城市光污染对天文望远镜产生强烈影响
郭守敬望远镜
2.16米光学望远镜
从20世纪初开始，国家天文台兴隆观测基地周围城市灯光的亮度迅速增加，缓慢但却持续地蚕食着基地内望远镜的观测能力。随着这种蚕食的加剧，不仅是兴隆基地的科研目标，连它的存在都受到威胁。事实上，兴隆观测基地所面临的困境并非个案。城市光污染对天文观测设备产生的强烈影响，已成为全球性话题。
相比城市的灯火辉煌，中科院国家天文台兴隆望远镜基地显得格外清静。当夜幕降临，基地院子内见不到一丝灯光，让人真正体会到什么叫“伸手不见五指”。
基地内所有建筑物的窗户都经过了特殊处理。窗户装上了不透光的窗帘，办公楼内的一些窗户还装了薄膜板。因此，即使房间内灯火通明，站在外面也看不见一丝光线。
站内的工作人员夜间行走时几乎都不打手电。“我们都习惯看着星星走路，没有星星时，也有人会掉到沟里去。”赵永恒笑着说。作为中科院国家天文台研究员、郭守敬望远镜（LAMOST）运行和发展中心常务副主任、兴隆观测站首席科学家，他给了初来乍到的记者一个很小的手电筒，但他交代，千万不要将手电对着天。
这些做法只有一个目的，就是保护观测站的天光背景，使观测基地的望远镜能有更好的观测条件。
“如果今天晚上的云散开，郭守敬望远镜就可以正常观测。”赵永恒喃喃自语。对于普通人来讲，10月18日阳光明媚，是个好天气。但天文观测对天气条件的要求更加苛刻。最终，天公作美，到次日临晨1点多，薄云终于散去，兴隆观测基地的望远镜纷纷开启，开始当晚的观测任务。
“观测时间越长，我们获取的数据就会越多，时间对我们来说很珍贵。”赵永恒说。不过，令他担忧的是，周边的城市灯光越来越亮，已经直接影响到站内观测设备的观测效果。
“兴隆县城的天光亮度甚至超过了北京，我们必须及早采取措施。”赵永恒对《中国科学报》记者表示。
被蚕食的暗夜
“之所以反对在兴隆站山脚下建科普城，主要是担心建设科普城会加大夜天光的亮度，增加光污染。”
LAMOST是大天区面积多目标光纤光谱天文望远镜的简称，于2009年正式通过国家验收。经过一年多的调试后，于2010年10月开始先导巡天，今年9月正式巡天。
LAMOST最突出的特点是大口径（4米）兼大视场（5度），以及由4000根光纤组成的超大规模的光谱观测系统，这些使之成为世界上光谱获取率最高的望远镜。其建成由此引起国际天文学界的关注，也为兴隆观测基地增色不少。
在中科院国家天文台研究员、兴隆观测基地总工姜晓军看来，“兴隆观测基地是目前亚洲最大的光学天文观测基地”。
兴隆观测基地位于燕山腹地的河北承德，隶属国家天文台光学天文重点实验室，是国家天文台恒星与星系光学天文观测基地。
兴隆观测基地所在地海拔约900米。目前，除LAMOST外，观测基地还有2.16米光学望远镜、1.26米红外望远镜、1米光学望远镜、60/90厘米施密特望远镜等9台口径大于50厘米的望远镜在服役。
姜晓军介绍，兴隆观测基地每年约有240到260天光谱观测夜，其中包括100到120天测光观测夜。大气透明度和视宁度均较好。
“像LAMOST，由于口径达到4米，可实现对5度视场中天体的观测，可以观测非常弱的暗弱天体的光谱。不过达到这一效果的前提条件是，观测基地周围的空气清洁，没有粉尘和沙尘，视宁度要好，而且天光背景也要足够暗。”赵永恒介绍说。
从20世纪初开始，观测基地周围的城市灯光的亮度迅速增加，缓慢但却持续地蚕食着基地内望远镜的观测能力。随着这种蚕食的加剧，不仅是兴隆站的科研目标，连它的存在都受到威胁。
