二零二五年九月 第二期

怎樣處理太空垃圾？

身為一個天文攝影愛好者，在一個晴朗乾燥的晚上，最適合的是拍攝深空物體。當你打算拍攝獵戶座的馬頭星雲，長時間曝光，回家後卻發現有一條又一條白色的光線劃破影像，心情不免一沉：又是那討厭的人造衛星。

凱斯勒現象

人造衛星除了影響天文攝影¹以外，其實隱含一個被長年忽視的問題。早於1978年，美國太空總署(NASA)的科學家凱斯勒(Donald J. Kessler)想像當人類發射越來越多的人造衛星上太空，正因太空沒有「垃圾桶」，用完的人造衛星(太空垃圾)就在離地球不遠的地方以時速每小時280,00公里高速飛行。只要一不小心，兩個高速運行的人造衛星相撞，碎片便會散落在太空。其實，在2009年2月10日，一輛由美國公司擁有的通訊衛星已經在西伯利亞上空與俄羅斯的軍事衛星相撞，並產生了超過 2,300 件碎片²。碎片不但會改變其他人造衛星的軌道，還會觸發更多人造衛星的碰撞，威脅在近地軌道的人衛星及的太空站。隨著碎片越來越多，太空垃圾相撞的機會越高，導致更多碎片散落太空，形成骨牌效應。何況，人類還不斷地發射人造衛星呢……

當凱斯勒預見太空垃圾籠罩地球的危險時，不同領域的專家正積極地研究處理太空垃圾的辦法。現時，太空軌道是沒有有效規管大量衛星的機制，軌道實行「搶咪表」，先到先得的機制。因此，法律學者提議通過訂立太空法律規管各國有序地開發太空資源和設立意外保償機制⁴。另外，有學者創立獨立機構TCTB  嘗試協調三大太空垃圾製造國：中國，美國和俄羅斯從外交方法聯手處理太空垃圾⁵。雖然有政策和指導方針，但為了應對太空垃圾問題，需要有人開發主動太空垃圾清除(Active Space Debris Removal)的方法。因此，科學家提出多個方法，包括：激光消融法和軌道轉移法。

激光消融法

激光消融法利用強力的激光射向太空垃圾。激光帶有的能量會熔化太空垃圾的金屬沉積物表面，使其溫度會提升至幾千攝氏度。隨後，金屬沉積物會變態(就如冰加熱會變成水)，形成電漿體和氣體。電漿體和氣體會向後排出，為太空垃圾加速或減速，繼而更改其軌道。

但是問題來了，如果要將一件太空垃圾完全從太空軌道移除，科學家估計需要4,000至5,000次激光脈衝，時長大約一到兩年。這項計算是假設太空垃圾是單一部件(只有鋁鐵或碳物料)製成的。還有，激光消融法所製造的氣體只能推動中形碎片（尺寸在1厘米到10厘米之間）。若要移除大形碎片（尺寸大於10厘米）需要的脈衝次數更多，移除時間也會更長。因此，想要移除更大和更多元的太空垃圾，只靠激光消融法不能成事。

軌道轉移法

2024年，筆者有幸出席香港大學舉辦的國際太空可持續發展會議。當中，有來自俄羅斯的科學家提議利用軌道轉移法來處理太空垃圾。軌道轉移法^8,9需要一輛「清道夫衛星」來捉拿大型太空垃圾，然後將它移去太空的「堆填區(墓地軌道)」。首先，「清道夫衛星」會在太空垃圾上安裝推進器。然後，「清道夫衛星」和太空垃圾分離。推進器按指示發射，最後太空垃圾會被移去墓地軌道。可是，如何補充「清道夫衛星」上的推進器構成一個問題。

另一種方式會解決補充推進器的問題。首先，「清道夫衛星」會捉拿大型太空垃圾。然後，「清道夫衛星」和太空垃圾一起移往墓地軌道。及後，「清道夫衛星」和太空垃圾分離。最後，「清道夫衛星」移回太空垃圾軌道繼續捕獲新的太空垃圾。

