气候变化威胁下的天文观测

 

为了追求最佳观测条件，天文学家长期以来一直将他们的天文台建立在偏远的山顶上。这样的站址不仅能规避光污染，同时也提供了稀薄、稳定、干燥的大气环境，是凝望宇宙奇观的理想之地。

然而，即便是这样纯净的环境，现在也开始面临挑战。尽管光污染与人造卫星群通常是天文学家的面临的首要困扰，但是随着温室气体在地球大气中的不断积累，另一个隐蔽的威胁也逐渐逼近。气候的变化会从多个方面削弱我们对宇宙的观测能力。野火肆虐，天气模式紊乱，以及飓风、热浪等极端天气事件日益频繁，无论是专业天文台还是业余观测设施，都正在面临着前所未有的安全威胁。

这些变化也带来了更微妙的挑战。有时，这些挑战是间接的，例如道路、电网和通信线路受到破坏，从而影响天文台的运行和维护。其他变化则是递进的：大气条件的变化会导致风力和湿度增大，继而迫使天文台穹顶关闭。大气变暖还会加剧地面和高空的大气湍流，进一步降低天文图像的质量。根据其独特的大气条件而精心择定的天文台选址可能会随着气候模式的变化而失去其适用性——这将危及正在建造的下一代仪器的未来。

虽然特定天气事件与气候变化之间的因果关系充满了不确定性，但越来越多的证据表明，全球平均气温的升高与观察到的极端天气模式的上升趋势之间存在明显的相关性。这些现象在不断变暖的气候中应该会越来越常见。技术进步或许能缓解一些它们造成的影响，但最终仍可能力不从心，因为这些干扰很可能会超出我们现有的应对能力。

气候变化对天文学的全面影响仍然不确定。一些科学家正率先行动，试图解答最紧迫的问题。他们的研究已经带来了惊人的洞见，揭示了气候变化模式的变化将如何影响观测站，为天文学家如何适应这个变化中的世界奠定了基础。

 

 

无论业余还是专业，天文学家们首先应该担心的是，大自然的突然袭击是否会摧毁他们的天文台或中意的观星地点。暴风雨、野火和洪水的侵袭越发频繁，对人员和设施造成的危害也越发严重。

 

 

极端天气已经毁坏了许多天文台。波多黎各的阿雷西博天文台就是一个典型的例子，它屡次遭受风暴和飓风的袭击。根据最近的一份报告得出的结论，2017年飓风“玛丽亚”造成的破坏加剧了当时未被留意的无线电天线上悬挂仪器平台的电缆问题。由于问题未能得到及时解决，电缆插座发生故障，平台坍塌，天线也被摧毁。

强风也会损坏天文台。天文望远镜的设计有严格的要求，以抵御其所在地通常会出现的极端天气，但在气候不断变化的情况下，这些要求可能在天文台的寿命期内就会过时。

例如，规划人员设计了未来西班牙拉帕尔马岛上切伦科夫望远镜阵天文台的大型望远镜（Large-Sized Telescope，LST）原型，以抵御时速高达200千米/小时（120mph）的狂风。该望远镜在2020年通过了压力测试，当时时速170千米/小时的暴风只刮掉了几块镜板。

然而，近年来在拉帕尔马以南的非洲海岸附近形成的热带气旋发生了变化：越来越多的风暴偏离了通常的西行路径，向北漂移。2022年，热带风暴“赫米恩”以前所未有的路径向北移动，来到距拉帕尔马300千米的范围内，给该岛带来了大雨和大风。虽然当时的风速远低于LST的设计极限，但如果北向风暴成为常态，LST可能会在其30年的使用寿命中遭遇超出预期的强风。

野火带来了另一个严重威胁。例如，在美国，21世纪初的火灾数量是前20年的3倍。2020年，由于极端干旱，仅加利福尼亚州就发生了8000多起火灾。这一年，汉密尔顿山上的利克天文台险些被毁，大火的侵袭要求工作人员和附近居民撤离。在亚利桑那州，2017年，消防员挽救了格雷厄姆山上的望远镜，使其免遭毁坏；但2022年基特峰上的孔特雷拉斯大火则夷平了几座辅助建筑。

 

 

全球范围内，极端野火事件的数量在2003年至2023年间增加了超过一倍。天文台在这一时期始终面临着威胁。例如，2003年澳大利亚极端的森林火灾彻底摧毁了位于堪培拉附近的斯特朗洛山天文台，所有研究望远镜尽毁。在2023年，40年来最严重的火灾袭击了位于特内里费岛泰德峰山坡上的天文台，消防员不得不在望远镜穹顶下与大火展开殊死搏斗。

