大气层为什么会让星星一闪一闪?有方法能避免吗?

“一闪一闪亮晶晶,满天都是小星星”这是自带节奏的一句歌词,星星为什么会闪?大家都知道这是大气层的原因,但是大气的什么因素导致了星星的闪烁呢?又有什么方法可以避免这个问题?

一、大气层中气流扰动是造成闪烁的原因

大气是我们看不见摸不着却时刻都不能缺少的东西,光线通过大气时会产生折射现象

折射:光从一种透明介质入射到另一种透明介质时,光路会发生改变,这就是折射现象,当然在两个界面处也会发生反射,但我们今天主要讨论折射!

水面或者玻璃中折射我们司空见惯,也比较容易理解,但在大气中折射的情况会比较复杂,因为大气层没有一个明显的界面,从炒高空散逸层开始到低空稠密大气是渐变的,而且大气层中有很多因素会造成空气流动

  1. 对流 温差造成的热空气上升

  2. 自转 自转形成的风带搅动大气

  3. 冷气流和暖气流交界密度差异

  4. 对流造成的大气运动导致密度不同

这些气流会导致大气密度不均,冷热不均,简单的说就是折射光线的大气材质是不均匀的,而且还在流动中,因此造成光路漂移,在我们肉眼中看起来就是一下看得见,一下看不见!

天顶的光线走过的大气层路线最短,受影响稍小,地平线附近的天体经过大气层路线最长,因此受到影响更大!

当然还有一个重要的因素的悬浮颗粒的散射,也会导致部分因素,但这却不是造成闪烁的主要因素!

上图是最直观的大气折射与反射的比较明显的案例,在中午柏油路的远处看汽车时,那影像是飘忽不定的,因为受到地面上升气流影响,光线受到气流扰动的影响,已经无法清晰成像了!

二、有什么方法可以避免吗?

尽管这种状态对我们日常生活并无影响,但对天文观测影响是非常大的,很多天文爱好者俗称的“水煮月亮”说的就是大气扰动影响观测的案例,对于普通爱好者,只能选一个视宁度条件比较好的时间观测!

视宁度:受地球大气扰动影响天体图像质量的量度

但天文台可不行,如果天天等着好天气,那望远镜建设资金可就彻底废了,因此天文台的选址一般都是避开低空稠密大气,并且在相对干燥的高原地区,大气比较稳定,视宁度极好,晴朗天气概率极高的地区!

位于夏威夷一座海拔4205米的火山Mauna Kea顶上的天文台,世界上最高的天文台就坐落于山顶!远离稠密大气的扰动!您以为就解决了星星闪烁的问题吗?并不能,对于数十千米的稠密大气层来说,3-4KM的大气层并不足够,因为即使在珠峰顶部也不能彻底解决大气扰动所带来的影响,如何解决?

  1. 将天文台搬到太空

  2. 使用大气扰动感知与修正技术

前者最经典的案例就是哈勃望远镜,当然这大家都知道,除了它开普勒、TESS等一大波光学和X射线望远镜等。

一劳永逸,彻底解决大气扰动,甚至开普勒还远离地球,将环绕地球引起的遮挡都彻底解决,不过开普勒已经与去年正式退役,TESS已经上岗!

后者则是最先进的主动大气探测与修正的技术,主要是钠激光感知大气层的扰动程度,直接将图像修正消除扰动带来的影响,让成像更稳定

欧洲南方天文的4LGSF激光导星主动纠正大气大气湍流影响,让成像更加稳定与锐利!其带来的信噪比提升4-9倍,同时还提高了望远镜的观测效率和观测深度!

相对于太空中望远镜建造成本,明显是地面天文台成本低很多,即使使用激光导星技术修正图像,但仍然有可以不可忽视的因素,天气仍然会影响到高原天文台,而且光学天文台除了观测太阳的白天都不能观测,使用效率上仍然存在问题!