如何在城市中觀星？

陳厚尊

在城市里觀星，聽起來很不可思議。的確，每逢夜幕降臨，幾乎所有的中國大城市都是一副鋼鐵林立、霓虹璀璨的華美景象，原本燦爛而深邃的星空早已被大片大片泛黃的光海屏蔽殆盡。這一點從谷歌不定期發(fā)布的光害地圖上也可得到印證。可憐的天文愛好者為了盡可能地找尋尚未被文明蹂躪的純凈夜空，不得不背起沉重的行囊，苦行僧似的跋山涉水，上山下鄉(xiāng)。但是，且慢，你每日生活的小區(qū)真的就那么一無是處嗎？城市里真的不適合任何形式的觀星活動嗎？答案自然是否定的。如果你愿意摒棄成見，耐心讀完下面這些文字，就有可能成倍地提高你手中天文器材的利用率！

總的來說，一名當代的城市觀天者在仰望夜空的時候總是要面臨兩大阻礙，一是光害，二是霧霾，它們均發(fā)生于距地面兩三千米的高度范圍內。其中光害是全世界天文愛好者都會面臨的一大困擾，而霧霾僅僅是像中國這樣的發(fā)展中國家在某個特定時期內面臨的挑戰(zhàn)。

通常來講，構成霧霾的顆粒直徑都在1微米以上，即所謂的PM2.5和PM10。而可見光的波長是0.4微米至0.7微米，遠小于霧霾的組成顆粒。因此，霧霾對可見光的干擾主要表現在散射和阻擋，前者令我們看不清太陽，后者令我們看不到星星。此外，由于城市的熱島效應，霧霾顆粒在城市上空滯留的時間格外長，除非有新鮮空氣自外界補充進來，否則很難主動消散。更糟糕的是，霧霾與光害相遇后對星光的阻隔效果可以加成。這就好像一束光打在煙霧上，飄浮的霧霾顆粒能夠加強光害的破壞力，并擴大其影響范圍。利用天文學中極限星等的概念可以量化此類影響。極限星等表示特定環(huán)境下人眼在天頂附近剛好能夠察覺到的最暗的星點亮度。比如在理想的黑暗環(huán)境中，這個數值應為6等甚至更高;而在光害最嚴重的城市，這個數值會下降至4等。另一方面，在霧霾籠罩（PM2.5的數值在100至200之間）的鄉(xiāng)村，極限星等一般為5.2等左右。但是，當類似的霧霾遇上嚴重的光害時，這個數值竟會下降到3等甚至2等！由此可見，霧霾與光害之間的確有“一加一大于二”的非線性關系。

于是，城市觀星就變成了一門趨利避害的學問。下面，我們將從適宜城市觀測的地點、時間、器材以及目標等四個方面詳加闡述。

首先，地點的選擇主要基于光害的分布。因為霧霾的盤踞經常是大范圍的，遠遠超出一座城市的面積。而城市中常見的光害來源可分為三大類：路燈、車燈及廣告牌。前兩者一般為鈉燈，照射方向朝下或者水平，因而較容易通過樹木、建筑物等加以屏蔽。相較之下，廣告牌的發(fā)光類型及照射方向要隨意得多，只能通過盡可能遠離的方式減輕其影響。不過，考慮到在安靜的小區(qū)附近不太可能有刺目的廣告牌（如果存在，可以嘗試以干擾居民休息為由向有關部門投訴），小區(qū)里的健身公園或居民樓樓頂都是不錯的觀星地點。這里也可以對路燈和車燈起到良好的屏蔽效果。

那么，哪個時間段才是城市觀星推薦的觀測時間呢？如果你曾有過在小區(qū)里徹夜守候星空的經歷，就會有這樣的感受：子夜過后，尤其是凌晨時分，頭頂的夜空似乎比前半夜顯得更加幽暗。這并非你的錯覺，因為午夜過后，市區(qū)中絕大部分的景觀燈和廣告牌都會關閉，同時車燈的數目也大為減少，只留下主干道上的路燈。鑒于此，城市觀星者關注的星空也會與觀天者熟悉的模式存在稍許錯位，即在順序上推后一個季節(jié)。比如在夏季的子夜觀測以飛馬座四邊形、仙后座為代表的秋季星座，而在冬季的夜晚觀測以北斗七星、獅子座為代表的春季星空;在秋季的晚上觀測以獵戶座、雙子座為代表的冬季星座，而在春季的凌晨觀測以夏季大三角、天蝎座為代表的夏季星空等。

