如何肉眼識別夜空中的人造衛星？

出品：科學大院

作者：王錚（中國科學院國家空間科學中心）

監製：中國科學院計算機網路信息中心 中國科普博覽

星光閃耀的夜空

雖然城市的污染使得夜晚星空越發暗淡，但晴朗的夜晚，或者索性前往鄉村、田野、高山，我們還是能欣賞到「數不清」的星星。不過，不知你有沒有想過，人眼能看到的都是些什麼星？常聽天文愛好者們說晚上可以看到人造衛星，那麼，夜空中，哪些是「天然」的星星，哪些又是人造衛星呢？

「夜空中最亮的星」？

天上的星星雖然數不清，但實際上，即使是視力極好的人，他能看到的也只有數千顆。

相信一定有人聽過「星等」這個詞，它就是用來描述星星亮度的，星等數越小，說明星星越亮。古代用的是可視星等，1等星的亮度是6等星的100倍（更亮的為 0等以至負的星等），而我們肉眼能夠看到的最暗的星便是6 等星（6m 星）。

從星等來說，在黑暗的地方看星空，理論上人肉眼可以看到大約6000多顆星星（而且它們無法同時被看見，你懂的），也就是說，天空中亮度在6等以上（即星等數小於等於6）的星有6000多顆。而在街燈明亮的城市中，人眼能看到的星星只有100顆左右。

人肉眼能看到的這6000多顆星星中，99.7%都是恆星，其餘的天然天體還有部分行星、小行星、衛星等。

人類肉眼能看到的行星主要是金星、木星、水星、火星、土星，所以它們也是較早被命名的行星，天王星勉強也在肉眼可看的範圍內，但亮度較差。

除了常說的大行星，小行星當中的灶神星在其沖日（天體運行到與太陽、地球形成一條直線的狀態）時也是肉眼可見的，最亮可達5.2等，平均亮度6.5等。

而圍繞行星的衛星則更難用肉眼看見，不過這其中不包括我們地球的那顆大大的衛星——月亮。其餘的衛星，木衛三等木星的大衛星雖然亮度在肉眼可見範圍內，但被木星光芒遮擋，實際基本不可見。

我們看到的另一種「星」

除了恆星、行星和月亮之外，夜空中還有更多的東西。

比如偶爾有流星飛過，人們會記起要向它許願。說到流星，其實中高層大氣科學研究中就會用到流星的觀測，很多觀測台都有叫做「流星雷達」的儀器。

另外，如果你仔細看星空的話，或許還經常能看到飛機燈光比較有規律地在夜空中閃爍，這是古代人看星空看不到的。

除了這些，夜空中還有一些東西，也是科學技術進步所帶來的，它們就是那些看起來像恆星、但會移動的白色光點，這就是我們這裡要說的人造衛星。

需要指出的是，人造衛星其實是不會發光的。

和行星與月亮一樣，人造衛星的發亮來自其反射的太陽光，它的金屬外殼和太陽能電池板都是很好的反射面。

由於太陽落得越低，地球的陰影就會越高，因此搜尋人造衛星的最佳時機是春季和夏季夜幕降臨後的第一個小時（秋季和冬季，由於地球的陰影在天空中的位置較高，人造衛星的可見性會下降）。不過，像月食一樣，進入地球陰影的人造衛星會因為陽光被遮擋而「消失」，人造衛星又小離地球又近，所以很容易「消失」。

那麼要如何看到這容易「消失」的人造衛星呢？

觀測人造衛星，首先要把衛星的亮與飛機的燈光區分開。

大部分飛機的白色燈光會很有規律的閃爍，而且往往有綠色或紅色的機翼燈光，如果藉助望遠鏡，還能比較清楚地識別出飛機，甚至能看出飛機引擎排出的氣體。此外，我們的肉眼甚至有可能看見太空梭或者火箭反射的光，但這是相對更加少見的。

更多的時候，我們看到的快速穿行於星座之間的亮點就是人造衛星，肉眼容易看見的衛星通常有一輛貨車那麼大，在300~500千米的高度以28000千米/時的速度運動，在兩三分鐘內就能穿越天空。

這些人造衛星由於快速飛行而改變與我們之間的相對位置，其反射面存在角度變化，亮度可能會在幾秒鐘內猛增。

例如銥星衛星，論個頭，這種人造衛星並非龐然大物，僅和小汽車大小相當，但它最大的特點在於，其始終將三面金屬拋光的、門板一樣的大天線對準地面，其反射率非常得高，在陽光經過它們反射到地面的時候，我們能看到極為明亮的閃光，在幾秒鐘之內，它的亮度就會達到-7等甚至-8等的峰值，這樣的亮度幾乎可以和月亮媲美。

