技術摘記

Sprite99地面觀測記行

建立於 2010-12-13, 週一

 

工作日誌

以下為我們這次觀測行的工作日記,以及我們的一些感想。


七月十五:(UT 197)

從高雄出發前往亞利桑那州的土桑市,中途連候機的時間都算進來,總共花了將近二十四個小時。雖然轉接的班機在洛杉磯誤點將近一個小時,不過Lockheed公司的Rick Raiden博士仍在機場等候,在找到住宿的旅館並用過晚餐後,就直奔80公里之外的基特峰美國國家光學天文台,作這次sprite觀測行的第一晚的觀測。不過基特峰陰雨不停,一直無法作觀測,我們等候到淩晨,看天氣仍然沒有轉好的傾向,再加上長途飛行非常疲憊,所以把儀器略作整理後,就開車下山回旅館過夜。位在Socorro的史丹佛大學隊,寫電子郵件來,提到他們在墨西哥北部,大約每五分鐘可以看到一個sprite事件。

為了使觀測資料方便和衛星、閃電和其他研究群的觀測作比較,觀測定時的標準採宇宙時(Universal Time, UT),計日採開年後的累積天數,所以七月十五日是本年的第217天。計時採取格林威治平均時,也就是用英國格林威治市的時間作為計時標準,亞利桑那州因為夏天採用日光節約時間,所以本地時間和加州地方相同,落後UT時七個小時。而台灣的時區超前UT時八個小時,所以台灣和亞利桑那州夏天的時差是十五個小時。由夜視照相機傳下來的影像,每一定格都先經過一部True Timer加印上宇宙時,再傳到錄影機的輸入端,由錄影機加以記錄。


七月十六 (UT198)

下午四點開車上山觀測,五點二十五分到達基特峰。Kitt Peak 和 Socorro 兩個觀測地點都有大量陰雲籠罩,而且偶而飄下陣雨。我們一直守候到淩晨一點多,見天氣沒有轉晴的跡象,只好放棄今晚的觀測任務,開車回土桑市。回到旅館已經是淩晨三點。

基特峰天文台的全名是Kitt Peak National Observatory (簡稱KNPO),基特峰為美國國家光學天文台的大本營,為了方便遠來的天文研究人員,山上備有宿舍供觀測人員短期居住,並對工作人員及觀測人員提供餐飲服務,不過KNPO今年因為舉辦暑期高中科學教師營隊,在七月二十七日前宿舍並無空位,我們只好每天由土桑市來回開三個小時的車子,通勤上山參加觀測。所以我們第二天就租了一部小車,以方便上山觀測。經由太空計畫室劉代瑜小姐的介紹,在亞利桑那大學物理系任教的謝克強教授夫婦來旅館看我們,以及去超級市場採購日常用品。


七月十七日 (UT199)

基特峰及Socorro基地雲層厚重,視線不良無法進行觀測,約在晚上十一時半,宣告放棄本晚的觀測,淩晨一時,回至下榻的旅館。

雖然天候不適合觀測,但我們將全套設備架設起來,並把系統的操作練習幾次。系統的架構非常簡單(參見圖二),主件是兩架夜視攝影機和控制系統。每一套系統所用的鏡頭都是標準的照相機鏡頭,這對於更換成其他鏡頭應是很容易。每部攝影機的組成都是

鏡頭 -> 影像增強器 (image intensifier) -> 耦合鏡頭 或 光管 -> CCD or CID

CCD的影像是逐條輸出式(line-transfer)而CID(charge injection device) 是整面輸出 (plane-transfer)。兩者最大的差別在於強光源時的表現,CCD在輸出時會發生漏光,使強光源出現在數個定格上,而CID就沒有這種問題。不過CCD可作條式輸出式,在上「大氣層閃電儀」的應用上,可以做部份定格快速轉移,而CID就沒有這種自由度,所以「大氣層閃電儀酬載」的影像儀仍然將使用CCD科技。


七月十八日 (UT200)

基特峰的上空多雲,但並沒有下雨的可能,所以情況仍然允許觀測的進行。從晚間8:30起,對南方及東方共進行了五個小時的觀測,並沒有看到任何sprite。淩晨1:30決定結束今晚的觀測,開車下山並在3:00回到土桑市的旅館,沿途上看見刺蝟、土狼、野鼠、野免、臭鼬等沙漠野生動物。


圖二、攝影系統的各項儀器配置圖,TOP相機是採用CCD科技,而CID相機是用Charge Injection Device (CID)科技,除此之外,兩部攝影機的外部配備完全相同。


