在南极做天文学研究，是什么样的体验？图为本文作者拍摄的南极现场工作图，卡32直升机将集装箱从雪龙吊运至出发基地，队员们需要顶着直升机的下压气流将集装箱与挂钩解开。 在这个星球的南极做天文学研究，是一种什么样的体验？国家天文台副研究员冯麓以自己的亲身经历，讲述最近在南极科考的一次梦想之旅。
有人曾问过英国著名登山家乔治·马洛里：“你为何要去攀登珠穆朗玛峰？”他给出的答案非常简单：“因为它就在那里。”南极被称作地球上气候最为恶劣的地方，它是地球上温度最冷、风最大、也最为干旱[1]的地方。而冰穹A则是这人迹罕至的大路上的海拔最高点。极端的地理位置造就了它极端的气候条件，而极端的气候条件必然能够成就极端的科学成果。对于马洛里而言，攀登珠峰就是他的梦想，而对于科学工作者而言，前往冰穹A则是心中的梦。笔者两年前虽然有幸参加了中国第37次南极科考内陆队训练，但当时未能成行。直到2022年底，笔者终于和另外15名内陆队员一起踏上了前往南极冰穹A的漫长路途。2022年10月下旬，伴随着汽笛的鸣响，红白相间的雪龙号伴着雪龙2号离开了位于上海浦东的码头。雪龙号载着150余名科考队员，也承载着他们的梦，一路向南，奔赴南极大陆。图1 临行前一天科考队员在雪龙号前的合影。图片来源：中国极地中心。这些科考队员们不仅有来自雪龙号所隶属的中国极地中心，同时还包括了来自各大高校、中国科学院、中国气象科学院、海洋局等多家单位的科研人员。在这其中，有些队员已经是多次往返南极的“老前辈”，但是也不乏一些像笔者一样第一次来南极，甚至第一次出海远洋的新手。除去船员以外，科考队员根据各自执行任务内容或作业位置，被分入以下的几个站队：负责管理/综合行政任务的综合队，执行海洋作业任务的大洋队，分别在中山站/罗斯海新站执行任务的中山战队及新站站队，负责直升机和固定翼飞机飞行/运行/维护的直升机队和固定翼队，以及前往南极内陆昆仑站、在极地深处及沿途执行一系列任务，由16名队员组成的内陆队。“水云间”
或许是因为出港时全体队员在甲板上对港口的亲人们齐声喊着“感谢祖国！感谢亲人！明年再见!”让笔者莫名产生了种想掉头回家的思乡情。但随着第一个晚上就赶上并持续了两三天的东海强气旋，这些杂念就统统都被摇到九霄云外去了。海水晃荡荡，楼道静悄悄，脚下无根，即使偶尔状态好些上到甲板上吹风，不一会儿也不得不再次躺下努力对抗脑中的晕眩感。但好在气旋来得急，去得也快。在穿过第一岛链后，风浪渐弱，船摇晃的幅度也开始令笔者这个“旱鸭子”可以逐渐接受。甲板上出来透风的队员越来越多，其中一位老哥的话总结得非常准确：“船动我不动，我动船不动”。大抵如此。而此时我们也有了更多的时间去欣赏海天在一日之间变化的景色。雪龙从上海出发前往中山站的路线大致可以分为以下几段：自上海出发向东南穿过琉球群岛进入太平洋菲律宾以东海域；从菲律宾群岛东南进入苏拉威西海，穿望加锡海峡到达印度尼西亚以南的印度洋海域；其后，一路向南，直奔南极中山站。其单程（上海—中山站）航程在12000公里以上，用时大约25天左右。在这25天当中，大海和海面上空漂浮的云朵也在我们的面前呈现出了不同的样貌。图2 红色的线路为第39次队“双龙（雪龙号和雪龙2号）探极”的海上路线图，左边为去程，右边为回程。图片来源：武汉大学PolarGo，双龙探极三位综合信息系统
图3 造成船身在水中摇摆的“涌浪”实际上分为“涌”和“浪”两部分。其中“浪”通常指由风引起的短距的“风浪”，看上去就是海面上的白色浪花。而“涌”则是长距离传播的由开放水域中强烈风暴与巨量海水相互作用的结果，在水面上见不到白色水花，却有明显起伏。“涌”的能量巨大，是造成船身摇摆的主要原因。（右图）明显的“涌”，（左图）“涌”和“浪”。
