世界一流天文觀測點，為何是冷湖？
什么是冷湖？
冷湖是一個富有傳奇色彩的地方。
在中國遼闊的版圖上，胡煥庸先生1935年畫過一條直線，連接黑龍江的璦琿和云南的騰沖。這是一條人文與自然地理的分界線，其東南是人口繁盛的廣袤沃土，而西北則是洪荒貧瘠的茫茫戈壁——這就是著名的 “胡煥庸線”。自然的造化不僅催生了這條線東南的華夏文明，也在西北的疆域上烘托出地球的第三極——青藏高原。
冷湖鎮(zhèn)區(qū)鳥瞰（無人機） | 作者供圖
胡煥庸線（紅色直線）示意圖 | 地圖來自：自然資源部標(biāo)準(zhǔn)地圖服務(wù)
中國有四大無人區(qū)，分別是藏北的羌塘、青海西部的可可西里、阿爾金山，以及新疆的羅布泊地區(qū)，它們幾乎首尾相連。在這片巨大的無人區(qū)中部、青藏高原的北沿，有一個小鎮(zhèn)，這就是冷湖。
傳說當(dāng)年地質(zhì)隊來此考察，在當(dāng)金山南麓發(fā)現(xiàn)了一個無名湖泊，水至冷，就直呼其為 “冷湖”，這就是 “冷湖” 地名的由來，就連其蒙語名字 “奎屯淖爾” 也是由漢語轉(zhuǎn)譯而來。當(dāng)初的地質(zhì)勘查發(fā)現(xiàn)了石油，把這塊冷地直接帶熱。這里有完全由中國人探明、設(shè)計和開采的第一口油井——地中四井。冷湖石油會戰(zhàn)發(fā)生在上世紀(jì)六七十年代，期間冷湖地區(qū)聚集了石油大軍和相關(guān)支撐行業(yè)的超10萬人口，一時成了名副其實的 “大城市”，并一直風(fēng)光到上世紀(jì)九十年代。
然而，石油資源的枯竭終止了無人區(qū)的喧囂，冷湖再度回到幾乎無人的狀態(tài)。石油會戰(zhàn)后的城邦遺址，不僅記錄了當(dāng)時的創(chuàng)業(yè)精神，也給冷湖留下了一份壯觀的遺產(chǎn)：冷湖石油城廢墟。網(wǎng)上有大量關(guān)于冷湖石油廢墟的介紹和精彩圖片，有興趣的讀者不妨自行搜索了解。
原冷湖油田5號基地廢墟（無人機） | 楊帆供圖
無人區(qū)不太適合人類生存，但自然造物必有其存在的理由。簡單總結(jié)一下：這里既有豐富的礦產(chǎn)資源，也有世界上最壯觀的類火星地貌和風(fēng)蝕雅丹自然景觀。對天文學(xué)家而言，尤其重要的是：這里強烈的日照和優(yōu)質(zhì)的星空。我個人認(rèn)為：對一個酷愛自然景觀的人而言，這個地球上至少有兩個方便到達(dá)的今生必去之所：智利的巴塔哥尼亞和中國的冷湖！
碰巧的是，這兩個地方都跟天文有關(guān)。智利北部阿塔卡馬沙漠作為地面天文觀測的樂園早已為地球人所熟知。而冷湖是什么？有什么？特別是跟天文有什么關(guān)系？知道答案的人卻寥寥。今天，我就和大家說說 “冷湖” 與天文相關(guān)的那些事。這事到今天也就是剛剛開了個頭，未來還有很多大事會陸續(xù)發(fā)生，但只這開局就已經(jīng)十足精彩了。
找尋一片純凈的天空
在天文學(xué)家的眼中，青藏高原具有特殊的意義。任何地基的天文觀測都需要透過地球大氣獲取數(shù)據(jù)，越高的地方大氣越稀薄，因此高海拔對地基天文觀測是有利的基礎(chǔ)要素。當(dāng)然，對天文臺的選址而言，還有其它更為重要的因素。然而，要在青藏高原地區(qū)去找尋一個優(yōu)良的天文臺址并非易事，因為各種原因，特別是經(jīng)濟(jì)條件和現(xiàn)實工程技術(shù)的限制，過去很長一段時間內(nèi)全世界天文學(xué)家只能對青藏高原心懷期冀，中國的天文人更是如此。
