如何在城市中观星？

陈厚尊

在城市里观星，听起来很不可思议。的确，每逢夜幕降临，几乎所有的中国大城市都是一副钢铁林立、霓虹璀璨的华美景象，原本灿烂而深邃的星空早已被大片大片泛黄的光海屏蔽殆尽。这一点从谷歌不定期发布的光害地图上也可得到印证。可怜的天文爱好者为了尽可能地找寻尚未被文明蹂躏的纯净夜空，不得不背起沉重的行囊，苦行僧似的跋山涉水，上山下乡。但是，且慢，你每日生活的小区真的就那么一无是处吗？城市里真的不适合任何形式的观星活动吗？答案自然是否定的。如果你愿意摒弃成见，耐心读完下面这些文字，就有可能成倍地提高你手中天文器材的利用率！

总的来说，一名当代的城市观天者在仰望夜空的时候总是要面临两大阻碍，一是光害，二是雾霾，它们均发生于距地面两三千米的高度范围内。其中光害是全世界天文爱好者都会面临的一大困扰，而雾霾仅仅是像中国这样的发展中国家在某个特定时期内面临的挑战。

通常来讲，构成雾霾的颗粒直径都在1微米以上，即所谓的PM2.5和PM10。而可见光的波长是0.4微米至0.7微米，远小于雾霾的组成颗粒。因此，雾霾对可见光的干扰主要表现在散射和阻挡，前者令我们看不清太阳，后者令我们看不到星星。此外，由于城市的热岛效应，雾霾颗粒在城市上空滞留的时间格外长，除非有新鲜空气自外界补充进来，否则很难主动消散。更糟糕的是，雾霾与光害相遇后对星光的阻隔效果可以加成。这就好像一束光打在烟雾上，飘浮的雾霾颗粒能够加强光害的破坏力，并扩大其影响范围。利用天文学中极限星等的概念可以量化此类影响。极限星等表示特定环境下人眼在天顶附近刚好能够察觉到的最暗的星点亮度。比如在理想的黑暗环境中，这个数值应为6等甚至更高;而在光害最严重的城市，这个数值会下降至4等。另一方面，在雾霾笼罩（PM2.5的数值在100至200之间）的乡村，极限星等一般为5.2等左右。但是，当类似的雾霾遇上严重的光害时，这个数值竟会下降到3等甚至2等！由此可见，雾霾与光害之间的确有“一加一大于二”的非线性关系。

于是，城市观星就变成了一门趋利避害的学问。下面，我们将从适宜城市观测的地点、时间、器材以及目标等四个方面详加阐述。

首先，地点的选择主要基于光害的分布。因为雾霾的盘踞经常是大范围的，远远超出一座城市的面积。而城市中常见的光害来源可分为三大类：路灯、车灯及广告牌。前两者一般为钠灯，照射方向朝下或者水平，因而较容易通过树木、建筑物等加以屏蔽。相较之下，广告牌的发光类型及照射方向要随意得多，只能通过尽可能远离的方式减轻其影响。不过，考虑到在安静的小区附近不太可能有刺目的广告牌（如果存在，可以尝试以干扰居民休息为由向有关部门投诉），小区里的健身公园或居民楼楼顶都是不错的观星地点。这里也可以对路灯和车灯起到良好的屏蔽效果。

那么，哪个时间段才是城市观星推荐的观测时间呢？如果你曾有过在小区里彻夜守候星空的经历，就会有这样的感受：子夜过后，尤其是凌晨时分，头顶的夜空似乎比前半夜显得更加幽暗。这并非你的错觉，因为午夜过后，市区中绝大部分的景观灯和广告牌都会关闭，同时车灯的数目也大为减少，只留下主干道上的路灯。鉴于此，城市观星者关注的星空也会与观天者熟悉的模式存在稍许错位，即在顺序上推后一个季节。比如在夏季的子夜观测以飞马座四边形、仙后座为代表的秋季星座，而在冬季的夜晚观测以北斗七星、狮子座为代表的春季星空;在秋季的晚上观测以猎户座、双子座为代表的冬季星座，而在春季的凌晨观测以夏季大三角、天蝎座为代表的夏季星空等。

