太阳塔杂话

牛筝

太阳塔这一观测太阳的利器由太阳物理先驱乔治·埃勒里·海耳（George Ellery Hale）于1904年提出。由于它是将观测设备架设在高处，大大减弱了地表上升热气流的干扰，同时也使加长成象系统的焦距进而提高成象质量成为了可能，因此它在现代太阳研究中发挥了巨大作用。
太阳塔的主要组成部分是定天镜、成像系统和附属仪器。塔顶的定天镜一般由两块平面镜组成，第一平面镜以48小时一周的速度绕极轴运动，第二平面镜一般采用地平式装置，其作用是将入射的太阳光充分反射至成象系统（一般安装在塔顶正下方）。塔底一般设有太阳影象的投影屏，可作每日监测黑子用。同时塔下还安装有分光设备、照相设备、磁象仪等附属仪器供不同目的的观测用。
第一座投入使用的太阳塔是1907年建造的威尔逊天文台60英寸太阳塔，它标志着现代太阳研究之始。翌年，海耳即利用该塔根据塞曼分裂原理发现了太阳黑子磁场，这可以说是太阳塔首度立功，也促成了规模更大的威尔逊150英寸太阳塔的建造。而60年代太阳震荡的发现也是该塔的功劳。

威尔逊天文台的两座太阳塔

主体落成于1910年的威尔逊150英寸太阳塔由内外两层塔身组成，内层用于支持定天镜等观测仪器，外层则作为圆顶的支撑系统。这一结构可以有效消除塔身震动对仪器的影响（同时对封闭的塔身结构来说，外层塔身也有助于保持内层的温度稳定，只是对威尔逊山的这座倒没有这个功能），因此为当代太阳塔广泛采用。1911年，太阳塔安装了12英寸主镜。1912年，该塔正式投入使用。之后几十年间，天文学家利用它作出了一系列重要的工作，包括发现太阳黑子的极性，研究日珥和太阳引力红移、发现黑子周围的弱磁场等。在60年代基特峰国立天文台的McMath-Pierce太阳塔落成之前，它一直是世界上焦距最长的太阳观测设备，换句话说，它所成的太阳图象是最大的。

基特峰天文台McMath-Pierce太阳塔（图片提供：KPNO）

1962年11月建成的基特峰天文台McMath-Pierce太阳塔则是目前世界上最大的太阳塔，主要用于观测黑子结构。它本名McMath太阳塔，以纪念美国国家基金会国家天文台顾问委员会主席Robert R. McMath，落成30年后为纪念研制该望远镜的负责人Keith Pierce，更名为此。该塔高100英尺，其灵敏度足以用于夜间的恒星观测（一般的太阳塔只能在白天用于观测太阳），所成太阳影象直径0.8米。该塔光学部分全部采用反射光路，当年看似陈旧过时，但在90年代红外观测技术广泛后，这却被认为是个颇具远见的高明设计。直到现在，它仍是全球红外太阳观测的中心。该塔配备有摄谱仪、傅立叶变换分光仪等设备，发现过太阳中水的存在和太阳的12微米发射线，还发现了火星大气中的脉泽。这里有一份关于该塔历史的资料，很详细，不妨一看。

McMath-Pierce太阳塔的光路（图片提供：KPNO）

McMath-Pierce太阳塔的定天镜（图片提供：KPNO）

真空太阳塔是更先进的设备，它的全部成像光学设备都放在真空筒中，可以彻底消除仪器内部气流对成像的不利影响。比较有名的真空太阳塔包括在萨克拉门托峰太阳塔、基特峰真空太阳望远镜、荷兰开放望远镜（Dutch Open Telescope）、瑞典1米太阳望远镜（Swedish 1-m Solar Telescope）等，都有着超高的分辨率，最后一座更是可以分辨出太阳表面100米尺度的结构，并获取太阳的3维影象。

瑞典1米太阳望远镜拍摄的黑子（图片提供：SST, Royal Swedish Academy of Sciences）

1979年，南京大学建成了中国首座太阳塔，并获1985年国家首届科技进步二等奖。由于我曾经去过该塔多次，以下写我的亲眼所见：）塔身很旧，估计是N久没粉刷过了；内有极窄的螺旋梯，应该就是内外两层塔身的夹层了；至于定天镜的调节……我就不说什么了……不过设备的状态还是不错的，阳光被引入一间暗室内，经分光、聚焦后投射到4台CCD上（只记得有一台是H-Alpha，另两台好象都是红外的，其中一个观测的是Ca II 8542线，第四台是观测磁场专用的，但具体波段不记得了，早先的设备都是照相机）。如果天气允许，该塔每天都要做太阳黑子描图，太阳的影象投影是到塔底的一面墙上，直径不到一尺，不能算是很大，但还清晰。可惜现在太阳塔所在地距离公路过近，过往车辆扬起的灰尘严重干扰成象，不知道今后其发展如何……

冒用一张02级某师兄（或师姐？）拍的图，南京大学太阳塔定天镜

中国新一代的太阳望远镜则选址在昆明抚仙湖（水域还是很适合太阳观测的），这是一座红外真空太阳塔，观测波段为0.3微米到2.5微米，已被列入国家天文台七大天文工程之一，计划在2007年落成。
参考资料：
[1] The 150-Foot Solar Tower Telescope
[2] 荷兰开放望远镜
[3] 瑞典1米太阳望远镜
[4] http://sun10.bao.ac.cn/kepu/yiqi/solartower.htm
[5] McMath-Pierce太阳塔的观测数据

ljy

没分了，下次补上

中国空军一号