目视深空(DSO)系列小知识之光污染
本帖最后由 刀锋财团 于 2017-4-16 01:45 编辑系 列 序 言
最近在青山创建的天文目视群（烧得不轻欢迎加入QQ群207674539）里参加了一次延续一周的有关目视深空天体的深度讨论，从深空观测列表开始，聊到观测环境以及天体在人眼中的主观感受，各各方面都涉及到了。魏总说的好“真理越辩越明”，很多观测上的疑惑都提出来讨论，有些得到了相对合理科学的解答（纯粹在理论上进行探索，还需通过实践来检验）。促使我深入思考并打算发帖的是丁爷的一句话，他打算把这些天所有讨论的内容整编一下写个“有关深空天体目视可见性”的贴，来介绍原理和分享经验，于是我有了个想法，不如一起搞，把内容尽量完善严谨一些。 目视深空一直以来是天文观测中最具挑战的一项“极限运动”，不亚于体育运动里的十项全能，至少也是铁人三项（东北爱好者们在-25°的野外坚持通宵目视观测真是考验体力、耐力和意志力！）。一个月左右的时间我整理了一个清单发现目视这个古老的天文活动所涉及的内容非常丰富，围绕如何才能看到更亮更清晰的天体这一目标来讨论的话，我把星光从源头到人眼分成4段光程。
序号
名称研究的主要内容备 注
1星际空间星际消光及其他天文专业人员从事
2大气层内天文气象条件、常规气象条件、光污染大气物理范畴
3光学观测设备业余爱好者使用的各项器材光学精密仪器
4人 眼人的主观感受医学眼科及神经科
作为初级业余天文爱好者，我们的注意力大都集中在第3部分光学设备上，对第2和第4部分知之甚少。 天文入门将近一年多时间里，我关注第2部分内容投入时间相对最多，但也仅是零零散散地了解到部分，只能算管中窥豹吧。先找了张图作示意吧（见图A）。其中天文气象条件主要包括云量、垂直透明度AOD（气溶胶光学厚度）、视宁度seeing等。常规气象条件主要包括大气污染API/PM2.5、湿度、水平能见度、风速、温度、气压等。以上这些都归为自然因素，人为因素最主要的是城市光污染。 第4部分人眼作为身体上唯一的光学器官，很神奇，就像一台高灵敏度、快速聚焦、快速响应、三轴稳定的双头摄像机，至少目前人类还造不出在对焦能力上足以和人眼比肩的摄像机，更别说做到跟眼睛同等体积了。医学界中人脑对图像的识别理论还在不断的演进，对运动的识别还没完整解决。准确了解眼睛的极限能力能看到多大多暗多清晰的目标，对目视深空来说是一种极大的辅助。真诚期待有识之士对以上部分在中国环境恶劣的华东、华中、华南和华北地区做些深入研究并分享给天文爱好者，答疑解惑，为目视这一古老的“极限运动”在华夏大地上重获辉煌奠定坚实的基础。 图A大气层结构（红色曲线代表温度） 整理这个贴最初源于群友柳叶刀今年打算自驾回长沙老家，希望在途中找个光害小的地点停留一晚观星。很多同好其实都有这样的需求，但苦于对途径地的不熟悉很难精确了解到底去哪里观星合适，特别是在华东华中地区大城市光污染严重，本地爱好者要找个绝佳的观星点都不容易。于是花了点时间在青岛丁爷制作分享的我国光污染地图基础上，整理了这个贴。 本文内容第一部分：对华东地区主要大城市周边的光污染情况做了一个简要分析并附图。自北向南分别收录了济南、青岛、南京、合肥、上海、杭州、南昌、福州、厦门9个城市，以及华中地区的武汉和长沙，以备各地同好查阅，或在长途旅行中就近寻觅合适的观星地点。第二部分：介绍夜天光的组成。第三部分：整理了我对夜天光、霾和雾的一些思考。
