大气吸收对天文望远镜的影响及应对方式地面天文望远镜观测宇宙时，总会遇到一个无形的阻碍，那就是地球自身的大气层。宇宙天体发出的电磁波，在穿越大气层到达望远镜镜面的过程中，会被大气中的多种成分吸收一部分，导致观测信号减弱、成像质量下降，甚至某些波段的信号完全无法到达地面。这种现象就是大气吸收，它不是偶然出现的，而是地球大气的固有特性，无论望远镜的口径多大、精度多高，只要处于地面，就无法完全避开这种影响。大气对天文辐射的吸收具有明显的选择性，并非对所有波段的电磁波都一视同仁。不同成分的大气分子，会针对性吸收特定波长的辐射，就像不同的滤网会过滤掉不同颜色的光线。大气中主要承担吸收作用的成分有水汽、臭氧、二氧化碳，还有少量的氧分子和固体杂质，它们各自的吸收范围不同，对望远镜观测的影响也存在差异。水汽是影响大气吸收的最关键因素之一，其吸收作用主要集中在红外波段。水汽在可见光区和红外区都有不少吸收带，但吸收最强的区域集中在0.93到2.85微米之间的几个波段。虽然太阳辐射中最强的部分是短波，水汽从总辐射中吸收的能量占比不算高，据估计能使太阳辐射减弱4到15％，但对于天文观测而言，这种吸收足以造成明显影响。尤其是在观测遥远天体发出的红外信号时，水汽的吸收会让信号大幅衰减，甚至完全遮蔽，导致望远镜无法捕捉到有用的观测数据。臭氧在大气中的含量极低，却有着极强的吸收能力，其吸收范围主要集中在紫外波段和部分红外波段。在0.2到0.3微米的紫外波段，臭氧有一个强吸收带，能将波长小于0.29微米的紫外辐射完全阻挡，让这部分波段的天体信号无法到达地面。此外，在0.6微米附近，臭氧还有一个较宽的吸收带，虽然吸收能力不算强，但由于这个波段处于太阳辐射最强烈的区域，其吸收效果依然不可忽视，会对光学波段的观测造成轻微干扰。二氧化碳对天文辐射的吸收相对较弱，其吸收范围主要局限在红外区4.3微米附近。这个波段的太阳辐射本身就比较微弱，所以二氧化碳的吸收对地面观测的整体影响不算显著，但在进行高精度红外天文观测时，这种吸收依然会造成信号失真，影响观测数据的准确性。氧分子和固体杂质也会参与大气吸收过程，但它们的影响远不如水汽、臭氧和二氧化碳明显。氧分子主要吸收波长小于0.2微米的紫外辐射，这部分波段本身就被臭氧大量吸收，氧分子的作用几乎可以忽略不计。固体杂质如尘埃、烟雾等，只有在浓度极高的情况下，才会吸收一部分天文辐射，比如出现沙暴、烟幕天气时，会对观测造成短暂的明显影响，正常天气下这种影响可以忽略。大气吸收对光学天文望远镜的影响最为直观，也最容易被感知。光学望远镜主要观测可见光波段的天体信号，虽然大气对可见光的吸收不算强烈，但水汽、臭氧和二氧化碳的少量吸收，依然会导致观测到的天体亮度降低。对于那些本身亮度就很低的遥远星系、星云，这种亮度衰减会让望远镜无法清晰捕捉其细节，甚至无法检测到它们的存在，限制了望远镜的观测距离和灵敏度。除了亮度衰减，大气吸收还会导致光学望远镜观测到的天体光谱出现失真。天体发出的光谱包含了其自身的丰富信息，比如化学成分、温度、运动速度等，科学家通过分析光谱就能了解天体的各种特性。但由于大气成分的选择性吸收，光谱中对应吸收波段的谱线会出现缺失或减弱，就像一张完整的图画被挖去了几块，导致科学家无法获取天体的完整信息，影响研究结论的准确性。红外天文望远镜受大气吸收的影响远比光学望远镜严重。红外波段的天体信号本身就比较微弱，而水汽、二氧化碳等成分对红外辐射的强吸收，会让大部分红外信号在穿越大气层的过程中被消耗殆尽。在一些湿度较高的地区，大气中的水汽含量大，甚至能完全遮蔽红外波段的信号，让红外望远镜无法正常工作。即使在干燥地区，水汽的吸收依然会限制红外望远镜的观测波段，使其只能在少数几个大气吸收较弱的“窗口”波段进行观测。