國(guó)內(nèi)首架日冕儀落戶云南麗江

□ 云南天文臺(tái)選址和日冕觀測(cè)團(tuán)組 劉 煜

國(guó)內(nèi)首架日冕儀落戶云南麗江

□ 云南天文臺(tái)選址和日冕觀測(cè)團(tuán)組 劉 煜

首架日冕儀落戶麗江高美古

日冕儀的重要功能是通過(guò)人造日食的巧妙方式來(lái)直接觀測(cè)太陽(yáng)最外層大氣——日冕層。借助日冕儀，人們?cè)诔Ｒ?guī)太陽(yáng)觀測(cè)條件下就可以欣賞美麗的日冕以及壯麗的日冕爆發(fā)過(guò)程。我們的前輩自上世紀(jì)50年代末就開(kāi)始了針對(duì)日冕觀測(cè)址點(diǎn)的不斷考察，但遺憾的是一直未能尋找到理想的候選點(diǎn)。隨著近幾年我國(guó)西部太陽(yáng)選址工作的不斷深入，我們選址科考隊(duì)得到了一批頗有價(jià)值的潛在理想址點(diǎn)，大香格里拉地區(qū)便是其中得到證認(rèn)的區(qū)域之一。滇西北的麗江高美古天文基地就位于大香格里拉地區(qū)南部，海拔較高，空氣十分潔凈，每年旱季日照充沛。高美古目前擁有東亞最大的地面天文望遠(yuǎn)鏡集群，為我們?nèi)彰醿x觀測(cè)站的建立提供了極其便利的基本條件。

自2009年底開(kāi)始籌劃建立日冕儀站以來(lái)的短短數(shù)年中，我們經(jīng)歷了國(guó)際研討、西部選址、麗江定點(diǎn)和日冕儀安裝調(diào)試及初光的主要過(guò)程，終于在2013年10月份迎來(lái)了麗江日冕儀國(guó)際合作站的順利建成，結(jié)束了我國(guó)天文學(xué)史上長(zhǎng)期無(wú)任何日冕儀的歷史，同時(shí)破除了西方一些科學(xué)家認(rèn)為中國(guó)境內(nèi)沒(méi)有日冕觀測(cè)條件的錯(cuò)誤結(jié)論。面向未來(lái)，我們充滿信心期待著在中國(guó)西部高原能夠建立世界下一代大口徑日冕儀，為人類理解日冕中的各種奇特物理過(guò)程而服務(wù)。

日冕是太陽(yáng)活動(dòng)的重要區(qū)域

作為太陽(yáng)最外層的大氣，日冕中蘊(yùn)含著極其豐富的信息并經(jīng)歷著各種物理過(guò)程，如日冕等離子體的加熱、太陽(yáng)風(fēng)加速、物質(zhì)拋射、暗條消失、電流片的形成和耗散、日冕激波的形成和演化、粒子加速、磁場(chǎng)重聯(lián)等等。日冕是大尺度太陽(yáng)活動(dòng)及災(zāi)害性空間天氣的發(fā)源地。日冕作為天然的等離子體物理實(shí)驗(yàn)室，為研究包括磁場(chǎng)能量?jī)?chǔ)存及釋放、磁重聯(lián)、粒子加速等各種等離子體物理過(guò)程提供了極佳的條件。進(jìn)入二十一世紀(jì)，人類將不斷拓展在太空中的高技術(shù)活動(dòng)，而耀斑和日冕物質(zhì)拋射產(chǎn)生的高能輻射、高能粒子和強(qiáng)磁場(chǎng)會(huì)對(duì)航天器、宇航員和包括GPS系統(tǒng)、高頻通訊、電網(wǎng)等的空間技術(shù)以及一些地面技術(shù)設(shè)施造成損傷。因此提前對(duì)災(zāi)害性空間天氣做出準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)就直接關(guān)系到國(guó)民經(jīng)濟(jì)、社會(huì)發(fā)展和國(guó)家安全。但是，我們對(duì)日冕物質(zhì)拋射的形成機(jī)制和形成高度、加速機(jī)制以及運(yùn)動(dòng)學(xué)特征等還很不清楚。另外，天文學(xué)家已經(jīng)知道耀斑和日冕物質(zhì)拋射都與日冕中的磁重聯(lián)相關(guān)，但磁重聯(lián)本身及其發(fā)生的物理?xiàng)l件至今沒(méi)有在日冕中被直接觀測(cè)。因此，日冕研究在科學(xué)和應(yīng)用領(lǐng)域具有特殊的重要性以及諸多尚未解決的科學(xué)問(wèn)題。