選定了最佳的觀測時間和地點，單憑我們的肉眼只能觀測諸如流星雨這樣的天象。如此單調的觀測題材自然無法令人滿意。不必擔心，適用于城市觀星的器材種類相當廣泛，即便是一架品質合格的4 2mm口徑雙筒望遠鏡也能極大地拓展你的視野。簡單的計算表明，假如你所在地區(qū)的極限星等為3等，那么前面提到的雙筒望遠鏡將有可能幫你辨認出暗至8等的目標，這意味著諸如海王星、灶神星、較明亮的彗星（此類彗星會以一兩年一次的頻率出現）等天體已經進入你的觀測范圍了。當然，口徑更大的雙筒望遠鏡可以進一步壓暗背景天空的亮度，提升你的觀測能力。仍以前述的光害條件為例，口徑60mm的雙筒望遠鏡可以辨認出最暗8.9等的目標，口徑80mm的雙筒望遠鏡可辨認9.5等的目標，口徑100mm的大雙筒望遠鏡可辨認暗至10等的目標。不過一般來講，雙筒望遠鏡的體積與重量都會隨著口徑的增長而大幅增加，價格也是如此。還有，為了保持鏡中視野的穩(wěn)定，口徑超過50mm 的雙筒望遠鏡通常都需要額外的輔助支撐（如三腳架），從而造成攜帶上的不便。因此，我們不推薦業(yè)余愛好者購買口徑超過80mm的雙筒望遠鏡，除非你是這方面的狂熱發(fā)燒友—他們甚至會經常擺弄一些口徑超過254mm的巨型雙筒觀測設備。

不過話又說回來，通過無節(jié)制地增加口徑來提升你的暗弱天體觀測能力其實是一條事倍功半的笨路子，相信你已經從前面越來越慢的數字增長中察覺到了這一點。假如你帶上靈巧的42mm口徑的小鏡子去極限星等為5等的郊野鄉(xiāng)村，它的觀測效果就會超過市中心的一架100mm口徑的大雙筒。這是因為對類似星云、球狀星團、彗星等彌散天體而言，一旦光害的亮度超過了其表面亮度，無論怎樣增加設備口徑都無濟于事。因此，如果你非得觀測上述類型的深空天體，就只能選擇離開自己舒適的小區(qū)，背上沉重的行囊跋山涉水。這是沒有辦法的事情，基本的光學原理限制了城市觀星的范圍。不過，這并不是說大口徑設備在城市觀星中就沒有用武之地，它在提升觀測星等的同時，還可以顯著提高目標的分辨率。換句話說，就是讓目標變得更清晰，而這一點恰恰是城市觀星的優(yōu)勢所在。由于熱島效應，城市上空的低層大氣較野外環(huán)境穩(wěn)定得多，這十分利于大口徑設備發(fā)揮分辨率方面的優(yōu)勢。另一方面，如果你的確需要一架口徑超過80mm的設備用以提高觀測分辨率，那么我推薦你購買業(yè)余天文望遠鏡。不過我要格外強調的是，這個結論的否命題也成立，即如果你只需要一架口徑為80mm（含）以下的便攜式觀天設備，那么我不推薦你購買天文望遠鏡，而推薦購買雙筒望遠鏡。至于背后的原因，如果你曾經像我一樣不幸購買過它們，自然明白它們其實只是一種為學前幼兒準備的光學玩具，而非嚴謹的觀測設備。

另外，關于大口徑設備，我要提到的第三個優(yōu)勢就是它們允許你為其添加必要的濾鏡，比如月亮濾鏡、行星濾鏡、光害濾鏡、OIII濾鏡等，尤其是光害濾鏡。前面我們提到絕大部分路燈和車燈都是鈉燈，波長集中在鈉雙線上（波長58 9.0納米和589.6納米）。光害濾鏡的原理就是在可見光的波段中重點過濾以上兩個波長的光線，提高目標與背景的反差。相關設備在天文照相領域首先被采用，對目視效果的提升也有顯著作用。它們適用于大口徑天文望遠鏡的原因也顯而易見：濾鏡本質上是一類篩選特定光線的篩子，有減弱設備進光量的作用，因此對小口徑望遠鏡而言，濾鏡會顯著劣化它們的像質。

