第1章 和宇航员打个招呼吧！

你是否对那些飞过头顶的“星星”感到好奇？来了解一下如何观察国际空间站、铱星闪光，以及其他明亮的人造卫星吧。在这一章，我们会探索地球的影子怎样让人造卫星出现和消失，还会了解宇航员惊艳的太空漫步背后有什么原理。

你遇到过这样的情景吗？夏夜户外，你正沉醉于星空之美，忽然瞥见一颗星划过苍穹，就像从天际跌落一般。你看到的很可能并不是一颗天然的星辰。这种星离我们可近得多，这就是用铝、钛和碳纤维做成的人造卫星。

从地面观察天空，当太阳落到地平线以下，但阳光仍能照到高高的卫星轨道时，你就会看到人造卫星。这通常发生在黄昏和黎明。人造卫星最好在曙光和暮光中观察，破晓和日暮都十分悠长的夏天尤其合适。在山谷里，日落很久之后，山峰仍有余晖。人造卫星也一样。它们的轨道高，有机会沐浴在阳光里。当天空暗淡下来，披着阳光的人造卫星看起来就像一颗移动的明星。

一般来说，人造卫星的轨道高度为数百千米，是珠穆朗玛峰高度的数十倍。在日落后和日出前的1～2个小时，人造卫星轨道都有阳光照射。国际空间站和大部分科学卫星都在近地轨道（Low Earth Orbit， LEO）运转，高度为180～2000千米。导航卫星，比如手机定位所依靠的GPS卫星，其轨道高度为2000～35780千米。

同步气象卫星则在更高的轨道上回望着地球，从35800千米以外发回我们在晚间天气预报中看到的图像。

人造卫星更适合在傍晚而不是深夜观察，这背后的原因与地球的影子有关。晴天里，树木和建筑会向地面投下影子，整颗行星也是如此。只不过地球的影子穿过大气层，投向了外太空。日落时，地面上的我们会立即被地球的影子笼罩，但人造卫星离地面高得多，它们要再过好一会儿才会进入地球的影子。最后，它们也会被黑夜吞没，从人们的视线中消失。

日暮时分，对于地面上的观察者来说，太阳已经落下，地球的影子徘徊在东方地平线以下。夜幕降临，地球的影子逐渐升高，一点一点遮住天空。就像人们从阳光下走入建筑物的影子中一样，在不同高度运行的人造卫星也会一个接一个地步入地球的影子，从你的视线中消失。

黎明时分，地球的影子缓慢降落至西方地平线以下，时机又来了。夏天比冬天更适合观察人造卫星，因为曙光和暮光持续时间更长，也因为太阳角度更加有利（即使是在午夜，太阳距离北方的地平线也不会太远），一部分天空在整个晚上都不会被夜幕覆盖。冬天则恰恰相反，太阳深深地沉入地平线以下，地球的影子几乎整晚占满天空。

有时，一颗在阳光中飞行的人造卫星会忽然进入地球的影子。你应该能猜出地面上的人会因此看到什么。没有阳光照射，卫星在飞行中途便会迅速从人们的视野中消失。你在观察国际空间站时极容易碰到这种情况，因为它非常明亮，猛然消失自然令人惊奇。

说到这里，你可能会好奇今晚有什么人造卫星会从头顶飞过。目前，国际空间站是最亮、最容易看到的人造卫星，它每92分钟绕地球一周。就算提前知道了人造卫星飞过的时间和方向，只要能如约看到它在自家房顶现身，你就能收获观星的惊喜。

即便是日常过境，国际空间站也像木星一样光亮夺目，有时候甚至能跟金星的光辉媲美。闪耀的国际空间站在我们眼中看起来非常大，这就是辐照错觉——在黑暗的背景中，明亮光源发出的光芒会在我们的虹膜上散开。除非使用高倍双筒望远镜或者小型天文望远镜，否则我们无法看到国际空间站真实的形状和大小。人造卫星大小不一，小的像一片面包，大的堪比足球场，但我们在数百千米外看到的它们都是一个个星点。

出去看看吧，也许ISS今晚就会从你家附近飞过。你可以提前出门，留出几分钟来辨别方向，并且让眼睛适应黑暗。你很快就会看到最有趣的事，一颗明亮的浅黄色“星星”飞过你的头顶，这“星星”里挤着ISS的全体宇航员。我总是惊讶于ISS的守时。如果它应该晚上8点02分出现，那么一定会有一颗移动的明星在这个时间出现在西北方的天空中。这是科学，但感觉实在像魔法。

一般来说，ISS会首先出现在西方的低空，穿过北方或南方的天空然后在东方落下。ISS相当明亮，不论是住在郊区、小城市，还是乡村，你都能看到它，这不成问题。它的光亮是稳定的，不像飞机那样闪烁。

飞机有红色和绿色的机翼灯，以固定的时间间隔闪烁。而ISS等大多数人造卫星则像普通的星辰一样，发出稳定的光。偶尔，一颗不再工作的人造卫星或者用来发射卫星的某一级火箭会失控坠下，一边旋转一边反射阳光，方向不定。但是从地面上看，这种闪光是白色的，而且节奏散乱。经过几个月的观察，你很容易将它们区分开。你也会很快认出一闪即逝的流星。

