第1章 和宇航員打個(gè)招呼吧！

你是否對(duì)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(huì)探索地球的影子怎樣讓人造衛(wèi)星出現(xiàn)和消失，還會(huì)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(dāng)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(shí)，你就會(huì)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(jī)會(huì)沐浴在陽光里。當(dāng)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(dòng)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(gè)小時(shí)，人造衛(wèi)星軌道都有陽光照射。國際空間站和大部分科學(xué)衛(wèi)星都在近地軌道（Low Earth Orbit， LEO）運(yùn)轉(zhuǎn)，高度為180～2000千米。導(dǎo)航衛(wèi)星，比如手機(jī)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(yù)報(bào)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(guān)。晴天里，樹木和建筑會(huì)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(shí)，地面上的我們會(huì)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(huì)兒才會(huì)進(jìn)入地球的影子。最后，它們也會(huì)被黑夜吞沒，從人們的視線中消失。

日暮時(shí)分，對(duì)于地面上的觀察者來說，太陽已經(jīng)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(diǎn)一點(diǎn)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(yùn)行的人造衛(wèi)星也會(huì)一個(gè)接一個(gè)地步入地球的影子，從你的視線中消失。

黎明時(shí)分，地球的影子緩慢降落至西方地平線以下，時(shí)機(jī)又來了。夏天比冬天更適合觀察人造衛(wèi)星，因?yàn)槭锕夂湍汗獬掷m(xù)時(shí)間更長，也因?yàn)樘柦嵌雀佑欣词故窃谖缫梗柧嚯x北方的地平線也不會(huì)太遠(yuǎn)），一部分天空在整個(gè)晚上都不會(huì)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(shí)，一顆在陽光中飛行的人造衛(wèi)星會(huì)忽然進(jìn)入地球的影子。你應(yīng)該能猜出地面上的人會(huì)因此看到什么。沒有陽光照射，衛(wèi)星在飛行中途便會(huì)迅速從人們的視野中消失。你在觀察國際空間站時(shí)極容易碰到這種情況，因?yàn)樗浅Ｃ髁粒腿幌ё匀涣钊梭@奇。

說到這里，你可能會(huì)好奇今晚有什么人造衛(wèi)星會(huì)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(shí)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(shí)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(cuò)覺——在黑暗的背景中，明亮光源發(fā)出的光芒會(huì)在我們的虹膜上散開。除非使用高倍雙筒望遠(yuǎn)鏡或者小型天文望遠(yuǎn)鏡，否則我們無法看到國際空間站真實(shí)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(gè)個(gè)星點(diǎn)。

出去看看吧，也許ISS今晚就會(huì)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(yīng)黑暗。你很快就會(huì)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(shí)。如果它應(yīng)該晚上8點(diǎn)02分出現(xiàn)，那么一定會(huì)有一顆移動(dòng)的明星在這個(gè)時(shí)間出現(xiàn)在西北方的天空中。這是科學(xué)，但感覺實(shí)在像魔法。

一般來說，ISS會(huì)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(dāng)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(jī)那樣閃爍。

飛機(jī)有紅色和綠色的機(jī)翼燈，以固定的時(shí)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(jí)火箭會(huì)失控墜下，一邊旋轉(zhuǎn)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(jīng)過幾個(gè)月的觀察，你很容易將它們區(qū)分開。你也會(huì)很快認(rèn)出一閃即逝的流星。

當(dāng)你看到ISS過境時(shí)，請(qǐng)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(gè)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(shí)，太陽能板會(huì)沖著你的方向反射陽光。在這一刻，ISS會(huì)格外閃亮。這可是個(gè)令人愉快的驚喜，千萬別錯(cuò)過了。

