太阳黑子摄影观测浅谈

北京天文同好会 曹军

太阳黑子是天文爱好者们喜欢观测的目标之一。太阳表面的黑子活动形态丰富，变化多端，尤其是在太阳活动峰年，日面上经常出现非常复杂的大黑子群，有些甚至用肉眼就能看到。关于黑子的目视和素描观测方法，《天文爱好者》杂志和《星光快讯》上已有文章涉及，这里仅就太阳黑子的拍摄方法做一下介绍。

与目视观测相比较，照相观测的主要优点是准确客观，获取的信息量较多，所需设备也并不十分复杂。当然，照相观测的成本较高，如果每天坚持拍摄，一年下来也是一笔不小的支出。

根据拍摄区域的大小，对太阳黑子的拍摄可以分为全日面像和局部放大像两种形式。所需的器材通常包括折射望远镜、单反相机以及一些光学附件。由于太阳像亮度较高，曝光时间一般在1/100~1/2000秒之间，因此对赤道仪的跟踪精度要求不高，甚至使用地平式支架也可以。折射望远镜的口径大于5-6厘米即可，因为减光滤镜尺寸的限制，再大口径的望远镜一般也要使用光栏限制通光量。

一 减光问题

从事太阳摄影所要解决的最主要问题是减光。减光可以通过多种方式实现。概括而言，减光的方法不外乎减小通光口径或降低光学系统的透光率。但为了不降低分辨率，应尽量避免过小的口径。由于大气扰动和相机震动的影响，要想拍摄到清晰的黑子照片，应该尽量缩短曝光时间。就我们通常使用的单反相机，减光的程度以达到1/1000秒左右的曝光时间为宜。

最常用的减光方法是在物镜前端加装高密度的中性滤光片。现在出售的很多望远镜都带有太阳滤镜，透过率1/1000左右，可以用来拍摄全日面像。但若用来拍摄太阳局部，则由于放大后像的亮度大为降低（反比于放大率的平方），其透过率就显得太低。这时可以使用照相机用的ND中性滤光片。一般在国内市场上常见的滤镜有ND2，ND4和ND8等型号， ND400较难见到。数字表示减光倍数。若单独使用一块滤镜而减光量不够时，可以将几块叠加使用。由于大部分光能在通过滤镜时被吸收，转变成热量，此时，如果其中有ND2，则应将其置于最前端，以尽量分散热量。

ND滤镜可以购买肯高，保谷等牌子的，光学质量较好，2-3块叠起来用对像质也没有什么影响，52毫米口径的每块在100-200元之间。国产的如飞虹等质量要差许多。

由于大口径的滤镜价格昂贵，一般选用50-60毫米的即可。如果望远镜口径较大，则需要自制一个光栏放在物镜前面，用来减小口径并固定滤光片。这种做法非常简单，也很安全。另外也可以将滤镜安装在目镜之前，这样可以利用望远镜的全口径，理论上说可以提高分辨率。但这样做会比较危险，因为目镜前的太阳像亮度很高，有可能将滤镜烤炸，而且光学镜片过热对性能也有影响。我曾经用我的8厘米折射镜作试验，用2个52毫米ND8滤镜减光，比较滤镜置于物镜前和目镜前所拍摄的照片，分辨率没有大的差别。

另一个办法是使用低感光度的底片，此时仍然需要一定的减光措施，但所要求的减光量会减少，因此较容易解决。如果拍摄黑白照片，可以选用8定黑白电影正片。这种制版用黑白"色盲片"感光度很低，颗粒细腻，反差高，并可以在安全红灯下直接冲洗，而且对黄绿光极不敏感。利用这一特点，可以在物镜前加装黄或绿的滤光镜达到综合减光的目的。此时虽然在取景器内的太阳像很明亮，但是所需的曝光时间大为延长。使用这种方法时要注意，色盲片的曝光宽容度很小，曝光要力求准确；另外色盲片片基背面没有防光晕层，底片极易划伤，在装卸和冲洗胶卷时要非常仔细。

