“坐在飞船里,俯瞰着地球,那种感觉是无与伦比的,仿佛整个地球在迅速转动,宇宙的奥秘令人着迷。”
许多人对于太空的想象常常带有这样的情景:看见地球在自转,宇宙的广袤和神秘感油然而生。实际上,在太空中并不容易观察到地球的自转。那么,问题究竟出在哪里呢?
这个问题的答案与人眼的分辨率密切相关。分辨率决定了我们能否察觉物体的运动,特别是在太空这样极其辽阔的环境中。接下来,我们来详细探讨一下这个话题。
人眼的分辨率通常用“角分辨率”来表示。这一术语也被称为“角分辨度”或“分辨功率”。要理解角分辨率的定义,我们可以用几个公式来表达:
θ=
或者
θ≈
1.22λ
其中,θ代表角分辨率,λ是光波的波长,D是光学系统的瞳孔大小。
这两个公式揭示了光学系统的分辨率与像差之间的关系。简言之,θ越小,分辨率越高。具体来说,如果瞳孔的直径D较大,θ会变小,分辨力就越强;反之,D越小,θ就越大,分辨率则越差。而波长λ的影响也很大,λ越小,分辨率越高。
地球表面可见光的波长范围大约是400nm到700nm,而人类的瞳孔相对较小,因此人眼的分辨率是有限的。实际上,人眼的分辨率大约为1角分,这意味着如果物体的角度分辨率在150角分以内,人眼几乎无法察觉到物体的运动。
无论是在太空中还是在地球上,从我们自身的观察角度来看,地球的自转并不容易察觉。特别是当我们在地球表面或低空中观察时,地球的自转显得非常微弱。
接下来,许多人会问,既然地球是圆的,那么在太空中和地面上观察有什么不同呢?在太空中,我们的观察方式和分辨力与地球的半径和观察的高度密切相关。
地球的半径大约为6378公里。如果我们站在地面上观察,那么地球上半天的角分辨率大约是180°除以6378公里,这个值表示我们能够看到的地球范围。而如果我们进入太空,在5340公里的高度进行观察,那么我们看到的地球半天范围的角分辨率会变得更加精细。也就是说,在5340公里的高度,我们能够看到的地球自转现象会更明显一些。
这个高度并非太空观测的极限。事实上,即使我们稍微提高一些高度,观察地球的分辨力也会得到进一步提升。实际上,在接近5340公里的高度,地球自转的迹象会变得明显可见,而这个高度正好接近人类卫星发射轨道的高度。
当我们处于这个高度时,观察地球半天的旋转,确实能明显看到地球在自转。这个高度对于大多数人造卫星来说,属于近地轨道。尽管在这个高度以下仍然有一些人造卫星在运行,但从科学研究的角度来看,5340公里被视为理想的观察高度。
与此这个高度也是天文台望远镜的观察极限。在这个高度上,我们能够清楚地观察到地球的旋转,但如果我们再降低高度,太空中的望远镜就很难再有效地观测地球了。
事实上,在低于5340公里的轨道上,观察地球自转的迹象变得更加微弱,几乎无法察觉。这也是为什么我们在太空中难以看到地球自转的主要原因之一。
另一个原因是卫星的轨道选择。在发射卫星时,科学家们通常会选择近地轨道,因为这个轨道的发射成本较低,且能够有效支持各种科研和生产活动。近地轨道不仅仅是人类卫星的栖息地,许多自然物体也存在于这一区域。这个区域的物体较为密集,也意味着这里的空间环境相对复杂。
如果我们选择将卫星送到更高的轨道,虽然可以获得更远的观测距离,但这也意味着更高的发射成本和更长的发射时间。高轨道中的太空环境往往充满了辐射和灰尘,这些因素会对科研工作造成影响。为了更高效和经济地进行太空探索,近地轨道成为了最佳选择。
更高的轨道不仅增加了发射成本,还使得地球自转的观察变得更加困难。距离过远时,地球自转的速度显得较慢,几乎无法观察到明显的旋转现象。
虽然人眼本身的分辨率有限,不能直接观察到地球自转,但卫星选择的轨道也起到了关键作用。在近地轨道上,由于距离适中,分辨率较低,地球自转的迹象就不易被察觉。只有当我们进入足够高的轨道,才能够清楚地看到地球的旋转。