第1章 和宇航員打個招呼吧！

你是否對那些飛過頭頂?shù)摹靶切恰备械胶闷妫縼砹私庖幌氯绾斡^察國際空間站、銥星閃光，以及其他明亮的人造衛(wèi)星吧。在這一章，我們會探索地球的影子怎樣讓人造衛(wèi)星出現(xiàn)和消失，還會了解宇航員驚艷的太空漫步背后有什么原理。

你遇到過這樣的情景嗎？夏夜戶外，你正沉醉于星空之美，忽然瞥見一顆星劃過蒼穹，就像從天際跌落一般。你看到的很可能并不是一顆天然的星辰。這種星離我們可近得多，這就是用鋁、鈦和碳纖維做成的人造衛(wèi)星。

從地面觀察天空，當太陽落到地平線以下，但陽光仍能照到高高的衛(wèi)星軌道時，你就會看到人造衛(wèi)星。這通常發(fā)生在黃昏和黎明。人造衛(wèi)星最好在曙光和暮光中觀察，破曉和日暮都十分悠長的夏天尤其合適。在山谷里，日落很久之后，山峰仍有余暉。人造衛(wèi)星也一樣。它們的軌道高，有機會沐浴在陽光里。當天空暗淡下來，披著陽光的人造衛(wèi)星看起來就像一顆移動的明星。

一般來說，人造衛(wèi)星的軌道高度為數(shù)百千米，是珠穆朗瑪峰高度的數(shù)十倍。在日落后和日出前的1～2個小時，人造衛(wèi)星軌道都有陽光照射。國際空間站和大部分科學衛(wèi)星都在近地軌道（Low Earth Orbit， LEO）運轉，高度為180～2000千米。導航衛(wèi)星，比如手機定位所依靠的GPS衛(wèi)星，其軌道高度為2000～35780千米。

同步氣象衛(wèi)星則在更高的軌道上回望著地球，從35800千米以外發(fā)回我們在晚間天氣預報中看到的圖像。

人造衛(wèi)星更適合在傍晚而不是深夜觀察，這背后的原因與地球的影子有關。晴天里，樹木和建筑會向地面投下影子，整顆行星也是如此。只不過地球的影子穿過大氣層，投向了外太空。日落時，地面上的我們會立即被地球的影子籠罩，但人造衛(wèi)星離地面高得多，它們要再過好一會兒才會進入地球的影子。最后，它們也會被黑夜吞沒，從人們的視線中消失。

日暮時分，對于地面上的觀察者來說，太陽已經落下，地球的影子徘徊在東方地平線以下。夜幕降臨，地球的影子逐漸升高，一點一點遮住天空。就像人們從陽光下走入建筑物的影子中一樣，在不同高度運行的人造衛(wèi)星也會一個接一個地步入地球的影子，從你的視線中消失。

黎明時分，地球的影子緩慢降落至西方地平線以下，時機又來了。夏天比冬天更適合觀察人造衛(wèi)星，因為曙光和暮光持續(xù)時間更長，也因為太陽角度更加有利（即使是在午夜，太陽距離北方的地平線也不會太遠），一部分天空在整個晚上都不會被夜幕覆蓋。冬天則恰恰相反，太陽深深地沉入地平線以下，地球的影子幾乎整晚占滿天空。

有時，一顆在陽光中飛行的人造衛(wèi)星會忽然進入地球的影子。你應該能猜出地面上的人會因此看到什么。沒有陽光照射，衛(wèi)星在飛行中途便會迅速從人們的視野中消失。你在觀察國際空間站時極容易碰到這種情況，因為它非常明亮，猛然消失自然令人驚奇。

說到這里，你可能會好奇今晚有什么人造衛(wèi)星會從頭頂飛過。目前，國際空間站是最亮、最容易看到的人造衛(wèi)星，它每92分鐘繞地球一周。就算提前知道了人造衛(wèi)星飛過的時間和方向，只要能如約看到它在自家房頂現(xiàn)身，你就能收獲觀星的驚喜。

即便是日常過境，國際空間站也像木星一樣光亮奪目，有時候甚至能跟金星的光輝媲美。閃耀的國際空間站在我們眼中看起來非常大，這就是輻照錯覺——在黑暗的背景中，明亮光源發(fā)出的光芒會在我們的虹膜上散開。除非使用高倍雙筒望遠鏡或者小型天文望遠鏡，否則我們無法看到國際空間站真實的形狀和大小。人造衛(wèi)星大小不一，小的像一片面包，大的堪比足球場，但我們在數(shù)百千米外看到的它們都是一個個星點。