剛爬上西方地平線時(shí)，ISS看上去行動(dòng)緩慢，而且不怎么明亮，因?yàn)樗嚯x我們非常遙遠(yuǎn)。當(dāng)它快要來到頭頂時(shí)，你和ISS里的宇航員僅僅相隔400千米。這時(shí)的ISS看上去最為明亮、移動(dòng)速度最快，和飛機(jī)差不多。當(dāng)全體宇航員以每小時(shí)28160千米的速度從你的頭頂飛過時(shí)，請(qǐng)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(shí)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(gè)半小時(shí)。其中一次觀察通常在ISS進(jìn)入地球影子后結(jié)束。從宇航員的角度來看，這正是日落時(shí)分。地面上有紅色和橙色的暮光，ISS也會(huì)在日落時(shí)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(yuǎn)鏡很容易看到。你可以試一試。

每過幾個(gè)月，就有宇航員乘坐俄羅斯的聯(lián)盟號(hào)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(shè)施會(huì)和NASA簽訂合同并參與搭載宇航員。貨運(yùn)飛船則在常規(guī)對(duì)接中向ISS運(yùn)送食物、燃料、零件，等等。觀察這些太空設(shè)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(yùn)飛船會(huì)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(huì)注意到，它越過天空的弧線既可以非常低，也可以高高地經(jīng)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(duì)角線，也可能在南方的地平線附近勉強(qiáng)擦過，具體情況取決于你所在城市的經(jīng)緯度，以及國際空間站進(jìn)入你視野時(shí)的軌道位置。

你知道ISS為什么永遠(yuǎn)從西向東飛行，而不會(huì)反過來嗎？這是因?yàn)榇蠖鄶?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(zhuǎn)，不費(fèi)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(huì)自動(dòng)獲得每小時(shí)1473千米的速度，這就是地球自轉(zhuǎn)在當(dāng)?shù)鼐暥壬系木€速度。誰會(huì)不喜歡贈(zèng)品呢？多虧了地球自轉(zhuǎn)，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(zhuǎn)的軌道和赤道形成了51.6°角，這是一個(gè)很大的傾角。這個(gè)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(gè)范圍內(nèi)，但離得不遠(yuǎn)，他們可以在天空中低一些的位置看到它，但不會(huì)看到它出現(xiàn)在頭頂。大部分人都在這個(gè)緯度范圍內(nèi)或者附近居住，因此地球上95%的人有機(jī)會(huì)看到ISS。

而哈勃空間望遠(yuǎn)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(gè)會(huì)議，我下決心要借這個(gè)機(jī)會(huì)觀察哈勃空間望遠(yuǎn)鏡，因?yàn)槲矣肋h(yuǎn)沒法在明尼蘇達(dá)州北部的家里（北緯47°）看到它。哈勃空間望遠(yuǎn)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(yuǎn)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(wǎng)站可以提供觀察哈勃空間望遠(yuǎn)鏡所需的信息。

國際空間站不停地繞著地球轉(zhuǎn)，速度是每小時(shí)28160千米，每92分鐘繞完一周。因此，全體宇航員每天都會(huì)經(jīng)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(yuǎn)也不會(huì)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(jīng)常看到北極光和南極光。

宇航員在空閑時(shí)間里可以觀察地球，但是在別的時(shí)間里，他們和我們這些地球上的家伙一樣，也要工作。ISS是個(gè)太空實(shí)驗(yàn)室，在獨(dú)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(xué)方面的實(shí)驗(yàn)。

看到宇航員在艙內(nèi)飄浮，在布滿窗戶的穹頂艙欣賞圖畫般的地球景致，你會(huì)以為ISS里沒有重力。這就大錯(cuò)特錯(cuò)了。假設(shè)有一刻重力確實(shí)沒有了，你能猜到會(huì)發(fā)生什么嗎？整個(gè)ISS會(huì)從地球旁邊飄走，進(jìn)入繞太陽飛行的軌道。實(shí)際上，重力就像一條繩子一樣系著ISS，所以它才不會(huì)飄遠(yuǎn)。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(jī)遇到劇烈的湍流時(shí)，你也可能體驗(yàn)到同樣的感覺——飛機(jī)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(jī)，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(shí)，它向前移動(dòng)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(dāng)你環(huán)繞一個(gè)球體運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，它的表面總是在向下滑落。如果地球是平的，ISS會(huì)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(huì)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(shí)間大約是兩個(gè)月。在一個(gè)周期里，它會(huì)連續(xù)一個(gè)月在黎明的天空中出現(xiàn)，接下來一個(gè)月在傍晚的天空中出現(xiàn)，在此之后，ISS會(huì)消失一段時(shí)間。這段時(shí)間里它仍然在空中，像以前那樣飛行，只是出現(xiàn)的時(shí)間變成了白天。很快，ISS會(huì)重新出現(xiàn)在清晨，開始一輪新的周期。