圖3 由夏威夷M K 4（地面日冕儀）和N A S A的SOHO LASCO（空間日冕儀）觀測(cè)合成的大尺度日冕結(jié)構(gòu)。最內(nèi)的綠色圓面是太陽(yáng)極紫外波段圖像（SOHO EIT望遠(yuǎn)鏡）。數(shù)據(jù)來(lái)源于相應(yīng)望遠(yuǎn)鏡設(shè)備的官方網(wǎng)站。

國(guó)內(nèi)外日冕儀現(xiàn)狀

日冕儀是一種借助人為日食來(lái)研究日冕形態(tài)及其光譜的專業(yè)天文儀器。日冕儀必須放到高山上使用，以避免大部分地球大氣散射光(瑞麗散射作用）的影響。 它是法國(guó)默東天文臺(tái)的伯納德·里奧博士（B. Lyot）于1930年發(fā)明，迄今已經(jīng)應(yīng)用發(fā)展了80多年。國(guó)際許多太陽(yáng)觀測(cè)站都擁有日冕觀測(cè)儀器的使用經(jīng)驗(yàn)。隨著空間天氣學(xué)的發(fā)展，日冕儀已成為研究空間天氣的關(guān)鍵儀器。日冕儀已經(jīng)從地面發(fā)展到空間。西方發(fā)達(dá)國(guó)家先后發(fā)送了Skylab、SOHO、SMEI、STEREO等觀測(cè)設(shè)備進(jìn)入太空開(kāi)展日冕和日地空間環(huán)境監(jiān)測(cè)，我國(guó)也已提出建造空間太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡日冕儀和夸父計(jì)劃空間日冕儀等項(xiàng)目。顯而易見(jiàn)的是，這些空間日冕儀的實(shí)驗(yàn)和檢測(cè)還需要依賴地面日冕觀測(cè)平臺(tái)的有效支撐和輔組作用。

我國(guó)西部日冕觀測(cè)的環(huán)境條件

日冕觀測(cè)所需要具備的環(huán)境條件比其它天文觀測(cè)更加苛刻，需要在交通相對(duì)便利、海拔較高、天空散射亮度低、風(fēng)速穩(wěn)定且較弱的地帶安裝運(yùn)行。目前我國(guó)西部不少地區(qū)氣溶膠參數(shù)指標(biāo)不容樂(lè)觀，這將導(dǎo)致日冕儀關(guān)鍵光學(xué)元件在這些地區(qū)不容易保持理想的潔凈度和低散射光水平，這對(duì)日冕精細(xì)結(jié)構(gòu)及其速度場(chǎng)、磁場(chǎng)等物理參量的精確測(cè)定是一個(gè)不利因素。另外，一些西部高原地帶的風(fēng)速一般很強(qiáng)，經(jīng)常能夠達(dá)到8級(jí)大風(fēng)，這對(duì)未來(lái)發(fā)展更大口徑的設(shè)備是一個(gè)限制，風(fēng)速太強(qiáng)容易造成儀器不穩(wěn)定工作和數(shù)據(jù)誤差增大。

我國(guó)在過(guò)去長(zhǎng)達(dá)50多年的時(shí)間里有資料記載的選址范圍包括西藏、新疆、云南、青海和甘肅等西部地區(qū)。但沒(méi)能確定一個(gè)國(guó)際公認(rèn)的理想的日冕儀站址。我們認(rèn)為造成這種結(jié)果的原因要么是因?yàn)橐恍┲伏c(diǎn)確實(shí)糟糕，要么是因?yàn)檫x址設(shè)備不科學(xué)、不標(biāo)準(zhǔn)。

