文|树洞档案

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前言

尽管到目前为止，建造的4到10米级的望远镜需要出色的观测，才能充分利用它们更大的孔径，但这对于未来的超大望远镜来说可能就不是那么正确的。

造成这种情况的两个原因：

首先，新兴的大气补偿技术有可能纠正平庸的观测，那么重要的是看不见了在它本身，但视力是可以纠正的。

影响校正的一个重要因素是大气相干时间，τ0的值越小，自适应光学系统的补偿就越困难。

相干时间与高层大气中的风速有关，预计在低纬度地区和风速较低的极地地区将会较长。

第二个原因涉及地面的风速：首选地点将是那些平均风速低的站点，因为风冲击造成的图像退化将更少。

因此，选择的地点可能会从那些主要是优秀的观察的地点转向那些有低风速和看到更容易纠正的特征的地点。

最佳观测地点的位置和特点

一般来说，最小云覆盖发生在世界各地的两个纬度区域。

最好的观测条件将在符合上述规定条件的岛屿地点找到，理想情况下，该岛应该在热带地区，以受益于低云层覆盖和较低的上风速。

远离任何陆地质量，以受益于未受扰动的气流，并拥有一个足够高的单一峰值，以保证良好的条件，无论风向如何。

这样的地点的数量非常少，包括夏威夷的莫纳克亚群岛和加那利群岛，当盛行风来自海洋方向时，沿海地点的情况将与岛上地点的情况相似。

一个“寒冷的海”是有益的，因为它降低了反转层。

这些情况分布在加利福尼亚和智利的沿海山脉上，它们靠近寒冷的海洋（加利福尼亚和洪堡-秘鲁洋流），也分布在大陆的西部，那里的风来自西部。

与传统观点相反，内陆地区可以和沿海或岛屿地区一样好，只要它们足够高，并面对不受干扰的气流。

这种情况可能发生在一个大的平坦平原或沙漠的顺风山脉，然而，这将意味着海拔3000米或更高的高度。

在这个高度上，低温和积雪堆积的高度问题可能很严重，晴朗的天气可能不常见，因为云帽往往会在这些山峰周围形成。

因此，只有在面对平坦平原和沙漠的高海拔山峰才是可以接受的，这两极极可能为天文观测提供特殊条件。

由地球自转引起的全球风环流具有“奇点”，这导致了一个非常平静的上层大气，两极的大气也是热稳定和分层的，特别是在冬夜，由于在寒冷的表面和没有太阳加热。

南极洲尤其如此，因为它的大片陆地在冬天是一个热海池，低机械湍流和热稳定性应该结合在一起，创造良好的视觉条件。

两极是大气中可沉淀水的低水位，这有利于红外观测，地面上的低温也是有益的，因为光学的热发射减少了。

在这两极中，南极更具吸引力， 因为它有“坚实的地面”、更稳定的大气层、更低的地面温度和现有的基础设施。

红外望远镜已经在南极观测站运行，但不幸的是，由于海拔前1000米的微热活动，那里的观测效果不是很好，欧洲大陆上海拔较高的其他地点似乎更有希望。

主要天文台地点的特征

光度夜被定义为连续超过6小时，没有云超过18◦的夜晚；风速在离地面10米处测量，是中间速度，即风速低于这个值的50%的时间；看到是平均观测；大气中可沉淀的水量只在夜间发生。

