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何處覓星光？選臺(tái)址可能是天文領(lǐng)域中最艱苦的工作之一。城市快速發(fā)展，燈光污染、空氣污染等都對(duì)天文觀測(cè)造成影響，天文學(xué)家也將目光投向了條件更好的西部。2003年，國(guó)家天文臺(tái)部署啟動(dòng)了重大科研計(jì)劃——中國(guó)西部天文戰(zhàn)略選址，針對(duì)我國(guó)西部地區(qū)潛在的優(yōu)良天文臺(tái)址進(jìn)行考察和選擇。（阿里、冷湖、稻城、帕米爾高原的選址故事）

除了西部選址計(jì)劃，還有一個(gè)地方也被不畏艱險(xiǎn)的天文學(xué)家們“惦記”上了，那就是真正遠(yuǎn)在天邊的南極！南極大陸被冰雪覆蓋，極寒和極端干燥等惡劣的自然環(huán)境不適于任何生物生存。然而，也正是這樣特殊的地理大氣條件，給了天文觀測(cè)研究特殊的機(jī)遇。

中國(guó)南極天文的主要工作在南極內(nèi)陸冰穹A。冰穹A是南極冰蓋的最高點(diǎn)，海拔4100米（南緯80°25′01″，東經(jīng)77°06′58″），下面冰層厚度可達(dá)3000多米，冬季氣溫經(jīng)常低于零下80度，被稱為“不可接近之極”。

2005年1月，中國(guó)第21次南極科學(xué)考察隊(duì)率先登頂了冰穹A，并在2008-2009年度建立了中國(guó)第三個(gè)南極科考站，也是中國(guó)第一個(gè)南極內(nèi)陸科考站——昆侖站，給中國(guó)天文也帶來(lái)了新的契機(jī)。

冰穹A的地理和大氣條件給了天文研究獨(dú)一無(wú)二的優(yōu)勢(shì)。極夜可以連續(xù)24小時(shí)不間斷觀測(cè)，這對(duì)時(shí)域天文可遇不可求；清潔而穩(wěn)定的大氣，預(yù)測(cè)有優(yōu)異的視寧度，可以保證對(duì)天體的觀測(cè)更加清晰；寒冷和干燥的環(huán)境又極為有利于紅外和亞毫米波段的觀測(cè)。

冰穹A的臺(tái)址測(cè)量設(shè)備

在冰穹A安裝天文設(shè)備始于2007-2008年中國(guó)第24次南極科考，科考設(shè)備同時(shí)兼顧臺(tái)址測(cè)量和天文研究。

第一代光學(xué)望遠(yuǎn)鏡中國(guó)小望遠(yuǎn)鏡陣（CSTAR）

由4臺(tái)口徑14.5厘米、配不同顏色濾光片的小望遠(yuǎn)鏡組成，主要用于確認(rèn)冰穹A的光學(xué)觀測(cè)條件和變星研究。

安裝在南極的中國(guó)小望遠(yuǎn)鏡陣CSTAR。

第二代光學(xué)望遠(yuǎn)鏡南極巡天望遠(yuǎn)鏡（AST3）

計(jì)劃有3臺(tái)同樣的望遠(yuǎn)鏡，在不同的顏色波段同時(shí)進(jìn)行觀測(cè)，比CSTAR大很多，口徑為50厘米，是全功能的望遠(yuǎn)鏡，可以指向天空任何方向并跟蹤，主要用于時(shí)域天文的研究，監(jiān)測(cè)各種天體隨時(shí)間的變化，發(fā)現(xiàn)新的天體。

昆侖站天文場(chǎng)地的兩臺(tái)南極巡天望遠(yuǎn)鏡AST3。

最近的昆侖視寧度望遠(yuǎn)鏡（KL-DIMM），專門用來(lái)測(cè)量冰穹A的視寧度，配有一套完善的控制、觀測(cè)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，實(shí)時(shí)校正望遠(yuǎn)鏡的指向和跟蹤，實(shí)現(xiàn)對(duì)亮星（老人星）的閉環(huán)導(dǎo)星、長(zhǎng)期跟蹤觀測(cè)。

在光學(xué)波段，還有廣角90°的Gattini相機(jī)和180°全天相機(jī)—昆侖云量和極光監(jiān)測(cè)儀（KLCAM），也用于對(duì)光學(xué)觀測(cè)條件的測(cè)量和研究。

歷年來(lái)安裝運(yùn)行的其它監(jiān)測(cè)設(shè)備還包括——

大氣監(jiān)測(cè)設(shè)備：

聲雷達(dá)（SNODAR）

研究近地面大氣逆溫層的昆侖多層自動(dòng)氣象站（KLAWS）

太赫茲設(shè)備：

高海拔南極太赫茲望遠(yuǎn)鏡原型機(jī)（pre-HEAT）

傅里葉頻譜儀（FTS），專門用于測(cè)量大氣在這個(gè)波段的透過(guò)率

由于昆侖站目前還只是度夏站，冬季無(wú)人值守。因此，當(dāng)科考隊(duì)員離開(kāi)昆侖站后，所有設(shè)備都必須在無(wú)人值守的情況下自動(dòng)運(yùn)行。為此，我們與澳大利亞科學(xué)家合作為昆侖站天文項(xiàng)目定制了一套能源和通訊系統(tǒng)——高原觀測(cè)站（PLATO），集成太陽(yáng)能和傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)，配備衛(wèi)星通訊，可以保障現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的越冬運(yùn)行，并支持遠(yuǎn)程對(duì)設(shè)備的監(jiān)測(cè)和控制。為應(yīng)對(duì)冰穹A極端的環(huán)境，所有設(shè)備都針對(duì)低溫和冰雪進(jìn)行了特殊設(shè)計(jì)和防護(hù)。同時(shí)，有一套運(yùn)行控制和數(shù)據(jù)系統(tǒng)，負(fù)責(zé)完成無(wú)人值守的觀測(cè)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理等工作。