擁有了合適的設備，下面我們就來看看它們都能在小區(qū)的樓頂上干點什么—當然，我指的并不是對面女性住戶的窗戶。真正專注于觀天的愛好者通常不會將他們設備的仰角降到20°以下，因為地平線附近的霧霾和光害尤其嚴重，更何況大部分的天文望遠鏡都呈倒像或反像，這不利于地面景物的觀察。當然了，不同口徑的設備擅長的目標也會不同。下面按照由儉入奢的順序分別講解它們。

一、純粹的目視。前面提到，純粹的肉眼觀察即可滿足觀賞流星雨的需要，尤其是每年定期赴約的三大流星雨：8月的英仙座流星雨，12月的雙子座流星雨以及1月的象限儀座流星雨。它們會在當月的某個夜晚迎來極大流量，具體日期隨年份的不同稍有不同。你可以通過互聯網查詢到當年的準確時刻。若彼時天氣晴朗且沒有月光干擾，你就可以如約守候在小區(qū)樓頂，靜靜等待流星劃過。一般來說，城市中的數小時蹲守足可以收獲十幾顆到幾十顆流星。如此差強人意的表現或許與它們名字中的“雨”字不怎么相符。的確，壯麗的天象都是百年罕見的，這是你成為天文愛好者之后需要適應的第一件事情。

此外，于日落后不久的黃昏和日出前的黎明找尋低軌道人造衛(wèi)星也是件很有趣的事，其中尤以國際空間站和銥星閃耀最具觀賞性。另外，中國發(fā)射的“天宮1”號及哈勃空間望遠鏡也能用肉眼直接看到，只是找尋的難度比前兩個要高。你可以在相關網站上查詢到它們經過你所在地區(qū)上空的準確時刻和過境軌跡，并提前守候在那里。

二、小型雙筒望遠鏡。如前所述，雙筒望遠鏡的優(yōu)勢在于觀察尖銳的星點，而非彌散的深空天體。其適宜的觀測目標幾乎囊括了城市觀星中的絕大部分天體，包括但不限于：崎嶇的月面、各類月食、月掩星、太陽黑子及日食（須在雙筒望遠鏡前端加裝巴德膜）、星座、變星、七大行星（從水星到海王星）、明亮的小行星（如灶神星和谷神星）、明亮的彗星、疏散星團、暗弱的人造衛(wèi)星等。當然，你也可以在白天嘗試用雙筒望遠鏡尋找金星和木星?？吹剿鼈儾⒎请y事，難的是定位。我敢說，對每一個在大白天看到星星的人而言，那一瞬間的體驗足以終生難忘。

三、口徑100mm以上的天文望遠鏡。這類設備當然可以觀察到雙筒望遠鏡能觸及的所有目標，并帶來全新的、令人吃驚的觀感體驗，只是如何定位并跟蹤它們是一項十足的技術活。要知道，天上的星辰每時每刻都在東升西落之中，地球的自轉效應在50倍率以上的目鏡視野里會變得非常明顯，甚至令人生厭。為此，你可以考慮將自己的望遠鏡挪到赤道儀上，或者加裝電動跟蹤設備以抵消地球的自轉效應。但對一個新手而言，每次安裝與校準這樣的設備又是一項煩瑣的任務。不過，一旦你花時間弄清楚了其背后的原理和操作流程，它帶來的回報也相當豐厚。屆時，你將可以使用更高倍率的目鏡仔細欣賞月面上的隕石坑的細節(jié)、大行星表面的云帶、挨得很近的雙星，以及形狀怪異的行星狀星云等。這里尤其要推薦的是雙星，天上有大把的此類目標適合在城市中心觀測，并且雙星間的姿態(tài)、顏色組合變化萬千，每一對都極具觀賞價值。