第一部分大城市周边光污染分布 全国光污染地图由青岛丁爷于2016年末制作整理，可使用谷歌地球加载查阅。 （见链接http://www.astronomy.com.cn/bbs/thread-410228-1-1.html由丁爷分享的2016版中国光害地图）。 先来看看光污染地图是如何制作出来的吧。 最新版中国光害地图是根据 Fabio Falchi 领导的研究团队 2016 年发布的“最新版人工夜晚天光世界地图”制作。Falchi 是光污染研究领域世界范围内最权威的专家之一，他于 2001 年底就领导研究团队发布了世界上第一张“人工夜晚天光世界地图”，十几年来一直从事光污染研究，甚至创立了专门的光污染科学与技术研究所（ISTIL）。这张地图根据的是 VIIRS Day Night Band 数据，依照 Falchi 团队 2012 年发表的光害在大气中的传播模型，并通过 SQM 实测数据进行了校准。光害地图的局限性也比较明显，特别是在中国，房地产大跃进，新光源不断涌现，相比较而言这是目前能搜寻到的最接近实际的光害地图了，毕竟，“人工夜晚天光世界地图”是一个大团队研究了多年积累的成果。——丁爷一、城市周边光污染地图 华东六省一市一地区（台湾地区至少包括金门吧）经济发达，天文爱好者众多，但好环境实在难寻啊，上海国际大都市光污染严重，江苏一马平川小城镇星罗棋布光污染无处不在，山东半岛陆地上居然找不到一片光害深蓝区，江西、安徽、福建光害小的山区交通大都不便捷。长三角地区也就杭州还算占了点地理上的优势，西面浙皖交界处有高山光害还行，交通便利，当地空气污染也比较轻微。下面以杭州为例，对这一年来收集的和自己考察过的观星点做个对比分析。其余各大城市仅制作了光害分布图含收集到的部分目视观星点（由上海采石、青岛丁爷、厦门Log、南京龍兄、无锡初六、福州狼兄、合肥探栓怪、南昌追梦、长沙曾老师、武汉八戒、友情提供），第一版当地观星点和远程台有遗漏的部分，希望同好们有机会可以跟帖补充完善。二、杭州市 以杭州市钱江新城为中心，按半径15、30、50、75、100、150、200、250公里画出距离示意环，最内侧粗环代表光污染严重的主城区，75km粗环示意1-1.5小时交通圈的边线。各观星点按准确地理位置及大致高程在图中标示，所在光害地图等级分成11级，从亮到暗用A-K排序，光污染最严重的在杭州主城区白色粉色（A）直径大约30km范围对应波特尔8、9级，浙江省内最黑的环境也就白灰色（I）对应波特尔1级，两地最短直线距离230km左右（另一块白灰区在庆元，图中未含），夜天光亮度相差45倍。（详见图和表）。箭头所指方向为光污染沿程缩减最快的方向，或者指向光污染最小的方向。 纵剖面横轴代表据杭州市中心的直线距离，纵轴代表海拔高度，市区上空的点为城市空气污染引起的大气气溶胶（或称悬浮颗粒物）浓度垂直分布示意，1600m左右为大气边界层顶（秋冬季节，夏季在3000m左右），低云底高程在2000m左右（积雨云和山谷里云雾会更低点），连接各观星点的虚线仅示意地形的变化。 目前根据杭州周边的公路情况，自驾单程时间在1-2h左右，对照杭州的光害地图大致在光害黄绿色——蓝色（D-G级）的区域，已属不错。要去更黑的深蓝区（H）、白灰区（I级）的山顶至少需要2.5h或3h+。三、华东华中其它大城市光污染及目视观星点分布图 从表1、2并对照各大城市光污染地图整理分析可知： 1、假如平原地区大城市周围没有小城镇且无高山阻碍光的传播，则光污染主要影响范围在城市边缘以外55-70公里左右（针对天顶）。 2、70公里以上才会进入比较理想的弱光害区（白灰色以上）。100公里以上才会基本无影响（天顶附近）。 3、小城镇的光污染即使弱也会与大城市的叠加在一起，起局部加强光污染的作用。
第二部分夜天光的构成
当眼睛适应了暗环境的时候我们总能发现周围环境被照亮了，这个源自天空的光俗称为夜天光，夜天光背景亮度特指除去可分辨天体外的天空背景亮度。通常夜天光亮度主要取决于大气本身的辐射、散射和人造光源污染，是决定光学天文观测所能达到极限星等的重要指标之一。根据《兴隆观测基地的观测条件和夜天光研究》一文，夜天光的光谱及组成见图B和表3多说一句：滤镜可以过滤天空背景亮度中的主要谱线来降低视场背景亮度人造光源污染影响夜天光明暗的原理图