即使在大火被扑灭之后，野火仍然会长期干扰天文观测。穹顶需要保持关闭，以防止灰烬吹进内部损坏仪器。烟雾和雾霾会在数周内大大降低夜间天空的清晰度。最大规模的野火足以将烟雾散布到平流层，烟雾可以借此传播很远的距离并持续留存很长时间。2023年6月就发生了这种情况，加拿大火灾产生的烟雾飘到了纽约。

烈火频发的背后存在两个主要原因。其一是气候变化。火灾季节的延长，使得干旱时间越来越长，气温也屡破纪录。这意味着有更多的日子里气象和气候因素有利于野火的发生。同时，温度升高带来了更多不稳定因素，大气也在发生变化。不稳定的大气层就像一个烟囱，使热的烟雾空气更容易上升，并从周围吸入富含氧气的新鲜空气，助长火焰。除此之外，不稳定的大气层还会形成更多的风暴，从而产生闪电。最近的一项研究表明，到本世纪末，雷击次数可能会增加40%，从而引发更多的野火事件。

第二个原因，则是近几十年来社会管理火灾的方式。火灾是森林自然循环的一部分，会清除灌木丛和老树。有时，人们把重点放在扑灭所有火灾上；有时，由于疏忽或玩忽职守，植被得不到控制。这两种做法都会使森林中充满易燃物，从而更容易引发大规模的破坏性火灾——无论火源是自然产生的还是人为的。

“令人担忧的不是为什么起火，而是为什么它无法阻止”，加州大学戴维斯分校从事野火、土地景观和气候之间相互作用研究的安德烈娅·杜安（Andrea Duane）说，“火灾一直都存在，但我们发现最先进的灭火方法仍不足以控制这些火灾。”杜安说，每个地区的解决方案都不尽相同，但就目前而言，调整管理方法以适应新的现实似乎是最好的策略。

业余天文爱好者常分散在偏远的林区进行观测，其面临的野火威胁甚至超过专业天文台。《天空与望远镜》杂志特约编辑、加拿大不列颠哥伦比亚省南部业余天文学家肯·休伊特-怀特指出：“近年来森林大火频发，天文台屡受威胁，业余观星聚会更是常被浓烟笼罩或被迫取消。”

 

 

休伊特-怀特是不列颠哥伦比亚省科宝山星空派对的常客，他目睹了本世纪以来野火数量的增加。烟雾和火灾风险已成为越来越常见的威胁。在过去的五年中，由于火灾风险威胁到了场地或通路，科宝山派对已经取消或推迟了三次。其他活动也遭遇过类似的情况，如俄勒冈星空派对。

休伊特-怀特回忆着2015年的一次惨痛经历。当时，一场野火在科宝山附近爆发，并在傍晚时分冲上山坡。大约80名与会者不得不匆忙收拾好光学设备和露营装备，沿着崎岖蜿蜒的碎石路逃离。他说：“所有人都逃出来了，但那场面太吓人了。”

 

 

气候变化还巧妙地剥夺了我们最清晰的宇宙视野。天文观测依赖于特定的大气条件——最少的光污染、低湿度和稳定的大气——而气候变化可能会以复杂的方式改变这些条件。专业望远镜首先感受到了这种变化。

天文台囤积了数十年的详细气象数据，这些数据是在日常运作和场地调查中例行收集的。目前，这些数据中的大部分在很大程度上仍未被用于研究气候趋势。

2020年，法国格勒诺布尔行星科学和天体物理研究所的系外行星研究人员福斯廷·坎塔卢比（Faustine Cantalloube）和朱利安·米利（Julien Milli）首次利用了这一资源。当时，这两位天文学家正在位于智利阿塔卡马沙漠帕拉纳尔天文台的欧洲南方天文台甚大望远镜（VLT）工作。要探测到遥远系外行星的微弱信号，他们需要非常清晰的图像。

然而，他们注意到，在某些大气条件下，甚大望远镜图像的清晰度会受到影响。这促使他们通过分析天文台的气象数据，调查气候对自己工作的潜在影响。

但首先，他们必须攻坚克难，处理这些数据。尽管天文台为日常运行配备了气象站，其数据却常因各种缺陷难以直接用于研究：记录存储不规范、格式无法兼容后续分析，气象站搬迁或周边新建设施导致数据中断——这些因素都可能引发数据失真。尽管如此，在对现有信息进行整合后，研究人员发现了帕拉纳尔的一些令人担忧的气候趋势。在过去的40年里，那里的气温上升了1.5°C（2.7°F），超过了每十年0.2°C的全球平均水平。预计到本世纪末，气温还将再上升4°C。

