佀長剛，姚好海，張 權(quán)

海軍海洋水文氣象中心，北京 100161

0 引言

當(dāng)前，對太陽和空間天氣的研究從國家戰(zhàn)略利益而言顯得越來越重要了。

隨著科技的進步，國家安全系統(tǒng)反而更易受到攻擊。例如，當(dāng)我們處于地方性的電力發(fā)電﹑輸送和使用時，地磁暴的威力并不顯著；但現(xiàn)在，相互連接的電力網(wǎng)趨向于一個大的天線，在地磁場發(fā)生變化時就更易受到攻擊。較小的電子元件具有越來越大功效的同時，它們受到空間天氣影響時，受到的傷害也愈大。此外，當(dāng)我們正把精密的儀器設(shè)備或人送入太空時，如果遇到一個空間事件發(fā)生，后果將是災(zāi)難性的。

在一個不成熟的科學(xué)領(lǐng)域，個人利用簡單的一些數(shù)據(jù)就能夠進行科學(xué)研究。但隨著該領(lǐng)域研究成果的逐漸成熟，問題會變的精細，這就要求有大量的數(shù)據(jù)去處理感興趣的問題。太陽科學(xué)正在日趨成熟，這樣，你就需要積累大量的天文觀測數(shù)據(jù)來解決這個問題。

西方國家特別是美國從20世紀50年代相繼建立了不少太陽地面觀測站，對太陽和空間天氣進行研究，取得了輝煌的成就。特別是近幾年，美國幾乎每年都要發(fā)射太陽觀測衛(wèi)星，對太陽進行觀測研究。這為揭開太陽之迷，進一步研究空間天氣奠定了基礎(chǔ)。

本文主要介紹了當(dāng)前和歷史上美國主要的天文臺，并就地基科學(xué)觀測的發(fā)展趨勢進行了展望。

1 美國天文臺及其設(shè)備簡介

1.1 國家太陽觀象臺（NSO）

1.1.1 Kitt Peak 及McMath-Pierce太陽望遠鏡

1947年，美國國家氣象臺高空大氣研究中心（HAO）接到空軍的合同，要在新墨西哥薩克拉曼多山頂上建立一個太陽觀測站。2年后，一個科學(xué)家小組與哈佛大學(xué)合作，開始用日冕觀測儀觀測太陽。在科內(nèi)爾大學(xué)的支持下，無線電設(shè)備組也開始收集50到200 MHz的數(shù)據(jù)。6年后，一套太陽觀測附加設(shè)備在亞利桑那州的凱特山頂建成。這就是目前為止世界上光學(xué)望遠鏡中無障礙孔徑最大的McMath-Pierce太陽望遠鏡（圖1），其孔徑為1.5M。

現(xiàn)在凱特山頂和薩克拉曼多山頂上的設(shè)備已于1983年并入國家太陽觀測站（NSO）。1984年，NSO成為國家光學(xué)天文觀測站（NOAO）的一部分。該設(shè)備現(xiàn)在由NSO管理，NSO于1999年從NOAO獨立出來。

McMath-Pierce望遠鏡，在太陽的紅外觀測上有優(yōu)勢，它把太陽當(dāng)作恒星處理。McMath Pierce太陽望遠鏡創(chuàng)造的重大成就包括：在太陽上發(fā)現(xiàn)了氦-3﹑Be﹑氯﹑氟和水；發(fā)現(xiàn)在太陽平靜時新的光譜噴射線和復(fù)雜的磁力結(jié)構(gòu)線。該望遠鏡也可在夜間用于天文觀測。

