涨知识！如何肉眼识别夜空中的人造卫星？

《测绘学报》

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星光闪耀的夜空

　　虽然城市的污染使得夜晚星空越发暗淡，但晴朗的夜晚，或者索性前往乡村、田野、高山，我们还是能欣赏到“数不清”的星星。不过，不知你有没有想过，人眼能看到的都是些什么星？常听天文爱好者们说晚上可以看到人造卫星，那么，夜空中，哪些是“天然”的星星，哪些又是人造卫星呢？

   “夜空中最亮的星”？

   天上的星星虽然数不清，但实际上，即使是视力极好的人，他能看到的也只有数千颗。

　　相信一定有人听过“星等”这个词，它就是用来描述星星亮度的，星等数越小，说明星星越亮。古代用的是可视星等，1等星的亮度是6等星的100倍（更亮的为 0等以至负的星等），而我们肉眼能够看到的最暗的星便是6 等星（6m 星）。

　　从星等来说，在黑暗的地方看星空，理论上人肉眼可以看到大约6000多颗星星（而且它们无法同时被看见，你懂的），也就是说，天空中亮度在6等以上（即星等数小于等于6）的星有6000多颗。而在街灯明亮的城市中，人眼能看到的星星只有100颗左右。

　　人肉眼能看到的这6000多颗星星中，99.7%都是恒星，其余的天然天体还有部分行星、小行星、卫星等。

　　人类肉眼能看到的行星主要是金星、木星、水星、火星、土星，所以它们也是较早被命名的行星，天王星勉强也在肉眼可看的范围内，但亮度较差。

　　除了常说的大行星，小行星当中的灶神星在其冲日（天体运行到与太阳、地球形成一条直线的状态）时也是肉眼可见的，最亮可达5.2等，平均亮度6.5等。

　　而围绕行星的卫星则更难用肉眼看见，不过这其中不包括我们地球的那颗大大的卫星——月亮。其余的卫星，木卫三等木星的大卫星虽然亮度在肉眼可见范围内，但被木星光芒遮挡，实际基本不可见。

   我们看到的另一种“星”

   除了恒星、行星和月亮之外，夜空中还有更多的东西。

　　比如偶尔有流星飞过，人们会记起要向它许愿。说到流星，其实中高层大气科学研究中就会用到流星的观测，很多观测台都有叫做“流星雷达”的仪器。

　　另外，如果你仔细看星空的话，或许还经常能看到飞机灯光比较有规律地在夜空中闪烁，这是古代人看星空看不到的。

　　除了这些，夜空中还有一些东西，也是科学技术进步所带来的，它们就是那些看起来像恒星、但会移动的白色光点，这就是我们这里要说的 人造卫星。

一颗明亮的人造卫星

　　需要指出的是，人造卫星其实是不会发光的。

　　和行星与月亮一样，人造卫星的发亮来自其反射的太阳光，它的金属外壳和太阳能电池板都是很好的反射面。

　　由于太阳落得越低，地球的阴影就会越高，因此搜寻人造卫星的最佳时机是春季和夏季夜幕降临后的第一个小时（秋季和冬季，由于地球的阴影在天空中的位置较高，人造卫星的可见性会下降）。不过，像月食一样，进入地球阴影的人造卫星会因为阳光被遮挡而“消失”，人造卫星又小离地球又近，所以很容易“消失”。

　　那么要如何看到这容易“消失”的人造卫星呢？

　　观测人造卫星，首先要把卫星的亮与飞机的灯光区分开。

　　大部分飞机的白色灯光会很有规律的闪烁，而且往往有绿色或红色的机翼灯光，如果借助望远镜，还能比较清楚地识别出飞机，甚至能看出飞机引擎排出的气体。此外，我们的肉眼甚至有可能看见航天飞机或者火箭反射的光，但这是相对更加少见的。

　　更多的时候，我们看到的快速穿行于星座之间的亮点就是人造卫星，肉眼容易看见的卫星通常有一辆货车那么大，在300~500千米的高度以28000千米/时的速度运动，在两三分钟内就能穿越天空。

　　这些人造卫星由于快速飞行而改变与我们之间的相对位置，其反射面存在角度变化，亮度可能会在几秒钟内猛增。

　　例如铱星卫星，论个头，这种人造卫星并非庞然大物，仅和小汽车大小相当，但它最大的特点在于，其始终将三面金属抛光的、门板一样的大天线对准地面，其反射率非常得高，在阳光经过它们反射到地面的时候，我们能看到极为明亮的闪光，在几秒钟之内，它的亮度就会达到-7等甚至-8等的峰值，这样的亮度几乎可以和月亮媲美。