第三部分夜天光的一些思考
在杭州市天文学会群里，每次新人加入后除了问购买设备的问题外，都会有“某某山头观星怎么样？有没距离近又好的观星点？”这样的提问。得到的回答一般是“某某山头有光害，北面太亮，南面还好。某某山头虽然海拔高，但经常起雾。某某地方环境不错但距离很远。”大都是比较主观的描述客观环境差异。很难从客观定量角度给出天文观测环境优劣的细微差别。要准确全面描述一个观星点的环境好坏目前还是件很困难的事，涉及的因素实在太多。我认为夜天光明暗程度是一个可以量化的主要影响因素之一，相对稳定短期变化幅度不大，可以作为判别观测环境好坏的基础条件（当然其他观测条件也同样重要如视宁度、AOD等）。 对目视DSO来说，市区附近能看到的虽然不少，但想看得更多更富有细节还是需要更好的环境和口径的支持。一个好的观星环境包含了很多要素，为了避免内容散乱本篇仅讨论夜天光亮度或者背景亮度在某个单一因素影响下的变化，下文中假设其他条件一致并遵循常理或从静态角度考虑。一、天文目视入门时的疑惑 下面列举一下我曾疑惑过的一些问题及凭直觉的第一反应，有些仍在寻找相关答案。 A 大城市周边VS专业天文台址哪里更暗？台址处也会有近距离光污染，找找有没比它更好的地方 B 山顶VS山脚 哪个位置更黑？夜天光亮度相同，山顶的星光更亮 C 高仰角VS低仰角 哪个更暗？高仰角相对暗些 D 山顶有近距离光污染还去不去观星？不去，宁可找个周围看不见灯光的地方 E 近郊高海拔VS远郊低海拔（抵达观测点耗时接近时）去哪里更好？很犹豫，感觉跑远点好 F 有没可能在城市周边光污染严重区域内找到局部天区光害低的近距离观测点？期望有可能 为了能自己解答这些问题，我购买了2台天光测量仪SQM-L（10°）也找到了这方面的同好丁爷，目前我俩人手一台分别有机会测测杭州和青岛周边的环境光害情况了。下面对这些困扰了我一年多的疑惑逐个分析一下，不足之处敬请谅解。 1、大城市周边VS专业天文台址 南京紫台在城市中心区光害等级粉色区（A级），紫台盱眙观测站在郊外浅蓝色区（F级），上海天文台安吉天荒坪观测站在绿色区（E级），北京兴隆台在绿-浅蓝交界区（E-F区）。兴隆台夜天光冬季暗夏季亮，实测全年平均值20.7等（i星等红外光），可能受大气污染和城市光污染共同影响，20.7等的夜天光看来并不难超越。事实的确如此，我在桐庐富阳的郊区山顶（黄绿-绿色区）2016年测到过不少夜天光值大于20.8等（V星等，值越大越暗）的数据，丁爷在青岛周边也测到超过20.8等的数据（当然由于有星光的影响，仪器还会低估夜天光背景的暗度，实际背景亮度值应该比测量值暗0.1-0.3等）。 2、同一光害等级区域海拔高程不同，夜天光的变化趋势 由于海拔高程升高，能避开贴近地表的300~700米悬浮颗粒物浓度大（散射光更多）的气层，因此理论上高海拔天顶方向的光污染比低海拔要少，夜天光亮度会更暗些。根据杭州临安大明山牵牛岗从海拔436m至1470m的测光实践来看，1000米的高差夜天光亮度降低幅度很小，几乎可以忽略不计，才0.1等左右，当然有可能那天空气比较干净。（链接http://www.astronomy.com.cn/bbs/thread-412816-1-1.html） 3、离城市不同距离的高山对光污染传播的影响图C高山对光污染传播距离的阻隔分析 从图C中不难发现：山体能阻隔城市中心直射或通过地面反射出来的光，观测点与城市之间有山体遮挡比没山体遮挡的光污染弱些，同等高度近郊山体比远郊山体能削减更多的城市光污染。（1000、2000米的山只是用来示意阻挡光污染，11个城市周边没有这样近距离高山的条件） 4、面向城市光污染和背对光污染方向夜天光明暗的区别。 