由Dunn太陽望遠鏡拍攝的太陽黑子圖片?？梢钥闯龉鈱W(xué)適應(yīng)性對分辨率的影響。NASA的一張地球圖片作為對比參照，可見地球和太陽黑子在圖片的左半部都被人為地損壞。透過地球大氣不能正確地觀測太陽活動。此外，以其先進的觀測技術(shù)，McMath-Pierce太陽望遠鏡繪制了最好的太陽光譜地圖和首批色球?qū)哟艌鍪噶繑?shù)據(jù)。該望遠鏡是目前世界上僅有的一臺常規(guī)收集超過2.5μm太陽紅外線噴射數(shù)據(jù)的望遠鏡。結(jié)合傅立葉轉(zhuǎn)換分光計，Kitt Peak望遠鏡變成一臺非常精確的分光計，可收集從紫外到30.00埃的太陽光線數(shù)據(jù)。

Kitt Peak的設(shè)備也包含太陽長期天氣光學(xué)儀器，可收集從光球?qū)拥缴驅(qū)影龑犹柸Φ奶柗瓷涔鈹?shù)據(jù)和磁場矢量數(shù)據(jù)?？茖W(xué)家可據(jù)此精確地繪制和跟蹤太陽活動，以拓寬時間尺度。

圖1 國家太陽觀象臺McMath-Pierce太陽望遠鏡

圖2 由Dunn 太陽望遠鏡拍攝的太陽黑子

1.1.2 Sacramento Peak 及Dunn太陽望遠鏡

薩克拉曼多山頂上的設(shè)備用于監(jiān)視太陽活動，并可對太陽大氣的性質(zhì)（包括太陽磁場）作高分辨的觀測。3臺太陽望遠鏡，包括日冕觀測儀和定天鏡可在不同的溫度范圍內(nèi)監(jiān)視太陽噴射，為空間天氣預(yù)報提供數(shù)據(jù)。

作為薩克拉曼多山頂上的主要設(shè)備，Dunn太陽望遠鏡（DST）利用光學(xué)適應(yīng)性，避免了望遠鏡工作時的衍射現(xiàn)象，可收集高分辨率空間圖像。它可正確地觀測地球大氣的擾動，避免擾動產(chǎn)生的圖像誤差。

DST是美國第一臺用于測量太陽光球?qū)雍蜕驅(qū)哟艌鍪噶康耐h鏡。DST有兩個分光偏振計，可迅速調(diào)整濾波器的波段以利于這些觀測。DST取得的成就包括：觀測磁場的重接（太陽活動驅(qū)動的一種機械運動）和繪制太陽表面凸起部分磁場矢量圖。太陽表面凸起部分是磁力線穿越光球?qū)舆M入日冕層的部分。

1.2 歐文谷太陽望遠鏡觀測組（OVSA）

歐文谷太陽望遠鏡觀測組是美國用于觀測太陽的唯一一組無線電望遠鏡組，由加利福尼亞科技協(xié)會于上世紀50年代建成，1997年由新澤西州科技協(xié)會接管。OVSA可提供由于太陽大氣微波噴射而產(chǎn)生的高分辨率空間﹑時間﹑光譜空間天氣資料。

太陽大氣觀測資料由歐文谷的7個無線電望遠鏡或天線獲得。其中兩個相互交叉的27.4m的天線和5個1.8m的碟形天線一起工作。通過測量太陽輻射總量和其穿越太陽大氣的方向來獲得太陽輻射地圖。這些地圖可以和其他觀測站的太陽觀測資料以及衛(wèi)星數(shù)據(jù)一起使用。

OVSA可在40個頻率收集1GHz～18GHz的數(shù)據(jù)。較高頻率的資料可用于研究太陽表面；較低頻率的觀測資料可反映較高層太陽大氣的狀況，該層常和空間天氣事件的發(fā)生有關(guān)。

其中一個研究課題是關(guān)于太陽釋放的能量以及由于劇烈的太陽結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定而產(chǎn)生的電子加速度和電子傳輸。非活躍期的太陽產(chǎn)生的能量流是一定的，而太陽活躍期可產(chǎn)生1000倍的該能量流，并可破壞小于100倍的地球無線電信號。這些高能量爆炸在太陽最大活躍期每3.5天發(fā)生一次，而在太陽活動低潮期大約每18天發(fā)生一次。監(jiān)測和預(yù)報這些爆炸是OSVA的使命之一。其它研究包括監(jiān)測和預(yù)報日冕磁場及其變化。