图4 左边金色夕阳的映衬下，右边的云彩之下已经能看到浓密的“雨幡”（雨滴下落蒸发过程中形成的丝状悬垂物），云彩下的雨势应该不小。这个区域（低纬、热带）的云层普遍呈现云底非常平整且高度基本一致的特点，很有意思。
图5 同一位置同一时间向西（左图）和向东（右图）看去“海天并不一色”。但都体现了自然之美。这样的颜色变化源自于太阳的角度和大气折射。除了海上的风景，船上这150余名天天相处的船员和乘客也是一道风景线。形形色色的，来自祖国不同省份，从事不同岗位的朋友们能够相聚在这半年的旅途中本身就是一种缘分。尤其是在低头不见抬头见的有限的船上空间中，人与人在共同工作、生活、聊天当中也会变得越来越熟络：“兄弟”、“叔”、“老板”（戏称）这些称呼经常会从队员们的嘴里蹦出，显得格外亲切。而平日里队上组织的劳动、学习、趣味比赛及运动会等活动也为我们了解熟悉彼此提供了宝贵的渠道。图6 过赤道运动会开始前，雪龙号上的队员们在雪龙号后甲板直升机停机坪上合影。运动会就在后甲板上进行。只是天公略微有些小脾气，在“赤道无风带”还给我们下了场雨，带来了些风浪。好在大家这时已经习惯了船只摇摆的感觉。看来这“赤道无风带”也并不是没风呀。图7 印度尼西亚、赤道附近需要提防海盗来袭，所以晚上会安排队员结队在船上巡逻。图中就是一名队员举着强光探照灯扫视海面。在经历了20个昼夜的航行后，笔者在甲板上见到了有生以来看到的第一块海上浮冰，并很快在甲板左舷与人生中的第一座冰山相遇。浮冰越来越多，越来越大。但有趣的是，绕着船周围飞翔的海鸥种类却越来越多，数量也比前面20来天要多得多。那通体雪白的雪鹘翱翔在冰海天空之间俊朗的身姿，让人看得心驰神往。这一切也说明我们已经逐渐逼近南极大陆。
图8（左）去程中见到的第一座漂浮在海面之上的冰山；（中）浮冰在水下的部分映出近似“缇芙尼蓝”的颜色；（右）远处于浮冰区前行的雪龙2号。
图10 在浮冰上休息的雪鹘(左）与结伴飞行的斑点鹘（右）。随着海面上碎冰越来越多，海浪受到碎冰的阻挡无法再兴风作浪，此时的海面异常平静。低于冰点的气温加上平静的海面使得表面的海水形成一层薄薄的“新生冰”。这些新生冰主要以荷叶形为主，所以也叫“荷叶冰”。在更广阔的地方，它们还能形成更大面积的片状，有着神奇花纹的“新生冰”。图11 海面上一层极薄的片状新生冰。冰面呈现出漂亮的条纹形状。在下方则能看到小小的一片片圆形的“荷叶冰”。异常安静的极区冰面上偶尔会传来“啊”的一声长啸，原来那就是企鹅的叫声。虽然能听到声音，这些小家伙儿可能因为身型小，周围的冰块又异常巨大，十分难找。我们时不常能看到企鹅的小脚印，但直到进入极区的第二天，笔者才终于亲眼得见一只落单的小企鹅。在极昼即将到来之际，夕阳也向我们展现了极区夜晚的壮美景色。远方的中山站即将迎来新一年从祖国奔赴而来的亲人们，而内陆队的队员们也即将踏上前往南极之巅——冰穹A的行程。图14 夕阳（此时已是当地时间凌晨12点）映照下的晚霞，冰面，和雪龙2号。“下一口中山兄弟的酒，携手的岁月梦里再回首”
——《给南极的歌》/田彪
图16 中国南极科考站在南极大陆的分布（图片来源：中国科普网）。中山站是中国极地研究中心在南极洲上建立的科学考察站之一，也是继长城站之后开辟的第二个南极科考站。它位于东南极伊丽莎白公主地的拉斯曼丘陵，紧靠海边。这样的选址一方面有助于船只靠近站点，缩短海冰卸货（利用雪地车+雪橇从船只上卸载货物并运输至站点）距离；另一方面，从图14中也能看到中山站向西南方向，冰盖会迅速增厚，在裸岩暴露的海边建永久站比在流动的冰盖边沿建更为稳妥。11月24日，内陆队全体16名成员在中山站集合。考虑到适合在冰盖开展工作的南极夏季窗口期很短，乘坐直升飞机登站后，队员们便前往距离中山站数公里外，冰盖上的出发基地进行作业。