劉順慶,段 輯,張雪飛,溫 驍,屈中權(quán),劉 煜
(1.中國科學(xué)院國家天文臺(tái)/云南天文臺(tái),云南 昆明 650011;2.云南省昭通市昭陽區(qū)氣象局,云南 昭通 657000)
為配合下一代大型地面太陽觀測設(shè)備的發(fā)展,國內(nèi)太陽物理界一致認(rèn)為有必要盡快在天文資源相對(duì)比較優(yōu)秀的西部[1]開展針對(duì)太陽物理觀測的選址工作。地面大型儀器的發(fā)展和天文選址工作是因果相聯(lián)的邏輯關(guān)系。下一代大型太陽望遠(yuǎn)鏡的超強(qiáng)分辨本領(lǐng)讓人們對(duì)獲取太陽多個(gè)大氣層次的高分辨物理信息充滿期待。如果早日實(shí)現(xiàn)從太陽光球底層一直延伸到外日冕的全面觀測,人們有望徹底解決太陽物理和恒星演化研究中的關(guān)鍵問題。另一方面,要實(shí)現(xiàn)大型太陽望遠(yuǎn)鏡極高的空間和時(shí)間分辨率,它們就必須安放在更加優(yōu)秀的臺(tái)址上。只有尋找到能夠滿足多項(xiàng)苛刻條件的太陽觀測址點(diǎn),大型太陽設(shè)備的成功研制才能成為現(xiàn)實(shí)。
目前,在執(zhí)行選址任務(wù)前期迅速研發(fā)一批合格的高精度選址儀器成為當(dāng)前的工作的重點(diǎn)。現(xiàn)代日暈光度計(jì)是國際上大型太陽望遠(yuǎn)鏡選址的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字化設(shè)備,它已取代歷史上沿用了50多年的傳統(tǒng)型的Evans日暈光度計(jì)[2],因?yàn)楹笳哌^分依賴數(shù)據(jù)采集者的主觀目測效果,存在不能自動(dòng)記錄、操作繁瑣、波段單一和精確度問題。2010年上半年完成了第一架現(xiàn)代日暈光度計(jì)的設(shè)計(jì)和生產(chǎn),并投入到野外址點(diǎn)數(shù)據(jù)采集測試,對(duì)儀器的雜散光水平和光學(xué)質(zhì)量進(jìn)行了詳細(xì)分析[3]。2010年下半年完成了現(xiàn)代日暈光度計(jì)的多波段系統(tǒng)研制。本文介紹了利用該測光系統(tǒng)初步獲取的資料特征,并討論它的可靠性。
日暈光度計(jì)多色測光系統(tǒng)由減光片、成像系統(tǒng)、多色濾光片裝置和MaxIM DL軟件控制系統(tǒng)組成。測光系統(tǒng)采用的波段分別為藍(lán)、綠、紅和水汽帶。4個(gè)濾光片的具體參數(shù)分別為:藍(lán)波段λ 450nm,帶寬10nm;綠波段λ 530nm,帶寬10nm;紅波段λ 890nm,帶寬10nm;水線λ 940nm,帶寬10nm。為與SBIG 402ME CCD相機(jī)兼容,它們的生產(chǎn)尺寸均設(shè)計(jì)為直徑21.5 mm,厚度1.5 mm。這些濾光片替換了CCD相機(jī)原濾光片轉(zhuǎn)輪上的寬帶濾光片和無色透片。作為典型例子,圖1顯示了在水線940nm波段處的濾光片透過帶輪廓,顯示了這些窄帶濾光片的良好技術(shù)指標(biāo)。根據(jù)設(shè)計(jì),這批濾光片的鍍膜也能夠經(jīng)受長期的太陽光輻射。
圖1 日暈光度計(jì)的水線940nm透過帶輪廓實(shí)驗(yàn)室檢測結(jié)果Fig.1 The test result of the filter transmission profile around 940nm for the Sky Brightness Monitor
觀測時(shí),可使用天文常用軟件MaxIM DL Pro 5分別設(shè)置這4個(gè)波段的曝光時(shí)間、曝光間隔、數(shù)據(jù)采集序列和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)路徑,之后即可對(duì)太陽日面和太陽圓面附近的地球大氣散射光進(jìn)行自動(dòng)循環(huán)測光采集。另外,在每日數(shù)據(jù)采集之前和之后分別做了暗場和平場數(shù)據(jù)的測量。各波段數(shù)據(jù)曝光時(shí)間需要考慮日面中心成像時(shí)的亮度居于CCD有效數(shù)據(jù)讀出范圍的中段,以充分利用CCD相機(jī)在這段范圍的信號(hào)響應(yīng)的高線性特征。由于大氣瑞利散射作用在短波處的顯著特性,通常藍(lán)波段曝光時(shí)間設(shè)置較長,而紅波段曝光時(shí)間很短。
