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宇宙霧里看花(2):大氣消光與蒙氣差

來源:光明網2020-03-30 17:28

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  來自天體的光,經過長途的星際旅行,逃過了星際塵埃和氣體(我們前文已經介紹)攔截,終于到達了地球。但要進入我們的眼睛或者各種觀測儀器,還有最后一程,即穿越地球大氣。這就跟我們長途旅行回家的最后一公里似的。要知道地球大氣對天文觀測都有哪些影響,至少這些事情你要知道:

  1.改變星光行進的路徑,天文觀測上叫做“蒙氣差”

  2.地球大氣的湍流運動對星光路徑的扭曲,天文觀測上叫做“視寧度”

  3.大氣會削弱星光,其總吸收(包括散射)天文觀測上叫做“大氣消光”

  最嚴重時,濃密的云霧使星空幾乎或完全不可見,天文觀測和大眾常識一樣,這叫做-多云或者陰天

  地球大氣是我們人類賴以生存的環境,但的確對天文觀測有不可忽略的影響。蒙氣差就是因為光從星際空間進入大氣而產生的折射。觀測目標離地平線越近,其位置因蒙氣差而產生的移動越嚴重。

  視寧度和大氣消光,與觀測者的位置相關。是天文臺選址最為關注的因素。國家天文臺公眾號對視寧度對高精度天文觀測產生的影響,和如何通過技術手段予以修正進行了精彩的講解。今天我們來談談星光的“最后一公里”-大氣消光和蒙氣差。

  疫情將盡,陽光明媚,春暖花開,天氣正好。無論白天還是黑夜,天空中展現的美麗給我們帶來了無盡遐想。天空不是空的,人們可以通過一些切身體會來感受大氣的存在。比如感覺正午的太陽比清晨的陽光暖和;比如萬里無云之時,天空總是湛藍湛藍的;比如繁華都市和野外、高原夜空的天壤之別。這些都與環繞我們的大氣層息息相關。來自太空的光線到達地球時會受到大氣層一次次的“檢查”,我們的大氣層決定了我們能“看到”什么:哪些輻射可以完全通過,哪些輻射可以部分通過,哪些輻射無法通過。當星光經歷千難萬阻來到地球時,除了星際消光,它還會受到地球大氣的影響,我們看到的亮度和位置并不是星光到地球時的真實亮度和位置。

宇宙霧里看花(2):大氣消光與蒙氣差

  大氣消光類似星際消光的原理,地球大氣層中存在氣體分子,離子和原子,低層大氣還有各種復雜的塵埃粒子。光子會與它們相互作用,發生散射、吸收和再發射等現象,從而導致光的消減和改變。對于瑞利散射,波段短的藍光更容易被散射,在白天,這些被散射的藍光會通過反射、折射等方式為我們鋪出一幕藍天。在夜晚,星光會被明顯的消減,我們把大氣在不同波長上的吸收和散射能力叫做大氣消光,強度用系數k表征。在海拔高的山上,消光系數會遠小于海平面地區,這是望遠鏡大多修建在山上的原因之一。同時由于大氣對藍光的消光力度會比紅光大好幾倍,望遠鏡要在地面上進行藍光的觀測往往對觀測臺址的大氣條件要求更高。對愛好者而言,要拍出真實色彩的星空,就要去山上,海拔越高越好。

  不同波長的光有不同的大氣消光量。這個消光的大小也正比于穿過大氣的厚度,在一個固定的地方觀測,地平高度越低,星光需要穿越的大氣厚度越大。這正是為什么正午的太陽會比清晨的感受起來要燙很多。太陽地平高度越高,穿越的大氣越薄,體感就越熾熱。到了夜晚,當星星剛爬出地平線時會比在正中天時要暗淡好幾倍,這跟穿過大氣的厚度有關。為量化大氣的厚度,天文上定義大氣質量X。在頭頂方向(即天頂),大氣質量X=1,在地球大氣外,大氣質量X=0;那么在不同高度方向呢?地球大氣是密度分層的,由內到外逐漸稀疏。簡單估計可假設平面平行層大氣,那么天頂角z越大(離地平越近),穿過的大氣就越厚,大氣質量的一階近似為X=sec(z)。知道了對某一波長的消光系數和大氣質量,它們的乘積kX就是在該波長上的大氣消光。

宇宙霧里看花(2):大氣消光與蒙氣差

  大氣消光會使星星在一天中的不同時刻亮度不同,這對天文觀測中星星亮度的量化標準帶來了不便,我們不得不考慮該以什么高度的星星亮度作為基準。實際上,天文中定義亮度的視星等是地球大氣外的星等。假設一顆星視星等為m,那么在地面上,受到大氣消光的影響,我們理論上測得的星等則為m1=m+kX。公式中X和m1為變量,我們可以通過多次測量它們來限定最終的視星等m。這個從大氣消光后亮度反推消光前亮度的過程在天文上被稱為大氣消光改正,它是地面光學天文數據能夠被天文學家通用的最關鍵的操作之一。為了得到更高精度的數據,天文學家會選擇最干凈穩定的天氣,最合適的標準星以及最佳狀態的望遠鏡設備來完成大氣消光改正。

  這里介紹的大氣對星光的影響及其基本的改正方法,都僅僅適用于均勻大氣的情況。也就是說,大氣本身和其中存在的消光物質(氣體原子、分子、離子,和塵埃顆粒)是均勻的,或者在同一海拔高度上是均勻的(所謂分層大氣)。如果不均勻,我們是無法精確改正的。此時的天文觀測就真的是霧濃花淡,了無生趣了。

宇宙霧里看花(2):大氣消光與蒙氣差

  地球的大氣層除了能消減星光,還能改變星星的真實位置。我們在地面看星星就如看水中的魚一樣,是星光經過大氣折射后的像。像和真實位置(地球大氣外對應的位置)之差就是蒙氣差。和大氣消光的原理類似,大氣折射導致的星像位置變化跟波長以及天頂角相關。藍光偏折角會比紅光大,越靠近地面的星星偏折角越大。通常情況下,在45度高度方向,星像會因折射而偏移1角分左右。對星像的折射我們很難感覺到,但在太陽和月亮的升起和落下時,我們常常能看到它們扭曲的形態,這是大氣折射的表象。

宇宙霧里看花(2):大氣消光與蒙氣差

  版權:Alex Conu

  作者簡介:陳孝鈿,國家天文臺助理研究員。2016年在北京大學獲得博士學位,主要從事恒星物理與宇宙距離尺度研究;鄧李才,中國科學院國家天文臺研究員,恒星與恒星系統研究團組首席科學家,主要研究領域為恒星物理。

[ 責編:趙宇豪 ]
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