七月十九日 (UT201, 1 sprite)

晚間8:30開始觀測,照相機的視野約是20°x 15°。由於在西南方一直有很頻繁的對地閃電,所以我們決定對這個方向做觀測,並在晚間10:19記錄到本次觀測行的第一個sprite。但在接下來的二個半小時,並沒有再看到其他的sprite,有點失望。淩晨一時結束本晚的觀測,淩晨三時回到旅館。

Sprite觀測視野及宇宙時:(123az, 9.5; 201: 05:19:48)

觀測視野是指觀測視窗的中心,這裡是以北方為方位標準,例如正北方是0az (azimuth),東方是90az而南方是180az,所以123az是東方偏南33度。9.5是地平面上方9.5度。觀測視野的確認,是來自天文軟體的星野和攝影機視野裡的星野的比較。我們所使用的天文軟體是Sienna軟體公司所出版的Starry Night (http://www.siennasoft.com/),除了它的精確度不錯之外,軟體所顯視的星野和實際所看到的很相


圖三、用以選定sprite觀測雷雨系統的雲圖,這張是七月十九日晚上十一時(宇宙時七月二十日淩晨六時)的雲圖,紅色標框的地區即是我們所觀測的雷雨系統。近,非常容易定出很精確的視野。觀測目標 (雷雨系統)的選取,主要的根據是雲圖(參見圖三)。通常是以雲層最濃密的地方為觀測目標,雲圖每小時更新一次,而觀測的標的也隨著雷雲系統的移動而調整。

在觀測中,可以很清楚地見識到CCD在輸出時會發生漏光的問題。CCD相機遇到很強的對地閃電時,經常在垂直方向一整排都過被強光蓋過,很難看出在閃電上方是否有伴隨的sprite。


七月二十日 (UT202, 4 sprites)

下午四點由土桑市開車上基特峰,路上恰好遇到一個小型的雷雨系統。在車內看到閃電不停地打在道路的兩邊,感受非常的特殊。

為了避開CCD在條列方向漏光的問題,所以把兩架照相機都旋轉90度,所以相機的視野變成 15°x 20°。在南南東方向觀測兩小時並看見兩個sprite,後來轉到東方觀測,又看見兩個sprite。晚間11:30後,天空雲層密佈一直不見轉好,淩晨1時結束觀測,檢視整晚的錄影,2:30回到旅館。

Sprite觀測視野及宇宙時:(152az,9.5; 04:14:05,04:22:39), (101az, 8; 05:01:22,04:22:39)

上午參觀Saguaro National Park - Rincon Mountain District,並沿Cactus Drive開車繞了一圈,Rincon Mountain District對Sonora沙漠的植物有很完整的保存和介紹,對大仙人掌 (saguaro cactus) 的印象尤其深刻。 (http://www.saguaro.national-park.com/)


七月二十一日 (UT203)

Rick Raiden博士結束觀測,返回加州的Lockheed/Martin公司。基特峰整晚都在雲層下,無法觀測。

七月二十二日 (UT204)

基特峰整晚都在雲層下,無法觀測。

下午參觀 Arizona-Sonora Desert Museum,這是一個世界級的沙漠動物園和生態園,值得一遊。 (http://www.desertmuseum.org/index.html)


七月二十三日 (UT205)

基特峰整晚都在雲層下,無法觀測。


七月二十四日 (UT206)

基特峰整晚都在雲層下,無法觀測。


七月二十五日 (UT207)

基特峰整晚都在雲層下,無法觀測。數天來天候一直不見改善,很令人沮喪。


七月二十六日 (UT208, 13 sprites)

基特峰一直到晚間11:00,在南方才有部份雲隙出現,11:30起在南方一連觀測到13個sprite,而且Socorro基地也在同一方向看到二十多個sprite,下列打星號的事件為兩個基地有同步觀測的 6個sprite,基特峰基地淩晨後雲層又復合,失去唯一的觀測視窗。大部份觀測到的sprite多在雲層後面,結構無法明確辦認,對決定sprite的立體結構幫助不大,而由雲層所反射的滿月月光,更降低了sprite的對比。

Sprite觀測視野及宇宙時:(166az, 8.5; 6:38:56, 6:41:15, 6:42:31, 6:47:21/23, 6:48:38, 6:49:43 *, 6:50:37 *, 6:51:39, 6:53:28 *, 6:55:46 *, 6:57:28 *, 7:00:19 *, 7:16:31)