講到這里，我想，你完全有理由試著為自己挑選一個無月無風的晴夜，于整座城市沉入夢鄉(xiāng)的時候，獨自端坐于心愛的望遠鏡旁，慢慢找尋星表為你推薦的那些漂亮天體。然后，在寂靜無聲的凌晨，一個人慢慢享受天文觀測為你帶來的每一絲興奮和感動，當然，還有那一份難得的心靈放松。

遠離塵世，與星為伴，絕對是一件挺愜意的事。

最數字

20倍

現代汽車集團日前通過博客公開了正在研發(fā)中的“鋼鐵俠”實物。據稱，研發(fā)中的“鋼鐵俠”包括能將體力提高20倍的液壓式可穿戴機器人，在構造上無須遮蔽全身，系上安全帶即可使用。這個機器人計劃主要用于工廠等一線現場、未來的武器體系以及輔助殘疾人生活等三個方面。

8000千米

土星北極的六邊形神秘風暴一直吸引著科學家的目光，但實際上，在土星南極上空也存在一個巨型風暴系統(tǒng)。這個被稱作“黑暗之眼”的風暴系統(tǒng)直徑大約8000千米，幾乎相當于地球直徑的2/3。近日，歐空局對外發(fā)布了一張關于這一風暴系統(tǒng)的最新圖像，展示了該風暴內部劇烈對流的云層結構，其清晰度超出以往任何圖像的10倍以上。歐空局在聲明中指出：“先前的圖像展示了這一風暴系統(tǒng)邊緣的云系結構，而最新圖像能夠讓我們洞察其內部景象?！?/p>

50萬美元

2016年5月14日下午，美國航空航天局公布了新一輪的資金支持計劃， 將資助8個面向未來的項目，目標是將人類送往太空深處。這8個項目是“NASA創(chuàng)新先進概念”項目集的一部分， 在為期2年的研究中，每個項目將獲得最多50萬美元的資助。這些項目聽起來都像是科幻小說中的設想。例如，一種“磁電機外殼”將幫助飛船軟著陸，來自paceWorks的太空居住艙可以使宇航員進入深度睡眠。

7毫米

正在國際空間站駐站的英國宇航員蒂姆·皮克近期在推特上發(fā)出一張照片，顯示空間站艙體的窗戶外層玻璃上有一圈裂紋。歐空局說，這個裂孔可能是由極薄的碎片或直徑僅千分之一毫米的金屬垃圾造成的，直徑差不多7毫米。為躲避太空垃圾，空間站時常調整飛行軌道。直徑超過1厘米的太空垃圾可能擊穿艙體，大于10厘米的垃圾則可能直接撞碎衛(wèi)星或航天器。

月球泳池

坦白地講，在月球上游泳是一件很酷的事，把它作為當初我們登月的理由也不為過。最起碼要比肯尼迪總統(tǒng)給出的理由更棒。說到在水中漂浮的感覺，月球上和地球上差不多，因為在水中受到的浮力，取決于你身體的密度以及水的密度，與重力沒有關系。

在月球上潛泳的感覺也與在地球上很相似。游泳時阻力的主要來源是水的慣性，而慣性是物質的一種獨立屬性，也與重力無關。潛泳者在月球上能達到的最高泳速與地球上差不多，大概是2米/秒。

但除此之外的其他事情，在月球上做就與在地球上時截然不同了，往往變得更有趣。月球上的浪更大，會濺起更多水花，游泳的人甚至可以像海豚一樣躍出水面。

你還想知道這個人能躍出水面多高？

得出近似答案的最簡便的辦法，就是把游泳者看作一個簡單拋物體。拋物體拋出的高度，可以通過這個公式算出：

速度2/（2× 重力）。

也就是說，在地球上，能游出2米/秒速度的游泳健將，可以躍出水面約20厘米。

這樣算并不完全正確，但已經足以令我們意識到，在地球上，人類不可能像海豚一樣跳躍。不過，為了得到更準確的答案，也為了得出月球環(huán)境下適用的方程，我們還需要考慮一些其他因素。

當游泳者躍出水面的瞬間，他并不需要支撐身體的全部重量，浮力分擔了一部分體重。隨著身體逐漸露出水面，浮力逐漸減小，這是因為身體排開水的體積越來越小。因為身體的重力并未改變，所以游泳者需要支撐的重量在增加。

