何處覓星光？選臺址可能是天文領域中最艱苦的工作之一。城市快速發展，燈光汙染、空氣汙染等都對天文觀測造成影響，天文學家也將目光投向了條件更好的西部。2003年，國家天文臺部署啟動了重大科研計劃——中國西部天文戰略選址，針對我國西部地區潛在的優良天文臺址進行考察和選擇。（阿里、冷湖、稻城、帕米爾高原的選址故事）
除了西部選址計劃，還有一個地方也被不畏艱險的天文學家們“惦記”上了，那就是真正遠在天邊的南極！南極大陸被冰雪覆蓋，極寒和極端乾燥等惡劣的自然環境不適於任何生物生存。然而，也正是這樣特殊的地理大氣條件，給了天文觀測研究特殊的機遇。
中國南極天文的主要工作在南極內陸冰穹A。冰穹A是南極冰蓋的最高點，海拔4100米（南緯80°25′01″，東經77°06′58″），下面冰層厚度可達3000多米，冬季氣溫經常低於零下80度，被稱為“不可接近之極”。
2005年1月，中國第21次南極科學考察隊率先登頂了冰穹A，並在2008-2009年度建立了中國第三個南極科考站，也是中國第一個南極內陸科考站——崑崙站，給中國天文也帶來了新的契機。
冰穹A的地理和大氣條件給了天文研究獨一無二的優勢。極夜可以連續24小時不間斷觀測，這對時域天文可遇不可求；清潔而穩定的大氣，預測有優異的視寧度，可以保證對天體的觀測更加清晰；寒冷和乾燥的環境又極為有利於紅外和亞毫米波段的觀測。
冰穹A的臺址測量裝置
在冰穹A安裝天文裝置始於2007-2008年中國第24次南極科考，科考裝置同時兼顧臺址測量和天文研究。
第一代光學望遠鏡中國小望遠鏡陣（CSTAR）
由4臺口徑14.5釐米、配不同顏色濾光片的小望遠鏡組成，主要用於確認冰穹A的光學觀測條件和變星研究。
安裝在南極的中國小望遠鏡陣CSTAR。
第二代光學望遠鏡南極巡天望遠鏡（AST3）
計劃有3臺同樣的望遠鏡，在不同的顏色波段同時進行觀測，比CSTAR大很多，口徑為50釐米，是全功能的望遠鏡，可以指向天空任何方向並跟蹤，主要用於時域天文的研究，監測各種天體隨時間的變化，發現新的天體。
崑崙站天文場地的兩臺南極巡天望遠鏡AST3。
最近的崑崙視寧度望遠鏡（KL-DIMM），專門用來測量冰穹A的視寧度，配有一套完善的控制、觀測和資料處理系統，實時校正望遠鏡的指向和跟蹤，實現對亮星（老人星）的閉環導星、長期跟蹤觀測。
在光學波段，還有廣角90°的Gattini相機和180°全天相機—崑崙雲量和極光監測儀（KLCAM），也用於對光學觀測條件的測量和研究。
歷年來安裝執行的其它監測裝置還包括——
大氣監測裝置：
聲雷達（SNODAR）
研究近地面大氣逆溫層的崑崙多層自動氣象站（KLAWS）
太赫茲裝置：
高海拔南極太赫茲望遠鏡原型機（pre-HEAT）
傅立葉頻譜儀（FTS），專門用於測量大氣在這個波段的透過率
由於崑崙站目前還只是度夏站，冬季無人值守。因此，當科考隊員離開崑崙站後，所有裝置都必須在無人值守的情況下自動執行。為此，我們與澳大利亞科學家合作為崑崙站天文專案定製了一套能源和通訊系統——高原觀測站（PLATO），整合太陽能和傳統發電機，配備衛星通訊，可以保障現場裝置的越冬執行，並支援遠端對裝置的監測和控制。為應對冰穹A極端的環境，所有裝置都針對低溫和冰雪進行了特殊設計和防護。同時，有一套執行控制和資料系統，負責完成無人值守的觀測和實時資料處理等工作。