当无法找到合适的光学滤光片时，也可以用曝光全黑的医用X光胶片甚至5英寸电脑磁盘内芯代替。但要特别注意，这些胶片虽然可以有效地阻挡可见光，但有可能无法阻挡肉眼不可见的红外辐射。这样在目视观测或取景调焦时，虽然太阳像的亮度适于肉眼观看，但未被过滤的红外线却可能在你并未察觉的情况下对眼睛造成损伤，因此要格外小心。

一年四季和一天内的不同时段，太阳像的亮度差异是很大的，可能达到几倍之多。因此在拍摄太阳黑子时，如果相机有内测光功能则要方便得多。否则，最好采用包围曝光的方式，在所选曝光速度之外，再分别增减一档曝光时间进行拍摄。尤其是在有大黑子或黑子群出现时，应该在不同条件下多拍摄几张，以免因为曝光不准而留下遗憾。

目前我使用南京天仪厂生产的8厘米折射望远镜做太阳摄影。在拍摄全日面像时，使用望远镜原配的4厘米太阳滤镜（透过率1/1000左右），后端加2X照相机增倍镜，合成焦距180厘米。曝光时间1/500秒左右（ASA100）。在拍摄黑子放大像时，使用2块52毫米的ND8中性滤光片，每一片的透过率为12.5%，放在物镜的前面，后面使用12.5毫米焦距的目镜将焦点像放大7倍左右。在正常的天气下，目镜二次成像摄影时曝光时间在1/2000秒左右（ASA100胶卷）。

二 全日面像的拍摄

135底片的面积是24X36毫米，要想把整个日面容纳进去，望远镜/镜头的等效焦距应当小于2700毫米。
天文爱好者自己的望远镜的焦距一般是1米左右，如果直接拍摄焦点像，大小约在9毫米，略嫌小些。如果能在相机前加装2X增倍镜，则成像直径增大到15-20毫米，效果会好得多。

全日面像能够记录日面上黑子/黑子群的数量、规模和分布状况，可以用来进行黑子计数及记录黑子产生、演化和消失的过程。除此之外，如果能在拍摄时标定方向，还可以计算出黑子的太阳日面坐标，这样所获得的数据将更加完整，更有价值。

由于太阳表面没有固定的标志物，要想确定黑子的日面坐标，需要以太阳周日运动的东西方向作为基准，因此必须在拍摄时同时记录有关图象方向的信息，然后利用天文年历给出的每天的日轴方位角，日面中心经度和中心纬度数据进行归算。在进行目视素描观测时，应该在观测前调整绘图纸的角度，使得东西方向线与太阳实际周日运动方向重合。对于照相观测，标准的做法是采用二次曝光方法，在第一次曝光完成后，停止跟踪，待太阳像由于周日运动移出第一次成像位置后，进行第二次曝光，从而在底片上记录下两个太阳像。在量度照片时，两个太阳圆面的外公切线即是东西方向。如下图所示：



二次曝光方法的难点在于首先相机要有重复曝光功能，其次赤道仪要有足够的稳定度。然而一般我们拥有的小赤道仪的刚性和锁紧的牢固性通常较差，在重复曝光上快门时很容易造成望远镜指向的移动，这样在确定方向时将有很大误差。

因此，我在实际拍摄中通常使用的方法是：使用赤道仪，在拍摄前首先停止跟踪，调整望远镜使得太阳像与照相机取景器内视场长边相切。观察太阳像的移动，转动调整相机的角度，使得太阳移动方向与取景器长边即底片长边平行。这样照片的长边就是东西方向，这种照片可以用来测量黑子坐标。

我使用的望远镜相机接口购自北京天文馆，一端是相机卡口，另一端是0.965英寸的目镜接口，可直接插入望远镜目镜调焦筒内，用螺丝锁紧即可。与螺纹连接方式比较，这样做的优点是相机可以随意转动，并在任意角度固定。在相机前面加入2X增倍镜后，合成焦距180厘米。