相比Evans日暈光度計(jì),由于現(xiàn)代日暈光度計(jì)采用了4個(gè)波段同時(shí)的寬視場測光和成像,這帶來了豐富的址點(diǎn)大氣信息。在這些多波段測光資料的基礎(chǔ)上,除了能夠得到時(shí)間序列的天空背景亮度(即日暈)相關(guān)參數(shù)之外,還可以計(jì)算獲得大氣消光指數(shù)、積分水汽總量、水汽吸收指數(shù)、氣溶膠指數(shù)等指標(biāo)及其隨時(shí)間演化的信息[4]。根據(jù)日暈光度計(jì)的寬視場成像特點(diǎn),還可以實(shí)時(shí)記錄太陽周圍的云量變化特征。總之,現(xiàn)代日暈光度計(jì)獲得的這些參量十分有助于全面掌握一個(gè)址點(diǎn)的白天大氣參數(shù)基本特征和演化規(guī)律。
根據(jù)氣象統(tǒng)計(jì)資料,每年冬季是滇東北的昭通大山包地區(qū)一年當(dāng)中相對(duì)干燥和日照充裕的季節(jié),非常適合野外科學(xué)考察活動(dòng)。詳細(xì)的大山包地區(qū)的天文氣象條件另文介紹。
2010年12月17~19日,我們攜帶初次安裝四波段測光系統(tǒng)的日暈光度計(jì)對(duì)大山包進(jìn)行日暈多色數(shù)據(jù)采集試驗(yàn)。18日天氣良好,天空無云,獲得了長時(shí)間觀測的機(jī)會(huì),從早上8:30開始觀測,一直持續(xù)到下午3:30,共連續(xù)積累7 h數(shù)據(jù)。由于條件的限制,監(jiān)測點(diǎn)只能臨時(shí)設(shè)在旅館建筑物的樓頂,在其西部100 m處存在土堆遮攔,這導(dǎo)致當(dāng)日下午3:30左右就觀測不到太陽數(shù)據(jù),比較遺憾。但這不影響后期的模型檢驗(yàn)與數(shù)據(jù)分析。
圖2是18日大山包觀測相關(guān)的一些數(shù)據(jù)和分析結(jié)果,其中圖2(a)是藍(lán)波段天空背景亮度隨時(shí)間演化的觀測結(jié)果(點(diǎn))與球形大氣模型的比較(實(shí)線)??梢钥闯鲈陂L達(dá)7 h的時(shí)間內(nèi),觀測與理論值基本符合得較好,表明當(dāng)時(shí)該地區(qū)有不錯(cuò)的大氣日暈穩(wěn)定性。圖2(c)是積分可降水汽總量,隨時(shí)間呈增長趨勢。值得一提的是,在水汽量輪廓線上接近當(dāng)?shù)?3時(shí)出現(xiàn)了一處明顯跳躍,這其實(shí)是不應(yīng)當(dāng)出現(xiàn)的現(xiàn)象。造成該現(xiàn)象的直接原因是在觀測過程中調(diào)整了紅波段的曝光時(shí)間,從0.07 s提高到0.10 s。由于CCD讀數(shù)與曝光時(shí)間之間的非理想線性關(guān)系,在后期數(shù)據(jù)處理中很難完全處理掉由于曝光不均造成的計(jì)算結(jié)果的跳躍。圖2(d)顯示的是太陽日面中心亮度自然對(duì)數(shù)與大氣質(zhì)量的線性關(guān)系。其實(shí)每條直線由兩條重疊的直線組成,由于大山包大氣條件相當(dāng)穩(wěn)定,各波段上午與下午的數(shù)據(jù)幾乎重疊得很好。利用該觀測結(jié)果就可以將大氣質(zhì)量為零時(shí)的日面中心強(qiáng)度得出,這為下一步計(jì)算隨時(shí)間演化的各波段大氣消光提供常數(shù)條件。圖2(e)是根據(jù)日暈觀測和球形大氣模型擬合歸算的太陽方向的大氣質(zhì)量(以天頂方向?yàn)閱挝毁|(zhì)量)。圖2(f)是各波段的大氣消光指數(shù)變化??梢钥闯鱿庵笖?shù)基本隨時(shí)間而略有增長,表明大氣層中的氣溶膠含量隨時(shí)間略有增加。圖3(a)是將瑞利散射造成的大氣消光從總大氣消光指數(shù)中扣除后得到的與波長無關(guān)部分的消光指數(shù)。理論上雖然這部分結(jié)果應(yīng)與波長無關(guān),但圖3(a)中仍然顯示出各波段之間的較明顯差異(0.01~0.03),這種差異可能代表儀器的系統(tǒng)偏差[4]。圖3(b)是反映瑞利散射強(qiáng)度的α值參數(shù)隨時(shí)間變化情況。α值是從各波段的日面中心亮度按指數(shù)衰減規(guī)律歸算得到。