你可以計算出要將你的身體豎直提出水面一定高度需要多少勢能，但這牽涉到復雜的積分（處在水中的那部分身體的排水量對身體豎直移動距離的積分），而且還與身體的形狀有關。如果游泳者的移動速度快到能夠使絕大部分身體躍出水面，那么這一因素會使他最終躍出水面的高度相差約半個軀干;如果速度沒那么快，影響就會小一些。

我們還需要考慮一個因素，即游泳者的一部分身體離開水面后，他還可以繼續(xù)踩水。當身體完全沒于水中的游泳者以最高速度游動時，水產生的阻力和踩水以及擊打等產生的推力大小相同。我不知道該怎么描述游泳時雙臂的動作，我的第一反應就是“擊打”，但我覺得肯定不是這個詞……

無論如何，一旦游泳者的身體露出水面，產生的阻力幾乎消失，但他還可以繼續(xù)踩水一段時間。要想弄清楚這樣會增加多少能量，你可以拿踩水產生的推力乘以身體露出水面后繼續(xù)踩水的距離，因為能量等于力乘以距離。這段距離差不多是軀干的長度， 為1米至1.5米。至于踩水產生的推力，隨便搜索一下《救生員規(guī)范》就可以發(fā)現，一個游泳健將能將一個4.5千克的物體舉在頭頂游上一小段距離，這意味著他需要產生50多牛的力。

我們把上述因素全部綜合起來，可以得出這樣一個公式：

躍起高度=[（1/ 2×身體質量×最高速度2+ 踢水推力×軀干長度）/（地球重力加速度× 身體質量）]+ 浮力修正項。

要計算出游泳者躍出水面的高度，需要考慮多種因素，但在月球上，普通人最起碼也可以躍出水面1米，邁克爾·菲爾普斯躍出兩三米都沒問題。

如果再考慮到鰭，這個數字還會更令人驚喜。

穿戴鰭的游泳者比普通泳者很可能完成躍出水面四五米的動作。也就是說，他可以在月球上進行反向跳水。

而且結果可能更加驚人。2012年，公共科學圖書館綜合雜志《PLoSONE》發(fā)表過一篇論文，標題為《低重力環(huán)境下人類在水面行走》，得出的結論是：雖然在地球上人類無法在水面行走，但在月球上有可能勉強做得到。我強烈建議大家讀一讀這篇論文，就算只看看第2頁那幅搞笑的實驗裝置圖也好。

由于月球上重力減小，水會濺得更高，這和游泳者能躍起更高的道理是一樣的。結果就是濺起的水花更高，飛濺的水滴更多。用術語來說，月球上的游泳池更容易“飛濺”。（飛濺程度的國際標準單位是“濺度”。）

要避免泳池中所有的水都濺出來，就得專門設計一下池岸上的排水系統(tǒng)，讓水能迅速流回泳池。或者加高池壁，但這樣的話，會毀了月球泳池最關鍵的一項樂趣—像幻燈片滑動換頁那樣在池岸上滑行著上岸。

我完全支持這樣的想法。如果我們真的要建一個月球基地，我認為一定得在上面建一個大型游泳池。當然，要運送一個游泳池所需的水（相當于135匹馬的重量）到月球表面，將是一個耗資不菲的大工程。（一個游泳池所需的水，如果用2升的瓶子裝，10個一組， 要3000組，將它們運到月球上大概需要720億美元。）從另一方面看，月球基地建成后，肯定要有人在上面居住，所以無論如何都需要把水運到月球上去。運送補給用水和過濾系統(tǒng)可能比每三四天就送新的宇航員來替換要劃算得多，我建議美國航空航天局好好算算這筆賬。

這一切并不是完全不可能。一個游泳池，其重量大概相當于4個“阿波羅”號月球著陸器。新一代的重型運載火箭，比如波音公司生產的太空發(fā)射系統(tǒng)（SLS），或者SpaceX公司制造的“空間10”號獵鷹重型火箭，應該能用盡可能少的往返次數，將游泳池所需的水運送到月球表面。

因此，如果你真的非?？释谠虑蛏嫌斡荆蛟S下一步最該做的就是給埃隆·馬斯克（SpaceX公司的CEO）打個電話，讓他給個報價。