从图C中位于25公里处的观测点在3个方向的夜天光比较来看，面向城市方向夜天光最亮，天顶其次，背对城市方向相对暗些。从这一点来看，未必高仰角暗于低仰角，从观测点（城市近郊）的实测数据来看也发现这个规律，往往夜天光最暗的区域并不是天顶，而是在背对光污染方向天顶距5~15°的位置，详见永安山顶的夜天光测光图（链接http://www.astronomy.com.cn/bbs/thread-410167-1-1.html）。城市远郊进入绿色---蓝色光害区时，各方向地平线低仰角处的光害直接由此方向的城市规模和距离决定，仰角45°以上各方向的差别就不太明显了，天顶处基本上是夜天光最暗的区域。 5、夜天光随时间的推移变化趋势 由于入夜后城市居民屋内照明以及建筑物照明需要，夜天光在19∶00~23∶00的亮度要大于23∶00~5∶00。乡村在21∶00以后就会进入相对稳定的黑暗状态，因此定性判断在无云无月夜夜天光亮度从亮逐渐变暗，22点以后趋于稳定。季节变化可能与兴隆台一致，夜天光冬季暗夏季亮（和气象条件及大气污染密切相关）。 6、近距离光污染的影响 观测点附近的路灯或屋内照明及场地灯光与城市光污染虽然不在一个量级上，但对夜天光的影响仍然很大，从牵牛岗雷达站海拔1470m山顶（光害深蓝区）测光结果来看，水平方向西面20.21等、东面20.04等，西面1km处海拔1200m滑雪场的光害只比东面120公里外杭州富阳光害暗了0.17等，45°仰角时差距才拉开，西面比东面暗0.5等。 从实际观测来看只要不面对光源观测，尽量避开直射光线（使瞳孔尽可能张大），夜天光略微增亮目视条件还是理想的，当然能避开灯光更好更有利于暗视力的发挥。（2017年1月22日在牵牛岗雷达站，用100ed大双在仰角50°附近观测到，表面亮度24等、视星等10左右的2个星系NGC4565、4244，3月3日凌晨观测到了马卡良星系链中的6个目标，其中最暗最小的一个是NGC4479。） 7、综合以上的结论来看近郊高海拔VS远郊低海拔（抵达观测点耗时接近时）去哪里更好？这个问题我认为首先看两地的夜天光等别，暗的区域相对会好些，如果差距仅在一个等级或在同一色区范围内那还是选高海拔观测点更优吧，最终还是要通过实测数据来对比更精确些。二、霾和雾的影响探讨 华东、华中、华南、华北地区一年中多个季节受霾天气的影响，大气透明度降低，对天文观测的影响巨大，霾最主要是对天体辐射的消光作用使得深空目标变暗淡难以目视观测，通俗的讲就是看不到星（从大气AOD的分布图中不难看到华东华南和华中其实比北京好不了多少）。我们生活的环境短时间内无法改变，条件再恶劣也要开展观测活动啊。下面试着简单分析下霾和雾对夜天光的影响。 霾——是大量细微的气溶胶粒子均匀浮游在空中，使大气水平能见度小于10km的一种大气污染现象，按湿度高低分干霾（80%以下）和湿霾（80%以上）。大气对流层底部除了大气分子外，悬浮的固体与液体细颗粒物统称为气溶胶粒子，粒径以2.5微米为界分细粒子（PM2.5对应的细颗粒物）与粗粒子。粗粒子由于重力因素会自然沉降，在空气中停留时间不长，细粒子随空气流动能长时间悬浮于大气中。 雾——是在水汽充足大气稳定的情况下，相对湿度达到100%时，水汽凝结成细微的水滴悬浮于空中使水平能见度下降的天气现象。冬天和春天山区比较常见，白天看雾是白色的，峡谷里或水面附近的低空也会形成白色的层状气团称为水汽。夜晚随着山区夜晚温度逐渐下降，低海拔空气先于高海拔空气达到湿度饱和，雾从低处向高处逐渐蔓延，到凌晨日出前后温度最低时达到最高位置，隔着雾看天会朦朦胧胧的就象透过一块毛玻璃来看。 大气分子、气溶胶粒子和雾滴都能通过散射传递光污染。从微观角度来看，散射主要分以下两类。 