射电望远镜虽然受大气吸收的影响相对较小，但依然无法完全避免。射电波段的电磁波穿透力较强，大部分射电信号能顺利穿越大气层，但水汽和氧气依然会对部分射电波段造成吸收。尤其是在毫米波和亚毫米波波段，大气吸收的影响会变得明显，其中水汽的吸收作用最为突出。宇宙中的电磁波在穿越大气时，传播速度会因空气密度和水汽含量变化而减慢，产生对流层延迟，这种延迟会影响射电望远镜的定位精度，成为甚长基线干涉测量和全球导航卫星系统定位中的主要误差来源。亚毫米波天文学是探索“冷宇宙”的重要手段，其观测波段介于微波和红外线之间，波长在0.1到1毫米之间。但这个波段的观测受大气吸收的影响极大，几乎被水汽完全控制。为了量化水汽的影响，科学家引入了大气可降水量这一指标，它表示大气中的所有水汽被压扁后形成的水层厚度。大气可降水量越小，大气越干燥，亚毫米波就越容易穿透；反之，亚毫米波会被大量吸收。在南京这样的城市，年平均大气可降水量超过20毫米，在这种条件下，亚毫米波几乎被完全吸收，无论望远镜多么先进，都无法从地面获得有科学意义的亚毫米波信号。大气吸收不仅会影响望远镜的观测信号，还会间接影响观测数据的稳定性。大气中的水汽含量、温度、压力等参数会随着时间和空间的变化而波动，导致大气吸收的强度也随之变化。这种波动会让望远镜捕捉到的信号强度忽强忽弱，成像质量不稳定，给后续的数据处理和分析带来很大困难。尤其是在进行长时间连续观测时，这种不稳定性会累积，进一步降低观测数据的精度。应对大气吸收的影响，最直接有效的方式就是选择合适的观测台址。优良的光学台址是稀缺的天文战略资源，直接关系到望远镜的观测效率、数据质量和科学发现潜力。高海拔地区成为理想选址，因为海拔越高，大气越稀薄，大气厚度越小，水汽、臭氧等吸收成分的含量也越少，大气吸收的影响就能大幅减弱。同时，高海拔地区通常远离城市，光污染和电磁干扰小，能为观测提供更干净的环境。帕米尔高原上的慕士塔格观测站，海拔4520米，是我国勘选出的世界级天文观测基地。科研团队对该观测站进行了连续8年的台址监测，数据显示其大气视宁度中值达0.78角秒，可与世界一流天文台站比肩。这里空气干燥，大气可降水量极低，光学湍流表现出较弱且高度稳定的特性，尤其是在夜晚，表面层湍流活动减弱，6到30米高度的中位视宁度可达0.24角秒，为天文观测提供了理想条件。地表温度逆温现象也进一步改善了视宁度，让星光的抖动和模糊减少，提升了观测效果。南极冰穹A是全球最优越的亚毫米波观测台址之一，海拔4093米，年平均温度约为零下58摄氏度，大气中的水汽被压缩到极低水平，大气可降水量极小，大幅削弱了对亚毫米波的吸收。这种极端干燥、寒冷的环境，虽然对科研人员和设备都是巨大挑战，但却为亚毫米波观测提供了近乎完美的条件，让科学家能够捕捉到被大气遮蔽的“冷宇宙”信号，开展关于星际物质和宇宙演化的深入研究。智利的阿塔卡马沙漠也是全球顶级的天文观测基地之一，这里常年干旱少雨，大气湿度极低，水汽含量极少，且海拔较高，大气透明度高，几乎没有云层遮挡，能最大程度减少水汽对红外和亚毫米波观测的影响。全球多个国家都在该地区建造了大型天文望远镜，包括光学望远镜、红外望远镜和射电望远镜，借助这里优越的台址条件，获得了大量高质量的观测数据。选址虽然能大幅减轻大气吸收的影响，但无法从根本上消除。对于地面望远镜而言，技术手段的升级是应对大气吸收的重要补充，自适应光学技术就是其中最具代表性的一种。这种技术就像给望远镜戴上了一副智能眼镜，能够实时矫正大气湍流和吸收造成的信号扭曲，让地面望远镜也能拍出媲美太空望远镜的清晰图像。自适应光学技术的核心由波前传感器、变形镜和控制系统三部分组成。