其時(shí)間輪廓上也存在明顯的由于觀測過程中曝光時(shí)間設(shè)置造成的歸算數(shù)值突變。若不考慮這種突變,可以看出α值在觀測過程中基本平穩(wěn),甚至在下午略有增加,再次說明大山包大氣條件比較穩(wěn)定。圖3(c)的水汽吸收消光指數(shù)輪廓存在類似α值的陡降現(xiàn)象。若不考慮陡降,則表明大山包下午的水汽吸收呈上升趨勢,這與圖2(c)的結(jié)果相符,其原因可能與周圍水庫受太陽照射導(dǎo)致水汽蒸發(fā)增加有關(guān)。圖3(d)是反映可見光波段觀測的日暈強(qiáng)度隨離太陽距離的變化指數(shù)。其中藍(lán)和綠兩個(gè)波段的指數(shù)較平穩(wěn),表示這短波段的天空背景亮度徑向變化緩慢。圖3(e)是反映大氣消光的另一個(gè)指數(shù)γ的時(shí)間演化。γ值是從天空背景亮度按波長指數(shù)衰減規(guī)律歸算而得,其輪廓隨時(shí)間先遞減后上升,比較類似于α值的變化規(guī)律。但是歸算的γ值存在嚴(yán)重的大量負(fù)數(shù)。造成這種現(xiàn)象的原因很可能是日暈亮度的測量誤差造成。因?yàn)樵谟^測過程中出現(xiàn)了成像亮度嚴(yán)重不均的現(xiàn)象,具體主要表現(xiàn)是日面重影疊加嚴(yán)重和ND4減光片支架環(huán)的衍射光圈僅亮一半,這是從來沒有發(fā)生過的現(xiàn)象。仔細(xì)檢查了可見光3個(gè)波段在12~14時(shí)的天空背景亮度數(shù)據(jù)。圖3(f)中數(shù)據(jù)顯示,藍(lán)、綠、紅波段的強(qiáng)度分布完全與正常的瑞利散射規(guī)律相反,因此直接造成γ值為負(fù)。這種異常強(qiáng)度的出現(xiàn),是與大山包優(yōu)良的大氣條件不符,應(yīng)該暗示著日暈光度測量出現(xiàn)了某些問題。
圖2 昭通大山包多波段資料分析結(jié)果(a)藍(lán)波段定標(biāo)后天空背景亮度演化,其中實(shí)線是根據(jù)球形大氣模型得到的擬合曲線;(b)理論太陽天頂距變化;(c)大氣積分水汽,從上至下分別為積分水汽含量、水線與紅線強(qiáng)度比、歸算到天頂?shù)姆e分水汽含量;(d)太陽日心亮度對(duì)數(shù)與大氣質(zhì)量的關(guān)系,從上至下分別為紅線、綠線和藍(lán)線的觀測;(e)大氣質(zhì)量演化;(f)大氣消光指數(shù),從上至下分別為藍(lán)線、綠線、水線和紅線Fig.2 The first set of results of the multi-wavelength data analysis for Mt.Dashanbao,Zhaotong.(a)The temporal evolution of sky brightness measured at the blue channel.The solid line is the based on the curved-atmosphere model.(b)The theoretical variation of solar zenith angle.(c)The calculated Precipitable Water Vapor Content(PWVC).The curves from the top to bottom are for the PWVC,the intensity ratio of the water channel to red,and the PWVC normalized to unit air mass,respectively.(d)The logarithmic solar disk center intensity vs.air mass.The curves from the top to bottom are for the red,green,and blue bands,respectively.(e)The calculated temporal evolution of air mass.(f)The computed atmospheric extinction coefficients.The curves from the top to bottom are for the blue,green,water,and red channels,respectively.