我國(guó)天文學(xué)家的夢(mèng)想

日冕儀結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)相對(duì)較低，但科學(xué)產(chǎn)出十分豐富，所以，自日冕儀誕生以來(lái)，在中國(guó)建成一座地面日冕儀臺(tái)站就一直是我國(guó)天文學(xué)家的夢(mèng)想。值得一提的是，上世紀(jì)50年代末，南京大學(xué)有一批年輕有為的天文學(xué)家，如蘇定強(qiáng)、方成等人，曾攜帶一架簡(jiǎn)易日冕觀測(cè)設(shè)備前往甘肅祁連山地區(qū)進(jìn)行過(guò)日冕儀選址，取得了不錯(cuò)的觀測(cè)成績(jī)。但在這期間發(fā)生了眾所周知的藏區(qū)特殊政治事件。據(jù)說(shuō)此次事件在一定程度上干擾了野外選址工作，導(dǎo)致這次選址不幸中斷，似乎以后數(shù)十年再也沒(méi)有組織過(guò)針對(duì)祁連山地區(qū)的深入選址考察?；赝麣v史，日冕儀選址的未能早日完成，不僅導(dǎo)致我國(guó)日冕儀項(xiàng)目相比其他國(guó)家延遲了半個(gè)多世紀(jì)，也導(dǎo)致我國(guó)在日冕觀測(cè)經(jīng)驗(yàn)方面長(zhǎng)期無(wú)國(guó)際發(fā)言權(quán)，在日冕物質(zhì)拋射研究等重要空間科學(xué)方面也曾滯后先進(jìn)國(guó)家數(shù)十年！

筆者曾在海外從事太陽(yáng)活動(dòng)爆發(fā)和磁場(chǎng)測(cè)量工作，有幸接觸過(guò)多架日珥活動(dòng)和日冕磁場(chǎng)觀測(cè)的日冕儀，在享受這些資料的同時(shí)深感國(guó)內(nèi)在此實(shí)測(cè)領(lǐng)域的相對(duì)落后和不足。為避免我們過(guò)度依賴國(guó)外觀測(cè)資料的現(xiàn)狀，我們必須想方設(shè)法、盡早實(shí)現(xiàn)地面日冕儀觀測(cè)，從而掌握第一手資料。

圖4 （上）日本飛彈天文臺(tái)耀斑監(jiān)視望遠(yuǎn)鏡（FMT），其中一個(gè)鏡筒專門用于太陽(yáng)邊緣日珥活動(dòng)的監(jiān)測(cè)；（下）美國(guó)夏威夷Haleakala天文臺(tái)的日冕儀(Solar-C)，用于太陽(yáng)邊緣活動(dòng)區(qū)和日冕的磁場(chǎng)光譜觀測(cè)。圖片來(lái)自于相關(guān)望遠(yuǎn)鏡設(shè)備的主頁(yè)。

圖5 日本國(guó)立天文臺(tái)乘鞍觀測(cè)站的一架日冕儀，曾保持著世界日冕儀觀測(cè)時(shí)間最久的記錄——60年。

圖6 日本乘鞍日冕觀測(cè)站遠(yuǎn)景。

日冕儀的前期準(zhǔn)備工作

筆者2008年歸國(guó)后立志發(fā)展我國(guó)首架地面日冕儀。在國(guó)家自然科學(xué)基金、財(cái)政部天文財(cái)政專項(xiàng)、科技部973等項(xiàng)目的大力支持下，劉煜的團(tuán)隊(duì)成員攜帶科學(xué)設(shè)備先后考察了新疆、西藏、寧夏、青海、四川和云南等省的50多個(gè)址點(diǎn)情況，獲得了數(shù)個(gè)比較理想的日冕觀測(cè)候選址點(diǎn)，其中麗江高美古觀測(cè)站是重點(diǎn)推薦的候選址點(diǎn)之一。

根據(jù)我們團(tuán)隊(duì)西部太陽(yáng)選址實(shí)地踏勘以及國(guó)家氣象衛(wèi)星資料進(jìn)行云量、降雨量以及日照時(shí)間的統(tǒng)計(jì)分析，我們認(rèn)為大香格里拉地區(qū)擁有建設(shè)日冕儀臺(tái)站的優(yōu)勢(shì)。麗江恰好地處大香格里拉旅游環(huán)線東南部，從氣候特征上已經(jīng)占有了獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。在地形、地貌方面和天文氣象因子方面，高美古已被過(guò)去的大量選址工作證實(shí)為具備優(yōu)勢(shì)的天文觀測(cè)所在地。尤其是潔凈的大氣、較高的海拔以及現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施，這些因素促進(jìn)我們決定日冕儀觀測(cè)臺(tái)站在麗江高美古的建立。