作业内容主要包括：修理维护运载货物用的雪橇和人员休息生活的集装箱改造舱室；协同直升机将物资卸货至出发基地指定地点，并将物资整理、搬运、吊装、捆扎到雪橇上；倒油，将雪龙号上吊运过来的油从油囊倒入油罐雪橇中。待一切收拾准备妥当，两人一辆卡特拖拉机或Pisten Bully雪地车（PB）连上一列雪橇，列队奔赴南极大陆。而这已是到达中山站后的第19天，出发基地处准备工作量之大可见一斑。在出发基地作业期间，笔者第一次亲身感受到了南极之所以被称作“风极”的原因——时速高达35m/s的大风和随着大风而来的地吹雪。由于时间紧迫，队友们在寒风中仍旧坚持作业。细小却又坚硬无比的雪粒击打在裸露的皮肤上，钻进衣服的缝隙里，天地之间一片白，唯一能够倚仗的就是与你并肩作战的队友，战友的友谊就是在这种环境中稳固建立起来的。图18 大风、地吹雪造成的白化天中，队友们仍在干活。12月12日，终于迎来了出发前往内陆的一刻。极富仪式感地一口干掉从中山兄弟手中递来的壮行酒后，姚旭队长一声令下“出发”，车队缓缓地向冰盖深处的冰穹A进发。
图19 内陆队（着红色企鹅服）和来出发基地送行的中山兄弟们（桔色工作服）在出发前的合影。图片来源：中国极地中心。整个车队主要包含了4辆重型雪地拖拉机和3辆雪地车以及29个装载着科研、生活物资、维修配件、油罐、生活舱的雪橇。从出发基地单程至冰穹A行程约1300公里海拔攀升至4083米。沿途经520公里处的泰山站，最终抵达冰穹A附近的昆仑站。一行需在路上日夜兼程15天。在去程和回程分别抵达泰山站、昆仑站、格罗夫山区域时则需在站执行相关任务。内陆总行程76天。而全队所要执行的科研项目从出发之日起便旋即开始。
图20 内陆队从中山站（图中Zhongshan Station）至冰穹A（图中Dome A）附近的昆仑站的行进路线的三维地形图及等高线。右上插图为该地形切片与南极大陆的相对位置。左下为行进路线的冰面高程（蓝）及基岩高程（黑）。从地形图中可见，自中山站出发后，行进路线均在冰盖之上。这些项目中包括如气象、地学、天文、冰雪相关科学等方方面面的内容，往返均需要沿途搭建、修理维护诸多设备。在远离人际，没有任何生物[2]的内陆冰面上，严寒、大风、冰雪的鞭笞下，能撑起这些任务且顺利完成的只有在这片天地之间的内陆队的16位兄弟。
图22 除夕夜23点，750公里处全队合力搭建磁力计。
图26 作为尾车驾驶，在前进过程中同时要负责检视车队行进情况及车辆情况，时刻准备对车辆雪橇进行维修，尤其是在白化天的时候。(左）为同车机械师曾应根刚返回车辆。（右）白化天当中，中途加完油准备出发的PB（右侧车辆）及卡特拖拉机（左侧）。工作的内容多样繁杂，路上坎坷，在这里均不再细数。取39次科考队总领队张领队的总结，即：“纵然岫壁千寻，（但却难挡）首次由一支内陆队执行昆仑站、泰山站和格罗夫山三个区域的考察任务……”图27 归途路上的泰山站。此时极昼已快结束，太阳在凌晨已经降到接近地平线。图29 昆仑站附近碰撞并堆积产生的“毛毛雪”。图25和图26 出现的原因都可归咎于空气中水蒸气的凝华现象。“也路过，旋转的星空，发现光，颜色万种”
——《再见深海》/唐汉霄
在经历了76天内陆生活的兄弟们终于再次回到中山站。虽然在站上和出发基地仍有工作需要完成，但心情终归不同。不仅如此，或许老天爷也为了庆祝他们平安归来，奉献了一场又一场极度绚丽的极光秀。而中山站附近的景色和小企鹅们也让每每工作得浑身疲惫的队员们心情倍感舒畅。图33 中山站六角楼坡下旧码头旁边褪毛的一群阿德利企鹅（图中右上角）。图34 从内陆刚回到中山站的队员们正赶上太阳活动极大，也因此遇到极为绚丽的极光。天空出现肉眼可见的变化万千的色彩，那种感觉就像《三体》中说的：“天空在为你而闪烁”。“双眼熏出泪光，嬉闹把杯灌满，一起等黎明出现”