打星號的事件,為已經確認基特峰和Socorro基地有同步觀測的sprite事件。

早上參觀 Coolidge市的Casa Grande Ruins National Monument,對亞利桑那州的在十四世紀前的印地安人遺跡,有了粗略的了解。(http://www.nps.gov/cagr/index.htm)


七月二十七日 (UT209)

基特峰整晚雷雨交加,無法觀測。

搬到基特峰頂的美國國家光學天文台宿舍住,從此不需要在淩晨開車下山。閃電擊中我們觀測建築物,擊毀網路路由器 (reuter),很幸運地我們的個人電腦並沒有受損。

淩晨從基特峰開車下山,最大的困難不在於和土桑市有80公里的路程,而是在距山頂3公里內,不能開大燈的規定。這項規定的用意在於降低車燈對可見光天文觀測的干擾,但對我們來說在路途生疏下,只能用小燈開車下陡峭的山路,用驚險萬狀來形容,實在也很貼切。


七月二十八日 (UT210)

陰雨及雲層在晚上九點後慢慢散去,10:30開始觀測。先後觀測東北、東南及東方,都沒觀測到sprite。從美國國家閃電偵測網(National Lightning Detection Network, NLDN) 的數據來看,今晚的閃電活動非常低。Socorro基地的人員,也沒有看到任何sprite。

觀測目標的選取,通常是根據雲圖,但雲層的厚薄,通常不一定和雷雨系統的活躍程度有絕對的關聯性。我們在網路找到一份降雨量圖,因為降雨量大的區域,通常雷雨活動也較頻繁(如圖四)。所以觀測目標的選取,也可以參考降雨圖,而雲圖與降雨圖兩者都是我們選定觀測目標的重要參考。


七月二十九日 (UT211)

基特峰下午陰雨,很幸運的晚上雨停了。晚上八時開始觀測,試東北、東南及東北方,除了看到許多流星外,並沒有觀測到sprite,淩晨1:30分結束本晚觀測。


七月三十日 (UT212)

絕佳的觀測天氣,不過大部份的雷雨活動都離基特峰很遠。例如,東南方雷雨系統的距離是700公里,東北方雷雨系統的距離是1000公里。從晚間8:30開始觀測到凌晨1:00止,並未看見任何sprite。


七月三十一日 (UT213, 1 sprite)

晚間8:10開始觀測,水平方向的視線不佳,約在8點56分在東方看見一個sprite,接下來整晚都沒有再觀測到其他的事件。

Sprite觀測視野及宇宙時:(86az, 9; 3:55:58)


圖四、七月二十八日晚上10時左右的雲圖(上圖)和降雨圖(下圖)。降雨量大的區域,通常雷雨也較活躍,也最活躍區的中心(黃色區或紅色區),通常是最有希望產生sprite的地區。


八月一日 (UT214)

晚上八時剛開始觀測時,天候非常良好,但到深夜,厚雲逐漸遮住水平面的視野,在東北、東及東南方都沒觀測到sprite,在凌晨1:00後,因雲層太厚而結束今晚的觀測。


八月二日 (UT215, 6 sprites)

基特峰的東部有數個很活躍的雷雨系統,不幸的是基特峰陰雨。初晚的雨約9點停止,不過觀測視野仍然大部份被烏雲遮住。試著對東南和東方作觀測,但受雲層的阻礙,一直沒看到sprite。到10:36後,東方的雲層有一個小裂隙,我們在一個半小時內,在這個方向看見六個sprite。但接下來的二小時,並沒有再觀測到其他sprite。烏雲又逐漸聚合,在凌晨兩點結束本晚的觀測。

Sprite觀測視野及宇宙時:(72az,15; 05:36:17, 05:42:29, 05:50:58, 06:06:19, 06:29:30, 07:01:59)


八月三日 (UT216)

天候良好,東方的雷雨系統也很活躍,但整晚的觀測都沒看見sprite。


八月四日 (UT217, 4 sprites)

大部份的時間,基特峰被雲層覆蓋,9:36左右,在東方有很小的觀測視窗,並在二十分鐘內看見4個sprite。

Sprite觀測視野及宇宙時:(87az,13.5; 4:36:17, 4:38:54, 4:41:09, 4:47:32)


八月五日 (UT218)

大部份的時間多在雷雨雲的籠罩下,並無所獲。


八月六日 (UT219)

天候絕佳,唯一的雷雨系統位在東南方距離我們600公里,觀測整晚並沒有看到sprite。


八月七日 UT220, 33 sprites)