选定了最佳的观测时间和地点，单凭我们的肉眼只能观测诸如流星雨这样的天象。如此单调的观测题材自然无法令人满意。不必担心，适用于城市观星的器材种类相当广泛，即便是一架品质合格的4 2mm口径双筒望远镜也能极大地拓展你的视野。简单的计算表明，假如你所在地区的极限星等为3等，那么前面提到的双筒望远镜将有可能帮你辨认出暗至8等的目标，这意味着诸如海王星、灶神星、较明亮的彗星（此类彗星会以一两年一次的频率出现）等天体已经进入你的观测范围了。当然，口径更大的双筒望远镜可以进一步压暗背景天空的亮度，提升你的观测能力。仍以前述的光害条件为例，口径60mm的双筒望远镜可以辨认出最暗8.9等的目标，口径80mm的双筒望远镜可辨认9.5等的目标，口径100mm的大双筒望远镜可辨认暗至10等的目标。不过一般来讲，双筒望远镜的体积与重量都会随着口径的增长而大幅增加，价格也是如此。还有，为了保持镜中视野的稳定，口径超过50mm 的双筒望远镜通常都需要额外的辅助支撑（如三脚架），从而造成携带上的不便。因此，我们不推荐业余爱好者购买口径超过80mm的双筒望远镜，除非你是这方面的狂热发烧友—他们甚至会经常摆弄一些口径超过254mm的巨型双筒观测设备。

不过话又说回来，通过无节制地增加口径来提升你的暗弱天体观测能力其实是一条事倍功半的笨路子，相信你已经从前面越来越慢的数字增长中察觉到了这一点。假如你带上灵巧的42mm口径的小镜子去极限星等为5等的郊野乡村，它的观测效果就会超过市中心的一架100mm口径的大双筒。这是因为对类似星云、球状星团、彗星等弥散天体而言，一旦光害的亮度超过了其表面亮度，无论怎样增加设备口径都无济于事。因此，如果你非得观测上述类型的深空天体，就只能选择离开自己舒适的小区，背上沉重的行囊跋山涉水。这是没有办法的事情，基本的光学原理限制了城市观星的范围。不过，这并不是说大口径设备在城市观星中就没有用武之地，它在提升观测星等的同时，还可以显著提高目标的分辨率。换句话说，就是让目标变得更清晰，而这一点恰恰是城市观星的优势所在。由于热岛效应，城市上空的低层大气较野外环境稳定得多，这十分利于大口径设备发挥分辨率方面的优势。另一方面，如果你的确需要一架口径超过80mm的设备用以提高观测分辨率，那么我推荐你购买业余天文望远镜。不过我要格外强调的是，这个结论的否命题也成立，即如果你只需要一架口径为80mm（含）以下的便携式观天设备，那么我不推荐你购买天文望远镜，而推荐购买双筒望远镜。至于背后的原因，如果你曾经像我一样不幸购买过它们，自然明白它们其实只是一种为学前幼儿准备的光学玩具，而非严谨的观测设备。

另外，关于大口径设备，我要提到的第三个优势就是它们允许你为其添加必要的滤镜，比如月亮滤镜、行星滤镜、光害滤镜、OIII滤镜等，尤其是光害滤镜。前面我们提到绝大部分路灯和车灯都是钠灯，波长集中在钠双线上（波长58 9.0纳米和589.6纳米）。光害滤镜的原理就是在可见光的波段中重点过滤以上两个波长的光线，提高目标与背景的反差。相关设备在天文照相领域首先被采用，对目视效果的提升也有显著作用。它们适用于大口径天文望远镜的原因也显而易见：滤镜本质上是一类筛选特定光线的筛子，有减弱设备进光量的作用，因此对小口径望远镜而言，滤镜会显著劣化它们的像质。