气温的升高已经对观测产生了影响。像甚大望远镜这样的大型望远镜必须保持穹顶内的温度与日落时的室外温度相同，以防止运行期间在镜面上方形成湍流。然而，甚大望远镜的冷却系统只能应对低于16°C的温度。随着夜晚气温升高，越来越多的夜晚室外空气比穹顶内部温度更高。

“湍流是光学和近红外天文学的头号敌人。”欧洲南方天文台大气科学家安赫尔·奥塔罗拉（Angel Otárola）说。湍流会降低观测质量，尤其是对于成像和探测系外行星等高精度工作。

设备运行问题同样源于仪器本身需在低温环境下才能发挥最佳性能。“我们具备制冷能力”，奥塔罗拉解释道，“但关键在于防止设备内部升温——因为望远镜内部的电子元件必须维持相对低温状态。”

其他趋势则不那么明显。坎塔卢比和米利开始探索天气数据的原因之一是，他们发现在强烈的厄尔尼诺现象期间，图像清晰度明显下降。厄尔尼诺现象是一种自然但不规则的天气模式，是由于东太平洋海面温度高于平均水平而产生的。厄尔尼诺现象会加剧南部副热带急流，这种气流在大约12千米的高空形成，风速可达60米/秒。这些风产生的湍流使VLT的自适应光学系统不堪重负，因为湍流模式的变化速度超过了可变形反射镜的补偿速度。在甚大望远镜上方，40%的时间会出现明显的风向污点，导致对比度降低10倍。

 

 

坎塔卢比和米利通过计算机模拟，将真实天气数据与基于物理学的模型相结合，发现在过去40年中，副热带急流的速度增加了3米/秒至4米/秒。他们研究了来自阿塔卡马沙漠三个欧洲观测站的天气数据的长期趋势，并格外关注厄尔尼诺现象及其较冷的对应现象——拉尼娜现象——引起的变化。他们发现，在厄尔尼诺现象期间，每年大约有四分之一的时间日落时分气温超过16°C。在拉尼娜现象期间，炎热的日子较少，但相对湿度高于50%的日子却很多。高湿度使一些观测变得复杂，特别是中红外和近红外观测，因为水分子会吸收这些波长的光。

 

 

其他天文台也面临着不同的挑战。2022年，加拿大赫兹伯格天文学与天体物理研究中心研究员、天文学家玛伊克·范·库滕（Maaike van Kooten）与加利福尼亚大学圣克鲁兹分校大气科学家乔纳森·艾泽特（Jonathan Izett）合作，研究了气候变化对另一个地面天文学的重要标志性地点——毛纳基亚山的影响。

虽然天文台的整体状况保持相对稳定，但研究显示，最大风速在过去几十年里有所增加。研究小组还发现，在过去二十年里，需要关闭穹顶的天气情况——包括低温、大风和过度潮湿——的频率增加了一倍多。

穹顶并不一定在每次发生这些情况时都会关闭，当地的操作人员拥有最终决定权。然而，对于像凯克望远镜的两台10米仪器来说，每年已经有大约40个夜晚因为非气象原因（如计划维护）而关闭穹顶。尽管如此，恶劣天气条件的增加仍意味着有更多的夜晚无法进行观测。

 

 

除了天气之外，大气层本身对来自太空的光子的透明度也在降低，因为它在升温，水蒸气和气溶胶含量在增加。加拿大赫茨伯格天文学和天体物理学研究中心埃里克·斯坦布林（Eric Steinbrin）在2022年的一项研究中表明，到达地面的光量每十年减少近0.2%。他将夏威夷和智利的8米双子座南北望远镜分别收集的长达17年的数据，与不受地球大气层影响的盖亚太空望远镜的观测数据进行了比较。结果表明，光子数量的下降趋势与全球气温上升所带来的预期变化一致。

斯坦布林在一次演讲中说，这种下降相当于每年在8米望远镜的主镜上戳一个12厘米的洞。虽然看起来不是很多，但“它在不断增加”。

 

 

预测气候变化对天文观测站的影响十分具有挑战性。可用的最佳模拟一般都能预报气候条件的恶化，但其分辨率太低，无法准确呈现岛屿和山顶等小的地理特征，而大多数天文台都位于这些地方。

瑞士伯尔尼大学卡罗琳·哈斯莱巴赫（Caroline Haslebacher）等人于2022年发表的一项综合研究分析了位于四个大洲和大洋洲的八个主要观测点的气候预测，研究人员在所有地点发现的唯一共同趋势是平均气温和大气中水蒸气总含量的增加。

然而，虽然这些预测考虑了观测站的海拔高度，但它们却忽略了显著影响当地天气模式的关键因素——地形，并且它们也不擅长模拟陆地和海洋之间的相互作用。它们在处理云层覆盖和天文视宁度变化等变量方面也做得很差。

