地基天文观测：地球大气层如何影响我们的观星体验？

地基天文观测：地球大气层如何影响我们的观星体验？

地基天文观测是人类最早进行的天文观测方式，也是目前最主要的观测手段。然而，地球大气层对电磁波的吸收和散射效应，以及各种人为干扰，都对地基天文观测造成了显著影响。本文将详细探讨这些影响因素，帮助读者更好地理解天文观测的基本原理和限制条件。

按照望远镜所处的位置，目前的天文观测可以分为地基天文观测、太空天文观测和月基天文观测。地基天文观测是人类最早进行的天文观测，现在仍然是天文观测的主力。太空天文观测开始于20世纪下半叶，随着人类太空探索的脚本逐渐发展壮大。如今，人类尚未大规模开展月基天文观测。但嫦娥三号携带了一台望远镜着陆到月球表面，已经进行月基天文观测。未来，随着载人登月的开展和月球基地的的建设，月基天文观测会得到很大的发展。

人类有数千年地基天文观测的经验。从成本上来说，地基天文观测也是最低的，目前最大口径的望远镜都是地基望远镜。但是，地基天文观测有其局限性。地球大气只对部分电磁波透明。地球大气吸收了波长短于紫外的电磁波，这保护了地球上的生命，但另一方面也使得我们无法在地面上进行紫外、X射线和伽马射线波段的天文观测。大气也吸收大部分红外波段的电磁波，所以大部分红外观测也无法在地面上进行。频率低于10 MHz的低频射电波会被地球的电离层反射，在地面上也无法进行相应波段的天文观测。

地基天文观测主要是射电天文观测和光学天文观测。近些年也开始在地面进行极高能伽马光子的观测，这些观测是通过探测高能伽马光子和大气作用产生的次级粒子从而反演出极高能伽马光子的入射方向、能量等信息。地球大气对频率10 MHz~10 GHz的射电波非常透明，这个波段的射电望远镜不受云和雨雪天气的影响，几乎可以进行全天候观测。不过，这个频段也是现代社会各种无线电信号所占据的频段。在这个频段中充满了广播、导航、移动通信、卫星通讯的信号，对于射电天文观测来说，这些信号都是干扰。相比地球上人类活动产生的信号，天体的信号较弱，所以射电天文观测的一个关键就是减少射频干扰的影响。射电望远镜虽然不用建设在高山上，但也需要尽量远离城镇，周围能有山体遮挡从远处传来的无线电波。一些望远镜在其周围设置了无线电宁静区，对电磁环境加以保护。

虽然大气对可见光透明，但大气对光学观测的影响仍然很大。对宇宙中大部分天体的可见光观测只能在夜间进行。大气散射太阳光，导致整个天空都非常明亮，掩盖了大部分天体的可见光，因而白天无法进行观测。光学观测只能在晴朗的夜间进行，因为云会遮挡天体的可见光，这和射电观测不太一样。光学观测还受到大气湍流的影响。我们看到的恒星通常会闪烁，这是大气中的湍流导致的。大气湍流导致星点变得模糊，为了得到好的观测结果，光学观测需要寻找视宁度好的台址。和射电观测一样，光学观测也会受到城市灯光的影响，所以光学观测的台址也需要远离城镇。

图：夏威夷Mauna Kea山顶的光学、近红外望远镜