当你看到ISS过境时，请注意它的颜色。大多数人造卫星颜色并不鲜艳，但是ISS有8个巨大的太阳能电池阵，由一种叫作聚酰亚胺的金色材料制成，这使得ISS蒙上了一层浅黄色。有时，太阳能板会冲着你的方向反射阳光。在这一刻，ISS会格外闪亮。这可是个令人愉快的惊喜，千万别错过了。

刚爬上西方地平线时，ISS看上去行动缓慢，而且不怎么明亮，因为它距离我们非常遥远。当它快要来到头顶时，你和ISS里的宇航员仅仅相隔400千米。这时的ISS看上去最为明亮、移动速度最快，和飞机差不多。当全体宇航员以每小时28160千米的速度从你的头顶飞过时，请不要忘了向天空招手，说一声“你好”。真是有趣，这可能是我们大多数人离宇航员最近的时刻了。

在条件理想的清晨或黄昏，你可以两次观察到ISS过境，每次相隔一个半小时。其中一次观察通常在ISS进入地球影子后结束。从宇航员的角度来看，这正是日落时分。地面上有红色和橙色的暮光，ISS也会在日落时染上同样的色彩。我曾尝试用肉眼去观察ISS的颜色变化，但从来没有成功过。这种现象用双筒望远镜很容易看到。你可以试一试。

每过几个月，就有宇航员乘坐俄罗斯的联盟号宇宙飞船（Soyuz）从地球前往ISS，或者从ISS返回地球。将来，美国的私人发射设施会和NASA签订合同并参与搭载宇航员。货运飞船则在常规对接中向ISS运送食物、燃料、零件，等等。观察这些太空设备飞来飞去是观星的重要乐趣。在接近ISS的过程中，绕着轨道一圈圈飞行的货运飞船会逐渐靠近ISS，两者一前一后地飞过你的头顶，就像猫捉老鼠一样有趣。

只要观察过几次ISS过境，你就会注意到，它越过天空的弧线既可以非常低，也可以高高地经过头顶。ISS可能在北面“开拓航线”，切出一条从西北到东南的对角线，也可能在南方的地平线附近勉强擦过，具体情况取决于你所在城市的经纬度，以及国际空间站进入你视野时的轨道位置。

你知道ISS为什么永远从西向东飞行，而不会反过来吗？这是因为大多数卫星都是向东发射的，这样便于利用地球自西向东的自转，不费吹灰之力地得到一部分速度。一颗从卡纳维拉尔角发射的卫星会自动获得每小时1473千米的速度，这就是地球自转在当地纬度上的线速度。谁会不喜欢赠品呢？多亏了地球自转，搭载卫星的火箭可以小一些，少带些燃料，节省些开支。

ISS绕地球旋转的轨道和赤道形成了51.6°角，这是一个很大的倾角。这个角度决定了地球上可以看到ISS的地方。南纬51.6°到北纬51.6°之间的所有人都可以看到ISS飞过头顶。还有一些人虽然不在这个范围内，但离得不远，他们可以在天空中低一些的位置看到它，但不会看到它出现在头顶。大部分人都在这个纬度范围内或者附近居住，因此地球上95%的人有机会看到ISS。

而哈勃空间望远镜的轨道倾角只有28.5°，它的情况就不一样了。有一次我去南卡罗来纳州的查尔斯顿（北纬33°）参加一个会议，我下决心要借这个机会观察哈勃空间望远镜，因为我永远没法在明尼苏达州北部的家里（北纬47°）看到它。哈勃空间望远镜既没有ISS亮，也没有ISS大，它的体积和一辆校车差不多。哈勃空间望远镜在550千米高的轨道上，每96分钟绕地球一圈。如果你的家纬度正好在美国南部到南美洲中部之间，那你一定要在空中找一找它。Heavens-Above网站可以提供观察哈勃空间望远镜所需的信息。

国际空间站不停地绕着地球转，速度是每小时28160千米，每92分钟绕完一周。因此，全体宇航员每天都会经历15～16次日出。但无论如何，看着地球不断变化的云层和速度奇快的日出，他们永远也不会觉厌烦。ISS的轨道高度倾斜，这使得宇航员可以非常靠近极光区，保证他们能经常看到北极光和南极光。

宇航员在空闲时间里可以观察地球，但是在别的时间里，他们和我们这些地球上的家伙一样，也要工作。ISS是个太空实验室，在独特的微重力环境下，宇航员做着生物、物理、气象、天文和化学方面的实验。

看到宇航员在舱内飘浮，在布满窗户的穹顶舱欣赏图画般的地球景致，你会以为ISS里没有重力。这就大错特错了。假设有一刻重力确实没有了，你能猜到会发生什么吗？整个ISS会从地球旁边飘走，进入绕太阳飞行的轨道。实际上，重力就像一条绳子一样系着ISS，所以它才不会飘远。为什么那里面看起来好像不存在重力呢？在快速下降的电梯里，你可能有一瞬间感觉自己几乎要从地面上飘起来了。乘坐飞机遇到剧烈的湍流时，你也可能体验到同样的感觉——飞机就像要从你身体下面掉下去一样。现在，把ISS想象成电梯和飞机，你就明白了。

