地球和太空中旋转星光的科学原理︱国际空间站之旅

苍穹悠远，星光深邃，在地球坚实的土地上，太阳和月亮每天都会升起和落下，周而复始。当太阳被地球挡在身后的时候，漫天的繁星在夜空的天幕中旋转。

在北半球，星空似乎围绕着北极星旋转，而在南半球，恒星似乎围绕着南天极旋转。对于摄影爱好者来说，相机快门打开的时间越长，恒星划过的轨迹就会越长、越壮观。下图：

这背后的原因是什么?这是因为地球在绕轴自转。南北天极都与地轴成一条直线，所以这些恒星以24小时为周期围绕地轴旋转一圈。如果在一个连续24小时天空晴朗的地方，我们可以得到一个完整的、封闭的星光轨迹。

上图是由厄尔·莫泽(Earl Moser)在北极拍摄的，他用三脚架做支撑，让相机在夜间曝光12小时，处理照片时再额外旋转180度。因为三脚架与北天极的位置有轻微的偏差，所以星光轨迹看起来不是很圆。

那么我们去外太空，不受地球表面的束缚，星星看起来是静止的还是在旋转？我们在外太空能否得到星光轨迹呢？我应该去哪里做测试呢！

当然是去国际空间站了!从外面(上图)和里面(下图)可以让国际空间站的宇航员看到地球360度的地平线。

下图左这张照片我们基本上都见过，是很经典的一张照片，那你有没有想过这个航天器是什么外观呢？就是下图右！

让我们先看看国际空间站是怎样在地球轨道上运行的。跟地球所有的卫星一样，国际空间站在离地球表面只有400多公里的地方绕着一个近乎完美的圆形轨道运行。90分钟内就可绕地球一圈，行程超过40000公里。根据万有引力定律，国际空间站以7402m/s的惊人速度绕地飞行。

但这并不是唯一的运动;当这空间站绕地飞行的时候，地球也在你下方自传，周期为24小时!这时空间站将会有两种飞行状态，这将决定我们能否看到的恒星轨迹。

一种选择是像哈勃太空望远镜一样没有自转，对准一个远离太阳系并且不受地球遮挡的目标，在这样的空间站永远看不到恒星的旋转轨迹。

但是国际空间站的建造不是为了眺望外太空，而是为了俯视地球。如果你从国际空间站往下看，你会看到什么?

每隔90分钟，空间站就会从赤道上升到北纬，然后一路下降，穿过赤道，下降到南极洲(但不完全飞越)，然后再向北回到赤道。由于地球的自转，每次国际空间站所经过位置的经度会改变20度左右。

因为国际空间站的设计是向下看地球的，每90分钟会自转一圈，而不是像哈勃那样根本不自转，所以上文中的空间站圆顶总是面向地球。如果我们把相机放在圆顶的侧面上，我们就能看到类似地球上恒星划过的圆形轨迹。

地球上的恒星轨迹需要24小时才能绕一圈，国际空间站上的轨迹只需90分钟就能绕一圈，因为这是国际空间站绕地球的旋转周期也是自转周期。这时我们就想到了总是一面朝向地球的月亮，其实道理是一样的。但国际空间站不是被地球潮汐锁定了，而是空间站的设计要求在自动调整姿态。朝向地球是为了更好的研究地球，这也是空间站的主要科学项目之一。

下面贴出的这些照片就完美的展示了在空间站拍摄的星光旋转。这些照片是由美国宇航员、杰出的摄影师，远征31号的飞行工程师唐·佩蒂特拍摄的，他拍摄了大量的短曝光照片，并将照片叠加在一起，产生了这些来自国际空间站的的美妙景象。

与地球上不同的是，国际空间站的恒星轨迹并不以南北天极为中心。因为国际空间站不随地球旋转!因此,照片中心得点是国际空间站的旋转轴,旋转轴不仅速度非常快，而且因为地球的公转旋转轴再一年中会进动360度。

然而，在每张合成照片中，除了恒星和恒星轨迹之外，我们还可以观察到关于地球的一些非凡影像。

例如，上图中我们可以看到空气中略带绿色的辉光，以及城市灯光的黄色条纹和闪电留下的蓝色斑点。

由于这张片的拍摄方向与国际空间站的运动方向平行，所以恒星轨迹看起来像是在下雨。当把相机移到空间站的两侧时，这种效应开始消失，空间站的旋转效应开始显现。下图：

在地球上方更高的高度上，还有一层暗红色的微弱气体辉光，这是因为氧原子在白天处于激发态，在夜间慢慢变回基态，红色层来自海拔150-300公里，而明亮、薄的绿色层来自海拔90-100公里的空气层。

那么上面这张带有大量蓝色斑点的图片呢?你可能已经想到了，这是由一场短暂的雷暴在延时照片中产生的壮观效果，每一个蓝色斑点都代表了一次闪电。当卫星在地球上快速掠过时，雷暴的位置(以及城市的灯光)在相机镜头中快速移动，就产生了连续的光线条纹。

在国际空间站的侧面我们会得到比较平静的景象。上图中在微弱红光的上方出现的模糊，这是因为国际空间站在轨道上运行时，为空间站提供动力的太阳能电池板会移动和调整，以便最大限度地利用太阳能。

虽然天空中星光比较暗淡，但其中有一个物体非常显眼:那就是月亮。如果我们在地球上观察星空的时候，常常会因为大气对月光的散射造成光污染，让本来就很微弱的星光变的不可见！这就显示了从太空研究天文学的巨大优势，这也是哈勃上天的原因，为了避免地球大气的干扰。

地球上的旋转星空、太空中的旋转星空，现在你知道它们背后的科学原理了吧。