2010年，承德市政府曾表示，要利用国家天文台兴隆观测基地已被确立为国家科普基地的契机，投资5.48亿元建设全国最大的国家天文科普城。消息一出，立即引起轩然大波。一些天文学家对此议表示强烈反对。
“之所以反对在兴隆站山脚下建科普城，主要是担心建设科普城会加大夜天光的亮度，增加光污染。”赵永恒说。
10月18日晚11点，记者随着赵永恒来到基地内2.16米望远镜的西侧。基地内漆黑一片，能够很清楚地看到望远镜上方天空中的繁星。
“四周城市的灯光太亮了，背景越亮，能看见的天上的星星就越少。”赵永恒说。环视四周确实可以发现，与东面的天空相比，西面的天空中肉眼能看见的星星非常少。城市的灯光已明显使这一方向的低空变得很亮。
在兴隆观测基地的四周，东边是一片山区，鲜有人烟，其他几个方向则被城市所包围。“最亮的是北京，其次是天津、唐山这些城市。”赵永恒说，“兴隆县县城距离兴隆观测基地直线距离只有5公里左右，所以它的城市灯光对夜天光的影响已超过了北京。”
观测基地的夜天光被城市灯光一点点蚕食，正是中国城市建设加快推进而带来的一个意外的影响。近年来，河北省提出“三年大变样”的举措，开始推行亮化工程，省内各县市的城市灯光亮度迅速增加，兴隆县城也不例外。
而城市灯光产生的光污染，已严重影响到望远镜的观测效果。暗黑的天空背景逐渐变亮，对光学天文观测极为不利，它使得暗弱天体的观测变得更加困难。同时光污染也增加了特定的光谱发射，使天体光谱的观测变得困难，造成数据质量下降。
“天空背景变亮，相当于望远镜的观测能力变小，能观测的暗星就会少很多，大望远镜相当于变成了小望远镜。”赵永恒告诉记者，虽然目前兴隆观测基地周边的天空背景亮度还不足以使其天文观测设备失效，但如果让城市灯光不加以限制地发展下去，观测站的望远镜设备将岌岌可危。
此外，除了天光背景，大气污染、粉尘、震动、噪声等也会对望远镜的观测效果产生影响。
法律缺失下的保护
“一旦建立保护区，就带有强制性，兴隆县是一个贫困县，地方政府有发展地方经济的强烈需求，我们能够理解他们的苦衷。”
从去年10月开始先导巡天到今年上半年，LAMOST已获得60万条光谱，有20多个科研课题据此展开研究。这些成果让科学家们感到欣慰。不过，与之相伴的却是，兴隆站夜天光的保护工作推进得并不顺利，让人喜忧参半。
几乎从LAMOST开工建设起，科学家就开始了艰难的夜天光保护之路。当时，观测站就对周边的天光背景、大气透明度、气溶胶、尘埃、大气成分等开展了实时性、系统性的监测。
他们还试图通过立法的方式对兴隆站进行保护。“2010年以前，中科院与河北省政府有关部门协商，希望能推动制定光污染或者城市户外灯光控制方面的法律法规，因为立法是最佳的保护方式。”姜晓军说。
这一要求得到河北省政府的重视。他们派专人前往兴隆县调研，但最终认为制定相关法律、法规的时机暂不成熟。
2010年年初，国家天文台又与国家环保部取得联系，双方共同草拟了《天文光学观测环境保护管理规定（草案）》。国家天文台希望通过建立保护区、敏感区或防治区的方式对夜天光进行保护，但最终该规定还是没有能够落实。
例如，规定中提出，在从事专业天文光学观测的望远镜所在地区划出一定空间予以特殊保护。以望远镜为中心，一级区域半径5公里以内，二级区域半径在5公里到20公里之间。在这些区域内，必须使用符合天文光学观测要求的照明。禁止任何朝天灯，必须安装合适的灯罩。此外，工业照明、商业照明与广告照明必须有合适的限光装置，建筑立面照明必须方向朝下；除了紧急用途或收集气象资料，禁止激光、探照灯和高强度的照明。