隨著國家經(jīng)濟(jì)的騰飛，這份期冀終于可以實現(xiàn)。中國的天文學(xué)家2000年開始了西部天文選址，也就是在胡煥庸線以西以北，在那些極端不適合人類生存的高原上，開始了腳踏實地的野外作業(yè)。其實，對于青藏高原具有優(yōu)良天文觀測條件這個事情，學(xué)界早已從對地面氣象資料、衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)的分析中了解了大概：這些潛在的資源大致分布于青藏高原周邊。
之前業(yè)界通常認(rèn)為，最具潛質(zhì)的是西藏的阿里地區(qū)和新-藏交界的帕米爾高原地區(qū)。冷湖也很早進(jìn)入了天文選址的范圍，因為這里除了夜空晴朗和日照充沛之外，還具有比上述地區(qū)更為優(yōu)越的交通便利和區(qū)域安全。但冷湖地區(qū)存在大面積的風(fēng)蝕地貌，且比鄰塔克拉瑪干沙漠，對風(fēng)沙的擔(dān)憂使得前人將這個地區(qū)排除在了潛在天文臺址的隊列之外。但是，這個結(jié)論是在沒有人實際到達(dá)的時代預(yù)估的。要知道，未來大型、超大型的天文觀測裝置的運輸問題、安全問題，都可能會成為天文臺址選址的決定性因素。
我們團(tuán)隊自2009年開始就在青海海西的德令哈觀測站工作，也了解了冷湖跟天文臺址相關(guān)的信息，但一直無緣前往一探究竟，畢竟新址勘選在那時還不是我們的任務(wù)。但機遇有時候就是會主動來敲門！一方面，德令哈開始大幅亮化，我承擔(dān)的科研項目所需的工作環(huán)境遭遇不可逆轉(zhuǎn)的破壞；另一方面，冷湖地方政府找上門來尋求合作，希望能夠利用星空資源做地區(qū)經(jīng)濟(jì)的轉(zhuǎn)型開發(fā)。這是2017年7月的事情，而且地方政府承諾冷湖全域為天文研究做暗夜保護(hù)（后來通過地方立法確認(rèn)）！
2017年10月，應(yīng)前冷湖行委的邀請，我們團(tuán)隊來到了冷湖，并逐一排查了行委事先為我們踏勘過的幾個可能的地方。鎮(zhèn)東部的賽什騰山成了我們首選目標(biāo)。這是天文學(xué)家以選址為目的第一次來到冷湖，基本就是巡山。越野車隊一路坎坷，把我們送到山腳，正好入夜。第一眼看到的星空就那么打眼！這山給我的第一印象就是：我們可能找到目標(biāo)了！
賽什騰首次踏勘實景，由24幅手機照片拼接 | 作者供圖
冷湖是否適合天文臺址建設(shè)，首先需要解決的是沙塵問題。常識和科學(xué)都告訴我們，沙塵是隨高程呈指數(shù)下降分布的。如果在這片晴朗少云的區(qū)域內(nèi)存在高山，而且短距離內(nèi)高程差足夠大（這也是優(yōu)秀臺址的決定因素之一），沙塵的問題是有解的。
冷湖沙塵與臺址的矛盾，需要科學(xué)的數(shù)據(jù)驗證。為此我們購置了基于直接計數(shù)單位體積顆粒數(shù)原理的粉塵儀，對臺址C點的顆粒物和氣溶膠進(jìn)行了長期監(jiān)測，結(jié)果是令人鼓舞的。至少柴達(dá)木地區(qū)內(nèi)肆虐的風(fēng)沙對4000米以上的地區(qū)沒有影響。冷湖的PM10指數(shù)通常只有個位數(shù)。PM10指數(shù)大于100微克每立方米的事件頻度僅為2次/年，指數(shù)30-50的頻度大概30次，而這是我國優(yōu)質(zhì)天氣的標(biāo)準(zhǔn)。而且，身處臺址可以直觀感受到沙塵隨高度的分布變化。通常在盆地沙塵暴時，從C點可以清楚地看到沙塵頂部與藍(lán)天的明顯分界線。