1.3 “大熊”太陽觀象臺（BBSO）

1969年，美國加利福尼亞理工學(xué)院開始在加利福尼亞的大熊湖中間建造“大熊”太陽觀象臺（BBSO），以減少由于太陽加熱地面導(dǎo)致近地層大氣對流而引起的圖像失真現(xiàn)象。由于一年當(dāng)中有300多天晴朗無云，BBSO就為觀測太陽提供了理想的環(huán)境。

1997年，新澤西州科技學(xué)院接管了BBOS，擁有了該站點的4個主要望遠鏡。這些望遠鏡是特別設(shè)計用來觀測太陽的，并安裝了極其特殊的過濾器和攝像機，用來專門捕捉太陽光譜中少部分可見光﹑近紅外線和紫外線。利用這些數(shù)據(jù)，BBSO的科學(xué)家能夠觀察到太陽的不同大氣層，從表層明亮可見的光球?qū)?，?jīng)過較高的動力色球?qū)?，一直到日冕層?/p>

了解太陽大氣層的關(guān)鍵是了解太陽磁場的結(jié)構(gòu)及其變化。而最好的方法就是通過在地球許多不同的站點對太陽進行觀測。

因此，BBSO是全球網(wǎng)絡(luò)的一個關(guān)鍵站點，用來拍攝由太陽色球?qū)赢a(chǎn)生的H-alpha光譜線，叫做全球H-alpha網(wǎng)。BBSO與澳大利亞Kanzelh?he太陽觀象臺﹑中國云南觀象臺和懷柔太陽觀象臺﹑意大利卡塔尼亞天體物理觀象臺﹑法國巴黎觀象臺，一起組成了全球H-alpha觀察網(wǎng)絡(luò)，可每分鐘捕捉一張高質(zhì)量的完整的太陽成像圖，為詳細研究太陽的細微結(jié)構(gòu)提供了理想的資料。而大尺度太陽特征正是引發(fā)空間天氣事件的原因所在。

通過各種研究，BBSO可以為全球范圍內(nèi)太陽物理協(xié)會提供太陽耀斑預(yù)報服務(wù)。利用紫外線成像圖也可以計算出太陽日?；顒又笜撕吞柸粘５墓饬炼取６?，作為NASA資助的地球反照實驗的一部分，BBSO科學(xué)家正在監(jiān)視著太陽磁場活動周期是如何影響覆蓋地球的云量的。

BBSO也是基于聯(lián)合國的全球望遠鏡網(wǎng)絡(luò)組織，這些望遠鏡為全球地震網(wǎng)絡(luò)組織工程（GONG）和臺灣地震網(wǎng)絡(luò)工程（TON）所利用。GONG在全球有6個站點，由美國國家科學(xué)基金會資助建立，NSO來管理；TON則有4個站點，由臺灣國立清華大學(xué)管理。這兩個組織利用太陽地震學(xué)對太陽內(nèi)部進行詳細研究。由于它們的空間覆蓋面觸及全球，它們可以獲得幾乎連續(xù)的觀察資料，不會因為白天黑夜交替而引起差異。

1.4 其它觀象臺

在美國還有其它幾個觀測臺研究太陽

1.4.1 Mees太陽觀測臺

C. K. Mees，一名科達影視公司的商人，20世紀60年代早期在夏威夷建立Mees太陽觀象臺，于天體物理學(xué)影視作品鼎盛時期開始投入使用。那時的人都流行拍攝關(guān)于太陽系外的電影， 科學(xué)家們制作了許多電影來描述太陽。

隸屬于夏威夷大學(xué)的Mees太陽觀象臺擁有一座太陽-C儀器，它是庫恩在20世紀90年代設(shè)計的，它是目前世界上最大的光學(xué)日冕觀測儀，其任務(wù)是提高太陽研究協(xié)會對日冕磁場如何控制太陽外層的動力情況的認識，包括太陽排向太空的輻射物有多少等問題。