昆侖站天文場(chǎng)地的SNODAR，以及PLATO的發(fā)電艙和儀器艙。

歷年來(lái)，昆侖站天文場(chǎng)地的各種設(shè)備也根據(jù)需求進(jìn)行了維護(hù)更新。目前仍在現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備包括KL-DIMM、KLAWS、KLCAM和一臺(tái)AST3望遠(yuǎn)鏡。

昆侖站天文場(chǎng)地的KLAWS和兩臺(tái)冗余的KL-DIMM望遠(yuǎn)鏡及其塔架。

冰穹A的穩(wěn)定大氣和優(yōu)異視寧度

南極是地球上被污染最少的大陸，空氣潔凈，塵埃極少，因此散射光也極小。冰穹A的大氣也非常穩(wěn)定。利用KLAWS，我們發(fā)現(xiàn)冰穹A的大氣在大部分時(shí)間都存在非常強(qiáng)的逆溫現(xiàn)象，與通常上冷下熱的大氣不一樣。在這里，越冷因而越重的空氣越接近雪面，而溫度較高的輕空氣則在上層，所以稱為逆溫。通常在城市或一般天文臺(tái)沒(méi)有逆溫，熱空氣上升、冷空氣下降，引起大氣對(duì)流并產(chǎn)生湍流，造成很差的視寧度。而在逆溫情況下，沒(méi)有大氣的垂直對(duì)流，因而大氣非常穩(wěn)定，可以有非常好的視寧度。

冰穹A有70%的時(shí)間在雪面之上就存在逆溫。隨著高度增加，逆溫出現(xiàn)得就更頻繁，在6米的高度，有95%的時(shí)間都是逆溫的穩(wěn)定大氣。此外，與湍流相關(guān)的還有大氣的分層。大氣湍流源于空氣與地表的能量交換或大氣運(yùn)動(dòng)時(shí)與地表凸起部分的相互作用。冰穹A的地表平坦，大氣結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。我們可以把大氣及湍流分布簡(jiǎn)化為兩層：大氣湍流主要集中在近地表的大氣邊界層，而在邊界層之上的自由大氣非常穩(wěn)定，湍流很小，有極好的視寧度。

在一般的天文臺(tái)址，邊界層厚度通常在幾百米甚至幾公里，而在冰穹A，SNODAR的測(cè)量表明，其邊界層厚度的中值只有近14米。因此，我們可以把望遠(yuǎn)鏡建在高處，很容易避開(kāi)邊界層的湍流，從而獲得自由大氣的優(yōu)異視寧度。這是冰穹A最大的優(yōu)勢(shì)之一。

天文觀測(cè)對(duì)成像質(zhì)量要求極高，目前世界上最好的望遠(yuǎn)鏡集中在夏威夷和智利北部?jī)?yōu)良的臺(tái)址上，視寧度一般在0.6-0.8角秒。最新的KL-DIMM的數(shù)據(jù)分析表明，冰穹A的自由大氣視寧度的中值只有0.31角秒，最佳值達(dá)到0.13角秒，并且在離地面8米的高度，就有31%的時(shí)間可以獲得自由大氣視寧度；在離地面14米的高度，有近一半的時(shí)間可以獲得自由大氣視寧度。相比較而言，同在南極的冰穹C（法國(guó)和意大利考察站），在30米的高度，才有一半的時(shí)間可以獲得自由大氣視寧度。因此，不僅在冰穹A可以更容易獲得自由大氣視寧度，而且也更易于未來(lái)的工程建設(shè)。

冰穹A有地面最佳天文觀測(cè)條件

經(jīng)過(guò)10余年的努力，我們對(duì)中國(guó)南極昆侖站所在的冰穹A地區(qū)的天文觀測(cè)條件已經(jīng)有了長(zhǎng)足的認(rèn)識(shí)。在光學(xué)波段，不僅有極暗的天光和更高的晴夜率，而且還具有極佳的大氣視寧度。同時(shí)，它也是地面最干燥的地區(qū)，在太赫茲波段有最佳的大氣透過(guò)率。

雖然在紅外波段，尚需要定量的實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)，但極冷就意味著紅外天光背景極暗，基本可以推定有很好的紅外觀測(cè)條件。綜合多波段的結(jié)果，冰穹A地區(qū)的天文觀測(cè)條件優(yōu)于已知的其它任何地面臺(tái)址，可以極大地提高觀測(cè)效率和觀測(cè)質(zhì)量。這些不僅確認(rèn)了昆侖站有珍貴的天文觀測(cè)臺(tái)址資源，也為我國(guó)進(jìn)一步開(kāi)展南極天文研究、未來(lái)的儀器設(shè)計(jì)和建造以及昆侖站的建設(shè)奠定了科學(xué)的基礎(chǔ)。

KLCAM拍攝的全天圖像，地平線附近有極光。

作者簡(jiǎn)介：商朝暉，國(guó)家天文臺(tái)南極天文與時(shí)域天文研究團(tuán)組首席科學(xué)家、博士生導(dǎo)師，中國(guó)第35次南極科考昆侖站隊(duì)隊(duì)長(zhǎng)。

文稿編輯：趙宇豪