浮塵中的柴達(dá)木盆地遠(yuǎn)眺，拍攝于賽什騰4200米標(biāo)高選址點 | 何飛供圖
2018年2月16日，海西州政府州長主持會議，政府所有相關(guān)部門領(lǐng)導(dǎo)參加，啟動冷湖天文選址項目。海西州提供全部選址經(jīng)費，并委托我們項目組執(zhí)行。同時政府決定由州財政支持，從山下修一條砂石路至選址點。這里必須為海西州政府的支持點贊！在我們看來，這是政府對地方民生的擔(dān)當(dāng)，也是對國家戰(zhàn)略發(fā)展的擔(dān)當(dāng)。
這之前，我們通過遙感資料，對冷湖東部50公里處的一座獨立的小山脈做了一點功課。也開車到達(dá)了山腳下的臺地，對山形有了初步的了解。這座山的西半部分，存在4500米左右的山峰?？嘤谏礁邿o路，我們暫時在山下臺地開始?xì)庀?、云量和夜天光背景的監(jiān)測。靜候砂石路修達(dá)目標(biāo)點。后來我們才知道，在這樣的花崗巖實體的山修路，需要一年甚至更長的時間。那時可以說，我們心里的陰影面積直追1.78萬平方公里（冷湖轄區(qū)總面積）。
賽什騰山尋路之旅，紅色箭頭為安全的攀登方向。作者與冷湖行委副主任田才讓（右）| 作者供圖（手機定時拍攝）
2018年5月，我們迎來了一個絕佳的考察機會。海西州政府租賃的警用直升機來到了冷湖，并愿意帶我們上山實地考察！我們搭乘直升機第一次到達(dá)山頂，降落在現(xiàn)在正在建設(shè)的C點上。我沒有放過這難得的去最高峰看看的機會，于是我和時任冷湖行委副主任田才讓、道路設(shè)計公司老總唐兆春一起，攀登并詳查了局部最高峰A點和B點，并確定海拔略低但相對平坦的C點作為選址監(jiān)測的目標(biāo)點。
我們當(dāng)時是熱情上頭，后來被專業(yè)人員訓(xùn)導(dǎo)，才知道我們那樣的無保護(hù)攀登幾乎就是在玩命。但是，這是一次決定性的實地考察，意義深遠(yuǎn)，值得付出代價。順便說一下，我們當(dāng)時落在山峰上的每一個腳印都是人類的第一次！海西州政府為了保障選址順利開展，后來投入巨資把基礎(chǔ)數(shù)據(jù)測量需要的設(shè)備和基建材料用直升機吊運上山。
運行與維護(hù)選址設(shè)備的工作，就沒有那么輕松了。2019年7月，砂石路終于全線貫通至C點。這之前，選址團(tuán)隊人員只能靠雙腿攀登。每次我們必須面對六公里長的路程和近1000米的高差，常常每人需要背負(fù)10公斤以上的給養(yǎng)和物料去往4200米的選址點。這樣的攀登我們每個人經(jīng)歷了幾十次吧。這種攀登沒有路，只有我們標(biāo)記的方向（上圖中紅色箭頭）?；叵肫饋?，那真是對體力和意志的磨練，靠的是心中目標(biāo)的支撐！
（上）海西州租用直升機調(diào)運基建物料，作者供圖；（下）作者、冷湖行委副主任田才讓和道路設(shè)計單位工程技術(shù)人員首次實地考察賽什騰最高點 | 海西州攝影協(xié)會主席烏席勒供圖（無人機）