铱星卫星，三面金属抛光的、门板一样的大天线对准地面

　　但是，铱星的反光面非常集中，几秒种后，就会迅速变暗，所以，从看到铱星到消失的过程，可能不过十几秒，如流星一般转瞬即逝。

　　此外，亮度仅次于铱星的卫星，可能要算得上欧空局的极地轨道卫星Metop-A和Metop-B，这两颗卫星的反光来自于它们长长的太阳能电池板，在最亮的时候，它的视星等可以达到-5，这样的亮度可以力压金星，成为夜空中的焦点；紧接着的就是意大利航天局的COSMO-SkyMed卫星，它的最高视星等可以达到-4；再其次就是相对巨大的人造天体——国际空间站，它本身以及众多的太阳能电池板可以反光，最高视星等可以达到-2.6。

　　我们可以从很多网站查询人造天体的运行，从而得知自己所在地的铱星及其他人造卫星和国际空间站的可见时间和星等。

　　大多数情况下，人造天体的视星等都不会高于+2等，并且距离较近的人造天体移动速度都非常快，其反射的光能被我们观察到的时间，普遍都非常的短，即便是国际空间站这样的庞然大物，往往也只能被我们持续观测到几分钟而已。

延时拍摄的国际空间站的亮光

　　前面已经提过，如果在远离城市灯光的地方观测卫星，入夜后第一个小时最为关键，在这一个小时中，一个细心的观测者应该可以看见至少10颗人造卫星，随后数量会减少，在半夜降到最低水平。

　　说到在夜空中看到的人造卫星，必须提到我们中国人的骄傲——东方红一号卫星，它是我国第一颗成功发射的人造地球卫星。

中国科学院国家空间科学中心一楼大厅展示的东方红一号卫星的模型

　　东方红一号的外形为近似球体的72面体。尽管72面体的外形设计能使卫星在旋转时闪闪发光，但由于卫星直径只有1米，经过测算，东方红一号卫星本身亮度只相当于天空亮度极低的六等星，这意味着，地球上的人用肉眼是不可能直接看清卫星的。但看见卫星，是设计方案在最开始就提出的要求。那么，最终我们靠什么办法让它被看见呢？

　　当时，东方红一号卫星本身已经基本上设计好了，没有多留地方，于是，专家们想出了“借箭显星”的妙招。运载东方红一号的长征一号火箭的第三级会跟卫星一起入轨，如果能找到火箭，就能找到东方红一号了。

　　科学家们在三级火箭上增加了一个又大又亮的气球，正面涂抹一种叫做聚酰亚胺的材料，这种材料当时很贵，在60年代一平方米的价钱是100块钱，而当时的黄金价格也只有一克九十几块钱。此外，制造这个比黄金还要贵重的气球也不容易。

　　这个气球表面镀有铝，并经过抛光，在上天之前可以折叠起来，当火箭和卫星分离后才进行充气，撑开的直径可达4米。阳光照射下，亮度接近可观察的+2等星。

　　虽然早已停止工作，但时至今日，东方红一号还在太空中飞行，不过，由于火箭和气球已经不在了，东方红一号已经无法用肉眼识别。

   卫星也会“一闪一闪亮晶晶”？

   人们都说，天上的星星会闪烁，“一闪一闪亮晶晶”。那么，人造卫星会闪烁吗？

　　其实人造卫星一般不会怎么闪烁。

　　星星之所以闪耀，其实是它们发射或反射的光在到达我们眼中之前，还要穿越地球的大气层，而大气层中的空气并非是稳定不动的，各种气流的波动，都导致了光线在通过空气这种不均匀的介质时，折射路径发生了晃动，也就是我们所感受到的“眨眼睛”。

　　你是不是也曾听说过，区分肉眼看到的恒星和行星的重要一点，就是看它是不是会闪烁。这其中的道理就在于，相对于距离我们非常非常遥远的恒星来说，我们肉眼可以看到的金星、木星、水星、火星、土星这几大行星距离我们要近得多，虽然看上去都是一个一个小亮点，但它们在我们肉眼中的面积其实比恒星要大很多，所以，它们反射的太阳光虽然也会受到空气波动的干扰产生晃动，但却不易被我们的眼睛察觉。

　　而人造卫星距离我们就更近了，它们反射的光线受到的晃动，就更不易被我们的眼睛察觉，也就基本不存在闪烁。所以，如果你看到卫星有规律地闪烁，只能说明整颗卫星正在翻滚。

　　工作中的卫星总是处于稳定状态，因此，如果闪烁很明显，你就可以确定你看到的是一颗已经停止工作的人造卫星。

　　最后还要多说一句的是，无论人造卫星的亮度是稳定的还是变化的，我们去看的时候，一些人总以为自己看到它们沿着弧形的轨道滑过夜空，或者觉得它们在飞过我们头顶的时候由慢而快。事实上，这些变化都发生在我们的脑海里而不是天上。我们急切地观察缓慢变化的天空，又不断想象它们的运动，就可能产生光学错觉。延时拍摄表明，人造卫星在夜空中基本是在匀速直线运动的。

一闪一闪亮晶晶，可能真的是满天的“小眼睛”哦！

（本文首发于科学大院，作者：王铮，单位中国科学院国家空间科学中心）

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