“一旦建立保护区，就带有强制性，兴隆县是一个贫困县，地方政府有发展地方经济的强烈需求，我们能够理解他们的苦衷。”姜晓军说。
建立保护区的事情虽然被搁置，不过，夜天光保护之路并未就此中断。
此后，国家天文台又与兴隆县政府协商，能否通过对现有城市灯光进行技术改造的方式来保护兴隆观测基地的夜天光。
“事实上，城市灯光中至少有30%的光能并没有很好地利用，白白地照向天空。如果对现有的城市户外灯进行一定的技术改造，能使城市天光的亮度比现在降低1/3。”赵永恒说。
2011年，国家天文台委托哈尔滨工业大学光电子技术研究所作了一份《城市灯光污染可研性报告》，主要针对兴隆县的户外灯改造提出技术方案，并核算了相关的经费。
解决方案并不复杂：不是不要照明，而是要良好的照明。良好的照明是完全按照需要设计的照明，并且不能损害到其他人。从目前来看，对现有的城市灯光进行相应的技术改造似乎是最切实可行的方式。
兴隆观测基地站长助理刘晓明告诉《中国科学报》记者，根据核算，兴隆县城的灯光改造大约需要500多万元。“我们已将方案提交给兴隆县政府，他们原则上同意这一改造方案。”
不过，这笔可观的改造费用让兴隆县政府十分为难。
“现在我们也在想其他办法筹措经费。”刘晓明说。
夜天光的保护之路走得虽然并不顺利，但多年下来也取得了一定的成效。“地方政府现在有新的规划项目或者新建项目，都会事先跟我们协商，以尽量减小对天文观测的影响。”姜晓军介绍说。
另辟蹊径
“天文观测设备对天文学的发展至关重要，每台天文观测设备都花费了巨资，我们都希望它们能有很好的科学产出，而不是成为一个摆设。”
观测站内，夜晚才是最繁忙的时候。为了保证望远镜的正常工作，每天晚上都会有包括技术人员、观测人员等在内的几十个人值夜班。他们一般是夜幕降临时开始工作。在天气很好的夜晚，望远镜会在夜幕降临之后打开，直到次日凌晨五六点天亮才关闭。
倘若遇到夜晚天气不好，所有值班人员也必须在夜幕降临时准时到岗，并随时关注卫星云图。采访当晚，负责天文值班的王建岭告诉记者，观测站有规定，即使天气不好，所有值班人员也要等到凌晨3点才能散去。
“观测数据非常珍贵，我们只是希望尽可能多地获取观测数据，提供给天文学家使用。”王建岭说，这正是所有天文观测设备的共同目标。
事实上，兴隆观测基地所面临的困境并非个案。城市光污染对天文观测设备产生的强烈影响，已成为全球性话题。在前不久举行的第28届国际天文学联合会大会上，就专门设有探讨如何减少现代城市光污染对天文观测设备产生影响的分论坛。
在此次论坛上，赵永恒专门就兴隆观测基地的夜天光保护情况作了学术报告。“天文观测设备对天文学的发展至关重要，每台天文观测设备都花费了巨资，我们都希望它们能有很好的科学产出，而不是成为一个摆设。”赵永恒说。
据悉，目前，除了兴隆观测基地，中科院所属的其他光学天文观测台站也都不同程度地遭到光污染或大气污染的影响。为此，天文学家已经考虑在几乎没有人烟的地方进行新的天文台的选址工作。赵永恒就告诉记者，我国已启动天文台西部选址的工作，而受世界瞩目的南极天文台的建设也已被提上日程。
此外，发展空间天文也成为近年来天文学发展的重要方向之一。“近30多年来，空间天文设备的花费大约是地面天文设备的10倍左右。”姜晓军说。不过，他认为，地面光学观测仍是目前的主要手段，保护好现有的天文观测设施，降低城市光污染、粉尘污染等产生的影响，依然是关系到天文学发展的重要问题。
中国科学报 张巧玲