波前传感器就像相位侦探，每秒能测量上千次光波的扭曲情况，最常用的沙克-哈特曼传感器通过微透镜阵列分割波前，检测每个子孔径内光斑的偏移量来计算局部畸变。变形镜则拥有数百个纳米级的调节单元，能在1毫秒内完成镜面形状的调整，凯克望远镜使用的349单元分立式变形镜，调节精度可达纳米级。控制系统相当于超级计算机大脑，能实时计算出镜面需要调整的幅度，整个闭环控制延迟不超过1毫秒，否则大气变化会让校正失效。激光导星技术的出现，进一步提升了自适应光学技术的效果。传统自适应光学依赖自然亮星作为参考源，天空覆盖率仅为0.5到1%，限制了观测范围。激光导星通过激发大气钠层产生人造导星，可将天空覆盖率提升至80%以上，目前主要分为瑞利导星和钠导星两种技术路线，其中钠导星已成为8米级望远镜的标配，能让望远镜在更多天区实现高精度观测，减少大气吸收和湍流带来的影响。除了自适应光学技术，主动光学技术也能辅助减轻大气吸收的影响。主动光学技术主要用于矫正望远镜镜面自身的形变，通过传感器实时检测镜面形状的变化，再通过促动器调整镜面，让镜面始终保持最佳的成像状态。虽然这种技术不能直接抵消大气吸收的影响，但能提升望远镜的成像精度和灵敏度，让望远镜更好地捕捉经过大气吸收后减弱的天体信号，间接弥补大气吸收带来的损失。数据处理技术的升级，也能在一定程度上弥补大气吸收造成的观测缺陷。科学家通过开发先进的数据分析算法，对望远镜捕捉到的原始数据进行修正和补偿，剔除大气吸收造成的信号失真和噪声，还原天体的真实信号。我国科研团队曾利用南山26米射电望远镜台址的多年观测数据，构建了融合门控循环单元与长短期记忆网络的混合深度学习模型，可自动学习大气延迟的变化规律，实现对天顶对流层延迟的高精度短期预测，预测误差仅约为8毫米，相关系数达96%，显著优于传统统计模型，能有效提升射电观测的大气相位修正精度。这种混合深度学习模型的研究成果，已发表在《天文与天体物理研究》上，其原理是利用门控循环单元提取大气延迟的短期变化特征，利用长短期记忆网络记忆长期趋势，两者结合后既能捕捉大气延迟的短时波动，又能识别其长期规律。这种数据处理方法不仅能提升射电望远镜的观测精度，还能为毫米波天文观测提供更准确的气象支撑，在可降水量反演与天气预报中也有广泛的应用前景，为未来大型射电望远镜的高频段运行奠定了技术基础。从根本上避开大气吸收影响的唯一方式，是将望远镜送入太空，打造空间望远镜。空间望远镜位于地球大气层之外，不会受到水汽、臭氧等成分的吸收影响，能捕捉到地面望远镜无法观测到的波段，获得更清晰、更准确的观测数据。目前，太空中活跃着多台空间望远镜，它们各自承担着不同的观测任务，极大地丰富了人类对宇宙的认知。空间望远镜的优势不仅在于避开大气吸收，还在于观测波段更宽。地面望远镜受大气吸收限制，只能观测少数几个波段，而空间望远镜可以在更宽的波段开展观测，尤其是能完整观测红外、紫外以及更高能的X射线和伽马射线波段，这些波段的信号被大气完全遮蔽，却是研究天体演化、黑洞、中子星等高能天体的关键。通过多波段观测，科学家能更全面地了解天体的特性，获得更丰富的宇宙信息。空间望远镜还能实现更高分辨率的观测。理论上，地面望远镜的分辨率与其口径成正比，但当口径达到一定程度后，大气干扰会成为限制分辨率的主要因素，即使增大口径，分辨率也无法继续提升。空间望远镜不受大气湍流、折射和湿度等因素影响，能充分发挥大口径的优势，获得更清晰的天体图像，捕捉到星际物质分布、行星表面细节等微小结构和现象。长时间连续观测能力也是空间望远镜的重要优势。除了被地球遮挡或处于南大西洋异常区等恶劣空间环境外，空间望远镜能对观测目标进行长期连续观测，不受地球自转、昼夜交替和天气变化的影响，为科学家提供更长的观测窗口。