以下照片摄于1999年8月2日

三 数据处理

在冲洗出照片后，可以进行一系列测量：最简单的是计算黑子相对数，另外是测量黑子/黑子群的面积。这可以使用透明坐标网格片来进行。如果有计算机和扫描仪，可以将照片扫描后在图象处理软件中进行测量。首先确定太阳像的圆心和半径，以及黑子与太阳中心的距离（以像素为单位），再直接计数黑子占据的像素数。然后经过归一化和投影矫正后便可以计算出黑子的太阳半球面积了。

测量黑子日面坐标的过程相对复杂一些。一般采用专用的透明坐标网格片（载于《1991年天文普及年历》）直接读数测量。这种方法要求坐标网格的尺寸与太阳像尺寸相同。对于目视素描观测来说，这较容易做到，但对照相方法而言，由于每次扩印时，照片的放大率都稍有不同，再采用坐标网格片有时会很不方便。这时可以采用直接计算的方法，简述如下：

首先，在拍摄太阳像时必须记录方向基准，例如用上节介绍的方法。

测量日面坐标时，需要以东西方向作为基准。因此在扫描照片时，注意使得照片边缘与扫描仪边框平行。在扫描后，接下来是对照片进行测量。可以使用PHOTOSHOP等软件测量图形中某点的相对直角坐标。

首先要任选日轮边缘上的三点，测量出它们的相对坐标（均以像素为单位），便可以计算出日轮中心的坐标。然后测量黑子的位置，并换算成3维球面坐标。利用天文年历刊登的太阳自转轴方位角和日面中心纬度数据，对黑子坐标执行两次坐标系转动运算，可以求出黑子的纬度和相对经度；再加上日面中心经度值，便得到了黑子的坐标。

为了方便计算黑子的日面坐标，我们编制了计算程序（EXCEL文件），在输入有关测量数据后即可计算出太阳黑子坐标。



在测量出黑子的日面坐标后，可以将连续几日的数据标注在坐标图上。例如下图：



如果测量数据比较精确，有可能观察到太阳较差自转现象。如果连续观测的时间足够长，也许你可以根据自己的数据绘制出"蝴蝶图"来。

四 太阳局部像的拍摄
　
为充分发挥望远镜的分辨力，可以使用二次成像的方法拍摄黑子的放大像。此时需要在望远镜的目镜端加装投影装置，将焦点像放大后再进行拍摄。投影装置可以根据自己望远镜的情况自行制作。投影放大倍数的选择以使得望远镜的极限分辨角对应的的像点大小与底片的分辨率相当为宜。从实践来看，相片的分辨率主要取决于当时的大气宁静度。因此在拍摄时要在取景器中观察，在图象最清晰的瞬间按快门。

以下为我所使用的二次成像装置，是请尹相东帮助加工的。整个装置由两个部分组成，一是目镜接筒，二是延伸筒。目镜接筒连接在望远镜调焦筒后，内部固定一只12.5毫米的目镜。延伸筒套在目镜接筒外边，并用顶丝卡在目镜接筒后端的凹槽内，可以转动，便于取景，而且转动时不会造成焦点的移动。延伸筒的后端固定相机卡口。这套装置同样适用于月亮和行星的的拍摄。由于在二次成像时的焦深很短，相机和投影装置的重量可能会造成调焦筒的移动，因此在调焦完成后应该将调焦筒锁紧。



下图：1999年11月20日拍摄的黑子群照片：




以下照片摄于2000年9月23日。

在有较大黑子群出现时，可以使用上述方法首先拍摄整个太阳像，然后拍摄单个黑子群的照片，从而保留下完整的记录。有时我会在上班之前进行拍摄，从架设赤道仪到结束全部观测约15-20分钟。等到照片冲印出来后，你就可以悠然地欣赏自己的作品了。