看似完美的方法，其實暗藏問題。日常生活中，當我們抬高物件時需要「費力」，從科學的用語是增加物件的勢能，讓物件抵抗地心吸力。同樣，轉移軌道也要「費力」。可是，轉移軌道比日常生活中抬高物件更加「費力」，因為太空垃圾更重。因此，推進器和「清道夫衛星」能否有足夠力量抬高太空垃圾成疑。

鑒於現時的科技未能製作出強力激光或「清道夫衛星」，所以以上的方法純屬科學理論。即便科學家能在短時間內找到清理太空垃圾的方法，長遠來說，建構一個可持續發展的太空環境仍需各國的努力。地球上需要可持續發展目標，太空也不例外¹⁰。

暑期實習生
黃諾謙

參考資料

1. Space Telescope Science Institute. (2023). Example of Satellite Trail in Hubble Space Telescope Exposure. https://www.stsci.edu/contents/media/images/2023/017/01H1Q4K5J650PPH3HM9Y88N7TA?news=true
2. European Space Agency. About space debris. https://www.esa.int/Space_Safety/Space_Debris/About_space_debris
3. European Space Agency. (2023). 2023: ESA’s year in space – Space debris animations. https://www.esa.int/esatv/Videos/2023/12/2023_ESA_s_year_in_space/Space_debris_animations
4. Yun Zhao. (2024). ENVIRONMENTAL PROTECTION, SUSTAINABILITY AND THE PREVENTION OF SATELLITE COLLISIONS IN OUTER SPACE, Fordham Environmental Law Review, 35, 2, 1. https://ir.lawnet.fordham.edu/elr/vol35/iss2/1/
5. Three Country Trusted Broker. https://www.threecountrytrustedbroker.com/
6. Leitz, K.-H., Redlingshöfer, B., Reg, Y., Otto, A., & Schmidt, M. (2011). Metal ablation with short and ultrashort laser pulses. Physics Procedia, 12, 230–238. https://doi.org/10.1016/j.phpro.2011.03.128
7. Wen, Q., Yang, L.-W., Zhao, S.-H., Fang, Y.-W., Wang, Y., & Hou, R. (2018). Numerical Simulation of the Effects of  Removing Small-scale Space Debris  Using a Space-based Laser. Journ. of Laser Science, 1, 73–78.  https://www.oldcitypublishing.com/wp-content/uploads/2019/06/IJLSv1n1p73-88Wen.pdf
8. Aslanov, V., & Yudintsev, V. (2013). Dynamics of large space debris removal using tethered space tug. Acta Astronautica, 91, 149–156. https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2013.05.020
9. Baranov, A. A., & Grishko, D. A. (2024). Review of path planning in prospective multi-target active debris removal missions in low Earth orbits. Progress in Aerospace Sciences, 145, 100982. https://doi.org/10.1016/j.paerosci.2024.100982
10. United Nations. Awareness-raising and capacity-building related to the implementation of the Guidelines for the Long-term Sustainability of Outer Space Activities.  https://spacesustainability.unoosa.org/

二零二五年一月 第二期

雙筒望遠鏡的選擇與應用

無論是觀星還是野外生態考察，一套合適的雙筒望遠鏡都能夠大大增加觀測趣味，是理想的基本裝備。雙筒望遠鏡（Binoculars）操作簡單、便於攜帶、視野廣闊、多功能，而且價格親民，最低只需數百元。初學者如有興趣添置儀器，不妨先考慮選擇雙筒望遠鏡。

請緊記「切勿觀看太陽」!!!

如何選擇雙筒望遠鏡

1. 倍率X口徑

在雙筒望遠鏡上，通常都寫有一組數字，例如8×32或10×42。當中8x或10x代表放大倍率﹔而之後的數字表示物鏡口徑（毫米）。所以8×32就表示這雙筒鏡的規格是放大8倍，物鏡口徑32mm。物鏡口徑愈大，集光能力愈強，影像也會更明亮，在低光環境下較有優勢。而影像的亮度亦受倍率影響，倍率愈高，影像會愈暗。我們會以「出光瞳孔exit pupil」來作參考，即口徑和倍率的比例，例如8×32的雙筒鏡「出光瞳孔」為4mm。而人的瞳孔在漆黑環境能擴大至7mm左右，「出光瞳孔」愈接近7mm愈理想，數值太小影像可能會較暗。

