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宇宙雾里看花(2):大气消光与蒙气差

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查看10 | 回复0 | 2020-4-3 01:03:32 | 显示全部楼层 |阅读模式
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  来自天体的光,经过长途的星际旅行,逃过了星际尘埃和气体(我们前文已经介绍)拦截,终于到达了地球。但要进入我们的眼睛或者各种观测仪器,还有最后一程,即穿越地球大气。这就跟我们长途旅行回家的最后一公里似的。要知道地球大气对天文观测都有哪些影响,至少这些事情你要知道:

  1.改变星光行进的路径,天文观测上叫做“蒙气差”
  2.地球大气的湍流运动对星光路径的扭曲,天文观测上叫做“视宁度”
  3.大气会削弱星光,其总吸收(包括散射)天文观测上叫做“大气消光”
  最严重时,浓密的云雾使星空几乎或完全不可见,天文观测和大众常识一样,这叫做-多云或者阴天

  地球大气是我们人类赖以生存的环境,但的确对天文观测有不可忽略的影响。蒙气差就是因为光从星际空间进入大气而产生的折射。观测目标离地平线越近,其位置因蒙气差而产生的移动越严重。

  视宁度和大气消光,与观测者的位置相关。是天文台选址最为关注的因素。国家天文台公众号对视宁度对高精度天文观测产生的影响,和如何通过技术手段予以修正进行了精彩的讲解。今天我们来谈谈星光的“最后一公里”-大气消光和蒙气差。

  疫情将尽,阳光明媚,春暖花开,天气正好。无论白天还是黑夜,天空中展现的美丽给我们带来了无尽遐想。天空不是空的,人们可以通过一些切身体会来感受大气的存在。比如感觉正午的太阳比清晨的阳光暖和;比如万里无云之时,天空总是湛蓝湛蓝的;比如繁华都市和野外、高原夜空的天壤之别。这些都与环绕我们的大气层息息相关。来自太空的光线到达地球时会受到大气层一次次的“检查”,我们的大气层决定了我们能“看到”什么:哪些辐射可以完全通过,哪些辐射可以部分通过,哪些辐射无法通过。当星光经历千难万阻来到地球时,除了星际消光,它还会受到地球大气的影响,我们看到的亮度和位置并不是星光到地球时的真实亮度和位置。



  大气消光类似星际消光的原理,地球大气层中存在气体分子,离子和原子,低层大气还有各种复杂的尘埃粒子。光子会与它们相互作用,发生散射、吸收和再发射等现象,从而导致光的消减和改变。对于瑞利散射,波段短的蓝光更容易被散射,在白天,这些被散射的蓝光会通过反射、折射等方式为我们铺出一幕蓝天。在夜晚,星光会被明显的消减,我们把大气在不同波长上的吸收和散射能力叫做大气消光,强度用系数k表征。在海拔高的山上,消光系数会远小于海平面地区,这是望远镜大多修建在山上的原因之一。同时由于大气对蓝光的消光力度会比红光大好几倍,望远镜要在地面上进行蓝光的观测往往对观测台址的大气条件要求更高。对爱好者而言,要拍出真实色彩的星空,就要去山上,海拔越高越好。

  不同波长的光有不同的大气消光量。这个消光的大小也正比于穿过大气的厚度,在一个固定的地方观测,地平高度越低,星光需要穿越的大气厚度越大。这正是为什么正午的太阳会比清晨的感受起来要烫很多。太阳地平高度越高,穿越的大气越薄,体感就越炽热。到了夜晚,当星星刚爬出地平线时会比在正中天时要暗淡好几倍,这跟穿过大气的厚度有关。为量化大气的厚度,天文上定义大气质量X。在头顶方向(即天顶),大气质量X=1,在地球大气外,大气质量X=0;那么在不同高度方向呢?地球大气是密度分层的,由内到外逐渐稀疏。简单估计可假设平面平行层大气,那么天顶角z越大(离地平越近),穿过的大气就越厚,大气质量的一阶近似为X=sec(z)。知道了对某一波长的消光系数和大气质量,它们的乘积kX就是在该波长上的大气消光。



  大气消光会使星星在一天中的不同时刻亮度不同,这对天文观测中星星亮度的量化标准带来了不便,我们不得不考虑该以什么高度的星星亮度作为基准。实际上,天文中定义亮度的视星等是地球大气外的星等。假设一颗星视星等为m,那么在地面上,受到大气消光的影响,我们理论上测得的星等则为m1=m+kX。公式中X和m1为变量,我们可以通过多次测量它们来限定最终的视星等m。这个从大气消光后亮度反推消光前亮度的过程在天文上被称为大气消光改正,它是地面光学天文数据能够被天文学家通用的最关键的操作之一。为了得到更高精度的数据,天文学家会选择最干净稳定的天气,最合适的标准星以及最佳状态的望远镜设备来完成大气消光改正。

  这里介绍的大气对星光的影响及其基本的改正方法,都仅仅适用于均匀大气的情况。也就是说,大气本身和其中存在的消光物质(气体原子、分子、离子,和尘埃颗粒)是均匀的,或者在同一海拔高度上是均匀的(所谓分层大气)。如果不均匀,我们是无法精确改正的。此时的天文观测就真的是雾浓花淡,了无生趣了。



  地球的大气层除了能消减星光,还能改变星星的真实位置。我们在地面看星星就如看水中的鱼一样,是星光经过大气折射后的像。像和真实位置(地球大气外对应的位置)之差就是蒙气差。和大气消光的原理类似,大气折射导致的星像位置变化跟波长以及天顶角相关。蓝光偏折角会比红光大,越靠近地面的星星偏折角越大。通常情况下,在45度高度方向,星像会因折射而偏移1角分左右。对星像的折射我们很难感觉到,但在太阳和月亮的升起和落下时,我们常常能看到它们扭曲的形态,这是大气折射的表象。


  版权:Alex Conu
  作者简介:陈孝钿,国家天文台助理研究员。2016年在北京大学获得博士学位,主要从事恒星物理与宇宙距离尺度研究;邓李才,中国科学院国家天文台研究员,恒星与恒星系统研究团组首席科学家,主要研究领域为恒星物理。

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