光学天文观测环境监测系统

当我们浏览国内外大型光学天文台站的网站时，能够看到实时刷新的环境监测信息。环境监测一直是光学天文观测的重要支撑，是获得高质量观测数据的重要保障。监测要素大都包括全天云量信息、夜天光信息和气象信息。

全天云量监测

多变的天空像一个襁褓中的婴儿，不知道什么时候就会变脸。万里无云的蔚蓝之境，偶尔也会有几朵白云偷溜进来嬉闹，闹得凶了就演变成了黑云压城，甚至电闪雷鸣、阴雨连绵。

蔚蓝的天空点缀几朵白云，看起来很可爱，但是对我们的光学天文观测影响很大。云量代表了天空的晴朗程度，是影响地基光学天文观测的最重要因素，直接决定了可观测时间和能够观测的区域。为了光学天文观测的顺利开展，需要对天空中的云量进行监测。对天空中云量的监测分为俯视和仰视两种方式。

俯视的方式是从天上往下看，利用卫星对地球大气进行观测，是对云量的全局监测，用于天气预报。仰视是从地上往天上看，对特定地点（比如观测站）上空的云量进行监测，作为天文观测的辅助手段。

图1. 气象卫星云图和特定地点云量图像（图源：中央气象台, 国家天文台兴隆观测站）

早期天文观测人员对观测站上空云量的监测依靠肉眼。随着探测器技术的发展和电子通信技术的不断进步，现在的天文观测人员足不出户就可以监视天空的变化。现在的云量监测设备有全天云量相机和云量计。

全天相机主要由广角镜头和探测器组成，通过对天空直接成像可查看天空的晴朗程度和云量大小及分布。它具有空间分辨率高的优点，已广泛应用于国内外各个天文台站。在望远镜观测过程中，全天相机起到实时监测全天云量的作用。观测者和操作人员只需要打开网页即可实时查看天气状况。对于全自动无人值守望远镜和智能化望远镜，全天图像可以为观测策略规划和智能选取适宜观测天区提供重要支撑。

图2. 全天相机与全天图像

云量计通过比较天空温度和环境温度的差异，对全天云量做定量分析，优点是集成便携，缺点是不够直观，且对薄云和少云天空不够敏感。

图3. 云量计（图源：网络）

夜天光

夜天光是指夜间的天空背景亮度，主要受自然光源和人类活动产生的光源影响。自然光源主要包括月光、黄道光、银河光、恒星光、气辉和地球大气散射的光等。人类活动产生的光源是影响夜天光亮度的主要因素。夜天光能淹没暗弱天体的信号，直接决定了望远镜的极限星等，同时对测光精度也有影响。

夜天光测量方法主要有望远镜观测（测光和光谱）、卫星监测、夜天光监测设备直接监测。目前比较通用的夜天光监测设备是SQM（Sky Quality Meter），该设备可实时自动监测夜天光背景亮度。实时监测的夜天光值可以为望远镜观测策略调整和从亮度角度智能选取适宜观测的目标源提供重要支持。

图4. 夜天光监测设备SQM（图源：网络）

图5.  冷湖基地一个晚上的夜天光变化曲线。其中横坐标为国际标准时间（UT），其数值加8为北京时间，单位：小时，左侧纵坐标为天光亮度，单位：星等/平方角秒，黑色和蓝绿色点对应天光亮度实测值。（图源：Deng et al. 2021）

气象

气象因素对地基天文观测的影响也是不可忽视的。气象信息包括温度、相对湿度和风速风向等。测量气象信息的设备有传统气象站和超声波气象站。传统气象站采用机械式风向风速计，低风速时精度不高，不适用于恶劣环境。超声波气象站采用超声波测量风向风速，结构紧凑，不受风速大小和环境影响。

图6. 传统气象站与超声波气象站（图源：网络）

对天文观测有影响的温度信息包含环境温度和露点温度。温度的变化会影响望远镜和探测器的运行。温度变化大时望远镜的焦距会随之发生明显的变化。环境温度接近或低于露点温度时，设备表面会结露。另外，温度过低时一些电子元器件会罢工。

相对湿度代表了空气潮湿程度与水汽含量，用相同温度条件下空气中水汽压和饱和水汽压的百分比表示。相对湿度过高会造成望远镜镜面、滤光片及探测器石英窗结露，电子设备短路等现象，不仅影响设备的性能及稳定性，还会影响观测数据质量。为了保护望远镜及附属设备的安全，当相对湿度达到90%时，很多光学观测台站会停止观测。

图7. 24小时温湿度变化曲线（图源：国家天文台兴隆观测站）

风速是决定能否进行天文观测的关键指标之一。风速过大会直接影响望远镜的稳定性，影响观测数据质量，同时会给设备带来一定的安全隐患。为了确保望远镜及附属设备处于安全状态，风速超过设定的安全上限时，望远镜圆顶需要及时关闭。风速的安全上限由气候环境和望远镜及附属设施的抗风载能力决定，不同台址由于气候环境不同，风速阈值的参考标准也有差异。天文观测中一般把15m/s作为望远镜运行与否的风速阈值，不同望远镜设备也会根据自身及环境情况对该值进行适度调整。

图8. 24小时风速变化曲线 （图源：国家天文台兴隆观测站）      

观测环境对光学天文观测的影响一般无法避免，但观测环境监测数据，可以为适应和改善观测环境提供重要支持。基于实时的环境监测信息，我们可以制定合理的观测计划和观测策略，并根据观测环境的变化实时优化。基于长期的环境监测信息，我们可以加以分析并采取有效的措施，改善观测环境对天文观测的影响。日常环境监测与天文观测息息相关，不管是有人值守还是全自动无人值守望远镜，甚至是基于AI的智能控制望远镜，观测运行都需要日常环境监测信息来支撑。

 

参考文献

1.  高宝全, 赛什腾山3850米站址的监测分析, 中国科学技术大学博士学位论文, 2022.

2.  中央气象台网页：http://nmc.cn/

3.  国家天文台兴隆观测站网页：http://www.xinglong-naoc.cn/weather

4.  Licai Deng, Fan Yang et al., Lenghu on the Tibetan Plateau as an astronomical observing site, Nature, 2021, 596, 353.

5.  张记成, 兴隆观测基地天文观测条件分析及性能提升研究, 山东大学博士学位论文, 2016.

6.  胡平, 光学台址环境监测与研究, 新疆大学硕士学位论文, 2017.

7.  辛玉新, 丽江站台址信息监测系统, 天文学进展, 2017, 35(03), 367.

8.  李陶然, 望远镜的“穿堂风”, 中国科学院国家天文台公众号, 2020.

作者简介

曾显群，工学硕士，中国科学院国家天文台工程师，主要研究方向为地基光学观测环境监测和光学望远镜控制。