队员。五年来,伴随着科学精神和辛勤汗水,我国西部大香格里拉腹地蕴藏的丰厚天文资源逐渐向世人揭开神秘的面纱,祖国未来一流天文观测址点在香格里拉这一事实已成为大西南天文王国的新标签。


天文选址工作是怎样开展的

   辞章可以一气呵成,但天文选址工作不能急于求成,指望一蹴而就。有位资深选址专家笑着对我说,别说三五个月,恐怕就是三五年的努力都不一定能保障完成。

   鉴于此,我们需要制定了周密的选址方案,选址周期至少五年。选址之初的主要内容是远程研究和细心规划,也就是纸上论兵、图上作业选址第一阶段。其主要内容,就是结合各种资源统计数据,探讨满足大望远镜观测条件的可能地区,集体决定踏勘阶段候选址点。这个在办公室里进行的远程研究看似简单,其实不然。因为这个阶段需要认真分析大量的长期统计资料上,结合天文选址的理论和经验,来圈定需要实地踏勘、实地测量的重点区域。这里面要考虑的因素非常多,其中比较重要的参数有白日视宁度、日照时数、温湿度、气压、海拔、云量、相对高度、地震灾害、尘埃PM2.5值、交通生活和人文经济等。总体来讲,具备地广人稀、海拔高、降雨少、日照时数多、空气透明度好这些条件的区域,是可能的天文观测址点。图1和图2,分别表示的是全球的PM2.5悬浮粒子分布和云量分布,恰好能看出,云南的大香格里拉地区和西藏阿里地区,云量少(晴天多),PM2.5值低,更适于天文观测。



全球PM2.5悬浮粒子含量(重要污染物颗粒,小于头发丝直径1/10)最高的地区在北非和中国华北、华东、华中全部。中国西部的阿里地区和大香格里拉地区较低。

--引自美国医学杂志 Environmental Health Perspectives 2010


全国多年平均总云量图。显示我国西南地区的大香格里拉金沙江一带地区云量较低,其中云量最低值与西藏的阿里地区近似。(引自中国气象局网上公开资料)


   第二阶段,就是对第一阶段所挑选出来的可能址点,携带多种便携式仪器设备,进行实地踏勘和测量。历经近三年的艰苦工作,我们对50多个可能址点进行了实测,积累的大量的观测数据。这些初选点的分布可以参考图3中的小红旗。另外还有待测量的20多个高山湖泊的分布用小白旗标示。由于候选址点大多分布在中国西部地区,地域辽阔,而我们的经费和时间都很有限,因此,通过详细对比这50余个点的观测资料,精选出23个最优候选点,进入天文选址的第三阶段——定点长期监测阶段。


香格里拉地区晴空万里、空气洁净,让你真正变成千里眼


队员在新疆海拔4500米的卡拉苏山顶观测


队员在中印边界的班公湖草岛上观测


第三阶段,需要安装系列长期监测设备,采集和积累至少两年的连续数据,样本数的充足便于址点之间的充分比对。目前我们已经处于选址第三阶段的中期,积累了大量址点数据。这些考察过的址点除了少部分海拔较低的候选址点,其余绝大部分都是海拔在4000米以上的高山之巅。我们实地踏勘测量的其余候选址点,也为不同单位的天文观测设施的建设提供了重要的参考信息,如落户在四川稻城的中国科学院高能物理所的国家大科学工程——高海拔宇宙射线观测站(LHAASO)、落户在新疆温泉县的国家气象局太阳磁场望远镜项目等等。

     2013-2014年,选址专家组根据对三年、50余个点的巡测结果的分析和实地考察,优选出数个定点监测候选站址,其中一个是位于四川稻城、海拔4700米的无名山。云南天文台在201410月启动了在无名山建立长期定点测量平台的建设,由于发现这里的夜天文观测条件也非常好,因此还投入了夜间天文址点监测设备的建设,启动了夜间天文参数的连续监测工作。无名山站已成为既兼顾太阳观测、又包含了夜间天文参数测量的监测址点。结合定点阶段的连续监测研究,国内学术界终于在2015年初,确定了无名山为符合选址要求的优秀太阳观测候选址点之一。



无名山天文选址监测站全貌


无名山选址人员在调试设备


云南天文台的西部选址工作,还得到了国际同行的高度关注,我们与国际上著名天文单位保持着高效的合作关系,如美国的大熊湖天文台、夏威夷天文台、智利ALMA天文台、西班牙加那利天文台、印度科学院天文委员会、日本国立天文台等。我们还携带选址设备,到国际上著名的优秀台址点进行实地观测,与对方交流台址观测资料,进行详细对比。通过这些国际交流合作,中国西部地区的优越天文观测条件得到了广泛认可,还有不少国际同行提出了把他们的望远镜,落户在稻城的合作意向。(未完待续)



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