銥星衛星，三面金屬拋光的、門板一樣的大天線對準地面

但是，銥星的反光面非常集中，幾秒種後，就會迅速變暗，所以，從看到銥星到消失的過程，可能不過十幾秒，如流星一般轉瞬即逝。

此外，亮度僅次於銥星的衛星，可能要算得上歐空局的極地軌道衛星Metop-A和Metop-B，這兩顆衛星的反光來自於它們長長的太陽能電池板，在最亮的時候，它的視星等可以達到-5，這樣的亮度可以力壓金星，成為夜空中的焦點；緊接著的就是義大利航天局的COSMO-SkyMed衛星，它的最高視星等可以達到-4；再其次就是相對巨大的人造天體——國際空間站，它本身以及眾多的太陽能電池板可以反光，最高視星等可以達到-2.6。

我們可以從很多網站查詢人造天體的運行，從而得知自己所在地的銥星及其他人造衛星和國際空間站的可見時間和星等。

大多數情況下，人造天體的視星等都不會高於+2等，並且距離較近的人造天體移動速度都非常快，其反射的光能被我們觀察到的時間，普遍都非常的短，即便是國際空間站這樣的龐然大物，往往也只能被我們持續觀測到幾分鐘而已。

國際空間站

前面已經提過，如果在遠離城市燈光的地方觀測衛星，入夜後第一個小時最為關鍵，在這一個小時中，一個細心的觀測者應該可以看見至少10顆人造衛星，隨後數量會減少，在半夜降到最低水平。

說到在夜空中看到的人造衛星，必須提到我們中國人的驕傲——東方紅一號衛星，它是我國第一顆成功發射的人造地球衛星。

中國科學院國家空間科學中心一樓大廳展示的東方紅一號衛星的模型

東方紅一號的外形為近似球體的72面體。儘管72面體的外形設計能使衛星在旋轉時閃閃發光，但由於衛星直徑只有1米，經過測算，東方紅一號衛星本身亮度只相當於天空亮度極低的六等星，這意味著，地球上的人用肉眼是不可能直接看清衛星的。但看見衛星，是設計方案在最開始就提出的要求。那麼，最終我們靠什麼辦法讓它被看見呢？

當時，東方紅一號衛星本身已經基本上設計好了，沒有多留地方，於是，專家們想出了「借箭顯星」的妙招。運載東方紅一號的長征一號火箭的第三級會跟衛星一起入軌，如果能找到火箭，就能找到東方紅一號了。

科學家們在三級火箭上增加了一個又大又亮的氣球，正面塗抹一種叫做聚醯亞胺的材料，這種材料當時很貴，在60年代一平方米的價錢是100塊錢，而當時的黃金價格也只有一克九十幾塊錢。此外，製造這個比黃金還要貴重的氣球也不容易。

這個氣球表面鍍有鋁，並經過拋光，在上天之前可以摺疊起來，當火箭和衛星分離後才進行充氣，撐開的直徑可達4米。陽光照射下，亮度接近可觀察的+2等星。

雖然早已停止工作，但時至今日，東方紅一號還在太空中飛行，不過，由於火箭和氣球已經不在了，東方紅一號已經無法用肉眼識別。

衛星也會「一閃一閃亮晶晶」？

人們都說，天上的星星會閃爍，「一閃一閃亮晶晶」。那麼，人造衛星會閃爍嗎？

其實人造衛星一般不會怎麼閃爍。

星星之所以閃耀，其實是它們發射或反射的光在到達我們眼中之前，還要穿越地球的大氣層，而大氣層中的空氣並非是穩定不動的，各種氣流的波動，都導致了光線在通過空氣這種不均勻的介質時，折射路徑發生了晃動，也就是我們所感受到的「眨眼睛」。

你是不是也曾聽說過，區分肉眼看到的恆星和行星的重要一點，就是看它是不是會閃爍。這其中的道理就在於，相對於距離我們非常非常遙遠的恆星來說，我們肉眼可以看到的金星、木星、水星、火星、土星這幾大行星距離我們要近得多，雖然看上去都是一個一個小亮點，但它們在我們肉眼中的面積其實比恆星要大很多，所以，它們反射的太陽光雖然也會受到空氣波動的干擾產生晃動，但卻不易被我們的眼睛察覺。

而人造衛星距離我們就更近了，它們反射的光線受到的晃動，就更不易被我們的眼睛察覺，也就基本不存在閃爍。所以，如果你看到衛星有規律地閃爍，只能說明整顆衛星正在翻滾。

工作中的衛星總是處於穩定狀態，因此，如果閃爍很明顯，你就可以確定你看到的是一顆已經停止工作的人造衛星。

最後還要多說一句的是，無論人造衛星的亮度是穩定的還是變化的，我們去看的時候，一些人總以為自己看到它們沿著弧形的軌道滑過夜空，或者覺得它們在飛過我們頭頂的時候由慢而快。事實上，這些變化都發生在我們的腦海里而不是天上。我們急切地觀察緩慢變化的天空，又不斷想像它們的運動，就可能產生光學錯覺。延時拍攝表明，人造衛星在夜空中基本是在勻速直線運動的。

一閃一閃亮晶晶，可能真的是滿天的「小眼睛」哦！

（本文首發於科學大院，中科院國家空間科學中心供稿）

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