去過青藏高原深度觀光的人有一個共同的感受就是：視覺在天堂，身體在煉獄！賽什騰臺址質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)有多么令人興奮，賽什騰山給人的觀感有多么雄壯巍峨，獲取數(shù)據(jù)的歷程就有多么履險蹈難！這大概是在青藏高原選址同行們的共同體驗吧。這種體會難以言表，直接上圖！
（左上）作者（左）、楊帆（中）和田才讓（右）登山出發(fā)前留影，作者供圖（三腳架自拍）；（右上）作者在登山途中，田才讓供圖；（下）終于在夜幕降臨前抵達(dá)山頂臨時基地 | 作者供圖
這里是通往宇宙的大門
賽什騰山的山體東西延伸，東部到了馬海。那里曾經(jīng)有地質(zhì)隊八名女隊員失蹤長眠戈壁，留下的 “南八仙” 的傳說。西部截止到冷湖鎮(zhèn)邊沿，整個山體是從柴達(dá)木平緩的盆地底部突然升起。賽什騰為蒙語發(fā)音，意為 “突?！?或 “覺醒”，對于天文臺址而言也是寓意深長。
站在4200米海拔的C點向南瞭望，柴達(dá)木盆地遼闊的雅丹荒原一覽無余。在最高峰A點，甚至可以把北面的當(dāng)金山雪峰和遠(yuǎn)處祁連山主峰團(tuán)結(jié)峰群一眼看盡。從山巔到盆地邊緣的國道直線距離僅為20公里，卻有1500米的相對高差。正是這個高程差，使得賽什騰山群峰脫離了從柴達(dá)木盆地掠過的風(fēng)沙和分層的靜態(tài)浮塵。即便是在風(fēng)沙肆虐的季節(jié)，山頂?shù)奶煲廊徽克{(lán)清透。
賽什騰夕陽中的日照金山。圖中央的建筑為兩臺小型望遠(yuǎn)鏡的觀測樓 | 作者供圖
經(jīng)過歷時3年的連續(xù)監(jiān)測，我們獲得了關(guān)于賽什騰山臺址區(qū)域的各種參數(shù)，包括氣象、天光背景、晴夜數(shù)量和天文大氣總視寧度（DIMM測量）的大量數(shù)據(jù)。同時，借助有限幾次氣象探空實驗和標(biāo)準(zhǔn)模型，我們推得了典型季節(jié)的大氣湍流廓線和可沉降水汽。新天文臺址的勘選，特別看重監(jiān)測數(shù)據(jù)的長期性和連續(xù)性，尤其是在實際選址地的定點觀測數(shù)據(jù)。
天文設(shè)施，尤其是大科學(xué)裝置具備對科學(xué)普及和文化旅游活動的巨大牽引力，天文臺址的選擇往往牽涉到項目承擔(dān)單位和地方的潛在經(jīng)濟(jì)利益。但是，天文選址純科學(xué)研究的屬性需要以科學(xué)的方式進(jìn)行，否則會受各種利益的掣肘。
對于冷湖的天文選址工作，我們項目組一直秉承一個原則：選址活動要有足夠的公眾知曉度；對業(yè)界而言，需要通過透明的方式為關(guān)注此事的學(xué)者提供了解臺址真實性質(zhì)的渠道。為此，冷湖天文選址的所有監(jiān)測活動都一直保持開放。我們所有監(jiān)測設(shè)備的信息、運行日志（尤其是Duty cycle, Downtime）和所有設(shè)備采集的原始數(shù)據(jù)都在第一時間公布于一個無限制的網(wǎng)站上。選址團(tuán)隊與公眾對選址數(shù)據(jù)的訪問有同等地位。
限于網(wǎng)站訪問流量瓶頸，全天相機圖像需要聯(lián)系管理員以獲得下載方式。為方便有興趣同行的訪問，我們的網(wǎng)站也提供基于原始數(shù)據(jù)的各個主要臺址參數(shù)的統(tǒng)計圖。為避免誤導(dǎo)，對數(shù)據(jù)對應(yīng)的臺址參數(shù)，網(wǎng)站設(shè)置刻意不提供文字解讀，歡迎學(xué)者自行分析評價，但請尊重選址團(tuán)隊的艱辛努力，用數(shù)據(jù)開展研究工作需征詢選址團(tuán)隊的意見。