绕地飞行的每一圈、每一分钟，ISS都在向着地球下落。但同时，它向前移动的速度足够快，这使得它能沿着地球的弧线继续下落，但不至于坠落。当你环绕一个球体运动的时候，它的表面总是在向下滑落。如果地球是平的，ISS会很快坠毁。如果你还不确信地球是球体，那么想一想吧，开心的宇航员们每天还能发推特，这就是证明！

国际空间站不会每天晚上都出现。烦人的地球重力依然存在，所以ISS有周期性的可见窗口，持续时间大约是两个月。在一个周期里，它会连续一个月在黎明的天空中出现，接下来一个月在傍晚的天空中出现，在此之后，ISS会消失一段时间。这段时间里它仍然在空中，像以前那样飞行，只是出现的时间变成了白天。很快，ISS会重新出现在清晨，开始一轮新的周期。

这个周期在一年中不断重复，唯一的例外出现在5月末到6月初，这是北半球的初夏时节。这时，ISS的轨道和地球的晨昏圈几乎对齐。从宇航员的视角看，太阳永不落下。此时，北纬40°〜55°地区（或夏天的南纬40°〜55°地区）会有人看到ISS始终在阳光里，不进入地球的影子。ISS一晚上不再只过境一两次了，从黄昏到清晨，你最多可以看到ISS过境五次。那些在外面熬了一整夜并且成功观察到所有过境的人可以骄傲地说，他们参与了一场成功的ISS马拉松。南半球观星者的马拉松则出现在12月。

即使是轨道最低的人造卫星，高度也在161千米以上。ISS比其他任何人造卫星都要亮，因为它是太空中最大的人造机器，比那些冰箱大小的物体反射的阳光更多。另外，它还安装了8个巨大的太阳能电池阵，反光更加强烈。太阳光通过电池阵转化为电力，供ISS运转。

人们有时会说，人造卫星在天空中的运动断断续续，甚至有着“之”字形的轨迹。你可能也看到过这种现象。这一幕是真实的，只不过它源自我们的眼睛，而不是人造卫星。当我们改变视角的时候，我们眼球的移动是一下一下的，而不是平滑连续的。在工作和生活中，当我们面对日常大小的物体时，常常注意不到这点，但是当我们去看黑暗背景上一个运动的光点时，人眼的这个特别之处就暴露了。

一般来说，在郊外的天空中，我们每小时可以看到10～20颗人造卫星。想要找到它们、认出它们的话，你可以访问Heavens-Above网站，点击“人造卫星”（Satellites）条目下的“明亮卫星每日预报”（Daily Predictions for Brighter Satellites）。网站会根据你所在的地区弹出一个列表。这个网站也给出了哈勃空间望远镜的预报链接。这里提到的一部分人造卫星App里也有哈勃空间望远镜的预报，还有其他不太著名的人造卫星的预报。不管用哪一个App，你都应该首先关注亮度等级（mag）数字最小的人造卫星，比如3等的或者更亮的。对于初学者来说，4等和更暗的卫星很难看到。我们会在第4章探讨亮度等级，天文学家常常用这个系统表征天体亮度。

人造卫星是太空时代才有的产物，最早的人造卫星是苏联在1957年发射的斯普特尼克号（Sputnik）。一转眼到了今天，每个晚上都有数百颗人造卫星从人们头顶飞过。从国际空间站到拳头大小的火箭爆炸残片，美国战略司令部（U.S. Strategic Command）正在跟踪的物体超过了17000个，其中只有不到10%是活跃而有用的人造卫星。然而，不论是无用还是活跃，它们都因反射阳光而闪耀着。

让人意想不到的是，大部分人造卫星甚至不是正在发挥功能的飞行器，而是等级火箭的残片，它们将监视卫星、通信卫星和科学卫星送入正轨后，就落进了环绕地球的轨道。残片多种多样，有卫星测试和意外爆炸遗留下的残渣和弹片，也有宇航员在太空行走中丢失的工具包。难怪轨道上的人造物体总数超过了500000件。

你在郊区可以看到几百颗较亮的人造卫星，里面有超过1/3都是苏联/俄罗斯的，是曾经将军方卫星送上轨道的等级火箭。运转中的人造卫星功能各异，涉及监视、气象、侦察和通信等领域。仍然在轨的最老的卫星是美国在1958年3月17日发射的先锋1号（Vanguard 1）。

我在前面提到，很多人造卫星为了利用地球自转，会自西向东运动。另外一些人造卫星，包括一些气象卫星、监视卫星和军事侦察卫星，则沿着自北向南（或自南向北）的轨道运动，这样的轨道叫作“极地轨道”。当地球进行着每天一周的自转时，这些人造卫星可以“看到”整个地球。