国内首架日冕仪落户云南丽江

2014-10-11云南天文台选址和日冕观测团组

天文爱好者 2014年1期

□ 云南天文台选址和日冕观测团组刘煜

国内首架日冕仪落户云南丽江

□ 云南天文台选址和日冕观测团组刘煜

首架日冕仪落户丽江高美古

日冕仪的重要功能是通过人造日食的巧妙方式来直接观测太阳最外层大气——日冕层。借助日冕仪，人们在常规太阳观测条件下就可以欣赏美丽的日冕以及壮丽的日冕爆发过程。我们的前辈自上世纪50年代末就开始了针对日冕观测址点的不断考察，但遗憾的是一直未能寻找到理想的候选点。随着近几年我国西部太阳选址工作的不断深入，我们选址科考队得到了一批颇有价值的潜在理想址点，大香格里拉地区便是其中得到证认的区域之一。滇西北的丽江高美古天文基地就位于大香格里拉地区南部，海拔较高，空气十分洁净，每年旱季日照充沛。高美古目前拥有东亚最大的地面天文望远镜集群，为我们日冕仪观测站的建立提供了极其便利的基本条件。

自2009年底开始筹划建立日冕仪站以来的短短数年中，我们经历了国际研讨、西部选址、丽江定点和日冕仪安装调试及初光的主要过程，终于在2013年10月份迎来了丽江日冕仪国际合作站的顺利建成，结束了我国天文学史上长期无任何日冕仪的历史，同时破除了西方一些科学家认为中国境内没有日冕观测条件的错误结论。面向未来，我们充满信心期待着在中国西部高原能够建立世界下一代大口径日冕仪，为人类理解日冕中的各种奇特物理过程而服务。

日冕是太阳活动的重要区域

作为太阳最外层的大气，日冕中蕴含着极其丰富的信息并经历着各种物理过程，如日冕等离子体的加热、太阳风加速、物质抛射、暗条消失、电流片的形成和耗散、日冕激波的形成和演化、粒子加速、磁场重联等等。日冕是大尺度太阳活动及灾害性空间天气的发源地。日冕作为天然的等离子体物理实验室，为研究包括磁场能量储存及释放、磁重联、粒子加速等各种等离子体物理过程提供了极佳的条件。进入二十一世纪，人类将不断拓展在太空中的高技术活动，而耀斑和日冕物质抛射产生的高能辐射、高能粒子和强磁场会对航天器、宇航员和包括GPS系统、高频通讯、电网等的空间技术以及一些地面技术设施造成损伤。因此提前对灾害性空间天气做出准确的预报就直接关系到国民经济、社会发展和国家安全。但是，我们对日冕物质抛射的形成机制和形成高度、加速机制以及运动学特征等还很不清楚。另外，天文学家已经知道耀斑和日冕物质抛射都与日冕中的磁重联相关，但磁重联本身及其发生的物理条件至今没有在日冕中被直接观测。因此，日冕研究在科学和应用领域具有特殊的重要性以及诸多尚未解决的科学问题。

图3 由夏威夷M K 4（地面日冕仪）和N A S A的SOHO LASCO（空间日冕仪）观测合成的大尺度日冕结构。最内的绿色圆面是太阳极紫外波段图像（SOHO EIT望远镜）。数据来源于相应望远镜设备的官方网站。

国内外日冕仪现状

日冕仪是一种借助人为日食来研究日冕形态及其光谱的专业天文仪器。日冕仪必须放到高山上使用，以避免大部分地球大气散射光(瑞丽散射作用）的影响。它是法国默东天文台的伯纳德·里奥博士（B. Lyot）于1930年发明，迄今已经应用发展了80多年。国际许多太阳观测站都拥有日冕观测仪器的使用经验。随着空间天气学的发展，日冕仪已成为研究空间天气的关键仪器。日冕仪已经从地面发展到空间。西方发达国家先后发送了Skylab、SOHO、SMEI、STEREO等观测设备进入太空开展日冕和日地空间环境监测，我国也已提出建造空间太阳望远镜日冕仪和夸父计划空间日冕仪等项目。显而易见的是，这些空间日冕仪的实验和检测还需要依赖地面日冕观测平台的有效支撑和辅组作用。

我国西部日冕观测的环境条件

日冕观测所需要具备的环境条件比其它天文观测更加苛刻，需要在交通相对便利、海拔较高、天空散射亮度低、风速稳定且较弱的地带安装运行。目前我国西部不少地区气溶胶参数指标不容乐观，这将导致日冕仪关键光学元件在这些地区不容易保持理想的洁净度和低散射光水平，这对日冕精细结构及其速度场、磁场等物理参量的精确测定是一个不利因素。另外，一些西部高原地带的风速一般很强，经常能够达到8级大风，这对未来发展更大口径的设备是一个限制，风速太强容易造成仪器不稳定工作和数据误差增大。

我国在过去长达50多年的时间里有资料记载的选址范围包括西藏、新疆、云南、青海和甘肃等西部地区。但没能确定一个国际公认的理想的日冕仪站址。我们认为造成这种结果的原因要么是因为一些址点确实糟糕，要么是因为选址设备不科学、不标准。