圖3 昭通大山包多波段資料分析結(jié)果(a)總大氣消光減去理論瑞利散射消光,從上至下分別是綠線、紅線和藍(lán)線;(b)大氣消光與波長的關(guān)系指數(shù)隨時(shí)間變化曲線;(c)由水汽吸收線貢獻(xiàn)的消光部分;(d)天空背景亮度的徑向分布變化,從上至下分別是紅線、綠線和藍(lán)線;(e)天空背景亮度與波長的關(guān)系指數(shù)隨時(shí)間變化;(f)天空背景亮度隨時(shí)間演化曲線,從上至下分別為紅線、綠線和藍(lán)線Fig.3 The second set of results of the multi-wavelength data analysis for Mt.Dashanbao,Zhaotong.(a)The total atmospheric extinction coefficients minus the Rayleigh scattering contribution.The curves from the top to bottom are for the green,red,and blue channels,respectively.(b)The temporal variation of the wavelength dependence of extinction is shown by the plot of α vs.time.(c)The extinction coefficient due to absorption by water-vapor spectral lines.(d)The radial-variation coefficient of the sky brightness at each band.The curves from the top to bottom are for the red,green,and blue bands,respectively.(e)The temporal evolution of wavelength-variation coefficient γ of the scattered sky brightness.(f)The measured sky brightness.The curves from the top to bottom are for the red,green,and blue bands,respectively.
從大山包科考結(jié)束后,立即將這架日暈光度計(jì)運(yùn)至南京進(jìn)行光學(xué)檢測。檢測結(jié)果表明問題出在所使用的新CCD相機(jī)的靶面與日暈光度計(jì)光路不完全同心。將校正后的設(shè)備于2011年2月在昆明鳳凰山做了進(jìn)一步的系列試驗(yàn)。
為檢驗(yàn)光學(xué)校正后的日暈光度計(jì)工作性能,使用它在昆明鳳凰山進(jìn)行了多次日暈測量工作。2011年2月昆明地區(qū)天氣晴好,風(fēng)速小。由于也恰值春節(jié)期間,城市人口和車輛明顯減少,大氣透明度相對(duì)較高。這些客觀條件保障了能夠滿足儀器全天連續(xù)采集有效日暈數(shù)據(jù)的需要。類似大山包的觀測,將部分鳳凰山觀測結(jié)果(2011年2月9日)顯示在圖4和圖5中。圖4(a)的點(diǎn)分布是藍(lán)波段的觀測,實(shí)線是根據(jù)大氣模型在擬合上午數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上得到的全天理論值。比較分析得知,下午鳳凰山的日暈亮度明顯高于標(biāo)準(zhǔn)寧靜大氣模型,表示大氣中塵埃(氣溶膠)成分有所增加。這點(diǎn)也反映在圖4(d)中,上午和下午的大氣數(shù)據(jù)不能重合,不如大山包數(shù)據(jù)理想,畢竟鳳凰山還是太靠近昆明市區(qū)。比較關(guān)注的是圖5(b)α和圖5(e)γ兩個(gè)參量的計(jì)算結(jié)果。由于在觀測過程中沒有改變曝光時(shí)間長短,所以α值再?zèng)]有出現(xiàn)類似大山包結(jié)果中的陡降現(xiàn)象。該值在整天的觀測中穩(wěn)中略降,顯示這段時(shí)期的鳳凰山區(qū)域大氣的相對(duì)穩(wěn)定性特征。γ值在整天的觀測中也呈現(xiàn)穩(wěn)中有降的特點(diǎn),而且絕大部分γ值都處于正值范圍,證實(shí)了設(shè)備質(zhì)量的提高。圖5(f)顯示的是藍(lán)、綠和紅波段的觀測擬合結(jié)果,這3個(gè)波段的分布完全符合瑞利散射物理規(guī)律。
圖4 昆明鳳凰山多波段資料分析結(jié)果(a)藍(lán)波段定標(biāo)后天空背景亮度演化,其中實(shí)線是根據(jù)球形大氣模型得到的擬合曲線;(b)理論太陽天頂距變化;(c)大氣積分水汽,從上至下分別為積分水汽含量、水線與紅線強(qiáng)度比、歸算到天頂?shù)姆e分水汽含量;(d)太陽日心亮度對(duì)數(shù)與大氣質(zhì)量的關(guān)系,從上至下分別為紅線、綠線和藍(lán)線的觀測;(e)大氣質(zhì)量演化;(f)大氣消光指數(shù),從上至下分別為藍(lán)線、綠線、水線和紅線Fig.4 The first set of results of the multi-wavelength data analysis for Fenghuang Mountain Kunming.(a)The temporal evolution of sky brightness at the blue channel.The solid line is the fit based on the curved-atmosphere model.(b)The theoretical variation of solar zenith angle with time.(c)The curves from the top to bottom are for the PWVC,the intensity ratio of the water channel to the red channel,and the PWVC normalized to unit air mass,respectively.(d)The logarithmic solar disk center intensity vs.air mass.The curves from the top to bottom are for the red,green,and blue bands,respectively.(e)The calculated temporal evolution of air mass.(f)The computed atmospheric extinction coefficients.The curves from the top to bottom are for the blue,green,water,and red channels,respectively.