“云很难建模”，哈斯莱巴赫说。她补充说，也许下一代气候模型可以帮助解决这个问题。“你需要更高分辨率的气候模型才能真正模拟云。”

更重要的是，气候预测依赖于历史数据，这限制了其预测前所未有的极端事件或新气候情景的能力。“我们所测量到的气候已不再是未来气候走向的指南——我们正处于一片未知领域”，爱德华·格雷厄姆（英国高地和群岛大学）说。计算机模拟，尤其是基于人工智能和机器学习的计算机模拟，“无法预见以前从未发生过的极端事件。”

格雷厄姆对哈得利环流可能的演化进行了深入分析，哈得利环流是由在赤道上升的热空气驱动的巨大翻转环流结构。这些空气在向极地移动的过程中逐渐冷却，并在大约30°纬度处下沉。世界上一些最著名的观测站都位于哈得利环流下沉的分支中，这并非偶然：下沉的空气移动非常缓慢，并且在从赤道出发的过程中几乎失去了所有的湿度，这为天文学家创造了稳定、干燥的最佳大气环境。

 

 

格雷厄姆发现，由大气中的额外热量提供动力的哈得利环流正在膨胀。太平洋哈得利环流生长最快，以每十年0.5°~1°纬度的速度移动。这相当于在50年内移动了数百千米。

“这足以将天文台所在区域条件从适宜变为不太适宜”，格雷厄姆说。此外，这些环流现在有更多的能量，它们的气流移动得更快。“上升得更快的气流也应该下降得更快，这有可能影响大气的稳定性。”格雷厄姆补充道。他坦言，莫纳克亚山或帕瑞纳天文台虽不至于变得像苏格兰那般多云潮湿，但当代天文学所需的极致精度，极易因气候变化引发的细微扰动而受到影响。

 

 

偏远地区天文台的选址运营需要科学需求与后勤保障的精密平衡。能源供给、水源食物、人员安全及医疗保障等实际考量，其重要性不亚于科学指标。然而人的因素常被忽视。“天文台无法自行运转，那里有活生生的人”，坎塔卢比指出。正如2019年智利骚乱与新冠疫情所证明的，政治社会稳定性与晴空同等重要。

气候变化加剧了这些挑战。极端天气事件不仅会扰乱日常运行，还会将人们置于危险之中。例如，2023年夏威夷拉海纳大火摧毁了2200多所房屋，造成近100人死亡，其后果远比失去观测时间严重得多。气候变化带来的更广泛的社会影响，包括经济不稳定和资源匮乏，也会通过削减资金和减少公众支持来直接影响天文研究。

有些人已经注意到了。范·库滕（Van Kooten）说，自新冠以来，前往天文台进行观测的天文学家越来越少，取而代之的是更多地依赖当地的望远镜操作员。随着环保意识增强，个体因担忧航空碳排放而减少飞行，这一转变或将持续强化。科研机构和政府最终可能会出台限制旅行政策。这种被迫呆在家里的做法可能会导致天文学家，尤其是年轻一代失去实践经验，从而阻碍他们对望远镜系统和整体发展的理解。

世界各地的天文爱好者也失去了享受他们爱好的机会。“烟雾的存在使我们无法获得好的深空图像。”《天空与望远镜》特约编辑艾伦·戴尔（Alan Dyer）说，他是加拿大阿尔伯塔省南部的一名天文摄影师。由于烟雾和火灾风险，他已经取消了几次观测旅行。

格雷厄姆指出，天文机构必须主动应对持续演变的气候态势，通过减少不确定性、降低风险来保障未来运营。他特别强调：“该领域的研究投入远远不足。”

加强气象监测基础设施是至关重要的第一步，接下来是持续监测关键参数以及大气状况对仪器性能的影响。

 

 

奥塔罗拉说，天文学家在改进选址特征描述和开发更好的克服湍流的技术时应保持警惕，因为这是可能限制许多已在进行中的大型项目（如欧洲特大望远镜或鲁宾天文台）有效性的因素之一。

不过，坎塔卢比警告说，技术固然在不断进步，但天文学活动本身——即，从事天文学的行为——却可能面临风险。“通往天空的窗户可能正在慢慢关闭，这是我目前的感受。”格雷厄姆警示道，核心风险在于未知性——随着全球变暖加剧，气候将持续异变。我们既有的认知体系正被新的现实颠覆。“危机当下正在发生”，他强调，“而这场剧变，昨天就已开始。”

 

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编辑：孙丽静

校对：张   凡

审核：陈   萍

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