這個(gè)周期在一年中不斷重復(fù)，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(shí)節(jié)。這時(shí)，ISS的軌道和地球的晨昏圈幾乎對(duì)齊。從宇航員的視角看，太陽永不落下。此時(shí)，北緯40°?55°地區(qū)（或夏天的南緯40°?55°地區(qū)）會(huì)有人看到ISS始終在陽光里，不進(jìn)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?yàn)樗翘罩凶畲蟮娜嗽鞕C(jī)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(gè)巨大的太陽能電池陣，反光更加強(qiáng)烈。太陽光通過電池陣轉(zhuǎn)化為電力，供ISS運(yùn)轉(zhuǎn)。

人們有時(shí)會(huì)說，人造衛(wèi)星在天空中的運(yùn)動(dòng)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(shí)的，只不過它源自我們的眼睛，而不是人造衛(wèi)星。當(dāng)我們改變視角的時(shí)候，我們眼球的移動(dòng)是一下一下的，而不是平滑連續(xù)的。在工作和生活中，當(dāng)我們面對(duì)日常大小的物體時(shí)，常常注意不到這點(diǎn)，但是當(dāng)我們?nèi)タ春诎当尘吧弦粋€(gè)運(yùn)動(dòng)的光點(diǎn)時(shí)，人眼的這個(gè)特別之處就暴露了。

一般來說，在郊外的天空中，我們每小時(shí)可以看到10～20顆人造衛(wèi)星。想要找到它們、認(rèn)出它們的話，你可以訪問Heavens-Above網(wǎng)站，點(diǎn)擊“人造衛(wèi)星”（Satellites）條目下的“明亮衛(wèi)星每日預(yù)報(bào)”（Daily Predictions for Brighter Satellites）。網(wǎng)站會(huì)根據(jù)你所在的地區(qū)彈出一個(gè)列表。這個(gè)網(wǎng)站也給出了哈勃空間望遠(yuǎn)鏡的預(yù)報(bào)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(yuǎn)鏡的預(yù)報(bào)，還有其他不太著名的人造衛(wèi)星的預(yù)報(bào)。不管用哪一個(gè)App，你都應(yīng)該首先關(guān)注亮度等級(jí)（mag）數(shù)字最小的人造衛(wèi)星，比如3等的或者更亮的。對(duì)于初學(xué)者來說，4等和更暗的衛(wèi)星很難看到。我們會(huì)在第4章探討亮度等級(jí)，天文學(xué)家常常用這個(gè)系統(tǒng)表征天體亮度。

人造衛(wèi)星是太空時(shí)代才有的產(chǎn)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(hào)（Sputnik）。一轉(zhuǎn)眼到了今天，每個(gè)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(gè)，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(jí)火箭的殘片，它們將監(jiān)視衛(wèi)星、通信衛(wèi)星和科學(xué)衛(wèi)星送入正軌后，就落進(jìn)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?jiān)蛷椘灿杏詈絾T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(jīng)將軍方衛(wèi)星送上軌道的等級(jí)火箭。運(yùn)轉(zhuǎn)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(lǐng)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(hào)（Vanguard 1）。

我在前面提到，很多人造衛(wèi)星為了利用地球自轉(zhuǎn)，會(huì)自西向東運(yùn)動(dòng)。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(yùn)動(dòng)，這樣的軌道叫作“極地軌道”。當(dāng)?shù)厍蜻M(jìn)行著每天一周的自轉(zhuǎn)時(shí)，這些人造衛(wèi)星可以“看到”整個(gè)地球。