我国天文学家的梦想

日冕仪结构简单，造价相对较低，但科学产出十分丰富，所以，自日冕仪诞生以来，在中国建成一座地面日冕仪台站就一直是我国天文学家的梦想。值得一提的是，上世纪50年代末，南京大学有一批年轻有为的天文学家，如苏定强、方成等人，曾携带一架简易日冕观测设备前往甘肃祁连山地区进行过日冕仪选址，取得了不错的观测成绩。但在这期间发生了众所周知的藏区特殊政治事件。据说此次事件在一定程度上干扰了野外选址工作，导致这次选址不幸中断，似乎以后数十年再也没有组织过针对祁连山地区的深入选址考察。回望历史，日冕仪选址的未能早日完成，不仅导致我国日冕仪项目相比其他国家延迟了半个多世纪，也导致我国在日冕观测经验方面长期无国际发言权，在日冕物质抛射研究等重要空间科学方面也曾滞后先进国家数十年！

笔者曾在海外从事太阳活动爆发和磁场测量工作，有幸接触过多架日珥活动和日冕磁场观测的日冕仪，在享受这些资料的同时深感国内在此实测领域的相对落后和不足。为避免我们过度依赖国外观测资料的现状，我们必须想方设法、尽早实现地面日冕仪观测，从而掌握第一手资料。

图4 （上）日本飞弹天文台耀斑监视望远镜（FMT），其中一个镜筒专门用于太阳边缘日珥活动的监测；（下）美国夏威夷Haleakala天文台的日冕仪(Solar-C)，用于太阳边缘活动区和日冕的磁场光谱观测。图片来自于相关望远镜设备的主页。

图5 日本国立天文台乘鞍观测站的一架日冕仪，曾保持着世界日冕仪观测时间最久的记录——60年。

图6 日本乘鞍日冕观测站远景。

日冕仪的前期准备工作

笔者2008年归国后立志发展我国首架地面日冕仪。在国家自然科学基金、财政部天文财政专项、科技部973等项目的大力支持下，刘煜的团队成员携带科学设备先后考察了新疆、西藏、宁夏、青海、四川和云南等省的50多个址点情况，获得了数个比较理想的日冕观测候选址点，其中丽江高美古观测站是重点推荐的候选址点之一。

根据我们团队西部太阳选址实地踏勘以及国家气象卫星资料进行云量、降雨量以及日照时间的统计分析，我们认为大香格里拉地区拥有建设日冕仪台站的优势。丽江恰好地处大香格里拉旅游环线东南部，从气候特征上已经占有了独特优势。在地形、地貌方面和天文气象因子方面，高美古已被过去的大量选址工作证实为具备优势的天文观测所在地。尤其是洁净的大气、较高的海拔以及现有的基础设施，这些因素促进我们决定日冕仪观测台站在丽江高美古的建立。

值得一提的是，云南天文台承担的国家大型地面太阳观测设备选址工作已经展开数年，目标就是在中国西部寻找国内最具潜力的大型地面太阳观测设备址点，建立口径8米级的世界一流巨型太阳望远镜，同时也为更多的国内外大型天文望远镜提供优良的观测台址。日冕仪观测台站仅是我们未来太阳观测规划中的一部分，该项目可为研制下一代1.5米口径日冕仪设备做实验准备，1.5米口径将是世界上最大的日冕仪设备。

丽江日冕仪观测站的建设历程

丽江日冕仪观测站是云南天文台与日本国立天文台双方天文学家共同努力的成果。也是双方天文学家在太阳物理研究方面继续合作的起点。丽江日冕仪观测站从2009年设计蓝图到2013年10月落成观测，先后经历近4年的时间。

图9 丽江日冕仪取得的可见光波段资料。

丽江日冕仪的结构

这架日冕仪（包括后端设备）重100多公斤，有效口径10公分，镜筒外径约30公分，长度近3米，配备赤道跟踪装置和高精度窄带里奥滤光器和CCD相机，将利用日冕绿线（波长5303埃）来观测低层日冕大气的形态和多普勒速度场，时间分辨率能够达到1秒量级，每天数据量超过1G。它的一个突出优点是能够观测日冕的低层结构至0.08个太阳半径处，这是国际上其它日冕仪所不能媲美的。也是国际上唯一能够高精度测量日冕绿线的日冕仪。

安装地点在丽江高美古观测站，观测平台所在海拔高度为3223米，常年风速不大，气候宜人，冬季最低气温很少达到零下10度，夏季气温很少超过25度。每年干季（10月至下一年4月）的云量少，日照时数长。目前昆明有直达丽江的飞机、火车和高速公路。如果驱车从昆明前往的话，530多公里的交通路线仅需6~7个小时左右。

建成后，它将是我国乃至整个东半球唯一的地面日冕仪，将与西半球的夏威夷天文台日冕仪合作，全面覆盖低层日冕的观测时段，具有很高的科研和科普价值。