新知丨怎樣看清太陽的臉？

太阳风暴会对我们的生产生活和航天器安全造成威胁。为了减小太阳坏脾气爆发时造成的危害，我们总要想办法利用太阳望远镜等设备看清它的「脸色」。可是，有了大口径的望远镜，就一定能看清太阳的脸吗？望远镜拍摄太阳是不是像拍照片那么简单呢？需要具备哪些条件，完成哪些工作呢？

1 要有一个好站址

为了能够更好的看着太阳的「脸色」，人们建立了很多大型的天文台，放置了地基太阳望远镜设备。如果想利用太阳望远镜观测到太阳的清晰结构，首先要有一个好的站址。所谓「好的站址」，可不只是不能有雾霾那么简单，而是要综合考虑日照时数、平均风速、年均积分水汽和视宁度等因素。在众多的选址因素里面，最重要的因素就是视宁度。

美国大熊湖天文台／美国国家太阳天文台

云南抚仙湖观测站

大气视宁度是对受地球大气扰动影响的天体图像品质的一种量度，主要用以描述点源图像的角大小和面源图像的清晰度。如果想通俗的解释大气视宁度的概念，我们可以举个例子。夏天的午后，如果走在被太阳晒的滚烫的柏油马路上，当我们看远方靠近路面的物体的时候，总会感觉物体是飘忽不定的，扭曲变形的。这就是因为被地面加热后的大气运动剧烈，对远处物体的成像形成了明显的影响。还有一个更容易理解大气扰动对成像影响的例子。将一根点燃的火柴放在视线前方，观察火焰上方的区域，我们会发现景物是在不停抖动的。这是由于火焰加热了周围的空气，使空气的密度改变并发生剧烈运动。试想，太阳光需要穿过厚厚的大气层（1000千米以上）照射到地面上，大气的扰动必然会影响望远镜对太阳的成像效果。当初美国宇航局花费21亿美元把哈勃太空望远镜送上太空，也正是为了摆脱糟糕的大气视宁度。

受大气作用影响后落日产生了畸变

大多数的太阳天文台都是依山傍水，景色优美，其实也是为了实现更好的观测效果。选择在山顶或高海拔地区建站，主要是因为这些地方空气相对稀薄，减少空气中灰尘和水蒸气的影响，气候稳定，晴天数相对较多。而且由于气温较低，空气中形成下沉气流，从而减小空气密度差。选择靠近湖面的地区建站，是因为水的比热容相对较大，在接收同样太阳光照的情况下，湖面升温小于陆地，从而避免引起空气的剧烈流动。目前，我国科学家们正在实施「西部太阳选址计划」，在西藏和四川地区进行踏勘和定点观测。

2 自适应光学

按照人们的直观认识，望远镜做的口径越大就越先进，能拍到更远更清晰的图像。400多年前，伽利略发明了人类历史上第一台天文望远镜，望远镜的口径只有4.4厘米。由于口径限制了观测分辨率，伽利略只能观测到月球的高地和环形山投下的阴影以及太阳黑子等较大的目标。当人们进一步增大望远镜口径发现，望远镜空间分辨率并不随着口径的增大而线性提高，一般情况下只能达到10-20厘米口径望远镜所能达到的分辨能力。在牛顿时代已经知道这是因为光在穿过大气层时，受到大气湍流的影响引起波前畸变，降低了系统的分辨力。人们试图通过选取优良的观测站址来降低大气湍流对太阳观测的影响，直到自适应光学技术的提出和实现。

伽利略发明的4.4厘米口径望远镜和目前在运行的最大口径1.6m太阳望远镜

自适应光学是补偿由大气湍流或其他因素造成的成像过程中波前畸变的一种技术手段。它是一种反馈控制系统，主要包括探测器、校正器和控制器几个主要部分。波前传感器用于对畸变波前的实时探测，波前校正器用于产生校正波前，波前控制器对探测信息进行处理并控制波前校正器。波前校正器通过改变其镜面的面型或改变介质折射率，产生能够抵消畸变波前的共轭波前，最终实现实时补偿大气湍流畸变的目的。随着地基大口径太阳望远镜技术的发展，自适应光学系统逐渐成为太阳望远镜的标准装备。

自适应光学系统工作原理示意图

3 图像处理技术

尽管自适应光学技术能够实时校正光束波前畸变，但是由于自身设计、计算机处理能力、闭环伺服带宽、波前观测数据误差以及噪声等因素的影响，自适应光学对大气湍流只能实现部分校正，观测目标的高频信息还是会受到抑制和衰减。因此，对这些经过自适应光学初校正过的图像还需要进行图像重构，进一步扣除大气湍流的影响，获得更高清晰度的图像。图像重构的典型算法有斑点重建术和盲解卷积等，在图像重构的过程中，大气湍流的模型构建、重构算法、运算平台的计算性能等要素，都会影响到数据重构的质量和速度。

此外，望远镜图像阵列探测器的各象元响应会存在不一致性，光路中也会有细小灰尘影响成像质量，为了消除这些影响需要对观测图像进行平场改正。为了提高图像的显示效果，还可以通过增加对比度、去掉模糊和噪声、边缘锐化、伪彩色处理等方法，使所需要的图像信息更加突出。有时观测目标太大，超出了望远镜视场范围，需要分别拍摄目标的不同部分，然后再通过图像拼接技术合为一体。经过一系列的处理，最终才能形成可以用于科学研究或监测预报的数据文件。

4 结语

虽然我们知道太阳是影响空间天气的源头，但如果想利用地基太阳望远镜看清它的脸还不是那么容易。地面观测的优势在于望远镜的口径不受限制，可以通过大口径观测来提高分辨力，但却因为地球大气中臭氧、水气和其他大气分子的吸收作用，导致很多谱线观测不到。比如，冕洞的演变和日冕物质抛射都可能对地球环境产生巨大影响，极紫外波段光谱是研究日冕加热、太阳风加速等太阳活动机理的必要手段，但在地面上却无法获得这一波段的谱线，只能通过空间望远镜进行观测。随着空间技术发展，天地一体化的太阳观测成为大势所趋，可以进一步看清太阳脸色，减小太阳风暴对生产生活和航天器安全造成危害。

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