□ 云南天文臺選址和日冕觀測團組 劉 煜

國內首架日冕儀落戶云南麗江

□ 云南天文臺選址和日冕觀測團組 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人造日食的巧妙方式來直接觀測太陽最外層大氣——日冕層。借助日冕儀，人們在常規(guī)太陽觀測條件下就可以欣賞美麗的日冕以及壯麗的日冕爆發(fā)過程。我們的前輩自上世紀50年代末就開始了針對日冕觀測址點的不斷考察，但遺憾的是一直未能尋找到理想的候選點。隨著近幾年我國西部太陽選址工作的不斷深入，我們選址科考隊得到了一批頗有價值的潛在理想址點，大香格里拉地區(qū)便是其中得到證認的區(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鏡集群，為我們日冕儀觀測站的建立提供了極其便利的基本條件。

自2009年底開始籌劃建立日冕儀站以來的短短數年中，我們經歷了國際研討、西部選址、麗江定點和日冕儀安裝調試及初光的主要過程，終于在2013年10月份迎來了麗江日冕儀國際合作站的順利建成，結束了我國天文學史上長期無任何日冕儀的歷史，同時破除了西方一些科學家認為中國境內沒有日冕觀測條件的錯誤結論。面向未來，我們充滿信心期待著在中國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程而服務。

日冕是太陽活動的重要區(qū)域

作為太陽最外層的大氣，日冕中蘊含著極其豐富的信息并經歷著各種物理過程，如日冕等離子體的加熱、太陽風加速、物質拋射、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、磁場重聯等等。日冕是大尺度太陽活動及災害性空間天氣的發(fā)源地。日冕作為天然的等離子體物理實驗室，為研究包括磁場能量儲存及釋放、磁重聯、粒子加速等各種等離子體物理過程提供了極佳的條件。進入二十一世紀，人類將不斷拓展在太空中的高技術活動，而耀斑和日冕物質拋射產生的高能輻射、高能粒子和強磁場會對航天器、宇航員和包括GPS系統(tǒng)、高頻通訊、電網等的空間技術以及一些地面技術設施造成損傷。因此提前對災害性空間天氣做出準確的預報就直接關系到國民經濟、社會發(fā)展和國家安全。但是，我們對日冕物質拋射的形成機制和形成高度、加速機制以及運動學特征等還很不清楚。另外，天文學家已經知道耀斑和日冕物質拋射都與日冕中的磁重聯相關，但磁重聯本身及其發(fā)生的物理條件至今沒有在日冕中被直接觀測。因此，日冕研究在科學和應用領域具有特殊的重要性以及諸多尚未解決的科學問題。

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）觀測合成的大尺度日冕結構。最內的綠色圓面是太陽極紫外波段圖像（SOHO EIT望遠鏡）。數據來源于相應望遠鏡設備的官方網站。

國內外日冕儀現狀

日冕儀是一種借助人為日食來研究日冕形態(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。 它是法國默東天文臺的伯納德·里奧博士（B. Lyot）于1930年發(fā)明，迄今已經應用發(fā)展了80多年。國際許多太陽觀測站都擁有日冕觀測儀器的使用經驗。隨著空間天氣學的發(fā)展，日冕儀已成為研究空間天氣的關鍵儀器。日冕儀已經從地面發(fā)展到空間。西方發(fā)達國家先后發(fā)送了Skylab、SOHO、SMEI、STEREO等觀測設備進入太空開展日冕和日地空間環(huán)境監(jiān)測，我國也已提出建造空間太陽望遠鏡日冕儀和夸父計劃空間日冕儀等項目。顯而易見的是，這些空間日冕儀的實驗和檢測還需要依賴地面日冕觀測平臺的有效支撐和輔組作用。

我國西部日冕觀測的環(huán)境條件

日冕觀測所需要具備的環(huán)境條件比其它天文觀測更加苛刻，需要在交通相對便利、海拔較高、天空散射亮度低、風速穩(wěn)定且較弱的地帶安裝運行。目前我國西部不少地區(qū)氣溶膠參數指標不容樂觀，這將導致日冕儀關鍵光學元件在這些地區(qū)不容易保持理想的潔凈度和低散射光水平，這對日冕精細結構及其速度場、磁場等物理參量的精確測定是一個不利因素。另外，一些西部高原地帶的風速一般很強，經常能夠達到8級大風，這對未來發(fā)展更大口徑的設備是一個限制，風速太強容易造成儀器不穩(wěn)定工作和數據誤差增大。

我國在過去長達50多年的時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)。但沒能確定一個國際公認的理想的日冕儀站址。我們認為造成這種結果的原因要么是因為一些址點確實糟糕，要么是因為選址設備不科學、不標準。

我國天文學家的夢想

日冕儀結構簡單，造價相對較低，但科學產出十分豐富，所以，自日冕儀誕生以來，在中國建成一座地面日冕儀臺站就一直是我國天文學家的夢想。值得一提的是，上世紀50年代末，南京大學有一批年輕有為的天文學家，如蘇定強、方成等人，曾攜帶一架簡易日冕觀測設備前往甘肅祁連山地區(qū)進行過日冕儀選址，取得了不錯的觀測成績。但在這期間發(fā)生了眾所周知的藏區(qū)特殊政治事件。據說此次事件在一定程度上干擾了野外選址工作，導致這次選址不幸中斷，似乎以后數十年再也沒有組織過針對祁連山地區(qū)的深入選址考察?；赝麣v史，日冕儀選址的未能早日完成，不僅導致我國日冕儀項目相比其他國家延遲了半個多世紀，也導致我國在日冕觀測經驗方面長期無國際發(fā)言權，在日冕物質拋射研究等重要空間科學方面也曾滯后先進國家數十年！