出去看看吧，也許ISS今晚就會從你家附近飛過。你可以提前出門，留出幾分鐘來辨別方向，并且讓眼睛適應黑暗。你很快就會看到最有趣的事，一顆明亮的淺黃色“星星”飛過你的頭頂，這“星星”里擠著ISS的全體宇航員。我總是驚訝于ISS的守時。如果它應該晚上8點02分出現(xiàn)，那么一定會有一顆移動的明星在這個時間出現(xiàn)在西北方的天空中。這是科學，但感覺實在像魔法。

一般來說，ISS會首先出現(xiàn)在西方的低空，穿過北方或南方的天空然后在東方落下。ISS相當明亮，不論是住在郊區(qū)、小城市，還是鄉(xiāng)村，你都能看到它，這不成問題。它的光亮是穩(wěn)定的，不像飛機那樣閃爍。

飛機有紅色和綠色的機翼燈，以固定的時間間隔閃爍。而ISS等大多數(shù)人造衛(wèi)星則像普通的星辰一樣，發(fā)出穩(wěn)定的光。偶爾，一顆不再工作的人造衛(wèi)星或者用來發(fā)射衛(wèi)星的某一級火箭會失控墜下，一邊旋轉一邊反射陽光，方向不定。但是從地面上看，這種閃光是白色的，而且節(jié)奏散亂。經過幾個月的觀察，你很容易將它們區(qū)分開。你也會很快認出一閃即逝的流星。

當你看到ISS過境時，請注意它的顏色。大多數(shù)人造衛(wèi)星顏色并不鮮艷，但是ISS有8個巨大的太陽能電池陣，由一種叫作聚酰亞胺的金色材料制成，這使得ISS蒙上了一層淺黃色。有時，太陽能板會沖著你的方向反射陽光。在這一刻，ISS會格外閃亮。這可是個令人愉快的驚喜，千萬別錯過了。

剛爬上西方地平線時，ISS看上去行動緩慢，而且不怎么明亮，因為它距離我們非常遙遠。當它快要來到頭頂時，你和ISS里的宇航員僅僅相隔400千米。這時的ISS看上去最為明亮、移動速度最快，和飛機差不多。當全體宇航員以每小時28160千米的速度從你的頭頂飛過時，請不要忘了向天空招手，說一聲“你好”。真是有趣，這可能是我們大多數(shù)人離宇航員最近的時刻了。

在條件理想的清晨或黃昏，你可以兩次觀察到ISS過境，每次相隔一個半小時。其中一次觀察通常在ISS進入地球影子后結束。從宇航員的角度來看，這正是日落時分。地面上有紅色和橙色的暮光，ISS也會在日落時染上同樣的色彩。我曾嘗試用肉眼去觀察ISS的顏色變化，但從來沒有成功過。這種現(xiàn)象用雙筒望遠鏡很容易看到。你可以試一試。

每過幾個月，就有宇航員乘坐俄羅斯的聯(lián)盟號宇宙飛船（Soyuz）從地球前往ISS，或者從ISS返回地球。將來，美國的私人發(fā)射設施會和NASA簽訂合同并參與搭載宇航員。貨運飛船則在常規(guī)對接中向ISS運送食物、燃料、零件，等等。觀察這些太空設備飛來飛去是觀星的重要樂趣。在接近ISS的過程中，繞著軌道一圈圈飛行的貨運飛船會逐漸靠近ISS，兩者一前一后地飛過你的頭頂，就像貓捉老鼠一樣有趣。

只要觀察過幾次ISS過境，你就會注意到，它越過天空的弧線既可以非常低，也可以高高地經過頭頂。ISS可能在北面“開拓航線”，切出一條從西北到東南的對角線，也可能在南方的地平線附近勉強擦過，具體情況取決于你所在城市的經緯度，以及國際空間站進入你視野時的軌道位置。