本晚的數據量和數據品質,是這次觀測任務以來最好和最多的。我們位在基特峰和Socorro的觀測基地,同時觀測位在墨西哥的巨大雷雨系統。在晚間8:25起的七十分鐘內,我們觀測到33個sprite。其中有二十個事件,並且有使用望遠鏡頭拍攝的細部數據。本晚的數據的質和量,足以補償七月十五日以來的挫折感。


圖五、八月七日所記錄的第三十三個sprite。上面的定格來自CID相機,使用標準50mm/f1.4鏡頭。下面的定格來自TOP相機,配置300mm/f4.5鏡頭。

Sprite觀測視野及宇宙時:
(148az, 6, 151az, 7, 149az, 4; 3:25:04, 3:25:59, 3:28:34, 3:35:54, 3:40:27, 3:41:01, 3:43:43, 3:45:54, 3:46:47, 3:50:20, 3:52:38, 3:53:51 TL, 3:55:44 TL, 3:56:52 TL, 3:58:56 TL, 4:00:41 TL, 4:01:30 TL, 4:02:38 TL, 4:04:41 TL, 4:04:53 TL, 4:06:02 TL, 4:09:08 TL, 4:09:22 TL, 4:12:12 TL, 4:13:58 TL, 4:14:01 TL, 4:19:20 TL, 4:22:11 TL , 4:24:05 TL, 4:25:36 TL, 4:27:55, 4:28:58 TL, 4:34:27 TL)

TL = telephoto lens,代表配有望遠鏡頭的相機也同時觀測到的sprite事件。由於今晚的能見度非常好,所以我們決定把其中一台相機換上望遠鏡頭(300mm/f4.5),以觀測sprite的細微結構。配上望遠鏡頭的相機,其視野只有4度 x 3 度,所以視野由標準的50mm/f1.4鏡頭的20 x 15 視野銳減成 4 x 3。在三十三個事件中,同時能在配有望遠鏡頭的相機同時看到20個事件,運氣可以說是非常好(參見圖五)。


八月八日 (UT221)

觀測視野完全被雲層遮蔽。


八月九日 (UT222)

基特峰陰雨,無法觀測。UCB的Steve Mende博士和DMI的Torsten Neubert博士在今天加入Sprite99的觀測行列。


八月十日 (UT223)

天候絕佳,但完全沒有雷雨系統可觀測。

亞利桑那大學物理系謝克強教授在今天下午,組織了一個小型的研討會,題目是「Observation of Sprite from Space」,我們、UCB的Steve Mende和 DMI 的 Torsten Neubert分別給一個簡短的演講。我們介紹 FORMOSAT2的任務和「高空大氣閃電儀酬載計畫,Steve Mende介紹Sprite研究的現況和高空大氣閃電影像儀,而Torsten Neubert則介紹丹麥的第二小型衛星計畫 (dry weight ~ 80 kg),及四個進入最後決選階段的酬載計畫(http://dsri.dk/dssp/DSSP-beginning.html)。

Torsten Neubert從Los Alamos國家實驗室借來一部低光度的Xybion攝影機,據Steven Mende說這是其他從事sprite野地觀測研究群最常使用的系統。而這次Sprite99使用的攝影機是Steve Mende買組件來自行組合。比較兩者間的功效,我們發現Steve Mende的組裝系統在解析度和觀測景寬方面,都比Xybion攝影機好上不少。另外,Mende的系統使用標準的相機鏡頭,而Xybion系統則使用專利的鏡頭,所以將來鏡頭的取得只能購至Xybion公司。(http://www.xybion.com/xoshis.htm)


八月十一日 (UT224)

天候絕佳,但完全沒有雷雨系統可觀測。


八月十二日 (UT225, 13 sprites)


在東南方到南南東方觀測到13個sprite,Socorro基地也對同一雷雨系統作觀測,所以應有一些同步觀測事件。由於水平方向有薄雲,而且雷雨系統約在700公里外,所以sprite的結構並不很清晰。

觀測視野及宇宙時:
(144az, 8; 03:09:12, 03:09:49, 03:11:26 TL, 03:15:58, 03:17:20, 03:21:06 TL, 03:23:36 TL, 03:26:55, 03:29:01, 03:41:00 TL)
觀測視野及宇宙時:
(155az, 11; 04:11:30, 04:17:07)
觀測視野及宇宙時:
(166az, 7; 05:21:24)


八月十三日 (UT226)

基特峰陰雨,無法觀測。


八月十四日 (UT227)

基特峰陰雨,無法觀測。


八月十五日 (UT228)

回台灣,航程及候機共用了23小時。在洛杉磯,由美國國內線轉國際線,光是找國際線航站大廈就是個大工程。

 

Sunday the 16th. ISUAL. All rights reserved.