拥有了合适的设备，下面我们就来看看它们都能在小区的楼顶上干点什么—当然，我指的并不是对面女性住户的窗户。真正专注于观天的爱好者通常不会将他们设备的仰角降到20°以下，因为地平线附近的雾霾和光害尤其严重，更何况大部分的天文望远镜都呈倒像或反像，这不利于地面景物的观察。当然了，不同口径的设备擅长的目标也会不同。下面按照由俭入奢的顺序分别讲解它们。

一、纯粹的目视。前面提到，纯粹的肉眼观察即可满足观赏流星雨的需要，尤其是每年定期赴约的三大流星雨：8月的英仙座流星雨，12月的双子座流星雨以及1月的象限仪座流星雨。它们会在当月的某个夜晚迎来极大流量，具体日期随年份的不同稍有不同。你可以通过互联网查询到当年的准确时刻。若彼时天气晴朗且没有月光干扰，你就可以如约守候在小区楼顶，静静等待流星划过。一般来说，城市中的数小时蹲守足可以收获十几颗到几十颗流星。如此差强人意的表现或许与它们名字中的“雨”字不怎么相符。的确，壮丽的天象都是百年罕见的，这是你成为天文爱好者之后需要适应的第一件事情。

此外，于日落后不久的黄昏和日出前的黎明找寻低轨道人造卫星也是件很有趣的事，其中尤以国际空间站和铱星闪耀最具观赏性。另外，中国发射的“天宫1”号及哈勃空间望远镜也能用肉眼直接看到，只是找寻的难度比前两个要高。你可以在相关网站上查询到它们经过你所在地区上空的准确时刻和过境轨迹，并提前守候在那里。

二、小型双筒望远镜。如前所述，双筒望远镜的优势在于观察尖锐的星点，而非弥散的深空天体。其适宜的观测目标几乎囊括了城市观星中的绝大部分天体，包括但不限于：崎岖的月面、各类月食、月掩星、太阳黑子及日食（须在双筒望远镜前端加装巴德膜）、星座、变星、七大行星（从水星到海王星）、明亮的小行星（如灶神星和谷神星）、明亮的彗星、疏散星团、暗弱的人造卫星等。当然，你也可以在白天尝试用双筒望远镜寻找金星和木星。看到它们并非难事，难的是定位。我敢说，对每一个在大白天看到星星的人而言，那一瞬间的体验足以终生难忘。

三、口径100mm以上的天文望远镜。这类设备当然可以观察到双筒望远镜能触及的所有目标，并带来全新的、令人吃惊的观感体验，只是如何定位并跟踪它们是一项十足的技术活。要知道，天上的星辰每时每刻都在东升西落之中，地球的自转效应在50倍率以上的目镜视野里会变得非常明显，甚至令人生厌。为此，你可以考虑将自己的望远镜挪到赤道仪上，或者加装电动跟踪设备以抵消地球的自转效应。但对一个新手而言，每次安装与校准这样的设备又是一项烦琐的任务。不过，一旦你花时间弄清楚了其背后的原理和操作流程，它带来的回报也相当丰厚。届时，你将可以使用更高倍率的目镜仔细欣赏月面上的陨石坑的细节、大行星表面的云带、挨得很近的双星，以及形状怪异的行星状星云等。这里尤其要推荐的是双星，天上有大把的此类目标适合在城市中心观测，并且双星间的姿态、颜色组合变化万千，每一对都极具观赏价值。

讲到这里，我想，你完全有理由试着为自己挑选一个无月无风的晴夜，于整座城市沉入梦乡的时候，独自端坐于心爱的望远镜旁，慢慢找寻星表为你推荐的那些漂亮天体。然后，在寂静无声的凌晨，一个人慢慢享受天文观测为你带来的每一丝兴奋和感动，当然，还有那一份难得的心灵放松。

