南极冰穹A大气视宁度监测与研究

Recent site testing at Dome A, Antarctica has shown that Dome A is comparable to world class observatories on sky background brightness and cloud cover etc. Remarkably, strong temperature inversion occurs just above the ground, yielding a unprecedentedly thin atmospheric boundary layer with a median value less than 14 meters. Above the boundary layer, free atmosphere seeing can be achieved, therefore the angular resolution in direct imaging can reach sub-space level. However, due to the extreme conditions at Kunlun station, no direct, quantitative night seeing has been obtained, thus it becomes urgent in site evaluation at Dome A. This project plans to measure and continuously monitor the night seeing by an automatic DIMM at Dome A. We will update a normal DIMM to work automatically in the extreme conditions at Kunlun station by solving the critical problems of automatic operation due to the small field-of-view of DIMM and the misalignment of its Equatorial mount during the daytime installation. In addition, using the seeing data, we will study and develop new method for the measurement of superb free atmosphere seeing, correcting the current theory and method that do not work when the Fried parameter r0 is even greater than the separation between DIMM's two sub-apertures, and achieving more precise and realistic seeing measurements. Besides, we will study the relationship between seeing and meteorological information such as temperature and wind speed at different heights, so as to be able to estimate the distribution of seeing values at different heights, and provide scientific foundations for the design and construction of the next-generation, large-aperture optical/IR telescope at Dome A.

南极冰穹A现有台址测量工作表明其天光背景、云量等已经媲美世界一流台址，特别是近地面即出现了强烈的逆温层，大气边界层高度中值低于14米，望远镜在此高度之上即可获得自由大气视宁度，直接成像的角分辨率可以达到亚空间水平。然而，由于昆仑站条件限制，至今尚未得到直接定量的夜间视宁度测量结果，这成为冰穹A台址评估亟需解决的问题。本项目计划用自动DIMM完成冰穹A夜间视宁度的测量和长期监测。我们将改造DIMM以在南极极端环境下自动运行，利用大视场寻星镜和软件从根本上解决DIMM视场小和极昼安装误差所带来的指向和自动运行的难题。我们将研究和发展利用DIMM测量超常的自由大气视宁度的方法，弥补在大气相干长度r0大于DIMM子瞳间距的优异条件下现有理论和方法的缺陷，以获得更精确和真实的视宁度。我们还将结合分层的温度和风速等探讨在不同高度的视宁度值的分布，为下一代大型南极光学红外望远镜的设计和建设提供科学依据。

大气视宁度是光学天文台址最重要的参数之一，当前世界上最优秀的台址视宁度中值约0.6-0.8角秒。在南极高原的最高点冰穹A，有间接证据表明其视宁度更为优良，其大气边界层厚度中值14米，望远镜在此高度之上即可获得自由大气视宁度，而南极点和冰穹C在边界层之上的视宁度达到了0.3角秒。但是，由于昆仑站的极端环境和无人值守条件限制，之前一直没有夜间视宁度的直接测量。为了实现冰穹A夜间视宁度的测量和长期监测，本项目研制了用于昆仑站的差分像运动监视仪KL-DIMM，并开发了全自动运行系统。项目组成员参加了南极科考，将两台KL-DIMM安装在昆仑站8米塔架上。在无人值守的条件下，KL-DIMM首年便实现了越冬全自动运行，在气温-70度以下正常工作。.本项目首次直接测量到了冰穹A的夜间大气视宁度，获取了2019年1月至8月的视宁度监测数据。在8米的高度上，夜间视宁度的统计结果与冰穹C 20米高度处相当。其中有31%的时间可以获得自由大气视宁度，其中值0.31角秒，而最佳值可达0.13角秒。研究发现了冰穹A大气视宁度与近地面气象参数的相关关系，提出了用温差表征大气边界层厚度的方法，用该方法确认了冰穹A边界层厚度中值约14米的结果。相比较而言，冰穹C的边界层高度中值为30米，因此在冰穹A更容易获得自由大气视宁度，且工程难度大大减小。.综合其他的优良台址参数，本项目首次用实测数据确认了冰穹A的天文观测条件优于已知的其他任何地面台址，为我国进一步开展南极天文研究奠定了科学的基础。该成果发表在Nature杂志上，在国内外都受到了广泛关注。此外，在KL-DIMM的研制中积累了大量极端环境下的望远镜技术和全自动观测运行技术，这些既为我国未来南极天文的发展进行了技术储备，也能用于国内外其他野外台站的自动观测中。