怎樣看清太陽的臉？

太陽風暴會對我們的生產生活和航天器安全造成威脅。為了減小太陽壞脾氣爆發時造成的危害，我們總要想辦法利用太陽望遠鏡等設備看清它的「臉色」。可是，有了大口徑的望遠鏡，就一定能看清太陽的臉嗎？望遠鏡拍攝太陽是不是像拍照片那麼簡單呢？需要具備哪些條件，完成哪些工作呢？

1 要有一個好站址

為了能夠更好的看著太陽的「臉色」，人們建立了很多大型的天文台，放置了地基太陽望遠鏡設備。如果想利用太陽望遠鏡觀測到太陽的清晰結構，首先要有一個好的站址。所謂「好的站址」，可不只是不能有霧霾那麼簡單，而是要綜合考慮日照時數、平均風速、年均積分水汽和視寧度等因素。在眾多的選址因素裡面，最重要的因素就是視寧度。

美國大熊湖天文台／美國國家太陽天文台

雲南撫仙湖觀測站

大氣視寧度是對受地球大氣擾動影響的天體圖像品質的一種量度，主要用以描述點源圖像的角大小和面源圖像的清晰度。如果想通俗的解釋大氣視寧度的概念，我們可以舉個例子。夏天的午後，如果走在被太陽曬的滾燙的柏油馬路上，當我們看遠方靠近路面的物體的時候，總會感覺物體是飄忽不定的，扭曲變形的。這就是因為被地面加熱後的大氣運動劇烈，對遠處物體的成像形成了明顯的影響。還有一個更容易理解大氣擾動對成像影響的例子。將一根點燃的火柴放在視線前方，觀察火焰上方的區域，我們會發現景物是在不停抖動的。這是由於火焰加熱了周圍的空氣，使空氣的密度改變並發生劇烈運動。試想，太陽光需要穿過厚厚的大氣層（1000千米以上）照射到地面上，大氣的擾動必然會影響望遠鏡對太陽的成像效果。當初美國宇航局花費21億美元把哈勃太空望遠鏡送上太空，也正是為了擺脫糟糕的大氣視寧度。

受大氣作用影響後落日產生了畸變

大多數的太陽天文台都是依山傍水，景色優美，其實也是為了實現更好的觀測效果。選擇在山頂或高海拔地區建站，主要是因為這些地方空氣相對稀薄，減少空氣中灰塵和水蒸氣的影響，氣候穩定，晴天數相對較多。而且由於氣溫較低，空氣中形成下沉氣流，從而減小空氣密度差。選擇靠近湖面的地區建站，是因為水的比熱容相對較大，在接收同樣太陽光照的情況下，湖面升溫小於陸地，從而避免引起空氣的劇烈流動。目前，我國科學家們正在實施「西部太陽選址計劃」，在西藏和四川地區進行踏勘和定點觀測。

2 自適應光學

按照人們的直觀認識，望遠鏡做的口徑越大就越先進，能拍到更遠更清晰的圖像。400多年前，伽利略發明了人類歷史上第一台天文望遠鏡，望遠鏡的口徑只有4.4厘米。由於口徑限制了觀測解析度，伽利略只能觀測到月球的高地和環形山投下的陰影以及太陽黑子等較大的目標。當人們進一步增大望遠鏡口徑發現，望遠鏡空間解析度並不隨著口徑的增大而線性提高，一般情況下只能達到10-20厘米口徑望遠鏡所能達到的分辨能力。在牛頓時代已經知道這是因為光在穿過大氣層時，受到大氣湍流的影響引起波前畸變，降低了系統的分辨力。人們試圖通過選取優良的觀測站址來降低大氣湍流對太陽觀測的影響，直到自適應光學技術的提出和實現。

伽利略發明的4.4厘米口徑望遠鏡和目前在運行的最大口徑1.6m太陽望遠鏡

自適應光學是補償由大氣湍流或其他因素造成的成像過程中波前畸變的一種技術手段。它是一種反饋控制系統，主要包括探測器、校正器和控制器幾個主要部分。波前感測器用於對畸變波前的實時探測，波前校正器用於產生校正波前，波前控制器對探測信息進行處理並控制波前校正器。波前校正器通過改變其鏡面的面型或改變介質折射率，產生能夠抵消畸變波前的共軛波前，最終實現實時補償大氣湍流畸變的目的。隨著地基大口徑太陽望遠鏡技術的發展，自適應光學系統逐漸成為太陽望遠鏡的標準裝備。

自適應光學系統工作原理示意圖

3 圖像處理技術

儘管自適應光學技術能夠實時校正光束波前畸變，但是由於自身設計、計算機處理能力、閉環伺服帶寬、波前觀測數據誤差以及雜訊等因素的影響，自適應光學對大氣湍流只能實現部分校正，觀測目標的高頻信息還是會受到抑制和衰減。因此，對這些經過自適應光學初校正過的圖像還需要進行圖像重構，進一步扣除大氣湍流的影響，獲得更高清晰度的圖像。圖像重構的典型演算法有斑點重建術和盲解卷積等，在圖像重構的過程中，大氣湍流的模型構建、重構演算法、運算平台的計算性能等要素，都會影響到數據重構的質量和速度。

此外，望遠鏡圖像陣列探測器的各象元響應會存在不一致性，光路中也會有細小灰塵影響成像質量，為了消除這些影響需要對觀測圖像進行平場改正。為了提高圖像的顯示效果，還可以通過增加對比度、去掉模糊和雜訊、邊緣銳化、偽彩色處理等方法，使所需要的圖像信息更加突出。有時觀測目標太大，超出瞭望遠鏡視場範圍，需要分別拍攝目標的不同部分，然後再通過圖像拼接技術合為一體。經過一系列的處理，最終才能形成可以用於科學研究或監測預報的數據文件。

4 結語

雖然我們知道太陽是影響空間天氣的源頭，但如果想利用地基太陽望遠鏡看清它的臉還不是那麼容易。地面觀測的優勢在於望遠鏡的口徑不受限制，可以通過大口徑觀測來提高分辨力，但卻因為地球大氣中臭氧、水氣和其他大氣分子的吸收作用，導致很多譜線觀測不到。比如，冕洞的演變和日冕物質拋射都可能對地球環境產生巨大影響，極紫外波段光譜是研究日冕加熱、太陽風加速等太陽活動機理的必要手段，但在地面上卻無法獲得這一波段的譜線，只能通過空間望遠鏡進行觀測。隨著空間技術發展，天地一體化的太陽觀測成為大勢所趨，可以進一步看清太陽臉色，減小太陽風暴對生產生活和航天器安全造成危害。

來源：中國科學院國家空間科學中心

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