——《未知艺术家》/夸克乐队
盛宴总有结束的一天,雪龙号的到来标志着南极之旅的收尾。这群过命的兄弟们完成了所有任务，也终于踏上了回家的旅程。夜晚皎洁的月光映在海面之上，酒杯间我们聊起路上的奇遇和对未来的期望，或嬉笑，或哭泣。虽然未来的旅途不同，但期待我们能再次相聚，兄弟。图35 出发基地眺望雪龙号。在离开南极前，在出发基地和中山站仍有大量工作需要完成。拍摄于在南极大陆最后一天上午的出发基地。
图38 中山站附近的企鹅及第39次南极科考内陆队行进路线图。南极由于其独特的地理位置，不仅有着独一无二的气候环境，同时也是整个地球上受到人类活动影响最小的地区。这对于自然科学研究以及应对极端气候的科研设备研究都有着重要意义。举例来说：冰川、气象学通过向冰盖深处钻孔获取冰芯，再对不同深处的冰芯进行物质及同位素研究便可以了解在不同年代（对应不同成冰深度）大气沉降到雪面上的成分，进而研究地球大气的演化过程。测绘、地球物理学通过定期大量测量相同位置的冰面高度，可以研究南极冰川消融的情况，结合其他的证据，推测南极冰川融化与地球气候之间的关系。南极极夜期间经常会出现的极光由于与太阳磁场以及地球磁圈有着紧密联系，通过获取极光的变化信息结合太阳磁场和相关卫星的数据便可反演出地球磁圈的具体特点，进而完善对地球磁圈的物理描述。而低至近令下90度，风速可达约40m/s，风吹雪极其严重的南极极夜又是对野外科研设备耐用与否最好的考研环境。对于海洋学、鸟类、鱼类等科学研究，南大洋更是一番与众不同的天地。在南极，这样独一无二的科研研究内容不胜枚举。
对于天文而言，地球上唯一能进行24小时连续天文观测的地方只有南极和北极，而南极极点附近高纬昆极站所在的位置极夜的时间又长于北极极圈附近诸岛，在这一点上就已经奠定了其观测优势地位。更有意思的是，尽管南极被称作“风极”——整个南极大陆多风，且风力极强，但在昆仑站附近却又近似是一个“无风区”（这也是其周围会出现文中“毛毛雪”的主要原因）。地面的微风或是“无风”，再加上雪面产生的“（辐射）逆温现象”使得在南极内陆昆仑站附近的视宁度极优[3]，同时它又是我国能够进行南天观测的稀缺站址之一。这就令其不仅能进行连续的时域观测，且能在这样长时间的观测当中长期保持极优的成像观测条件。
另一方面，正如前文所说，南极极为干旱，大气当中的水汽含量极低，这也就极大程度上减弱了水汽对于天体信号的削弱，尤其是在对水汽敏感的太赫兹波段。这对于方兴未艾的太赫兹天文学研究自然具有无穷的吸引力。
如何能够发挥出它的优势则是天文学家们需要考察、思考并研究的重要内容，也是我们前往昆仑站天文场地的主要目的。
快看，极光！作者冯麓博士送给读者朋友的彩蛋。
作者简介：
冯麓，博士，现为国家天文台副研究员，三十米望远镜项目组成员。主要研究方向为自适应光学系统，钠激光导星技术及相应的天文观测方法。
注：本文图片未注明出处的，均为作者个人拍摄作品。
相关注释：
[1] 南极洲属于冰盖气候，常年几乎没有降雨降雪，而降雨量正是干旱与否的判定依据。尤其是世界上最干旱的地区“麦克默多干谷（McMurdo Dry Valleys）”。
[2] 企鹅、海豹、海鸥（主要是贼鸥）这些生物仅在南大洋沿岸分布。
[3] 相关Nature文章见“Night-time measurements of astronomical seeing at Dome A in Antarctica”，https://www.nature.com/articles/s41586-020-2489-0
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