你知道ISS為什么永遠從西向東飛行，而不會反過來嗎？這是因為大多數(shù)衛(wèi)星都是向東發(fā)射的，這樣便于利用地球自西向東的自轉，不費吹灰之力地得到一部分速度。一顆從卡納維拉爾角發(fā)射的衛(wèi)星會自動獲得每小時1473千米的速度，這就是地球自轉在當?shù)鼐暥壬系木€速度。誰會不喜歡贈品呢？多虧了地球自轉，搭載衛(wèi)星的火箭可以小一些，少帶些燃料，節(jié)省些開支。

ISS繞地球旋轉的軌道和赤道形成了51.6°角，這是一個很大的傾角。這個角度決定了地球上可以看到ISS的地方。南緯51.6°到北緯51.6°之間的所有人都可以看到ISS飛過頭頂。還有一些人雖然不在這個范圍內，但離得不遠，他們可以在天空中低一些的位置看到它，但不會看到它出現(xiàn)在頭頂。大部分人都在這個緯度范圍內或者附近居住，因此地球上95%的人有機會看到ISS。

而哈勃空間望遠鏡的軌道傾角只有28.5°，它的情況就不一樣了。有一次我去南卡羅來納州的查爾斯頓（北緯33°）參加一個會議，我下決心要借這個機會觀察哈勃空間望遠鏡，因為我永遠沒法在明尼蘇達州北部的家里（北緯47°）看到它。哈勃空間望遠鏡既沒有ISS亮，也沒有ISS大，它的體積和一輛校車差不多。哈勃空間望遠鏡在550千米高的軌道上，每96分鐘繞地球一圈。如果你的家緯度正好在美國南部到南美洲中部之間，那你一定要在空中找一找它。Heavens-Above網站可以提供觀察哈勃空間望遠鏡所需的信息。

國際空間站不停地繞著地球轉，速度是每小時28160千米，每92分鐘繞完一周。因此，全體宇航員每天都會經歷15～16次日出。但無論如何，看著地球不斷變化的云層和速度奇快的日出，他們永遠也不會覺厭煩。ISS的軌道高度傾斜，這使得宇航員可以非常靠近極光區(qū)，保證他們能經常看到北極光和南極光。

宇航員在空閑時間里可以觀察地球，但是在別的時間里，他們和我們這些地球上的家伙一樣，也要工作。ISS是個太空實驗室，在獨特的微重力環(huán)境下，宇航員做著生物、物理、氣象、天文和化學方面的實驗。

看到宇航員在艙內飄浮，在布滿窗戶的穹頂艙欣賞圖畫般的地球景致，你會以為ISS里沒有重力。這就大錯特錯了。假設有一刻重力確實沒有了，你能猜到會發(fā)生什么嗎？整個ISS會從地球旁邊飄走，進入繞太陽飛行的軌道。實際上，重力就像一條繩子一樣系著ISS，所以它才不會飄遠。為什么那里面看起來好像不存在重力呢？在快速下降的電梯里，你可能有一瞬間感覺自己幾乎要從地面上飄起來了。乘坐飛機遇到劇烈的湍流時，你也可能體驗到同樣的感覺——飛機就像要從你身體下面掉下去一樣。現(xiàn)在，把ISS想象成電梯和飛機，你就明白了。

繞地飛行的每一圈、每一分鐘，ISS都在向著地球下落。但同時，它向前移動的速度足夠快，這使得它能沿著地球的弧線繼續(xù)下落，但不至于墜落。當你環(huán)繞一個球體運動的時候，它的表面總是在向下滑落。如果地球是平的，ISS會很快墜毀。如果你還不確信地球是球體，那么想一想吧，開心的宇航員們每天還能發(fā)推特，這就是證明！

國際空間站不會每天晚上都出現(xiàn)。煩人的地球重力依然存在，所以ISS有周期性的可見窗口，持續(xù)時間大約是兩個月。在一個周期里，它會連續(xù)一個月在黎明的天空中出現(xiàn)，接下來一個月在傍晚的天空中出現(xiàn)，在此之后，ISS會消失一段時間。這段時間里它仍然在空中，像以前那樣飛行，只是出現(xiàn)的時間變成了白天。很快，ISS會重新出現(xiàn)在清晨，開始一輪新的周期。