崑崙站天文場地的SNODAR，以及PLATO的發電艙和儀器艙。
歷年來，崑崙站天文場地的各種裝置也根據需求進行了維護更新。目前仍在現場的裝置包括KL-DIMM、KLAWS、KLCAM和一臺AST3望遠鏡。
崑崙站天文場地的KLAWS和兩臺冗餘的KL-DIMM望遠鏡及其塔架。
冰穹A的穩定大氣和優異視寧度
南極是地球上被汙染最少的大陸，空氣潔淨，塵埃極少，因此散射光也極小。冰穹A的大氣也非常穩定。利用KLAWS，我們發現冰穹A的大氣在大部分時間都存在非常強的逆溫現象，與通常上冷下熱的大氣不一樣。在這裡，越冷因而越重的空氣越接近雪面，而溫度較高的輕空氣則在上層，所以稱為逆溫。通常在城市或一般天文臺沒有逆溫，熱空氣上升、冷空氣下降，引起大氣對流併產生湍流，造成很差的視寧度。而在逆溫情況下，沒有大氣的垂直對流，因而大氣非常穩定，可以有非常好的視寧度。
冰穹A有70%的時間在雪面之上就存在逆溫。隨著高度增加，逆溫出現得就更頻繁，在6米的高度，有95%的時間都是逆溫的穩定大氣。此外，與湍流相關的還有大氣的分層。大氣湍流源於空氣與地表的能量交換或大氣運動時與地表凸起部分的相互作用。冰穹A的地表平坦，大氣結構簡單。我們可以把大氣及湍流分佈簡化為兩層：大氣湍流主要集中在近地表的大氣邊界層，而在邊界層之上的自由大氣非常穩定，湍流很小，有極好的視寧度。
在一般的天文臺址，邊界層厚度通常在幾百米甚至幾公里，而在冰穹A，SNODAR的測量表明，其邊界層厚度的中值只有近14米。因此，我們可以把望遠鏡建在高處，很容易避開邊界層的湍流，從而獲得自由大氣的優異視寧度。這是冰穹A最大的優勢之一。
天文觀測對成像質量要求極高，目前世界上最好的望遠鏡集中在夏威夷和智利北部優良的臺址上，視寧度一般在0.6-0.8角秒。最新的KL-DIMM的資料分析表明，冰穹A的自由大氣視寧度的中值只有0.31角秒，最佳值達到0.13角秒，並且在離地面8米的高度，就有31%的時間可以獲得自由大氣視寧度；在離地面14米的高度，有近一半的時間可以獲得自由大氣視寧度。相比較而言，同在南極的冰穹C（法國和義大利考察站），在30米的高度，才有一半的時間可以獲得自由大氣視寧度。因此，不僅在冰穹A可以更容易獲得自由大氣視寧度，而且也更易於未來的工程建設。
冰穹A有地面最佳天文觀測條件
經過10餘年的努力，我們對中國南極崑崙站所在的冰穹A地區的天文觀測條件已經有了長足的認識。在光學波段，不僅有極暗的天光和更高的晴夜率，而且還具有極佳的大氣視寧度。同時，它也是地面最乾燥的地區，在太赫茲波段有最佳的大氣透過率。
雖然在紅外波段，尚需要定量的實際測量資料，但極冷就意味著紅外天光背景極暗，基本可以推定有很好的紅外觀測條件。綜合多波段的結果，冰穹A地區的天文觀測條件優於已知的其它任何地面臺址，可以極大地提高觀測效率和觀測質量。這些不僅確認了崑崙站有珍貴的天文觀測臺址資源，也為我國進一步開展南極天文研究、未來的儀器設計和建造以及崑崙站的建設奠定了科學的基礎。
KLCAM拍攝的全天影象，地平線附近有極光。
作者簡介：商朝暉，國家天文臺南極天文與時域天文研究團組首席科學家、博士生導師，中國第35次南極科考崑崙站隊隊長。
文稿編輯：趙宇豪
來源： 光明網