必须强调的是，由于测量设备和解释不一致，而且获得数据的时间跨度也不同，因此列出的值可能会不同。

此外，有一些长期的趋势可以在5到20年的时间尺度上改变这些数据。

地面场地评价方法

在过去的几十年里，为新天文台选址的一般方法发生了巨大的变化，最初，目的是找到一个合适的山，气候良好，容易到达，并且距离家庭机构有合理的距离。

有了今天非常大、昂贵的望远镜，从天文台提取最大值变得至关重要，由于场地的质量是天文台性能的重要因素，为新设施寻找最佳的场地是至关重要的。

科学上的优先事项各不相同，但一般来说，现场调查需要提供有关现场气候学、红外天空背景和图像质量的数据。

场地气候学（当地温度、风速和云层）是通过传统的气象手段获得，温度和风速通常在地面以上的不同高度测量，直到未来望远镜的水平。

云的覆盖可以通过目视观测、广角辐射监测（10µm波长）和卫星观测来确定，红外天空背景是用成熟的技术来测量的，如使用红外天空辐射监测器。

现场调查的第三个方面，即图像质量的测量，是迄今为止最关键和最困难的方面，现在我们将详细研究进行这些测量所使用的技术。

对图像质量的测试方法

图像质量和大气湍流参数之间的关系直到20世纪80年代才被完全了解，人们只能依靠用观测监视器望远镜直接测量图像质量（例如，大气的相干性长度，r0）。

问题是，因为看到随大气条件而波动，r0本身就是一个随机变量它的时间变化涵盖了广泛的频率谱，周期从几分钟延伸到几天甚至几年。

对于大多数其他大气波动，频率越低，波动的幅度就越大这种随机变量被称为“非平稳”，而非平稳性强烈地限制了任何统计估计的准确性。

如果一个人想比较不同的网站，看到必须测量所有在长时间跨度（至少一年），但无法保证结果的预测价值，因为主流气象条件可能从一年有明显不同的。

此外，看到测量结果并不能说明为什么一个站点优于另一个站点，也不能建议在哪里寻找更好的站点。

测量大气中的温度波动，最初是通过使用微热传感器进行气球探测来完成的，然而，这种对大气层的探测天生就太参差不齐了。

如今由于现场和遥感技术，可以对大气湍流进行持续监测，此外，计算机建模现在可以提供一个在局部和全球尺度上的大气湍流的可靠图像。

因此，一个经过深思熟虑的现场测试活动将依赖于整体光学测量，结合直接探测和大气湍流建模，以获得对图像退化的各种来源的了解。

总体视觉是由于沿光路的几个区域造成的图像展宽的总和：

这些区域中的每一个都最好用专门的技术进行研究： 在地面附近的微热探测器，表层的声学探测仪，自由大气的雷达探测，以及一个专门的观测监测望远镜来测量整体观测。

此外，通过风洞研究或计算机建模进行的流量可视化可用于确定特定地点的最佳位置。

微热传感器

测量温度结构系数（C2 T）最直接的方法是使用灵敏的差分温度计来确定两点之间的温差。

传感器必须有一个相当宽的带通，在0.5到100 Hz之间，例如，为了捕获整个温度波动的频谱，这需要非常薄的传感器。

它们通常由直径为10µm的铂丝制成，并通过测量其电阻来确定温度，温度结构系数通过两个传感器的温差平方得到。

为了探测表层，成对的传感器可以安装在不同的高度上，通常高30-40米。

这种直接的方法也可以通过在无线电探空仪上安装一对传感器，来探测大气中20公里以内的光路。

回声探测器与声波测深器

声学探测器，也被称为“雷达”（用于“声音探测和测距”），用来测量大气中的温度结构系数C2 。

基于小尺度热波动声散射的边界层和速度波动，恒定频率的声脉冲进入大气，分析反射声能量，称为后向散射，以确定回声强度与高度的关系。

散射强度与C2 T成正比，因此回声强度图提供了关于大气中湍流层的垂直分布的信息。

卫星的工作频率约为2 kHz，它们的空间分辨率在几米量级，确保小湍流层不会被发现，并且能够达到800米的高度，尽管空间灵敏度降低。

在最好的天文地点，夜间大气湍流是如此之低，在实际应用中，对空间分辨率和灵敏度的要求将垂直范围限制在200米左右。

此外，C2 T测量的精度受到校准的强烈限制，这很难实现，只能在2倍以内。

声学探测仪已经成功地用于理论研究，在强湍流条件下（如太阳天文台）肯定会有用，但它们在最好的夜间天文地点发现的非常低水平的湍流上的应用是有限的。

现场流程可视化

当正在调查的地点不是一个孤立的山峰，而是一个有几个可能地点的扩展区域时，进行流量可视化研究以确定最佳的潜在位置和安装观测监测设备可能是有用的。

这样的研究可以确定不同位置的表层的近似高度作为风向的函数，并检查周围山峰或现有穹顶的尾迹。

流量可视化可以在风洞中使用站点的尺度模型进行， 也可以通过计算机模拟进行。

无线电信标

气象辐射卫星经常从世界上许多地方发射，以测量温度、风速和方向大气层高达30公里的高度。

当在考虑的天文台附近发射时，收集的数据可用于高层大气观测的初步评估。

Hufnagel提出的经验模型以风速为参数，给出了折射率结构参数：

其中，z为以公里为单位的高度，u为在5至20公里的高度范围内以米/秒为单位的均方根风速。

VanZandt 开发了一种利用温度、风速和风向剖面的更精细的模型，并根据大气湍流的雷达测量进行了校准。

这个无量纲数是测量了波浪中的垂直运动与剪切流中可用的动能所做的功与重力的比值，当理查森数低于0.25时，就会发生湍流。

大气的微热波动气球探测表明，湍流局限于几米到几十米厚的薄水平层，由非湍流层隔开。

气象无线电探空仪采样，通常相隔几百米，因此太罕见，无法直接探测湍流。

然而，可以推导出风切变和稳定性参数的统计分布，并可以计算出可能是湍流的层的分数。

假设在稳态条件下，可以应用成熟的湍流光传播理论，并确定每个无线电探空仪采样层的平均C2 n。

虽然该方法的有效性已经在理论基础上得到了证明，但对天文地点调查的应用受到限制，除非一个常规的发射地点恰好在附近。

然而，同样的大气建模原理可以用于新兴的数字大气建模技术。

大气的数值模拟

研究一个特定地点的低层大气效应的一个非常有前途的方法，就是使用最近开发的“中尺度”气象模型。

这些模型通过常规气象分析或辐射测量初始化，并提供了风的三维描述在间隔为500到1000米的水平网格上的温度和湿度。

利用上述方法，从这些宏观气象参数估计微观光学湍流，以提供地面上任何网格点上方的C2 n剖面，如果这些模型被证明是可靠的，它们就可以在给定的一般区域的几个地点之间进行选择。

总结

由于传统的大尺度气象数据通常在过去几十年里是可用的，这些模型对于确定现场测试是否具有长期代表性，这通常只在几年的时间尺度上具有代表性。

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