這個周期在一年中不斷重復，唯一的例外出現(xiàn)在5月末到6月初，這是北半球的初夏時節(jié)。這時，ISS的軌道和地球的晨昏圈幾乎對齊。從宇航員的視角看，太陽永不落下。此時，北緯40°?55°地區(qū)（或夏天的南緯40°?55°地區(qū)）會有人看到ISS始終在陽光里，不進入地球的影子。ISS一晚上不再只過境一兩次了，從黃昏到清晨，你最多可以看到ISS過境五次。那些在外面熬了一整夜并且成功觀察到所有過境的人可以驕傲地說，他們參與了一場成功的ISS馬拉松。南半球觀星者的馬拉松則出現(xiàn)在12月。

即使是軌道最低的人造衛(wèi)星，高度也在161千米以上。ISS比其他任何人造衛(wèi)星都要亮，因為它是太空中最大的人造機器，比那些冰箱大小的物體反射的陽光更多。另外，它還安裝了8個巨大的太陽能電池陣，反光更加強烈。太陽光通過電池陣轉化為電力，供ISS運轉。

人們有時會說，人造衛(wèi)星在天空中的運動斷斷續(xù)續(xù)，甚至有著“之”字形的軌跡。你可能也看到過這種現(xiàn)象。這一幕是真實的，只不過它源自我們的眼睛，而不是人造衛(wèi)星。當我們改變視角的時候，我們眼球的移動是一下一下的，而不是平滑連續(xù)的。在工作和生活中，當我們面對日常大小的物體時，常常注意不到這點，但是當我們去看黑暗背景上一個運動的光點時，人眼的這個特別之處就暴露了。

一般來說，在郊外的天空中，我們每小時可以看到10～20顆人造衛(wèi)星。想要找到它們、認出它們的話，你可以訪問Heavens-Above網站，點擊“人造衛(wèi)星”（Satellites）條目下的“明亮衛(wèi)星每日預報”（Daily Predictions for Brighter Satellites）。網站會根據(jù)你所在的地區(qū)彈出一個列表。這個網站也給出了哈勃空間望遠鏡的預報鏈接。這里提到的一部分人造衛(wèi)星App里也有哈勃空間望遠鏡的預報，還有其他不太著名的人造衛(wèi)星的預報。不管用哪一個App，你都應該首先關注亮度等級（mag）數(shù)字最小的人造衛(wèi)星，比如3等的或者更亮的。對于初學者來說，4等和更暗的衛(wèi)星很難看到。我們會在第4章探討亮度等級，天文學家常常用這個系統(tǒng)表征天體亮度。

人造衛(wèi)星是太空時代才有的產物，最早的人造衛(wèi)星是蘇聯(lián)在1957年發(fā)射的斯普特尼克號（Sputnik）。一轉眼到了今天，每個晚上都有數(shù)百顆人造衛(wèi)星從人們頭頂飛過。從國際空間站到拳頭大小的火箭爆炸殘片，美國戰(zhàn)略司令部（U.S. Strategic Command）正在跟蹤的物體超過了17000個，其中只有不到10%是活躍而有用的人造衛(wèi)星。然而，不論是無用還是活躍，它們都因反射陽光而閃耀著。

讓人意想不到的是，大部分人造衛(wèi)星甚至不是正在發(fā)揮功能的飛行器，而是等級火箭的殘片，它們將監(jiān)視衛(wèi)星、通信衛(wèi)星和科學衛(wèi)星送入正軌后，就落進了環(huán)繞地球的軌道。殘片多種多樣，有衛(wèi)星測試和意外爆炸遺留下的殘渣和彈片，也有宇航員在太空行走中丟失的工具包。難怪軌道上的人造物體總數(shù)超過了500000件。

你在郊區(qū)可以看到幾百顆較亮的人造衛(wèi)星，里面有超過1/3都是蘇聯(lián)/俄羅斯的，是曾經將軍方衛(wèi)星送上軌道的等級火箭。運轉中的人造衛(wèi)星功能各異，涉及監(jiān)視、氣象、偵察和通信等領域。仍然在軌的最老的衛(wèi)星是美國在1958年3月17日發(fā)射的先鋒1號（Vanguard 1）。

我在前面提到，很多人造衛(wèi)星為了利用地球自轉，會自西向東運動。另外一些人造衛(wèi)星，包括一些氣象衛(wèi)星、監(jiān)視衛(wèi)星和軍事偵察衛(wèi)星，則沿著自北向南（或自南向北）的軌道運動，這樣的軌道叫作“極地軌道”。當?shù)厍蜻M行著每天一周的自轉時，這些人造衛(wèi)星可以“看到”整個地球。