1.4.2 威爾科克斯太陽觀測臺

隸屬于斯坦福大學(xué)的威爾科克斯太陽觀象臺于1975年開始對整個太陽磁場進行日常觀測。該觀象臺是由約翰·威爾科克斯和菲利普·斯格爾 設(shè)計建造，最初由美國海軍研究局資助，因為美國海軍研究局想了解太空氣象事件引起信號中斷的具體情況。

自1976年起，科學(xué)家就用大量的大比例太陽表面圖來推算日冕磁場。用這種測量方法可以得到太陽持續(xù)發(fā)展的大背景圖片，這對于理解太空中的測量數(shù)據(jù)非常重要。

另外，威爾科克斯已經(jīng)獲得了關(guān)于太陽磁場在兩極4個時間段的最小值的測量記錄，這段較長的測量數(shù)據(jù)對預(yù)測未來太陽活動周期的強度是很有意義的。

還有其它重要的觀象臺包括Mauna Loa太陽觀象臺﹑加利福尼亞洲北邊山脈的San Fernando觀象臺和美國伊利諾斯州觀象臺，前者隸屬于美國國家大氣研究中心的高海拔觀象臺，而后二者隸屬于德克薩斯州A&M。

2 兩種發(fā)展趨勢

就美國地基太陽天文的發(fā)展來看，我們可以歸納出明顯的規(guī)律：望遠鏡越大越好?！半m然裝有成像儀的太空衛(wèi)星已經(jīng)在制作著符合大家想象的真實的‘令人驚嘆的’的圖片，但要獲得高清晰的光譜圖像 ，必須用大的儀器?！奔幽么竺商乩麪柎髮W(xué)的太陽物理學(xué)教授和太陽物理歷史學(xué)家，Paul Charbonneau解釋道：“而要想把這些大設(shè)備發(fā)射到太空中去是不現(xiàn)實的。”

2.1 NSO與ATST望遠鏡

美國國家太陽觀象臺計劃聯(lián)合包括Mees觀象臺在內(nèi)的超過22個重要機構(gòu)，把夏威夷毛伊島Mount Haleakela的一嶄新的設(shè)備發(fā)射到太空上去。這個望遠鏡，稱作高新技術(shù)太陽望遠鏡（ATST），其直徑長4m，計劃于2012年投入使用，它將成為世界上最大的太陽望遠鏡。

“太陽事件變化如此之快，我們需要收集更多的太陽光資料，以觀察從太陽表面到不同高度層的太陽大氣。要實現(xiàn)這一目標，望遠鏡必須擁有一個巨大的光圈孔徑。ATST將使對太陽磁場的分析能力深入到最本質(zhì)部分，以便為驗證當(dāng)今理論提供第一手的實時資料?！痹摴こ痰氖紫{(diào)查人Keil這樣解釋到。他還補充說道，ATST一旦起作用，NSO將卸掉它在Kitt頂峰和薩克拉曼多頂峰的設(shè)備。

2.2 BBSO與 NST望遠鏡

BBSO 也計劃制造更大的望遠鏡?！拔覀兿胍私馓仗鞖獾钠鹨?，而這需要高辨析率的圖像，”物理學(xué)教授﹑NJIT太陽陸地研究中心主任以及BBSO主任，Phil Goode說：“為此，我們正在大熊觀象臺建造一個新的太陽望遠鏡，它會在一年內(nèi)投入使用。”我們稱這個開放的﹑1.6m脫軸太陽望遠鏡為新太陽望遠鏡（NST），它將是ATST投入使用以來世界上光圈最大的太陽望遠鏡。經(jīng)過合理的光學(xué)矯正，NST將利用可見光和紅外線計算出用現(xiàn)在儀器很難獲得的高辨析的太陽磁場強度，Goode解釋到。