筆者曾在海外從事太陽活動爆發(fā)和磁場測量工作，有幸接觸過多架日珥活動和日冕磁場觀測的日冕儀，在享受這些資料的同時深感國內在此實測領域的相對落后和不足。為避免我們過度依賴國外觀測資料的現狀，我們必須想方設法、盡早實現地面日冕儀觀測，從而掌握第一手資料。

圖4 （上）日本飛彈天文臺耀斑監(jiān)視望遠鏡（FMT），其中一個鏡筒專門用于太陽邊緣日珥活動的監(jiān)測；（下）美國夏威夷Haleakala天文臺的日冕儀(Solar-C)，用于太陽邊緣活動區(qū)和日冕的磁場光譜觀測。圖片來自于相關望遠鏡設備的主頁。

圖5 日本國立天文臺乘鞍觀測站的一架日冕儀，曾保持著世界日冕儀觀測時間最久的記錄——60年。

圖6 日本乘鞍日冕觀測站遠景。

日冕儀的前期準備工作

筆者2008年歸國后立志發(fā)展我國首架地面日冕儀。在國家自然科學基金、財政部天文財政專項、科技部973等項目的大力支持下，劉煜的團隊成員攜帶科學設備先后考察了新疆、西藏、寧夏、青海、四川和云南等省的50多個址點情況，獲得了數個比較理想的日冕觀測候選址點，其中麗江高美古觀測站是重點推薦的候選址點之一。

根據我們團隊西部太陽選址實地踏勘以及國家氣象衛(wèi)星資料進行云量、降雨量以及日照時間的統(tǒng)計分析，我們認為大香格里拉地區(qū)擁有建設日冕儀臺站的優(yōu)勢。麗江恰好地處大香格里拉旅游環(huán)線東南部，從氣候特征上已經占有了獨特優(yōu)勢。在地形、地貌方面和天文氣象因子方面，高美古已被過去的大量選址工作證實為具備優(yōu)勢的天文觀測所在地。尤其是潔凈的大氣、較高的海拔以及現有的基礎設施，這些因素促進我們決定日冕儀觀測臺站在麗江高美古的建立。

值得一提的是，云南天文臺承擔的國家大型地面太陽觀測設備選址工作已經展開數年，目標就是在中國西部尋找國內最具潛力的大型地面太陽觀測設備址點，建立口徑8米級的世界一流巨型太陽望遠鏡，同時也為更多的國內外大型天文望遠鏡提供優(yōu)良的觀測臺址。日冕儀觀測臺站僅是我們未來太陽觀測規(guī)劃中的一部分，該項目可為研制下一代1.5米口徑日冕儀設備做實驗準備，1.5米口徑將是世界上最大的日冕儀設備。

麗江日冕儀觀測站的建設歷程

麗江日冕儀觀測站是云南天文臺與日本國立天文臺雙方天文學家共同努力的成果。也是雙方天文學家在太陽物理研究方面繼續(xù)合作的起點。麗江日冕儀觀測站從2009年設計藍圖到2013年10月落成觀測，先后經歷近4年的時間。

圖9 麗江日冕儀取得的可見光波段資料。

麗江日冕儀的結構

這架日冕儀（包括后端設備）重100多公斤，有效口徑10公分，鏡筒外徑約30公分，長度近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，將利用日冕綠線（波長5303埃）來觀測低層日冕大氣的形態(tài)和多普勒速度場，時間分辨率能夠達到1秒量級，每天數據量超過1G。它的一個突出優(yōu)點是能夠觀測日冕的低層結構至0.08個太陽半徑處，這是國際上其它日冕儀所不能媲美的。也是國際上唯一能夠高精度測量日冕綠線的日冕儀。

安裝地點在麗江高美古觀測站，觀測平臺所在海拔高度為3223米，常年風速不大，氣候宜人，冬季最低氣溫很少達到零下10度，夏季氣溫很少超過25度。每年干季（10月至下一年4月）的云量少，日照時數長。目前昆明有直達麗江的飛機、火車和高速公路。如果驅車從昆明前往的話，530多公里的交通路線僅需6~7個小時左右。

建成后，它將是我國乃至整個東半球唯一的地面日冕儀，將與西半球的夏威夷天文臺日冕儀合作，全面覆蓋低層日冕的觀測時段，具有很高的科研和科普價值。

麗江日冕儀站展望

在短暫數年內我們不僅實現了中國日冕儀臺站零的突破，而且已在麗江高美古進行了日冕常規(guī)觀測。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公眾開放，我們希望讓更多的人了解日冕這一特殊的大氣層。

不可否認的是，麗江日冕儀站目前的基礎設施，如觀測平臺的狹小和水電供應不足等，并不令人滿意，這是一些準備條件不足等客觀原因造成的。樂觀地講，我們正在籌劃2014年為日冕儀盡快建成一個更漂亮的“窩”（如圖10），為它的觀測能力創(chuàng)造更好的環(huán)境。

（責任編輯 張長喜）

圖10 規(guī)劃中的麗江日冕儀新家。