远离尘世，与星为伴，绝对是一件挺惬意的事。

最数字

20倍

现代汽车集团日前通过博客公开了正在研发中的“钢铁侠”实物。据称，研发中的“钢铁侠”包括能将体力提高20倍的液压式可穿戴机器人，在构造上无须遮蔽全身，系上安全带即可使用。这个机器人计划主要用于工厂等一线现场、未来的武器体系以及辅助残疾人生活等三个方面。

8000千米

土星北极的六边形神秘风暴一直吸引着科学家的目光，但实际上，在土星南极上空也存在一个巨型风暴系统。这个被称作“黑暗之眼”的风暴系统直径大约8000千米，几乎相当于地球直径的2/3。近日，欧空局对外发布了一张关于这一风暴系统的最新图像，展示了该风暴内部剧烈对流的云层结构，其清晰度超出以往任何图像的10倍以上。欧空局在声明中指出：“先前的图像展示了这一风暴系统边缘的云系结构，而最新图像能够让我们洞察其内部景象。”

50万美元

2016年5月14日下午，美国航空航天局公布了新一轮的资金支持计划， 将资助8个面向未来的项目，目标是将人类送往太空深处。这8个项目是“NASA创新先进概念”项目集的一部分， 在为期2年的研究中，每个项目将获得最多50万美元的资助。这些项目听起来都像是科幻小说中的设想。例如，一种“磁电机外壳”将帮助飞船软着陆，来自paceWorks的太空居住舱可以使宇航员进入深度睡眠。

7毫米

正在国际空间站驻站的英国宇航员蒂姆·皮克近期在推特上发出一张照片，显示空间站舱体的窗户外层玻璃上有一圈裂纹。欧空局说，这个裂孔可能是由极薄的碎片或直径仅千分之一毫米的金属垃圾造成的，直径差不多7毫米。为躲避太空垃圾，空间站时常调整飞行轨道。直径超过1厘米的太空垃圾可能击穿舱体，大于10厘米的垃圾则可能直接撞碎卫星或航天器。

月球泳池

坦白地讲，在月球上游泳是一件很酷的事，把它作为当初我们登月的理由也不为过。最起码要比肯尼迪总统给出的理由更棒。说到在水中漂浮的感觉，月球上和地球上差不多，因为在水中受到的浮力，取决于你身体的密度以及水的密度，与重力没有关系。

在月球上潜泳的感觉也与在地球上很相似。游泳时阻力的主要来源是水的惯性，而惯性是物质的一种独立属性，也与重力无关。潜泳者在月球上能达到的最高泳速与地球上差不多，大概是2米/秒。

但除此之外的其他事情，在月球上做就与在地球上时截然不同了，往往变得更有趣。月球上的浪更大，会溅起更多水花，游泳的人甚至可以像海豚一样跃出水面。

你还想知道这个人能跃出水面多高？

得出近似答案的最简便的办法，就是把游泳者看作一个简单抛物体。抛物体抛出的高度，可以通过这个公式算出：

速度2/（2× 重力）。

也就是说，在地球上，能游出2米/秒速度的游泳健将，可以跃出水面约20厘米。

这样算并不完全正确，但已经足以令我们意识到，在地球上，人类不可能像海豚一样跳跃。不过，为了得到更准确的答案，也为了得出月球环境下适用的方程，我们还需要考虑一些其他因素。

当游泳者跃出水面的瞬间，他并不需要支撑身体的全部重量，浮力分担了一部分体重。随着身体逐渐露出水面，浮力逐渐减小，这是因为身体排开水的体积越来越小。因为身体的重力并未改变，所以游泳者需要支撑的重量在增加。