值得一提的是，云南天文臺(tái)承擔(dān)的國(guó)家大型地面太陽(yáng)觀測(cè)設(shè)備選址工作已經(jīng)展開(kāi)數(shù)年，目標(biāo)就是在中國(guó)西部尋找國(guó)內(nèi)最具潛力的大型地面太陽(yáng)觀測(cè)設(shè)備址點(diǎn)，建立口徑8米級(jí)的世界一流巨型太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡，同時(shí)也為更多的國(guó)內(nèi)外大型天文望遠(yuǎn)鏡提供優(yōu)良的觀測(cè)臺(tái)址。日冕儀觀測(cè)臺(tái)站僅是我們未來(lái)太陽(yáng)觀測(cè)規(guī)劃中的一部分，該項(xiàng)目可為研制下一代1.5米口徑日冕儀設(shè)備做實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備，1.5米口徑將是世界上最大的日冕儀設(shè)備。

麗江日冕儀觀測(cè)站的建設(shè)歷程

麗江日冕儀觀測(cè)站是云南天文臺(tái)與日本國(guó)立天文臺(tái)雙方天文學(xué)家共同努力的成果。也是雙方天文學(xué)家在太陽(yáng)物理研究方面繼續(xù)合作的起點(diǎn)。麗江日冕儀觀測(cè)站從2009年設(shè)計(jì)藍(lán)圖到2013年10月落成觀測(cè)，先后經(jīng)歷近4年的時(shí)間。

圖9 麗江日冕儀取得的可見(jiàn)光波段資料。

麗江日冕儀的結(jié)構(gòu)

這架日冕儀（包括后端設(shè)備）重100多公斤，有效口徑10公分，鏡筒外徑約30公分，長(zhǎng)度近3米，配備赤道跟蹤裝置和高精度窄帶里奧濾光器和CCD相機(jī)，將利用日冕綠線（波長(zhǎng)5303埃）來(lái)觀測(cè)低層日冕大氣的形態(tài)和多普勒速度場(chǎng)，時(shí)間分辨率能夠達(dá)到1秒量級(jí)，每天數(shù)據(jù)量超過(guò)1G。它的一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)是能夠觀測(cè)日冕的低層結(jié)構(gòu)至0.08個(gè)太陽(yáng)半徑處，這是國(guó)際上其它日冕儀所不能媲美的。也是國(guó)際上唯一能夠高精度測(cè)量日冕綠線的日冕儀。

安裝地點(diǎn)在麗江高美古觀測(cè)站，觀測(cè)平臺(tái)所在海拔高度為3223米，常年風(fēng)速不大，氣候宜人，冬季最低氣溫很少達(dá)到零下10度，夏季氣溫很少超過(guò)25度。每年干季（10月至下一年4月）的云量少，日照時(shí)數(shù)長(zhǎng)。目前昆明有直達(dá)麗江的飛機(jī)、火車和高速公路。如果驅(qū)車從昆明前往的話，530多公里的交通路線僅需6~7個(gè)小時(shí)左右。

建成后，它將是我國(guó)乃至整個(gè)東半球唯一的地面日冕儀，將與西半球的夏威夷天文臺(tái)日冕儀合作，全面覆蓋低層日冕的觀測(cè)時(shí)段，具有很高的科研和科普價(jià)值。

麗江日冕儀站展望

在短暫數(shù)年內(nèi)我們不僅實(shí)現(xiàn)了中國(guó)日冕儀臺(tái)站零的突破，而且已在麗江高美古進(jìn)行了日冕常規(guī)觀測(cè)。我們這份喜悅的心情是難以言表的。麗江日冕儀站已向社會(huì)公眾開(kāi)放，我們希望讓更多的人了解日冕這一特殊的大氣層。

不可否認(rèn)的是，麗江日冕儀站目前的基礎(chǔ)設(shè)施，如觀測(cè)平臺(tái)的狹小和水電供應(yīng)不足等，并不令人滿意，這是一些準(zhǔn)備條件不足等客觀原因造成的。樂(lè)觀地講，我們正在籌劃2014年為日冕儀盡快建成一個(gè)更漂亮的“窩”（如圖10），為它的觀測(cè)能力創(chuàng)造更好的環(huán)境。

（責(zé)任編輯 張長(zhǎng)喜）

圖10 規(guī)劃中的麗江日冕儀新家。