这种连续观测能力，能帮助科学家捕捉天体的快速暴发现象、短暂事件以及长期演化过程，提升观测效率和科学产出。空间望远镜还能有效避免人为污染的影响。随着人类活动的增加，地面的光污染和电磁干扰越来越严重，地面望远镜需要在严格的防护环境下才能正常工作，比如射电望远镜附近不能使用微波炉等产生电磁信号的设备，光学望远镜附近需要设置灯光静默区。空间望远镜远离地球，能完全避开这些干扰，获得更干净的观测数据，为研究遥远天体、微弱信号和细微结构提供了独一无二的机会。当然，空间望远镜也存在自身的局限，其设计、制造、发射和运行成本极高。詹姆斯韦伯空间望远镜的造价接近百亿美元，一次火箭发射费用就可达上亿美元，后续的运行和维护也需要大量资金投入。此外，空间望远镜处于极端的太空环境中，面临宇宙射线辐照、巨大温差、微小陨石撞击等挑战，对技术的要求极高，精确的姿态控制、稳定的温度控制和可靠的通信系统，都是空间望远镜正常运行的关键。维护和修复困难也是空间望远镜的一大难题。空间望远镜远离地面，一旦出现故障，很难进行维修，虽然可以通过远程操作解决部分问题，但复杂的故障需要宇航员或机器人进入太空进行修复，难度极大。航天飞机曾搭载人员修复过哈勃空间望远镜的畸变问题，但随着航天飞机计划的终止，空间望远镜的修复变得更加困难，未来可能需要依赖更先进的机器人技术来解决这一问题。我国在空间天文观测领域也取得了显著进步，“慧眼”硬X射线调制望远镜是我国第一台空间X射线天文卫星，能实现宽波段、大视场X射线巡天，研究黑洞、中子星等高能天体的短时标光变和宽波段能谱。该卫星于2017年成功发射，开展科学观测以来，为我国高能天文研究提供了大量高质量的数据，推动了我国空间天文事业的发展。对于不同类型的天文望远镜，应对大气吸收的方式也会有所侧重。光学望远镜主要依靠优良的台址和自适应光学技术，减少大气吸收和湍流带来的影响；红外望远镜则更注重台址的干燥度，同时结合主动光学技术和数据处理技术，弥补信号衰减带来的损失；射电望远镜在毫米波和亚毫米波波段，需要依赖干燥的高海拔台址和高精度数据处理技术，而空间望远镜则主要用于观测地面望远镜无法覆盖的波段，实现全方位、高精度的观测。随着技术的不断进步，人类应对大气吸收的手段也在不断丰富和完善。混合深度学习等人工智能技术在大气校正中的应用，让数据处理的精度不断提升；自适应光学技术的持续升级，让地面望远镜的观测效果不断接近空间望远镜；新型材料和制造工艺的发展，也在降低空间望远镜的成本和技术难度。未来，我国还将建设奇台110米射电望远镜，该望远镜的高频段运行将依赖高精度的大气校正技术，而之前研发的混合深度学习模型，将为其提供重要的技术支撑。同时，我国也在持续推进大型光学/红外望远镜的建设，通过优化选址和技术升级，进一步提升地面观测能力，结合空间望远镜的优势，实现地面与空间观测的互补。大气吸收是地面天文观测无法回避的问题，但它并不是不可克服的障碍。通过优良的台址选择、先进的技术手段和精准的数据处理，人类能够有效减轻甚至避开这种影响，让望远镜发挥出最佳的观测效果。无论是地面望远镜的技术升级，还是空间望远镜的持续探索，都是人类为了更清晰地看清宇宙、了解宇宙所做出的努力。天文观测的本质，就是不断突破各种自然障碍，捕捉宇宙的真实信号。大气吸收虽然给我们带来了挑战，但也推动了天文技术的不断进步，让我们在探索宇宙的道路上不断前行。随着各项技术的不断成熟，人类必将能够突破大气的限制，获得更多关于宇宙的奥秘，解锁更多遥远天体的未知信息。
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