你可以计算出要将你的身体竖直提出水面一定高度需要多少势能，但这牵涉到复杂的积分（处在水中的那部分身体的排水量对身体竖直移动距离的积分），而且还与身体的形状有关。如果游泳者的移动速度快到能够使绝大部分身体跃出水面，那么这一因素会使他最终跃出水面的高度相差约半个躯干;如果速度没那么快，影响就会小一些。

我们还需要考虑一个因素，即游泳者的一部分身体离开水面后，他还可以继续踩水。当身体完全没于水中的游泳者以最高速度游动时，水产生的阻力和踩水以及击打等产生的推力大小相同。我不知道该怎么描述游泳时双臂的动作，我的第一反应就是“击打”，但我觉得肯定不是这个词……

无论如何，一旦游泳者的身体露出水面，产生的阻力几乎消失，但他还可以继续踩水一段时间。要想弄清楚这样会增加多少能量，你可以拿踩水产生的推力乘以身体露出水面后继续踩水的距离，因为能量等于力乘以距离。这段距离差不多是躯干的长度， 为1米至1.5米。至于踩水产生的推力，随便搜索一下《救生员规范》就可以发现，一个游泳健将能将一个4.5千克的物体举在头顶游上一小段距离，这意味着他需要产生50多牛的力。

我们把上述因素全部综合起来，可以得出这样一个公式：

跃起高度=[（1/ 2×身体质量×最高速度2+ 踢水推力×躯干长度）/（地球重力加速度× 身体质量）]+ 浮力修正项。

要计算出游泳者跃出水面的高度，需要考虑多种因素，但在月球上，普通人最起码也可以跃出水面1米，迈克尔·菲尔普斯跃出两三米都没问题。

如果再考虑到鳍，这个数字还会更令人惊喜。

穿戴鳍的游泳者比普通泳者很可能完成跃出水面四五米的动作。也就是说，他可以在月球上进行反向跳水。

而且结果可能更加惊人。2012年，公共科学图书馆综合杂志《PLoSONE》发表过一篇论文，标题为《低重力环境下人类在水面行走》，得出的结论是：虽然在地球上人类无法在水面行走，但在月球上有可能勉强做得到。我强烈建议大家读一读这篇论文，就算只看看第2页那幅搞笑的实验装置图也好。

由于月球上重力减小，水会溅得更高，这和游泳者能跃起更高的道理是一样的。结果就是溅起的水花更高，飞溅的水滴更多。用术语来说，月球上的游泳池更容易“飞溅”。（飞溅程度的国际标准单位是“溅度”。）

要避免泳池中所有的水都溅出来，就得专门设计一下池岸上的排水系统，让水能迅速流回泳池。或者加高池壁，但这样的话，会毁了月球泳池最关键的一项乐趣—像幻灯片滑动换页那样在池岸上滑行着上岸。

我完全支持这样的想法。如果我们真的要建一个月球基地，我认为一定得在上面建一个大型游泳池。当然，要运送一个游泳池所需的水（相当于135匹马的重量）到月球表面，将是一个耗资不菲的大工程。（一个游泳池所需的水，如果用2升的瓶子装，10个一组， 要3000组，将它们运到月球上大概需要720亿美元。）从另一方面看，月球基地建成后，肯定要有人在上面居住，所以无论如何都需要把水运到月球上去。运送补给用水和过滤系统可能比每三四天就送新的宇航员来替换要划算得多，我建议美国航空航天局好好算算这笔账。

这一切并不是完全不可能。一个游泳池，其重量大概相当于4个“阿波罗”号月球着陆器。新一代的重型运载火箭，比如波音公司生产的太空发射系统（SLS），或者SpaceX公司制造的“空间10”号猎鹰重型火箭，应该能用尽可能少的往返次数，将游泳池所需的水运送到月球表面。

因此，如果你真的非常渴望在月球上游泳，或许下一步最该做的就是给埃隆·马斯克（SpaceX公司的CEO）打个电话，让他给个报价。