2.3 OVSA與 FASR望遠鏡

OVSA的科學(xué)家正在使用稱作敏捷高頻率太陽電波望遠鏡（FASR）發(fā)展中新的電波成像技術(shù)。該儀器將成為一個有100多根天線組成的多頻陣列，而這些天線是特別設(shè)計用來在幾微秒時間內(nèi)收集到高分辨率空間光譜圖像的。由于美國國家學(xué)院太陽太空物理十年調(diào)查委員會的高度重視，在現(xiàn)有儀器原形發(fā)展的基礎(chǔ)上，F(xiàn)ASR計劃已經(jīng)進入了規(guī)劃階段。

然而，在一些科學(xué)家把精力放在研究大設(shè)備大儀器上的同時，另一些科學(xué)家已開始考慮研究更具獨立性的小設(shè)備的前景。這樣就帶來一系列問題，主要表現(xiàn)在：

一是沒有資金的支持。例如，美國海軍研究局放棄了對威爾科克斯觀象臺的資助，這樣該臺長期觀測的數(shù)據(jù)資料勢必出現(xiàn)不連續(xù)，從而失去意義；

二是太陽變化的這一周期到下一周期，由于期間設(shè)備的更新，導(dǎo)致觀測方法的不同，這樣，新設(shè)備的觀測資料與舊設(shè)備的資料不相匹配，使得現(xiàn)代設(shè)備數(shù)據(jù)資料很難編入年表；

三是新設(shè)備的出現(xiàn)會不知不覺地淘汰常規(guī)的設(shè)備，使得研究的方法失去多樣性。而常規(guī)觀測資料在研究太陽長期變化規(guī)律上有不可替代的作用。

3 地基觀象臺在社會教育方面的意義

盡管美國科學(xué)家們對地基太陽觀象臺的一些熱點話題仍持己見﹑褒貶不一，但地基太陽觀象臺是具有實際的社會教育意義的。

例如，無數(shù)來自地基太陽觀象臺的數(shù)據(jù)產(chǎn)品成為科研論文﹑空間天氣監(jiān)視報告與預(yù)報和太陽物理學(xué)畢業(yè)生論文的重要資料來源。同時，觀象臺也開放基地組織公眾參觀，并在其它重要的活動中出版大眾教育資料。

研究中，由于獲得的地球和太空數(shù)據(jù)越來越多，不依賴于觀象臺的協(xié)作數(shù)據(jù)收集分析工程也將會增加，例如，GONG（全球地震網(wǎng)絡(luò)組織工程）﹑虛擬太陽觀測臺（由NSF和NASA主辦開發(fā)，可將分布于整個網(wǎng)絡(luò)的太陽數(shù)據(jù)文檔共享的軟件系統(tǒng)），隨著光學(xué)理論研究的突破，對太陽實際活動的數(shù)字模擬研究也會越來越多。

而且，地基太陽觀象臺的易接近性使得其持續(xù)的教育功能得以發(fā)揮。一旦設(shè)備隨衛(wèi)星發(fā)射升入太空，我們可以對衛(wèi)星的系統(tǒng)程序進行重編，卻不能更換衛(wèi)星光學(xué)儀器的透鏡﹑濾光器或其它任何設(shè)備。 如果是在地面上，就可以對去年剛引進的設(shè)備進行改裝﹑維修，裝上新的濾光器或者是加入新的分析技術(shù)。

由于空間設(shè)備使用壽命有限，這就更加突出了地面設(shè)備長期處于監(jiān)控狀態(tài)的優(yōu)勢。 因此，地基觀象臺對人們了解太陽與太空環(huán)境的變化非常重要，而且這種作用還是長期的。

[1]Kumar, M.(2006), Modern Methods: Unlocking the Secrets of the Sun, Space Weather, 4, S11001,doi:10.1029/2006SW000288.

[2]焦維新.空間天氣學(xué)[M].北京：氣象出版社，2003.