圖片由2020年春分和秋分的全天相機夜間監(jiān)控照片合成的24小時星軌圖 | 作者供圖
為方便大家初步了解冷湖賽什騰臺址，我們把主要的統(tǒng)計性質(zhì)在這里做簡要陳述。冷湖臺址區(qū)域的優(yōu)質(zhì)晴夜時間（天文上的測光夜）占比達(dá)70%，外加大約15%的部分有云的光譜觀測時間，每年天文觀測可用的時間達(dá)300天。冷湖地區(qū)屬極度干旱地區(qū)。有研究顯示，在過去60年中，冷湖的年平均降水量僅為12毫米，但蒸發(fā)量卻高達(dá)3000毫米以上。我們的分析印證了歷史資料的統(tǒng)計結(jié)論，夜間可沉降水汽柱密度在2毫米以下的時間占比優(yōu)于美國的 Mauna Kea天文臺（54%），遠(yuǎn)優(yōu)于智利和其它地區(qū)的大型光學(xué)天文臺。
溫度方面，根據(jù)賽什騰山C區(qū)的實際測量，夜間臺址點氣溫起伏（峰谷差）中位值僅為2.5度，這意味著地面層的大氣非常穩(wěn)定。該區(qū)域的風(fēng)以西北方向為主導(dǎo)，風(fēng)速的中位值小于5米/秒。
對天文觀測而言，光學(xué)視寧度無疑是最受關(guān)注的臺址參數(shù)。光學(xué)視寧度的積分量，即總視寧度一般用DIMM獲得。全自動的DIMM測量會受到天氣條件的影響，比如有薄云通過望遠(yuǎn)鏡視場，所采用的探測器在某些情況下會誤采熱點等等。截至當(dāng)前，賽什騰C點的DIMM視寧度直接統(tǒng)計的中位值為0.79角秒。在剔除熱點和天氣影響后，截至2020年12月31日的DIMM視寧度中位值為0.75角秒。
感謝全國各天文研究單位的同行、關(guān)注冷湖發(fā)展的天文愛好者和各方人士的共同關(guān)心，在今天的賽什騰山上，已有若干科學(xué)級天文望遠(yuǎn)鏡與青海省地方政府簽約落戶。國家天文臺、紫金山天文臺、地質(zhì)與地球物理研究所、中國科技大學(xué)、南京大學(xué)、西華師范大學(xué)的項目已經(jīng)處于基礎(chǔ)建設(shè)階段。
其中，西華師范大學(xué)與國家天文臺合作的50厘米雙筒望遠(yuǎn)鏡（50BiN）已率先開始工作。在2020年12月19日，賽什騰山的天文基地實現(xiàn)了 “初光”！彼時正逢一個優(yōu)質(zhì)的觀測夜，第一幅科學(xué)圖像上恒星的半高全寬為0.68角秒，同時的DIMM值為0.60角秒。經(jīng)多次觀測證實，50BiN的天文觀測圖像與DIMM視寧度完全吻合（50BiN為全開放圓頂，可以完全兌現(xiàn)自然總視寧度）。
隨著國內(nèi)天文研究機構(gòu)各種逼近世界最大口徑的望遠(yuǎn)鏡的研制和落戶，冷湖賽什騰山正在成為中國光學(xué)天文的樂土，國際天文界對青藏高原臺址的期冀正在逐步變成現(xiàn)實。
2020年4月13日全天相機監(jiān)控照片的投影轉(zhuǎn)換，完整的銀河拱門與賽什騰主峰相互映襯 | 作者供圖
簡而言之，在這片 “天文沃土” 上，未來已來，冷湖不冷！
注：原文于2021年7月27日首發(fā)于微信公眾號“賽先生”，原標(biāo)題為“這里是冷湖！｜賽先生天文”，《知識分子》獲授權(quán)轉(zhuǎn)載。