2. 重量 vs 穩定

雖然望遠鏡的口徑愈大，集光能力愈強。但太大或太重的雙筒鏡既不便攜帶，長期拿着使用時亦較易疲倦引致抖動，因此選擇時亦應考慮望遠鏡的重量。而手持望遠鏡觀看時，任何輕微的抖動都會被放大，所以太高的放大倍率亦影響使用的穩定性，使用起來較不舒適。故此一般觀星用的雙筒鏡，會建議選擇放大倍率不高於10倍，物鏡口徑避免太大，同時亦兼顧到合適的「出光瞳孔」，例如 8×42或 10×50都是常見的規格。

3. 視場

除了倍率和口徑，雙筒鏡上通常也會標示其視場，例如“Field5.8”或“305FT”，這表示該雙筒望遠鏡的視場為5.8度或在1000碼外可見305英尺的範圍。視場越廣，觀察到的天區也越多，這也是個重要的考量。由於雙筒鏡倍率通常較低，能提供廣泛的視野，方便觀賞面積較大的天體，如星野、月球、星雲星團、銀河、彗星等。

4. 色差

雙筒望遠鏡的內部結構通常包括物鏡、稜鏡和目鏡等組件。當光線通過這些光學元件時，會因為不同波長的光線折射程度不同而產生色差。這種現象會導致觀察到的影像邊緣出現顏色的分離，通常表現為一些顏色（如藍色或紅色）在影像邊緣的模糊或重疊。選擇具有良好光學設計和低色散材料的雙筒鏡能減少色差，提升觀賞體驗，但價錢亦會較高。

5. 對焦距離

用於生態觀測的望遠鏡，能夠實現較近的對焦距離是非常重要的，因為在觀察鳥類、昆蟲或植物等目標時，這些對象通常距離較近。選擇時要留意最近對焦距離的數值。但在觀星時，目標天體的距離通常非常遙遠，因此對焦距離的問題相對不那麼突出。

6. 款式

按雙筒望遠鏡的內部的稜鏡設計，常見可分為普羅稜鏡(Porro Prism) 和直筒的屋脊式稜鏡(Roof Prism)兩種。普羅稜鏡提供寬闊的視野和較佳的立體感，成本較低。而直筒的屋脊式稜鏡，體積較小較輕便，亦相對較耐用，但價格較普羅稜鏡貴。

三招調校雙筒望遠鏡

1. 眼距調整

首先調整兩個鏡筒之間的距離，目的是令兩個目鏡之間的距離和雙眼的距離相同。如果眼距不相同，在鏡內會看到兩個圈。改變鏡筒距離，直至左右兩眼看到的兩個圈合為一個畫面。

2. 對焦調整

透過雙筒鏡觀測遠方景物，同時調整中間的主要對焦環，直至獲得清晰的影像便可。當觀察不同距離的目標時，可能要重新調整對焦。而在觀星時，由於不同的天體距離都很遙遠，因此並不需要不斷調焦。

3. 屈光度(Diopter)調整 – 雙眼差異校正

由於我們雙眼的視力可能並不完全相同，為了補償這種差異，許多雙筒望遠鏡在其中一個目鏡(通常是右邊目鏡)上設有調整功能，稱為屈光度調整。方法是在對焦前閉上或蓋上右眼，只用左眼觀察遠方景物並調校對焦環，直到左眼看到清晰的影像。然後張開右眼，如看到右眼的影像模糊，轉動目鏡上的屈光度調整環，直至令影像清晰。這樣就大功告成，張開雙眼進行觀測。

使用小貼士

1. 切勿觀看太陽，否則會損害視力甚至失明。
2. 盡量存放在防潮箱或乾燥的地方，以防鏡片發霉。
3. 使用時盡量小心輕放，大力碰撞和震盪有機會影響望遠鏡光軸平行，如出現此問題較難修復。
4. 如需要作長時間穩定觀測，可配合腳架連接器(如有)架設在三腳架上使用。

天文科主任

許浩強老師