圖5 昆明鳳凰山多波段資料分析結(jié)果(a)總大氣消光減去理論瑞利散射消光,從上至下分別是綠線、紅線和藍(lán)線;(b)大氣消光與波長的關(guān)系指數(shù)隨時(shí)間變化曲線;(c)由水汽吸收線貢獻(xiàn)的消光部分;(d)天空背景亮度的徑向分布變化,從上至下分別是紅線、綠線和藍(lán)線;(e)天空背景亮度與波長的關(guān)系指數(shù)隨時(shí)間變化;(f)擬合天空背景亮度隨時(shí)間演化曲線,從上至下分別為藍(lán)線、綠線和紅線Fig.5 The second set of results of the multi-wavelength data analysis for Fenghuang Mountain,Kunming.(a)The total extinction coefficients minus the Rayleigh scattering contribution.The curves from the top to bottom are for the green,red,and blue channels,respectively.(b)The temporal variation of the wavelength dependence of the extinction is shown by the plot of α vs.time.(c)The extinction coefficient due to absorption by water-vapor spectral lines.(d)The radial-variation coefficient of the sky brightness at each band.The curves from the top to bottom are for the red,green,and blue bands,respectively.(e)The temporal evolution of wavelength-variation coefficient γ of the scattered sky brightness.(f)The fitted sky brightness.The curves from the top to bottom are for the blue,green,and red bands,respectively.
2011年2~3月份,使用另一架同一批次的日暈光度計(jì)對(duì)麗江高美古址點(diǎn)進(jìn)行了連續(xù)近20天的監(jiān)測工作。高美古是日冕儀址點(diǎn)的重要監(jiān)測候選點(diǎn),具備很好的天文視寧度條件[5-6]。數(shù)據(jù)分析結(jié)果未再出現(xiàn)任何異常情況,并且利用高美古優(yōu)良的觀測條件確定了日暈光度計(jì)在各個(gè)波段的設(shè)備散射光水平(另文介紹)。
將具備多波段測光功能的日暈光度計(jì)首先應(yīng)用于昭通大山包的日暈測量試驗(yàn),得到了當(dāng)日該地的系統(tǒng)大氣參數(shù)。在參數(shù)計(jì)算過程時(shí),發(fā)現(xiàn)一些參數(shù)存在數(shù)值跳躍和偏離瑞利散射規(guī)律的現(xiàn)象,這是與當(dāng)時(shí)大山包穩(wěn)定的大氣和良好的透明度條件不符的。經(jīng)仔細(xì)分析,發(fā)現(xiàn)前者是觀測過程中改變曝光時(shí)間導(dǎo)致,而后者是CCD相機(jī)靶面與光路不協(xié)調(diào)導(dǎo)致。在總結(jié)觀測經(jīng)驗(yàn)和改進(jìn)儀器系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,又對(duì)昆明鳳凰山和麗江高美古兩地進(jìn)行了系統(tǒng)測試,結(jié)果均比較理想,沒有再發(fā)現(xiàn)任何明顯不合理之處。需要說明的是,本文的數(shù)據(jù)均是采集于2010年底至2011年初這段云南旱季少雨期。觀測結(jié)果還表明,鳳凰山和大山包氣溶膠含量在一天當(dāng)中沒有明顯增長,表明這兩個(gè)地點(diǎn)當(dāng)時(shí)都有較好的大氣成分穩(wěn)定性,而高美古在觀測期間往往正午之后瑞利散射效應(yīng)減弱,氣溶膠含量明顯增強(qiáng)。這3個(gè)地點(diǎn)之間所測定標(biāo)日暈強(qiáng)度有明顯差異,在踏勘的時(shí)間段內(nèi)大山包的平均日暈強(qiáng)度處于10~20個(gè)百萬分之一日面中心亮度,高美古能夠達(dá)到10個(gè)單位以內(nèi),而鳳凰山一般高達(dá)40~50個(gè)單位。
通過使用日暈光度計(jì)的多色測光系統(tǒng)對(duì)不同址點(diǎn)進(jìn)行測試,獲取了各地的大氣參量。測試結(jié)果能夠客觀反映不同址點(diǎn)某一時(shí)段的日暈和大氣特征。日暈光度計(jì)測光系統(tǒng)能夠用于太陽設(shè)備西部選址工作中。
致謝:感謝倪厚坤和章海鷹一直以來的技術(shù)支持和熱情幫助。
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