霾和雾微观的实质都是细小的颗粒物（固体或液体），对夜天光的影响是类同的，区别是颗粒物直径大小不同而已。霾颗粒的组成即气溶胶的成份有硫酸盐气溶胶、黑碳气溶胶、沙尘气溶、胶海盐气溶胶、有机碳气溶胶，自然条件下气溶胶是由干气溶胶颗粒与水结合而成的。气溶胶（俗称霾颗粒）有亲水增长的特点，特别是城市污染型气溶胶（主要为硫酸盐、硝酸盐气溶胶）颗粒亲水能力强，在90%湿度下粒径增长迅速，使散射系数提高5倍之大（霾造成的水平能见度降低比雾还厉害的主要原因）。 因此夜晚城市中心上空的夜天光背景亮度高，主要由地面漫反射光和直射光经气溶胶散射所造成的（大气分子散射微不足道了），大气污染越严重夜天光越亮，反之空气清洁天看起来通透，夜天光也会变暗。 而远郊或山区的夜天光增亮主要由城市的光污染造成。随距离的增加，城市光污染强度逐渐减弱（见表1表2）；随城市空气污染的程度不同，光污染强度也会变化（示意见下图）。由此可见天气条件的变化也会引起城市周边夜天光明暗的变化。 三、近距离合适的观星点到底有没有？ 最后讨论一下有没可能在城市周边高光污染区域内找到局部天区光害低1-2个等级的近距离观测点呢？我很期待能在近郊1小时交通圈内找到这样的观测点，面临的问题是依据什么思路来找，如何描述这个点的观测环境条件。目前只考虑到一定是选在近郊山峰的背光侧，且观测方向上几十公里内光污染源尽量少，避开河流及水库，还需经过多次测光整理分析数据，才能确定各个季节不同观测方向的最佳点。我认为近距离合适的观星点可以在城市近郊光害黄绿区或绿区里寻找，可作为天文刚入门的爱好者活动的基地。 四、其他 看了许多论坛的帖子和有关文章，目前我对DSO目视观测的总体认知还只停留在表面，总而言之：“夜天光背景亮度的明暗制约了目视观测的广度（DSO数量）；天文气象条件（AOD、Seeing等）影响目视观测的深度（DSO细节）。” 因此想看到更多更清晰的DSO，除了增大口径，另一条路就是去光污染更小、大气更清洁更稳定的环境。在此引出大气物理条件对深空目视观测不可忽视的影响，希望有识之士共同讨论以惠同好。至于深空DSO目标可见性深入探讨敬请期待青岛丁爷的高见。
此外预告下一篇内容：介绍人眼的视觉特性和暗视力的特点，发帖晚几个月吧。 最后感谢各路同好对本文提供的友情支持和修改建议！本文已制作成PDF文件，请加杭州市天文学会群（1096423）共享文件里可下载。 杭州——刀锋 2017年情人节初稿、清明后定稿 长篇大论能看完的真心感谢观赏{:5_281:} 真牛掰 相当专业啊！ 再次拜读，受益匪浅。 本帖最后由 牧夫最后一个大佬 于 2017-4-14 14:18 编辑
你的这些数据，可以帮助我们选择观测点。看来我们南京的应该选择一处比盱眙更好的观测点了。 收藏了~ 收藏了 有空慢慢看 好。有没有华南和东北的资料？
BKSo 发表于 2017-4-14 15:35
好。有没有华南和东北的资料？
华南，华北，东北的爱好者不少，如果一个城市周边能提供5-6个不同层次的固定观星点，那就做一张出来，以后慢慢补充。单是光害图太单薄了点。
好文收藏了！
我在华南粤东潮州市，市里北面就是潮汕最高峰，离潮州市中心直线距离22公里，除了南边低空有来自潮州市区轻微光害影响之外，其它方向观测环境很好。 很详细 确实深度好文，文理数据翔实。还需要更多各地爱好者一起完善这些数据啊 技术文，牛掰 收藏学习 很详细的资料！不过天荒坪应该是在光污染绿区而不是蓝区吧。 分析的十分详细透彻，浙江前几年我也去过几个点，比如龙王山，清凉峰植物园，黄茅尖，浙西天池。 好棒！收藏学习。 卢乐为 发表于 2017-4-15 08:14
很详细的资料！不过天荒坪应该是在光污染绿区而不是蓝区吧。
是哦谢谢您，费心找到了个错误：)。 好文！拜读学习了！建议加精^_^ 甚好 拜读刀锋兄的文章