為什么要在空間站上看地區(qū)

塵囂

美國宇航員特蕾西·考德威爾·戴森在穹頂艙的自拍照。這張照片拍攝于2010年9月11日。國際空間站“遠征”24任務期間，獲得了維基共享資源2011年度照片的第二名。照片中，時年41歲的特雷西輕松地側臥在舷窗上，用平靜的目光觀察著眼下藍色的地球，給人們無限的遐想。

起初，我也很好奇，為什么要在空間站上開展地球觀測活動？產(chǎn)生這個疑問，是因為現(xiàn)在，地表高度上，我們有小型無人機進行取證拍照;再高一點，可以使用直升機或固定翼飛機進行遙感航測;大氣層內，還有可以飛至兩三萬米的高空偵察機或飛艇氣球;卡門線之上，又有在各個軌道高度的光學偵察衛(wèi)星、遙感衛(wèi)星，在地表上空3.6萬千米的地球同步軌道上，3顆衛(wèi)星就能將地球全覆蓋，實時獲得大氣、水文等數(shù)據(jù)信息。那么我們?yōu)槭裁催€需要在400千米軌道高度的空間站上開展地球觀測活動呢？宇航員在空間站內使用的單反相機和其他載荷能獲得比專用衛(wèi)星更清晰、信息量更大的影像嗎？

關于這個問題，不光你我會感到不解，十多年前，不少科學家們也對在空間站上開展地球科學觀測沒那么看重，畢竟在低軌道光學觀測，有間諜偵察之嫌，沒法擱在明面兒上說。與此同時，我們也可以通過人造衛(wèi)星對地球進行大量遙測，并且遙測質量也特別高。

這種“錯誤”認知的切實變化發(fā)生在2000年國際空間站投入使用后。時至今日，空間站上的航員們已經(jīng)通過手持膠片或數(shù)碼相機拍攝了超過100萬張照片，內容包括陸地、海洋、大氣現(xiàn)象，甚至月球。那么，在地球遙感領域，空間站上能做到哪些人造衛(wèi)星系統(tǒng)不能做的事兒呢？

人，是空間站上開展地球觀測活動的最大優(yōu)勢

這是一種獨特的優(yōu)勢，宇航員們可以通過操縱手動或自動光學觀測設備，實時的、親眼觀察和解釋他們所目睹的一切。宇航員們通過觀察和收集整理事件發(fā)生時的影像資料，可以為地面人員提供及時、精準的信息。同時，地面人員或宇航員也可以操控空間站上的自動遙感系統(tǒng)。這種靈活性比衛(wèi)星或無人飛船更有優(yōu)勢，特別是在突發(fā)事件發(fā)生時，如火山噴發(fā)、地震或海嘯，宇航員們能及時響應并展開工作，而不用像衛(wèi)星那樣需要地面人員上傳指令，宇航員還能自主確定云層遮蓋、光照強度等觀察條件是否會影響有用數(shù)據(jù)的收集，而非像衛(wèi)星那樣自動收集數(shù)據(jù)而不考慮質量。

除了人的優(yōu)勢外，空間站平臺本身也具有其他軌道衛(wèi)星不具備的特點——可以在各種光照條件下對地觀測。目前，對地進行光學觀測的衛(wèi)星多采用太陽同步軌道，例如“蘭德賽特”7（Landsat7）和“特魯斯”（Terra）衛(wèi)星，它們的軌道設計成大致在一天內的同一時間通過地球表面上的同一地點，這些衛(wèi)星對同一地點的重訪周期大約為兩周。在類似光照條件下采集圖像，對為特定地點生成統(tǒng)一的數(shù)據(jù)十分有用，但這也限制了數(shù)據(jù)采集的時間，因為大多數(shù)情況下，這個“特定時間”被設定在中午——即光照最強的時刻。那么，如果科學家對通常發(fā)生在清晨、黃昏或深夜的地表現(xiàn)象感興趣，例如常發(fā)生在下午或傍晚的沿海霧，那么極軌道上的太陽同步衛(wèi)星就很難收集數(shù)據(jù)了。

宇航員在空間站里如何觀測地球？

沒錯，當然是通過空間站上的“舷窗”，但此舷窗絕非我們乘坐飛機時所見的舷窗，空間站上的地球觀測窗不僅需要承受艙室內外巨大的壓差，其結構部件還得能適配、安裝各種相機和傳感器，舷窗玻璃也必須具備優(yōu)秀的光學素質。國際空間站上的穹頂艙就是一個極佳的地球觀測窗口，2010年2月8日，這個由歐空局主持設計制造，擁有6扇梯形邊窗和1扇圓形頂窗的穹頂艙由“奮進”號航天飛機發(fā)射升空，從此改變了宇航員看地球的方式。

另一個位置，在國際空間站的美國“命運”實驗艙上，一套名為“Window Observational Research Facility”（窗口觀察研究設備，簡稱WORF）的系統(tǒng)為宇航員們觀測地球提供更專業(yè)的幫助。該系統(tǒng)可以為相機等觀察設備提供持續(xù)電源、數(shù)據(jù)傳輸、冷卻等功能支持，其觀察窗使用的光學玻璃也比穹頂艙的更勝一籌，NASA對此設備的評價是——載人航天器上素質最高的光學系統(tǒng)。

除了這個供宇航員進行肉眼觀察的舷窗外，國際空間站上還裝備有幾臺觀測相機：ISSAC農(nóng)業(yè)觀測相機，分辨率20米/像素，可見光和近紅外波成像，主要用于收集美國中西部地區(qū)農(nóng)業(yè)活動和相關研究的多光譜數(shù)據(jù)，此外還用來收集分析全球自然災害影像，以支持NASA的人道主義工作;HICO相機，安裝在日本“希望”號實驗艙（Kjbo），分辨率90米/像素，主要收集地球海岸水體透明度，海底地貌以及岸上植被等數(shù)據(jù);由一臺施密特·卡塞格林式（Schmidt-Cassegrain）望遠鏡和一臺數(shù)碼相機組成的國際空間站環(huán)境研究和可視化系統(tǒng)（ISERV），該系統(tǒng)以每像素小于3米的地面分辨率采集可見光圖像，旨在通過地球科學數(shù)據(jù)幫助發(fā)展中國家緩解和應對災難，并提供人道主義支持，ISERV的信息可以很方便的通過官方渠道獲得。

那么，宇航員們在空間站上的地球觀測活動做出過哪些貢獻呢？以2011年3月11日發(fā)生在日本東海岸的9.0級大地震來說，這場有記載以來強度最大的地震是太平洋板塊和北美板塊之間的斷層運動引起的，地震本身對當?shù)厝说挠绊戇€不算最嚴重，但地震引發(fā)的海嘯對福島第一核電站和煉油廠的損壞，對環(huán)境造成了嚴重的、長期的、潛在的生態(tài)危機。3月13日，當空間站運行到日本地震災區(qū)上空時，宇航員羅恩加蘭拍攝了許多受災地區(qū)的照片，在這些照片中，人們可以清楚地看到石油泄漏漂浮在海面上的范圍，在陽光的照射下，這些油污十分明顯。羅恩加蘭使用的就是普通的單反相機，配合不同焦距的鏡頭，最終獲得的照片比大多數(shù)衛(wèi)星照片具有更高的分辨率，且角度更多，內容更加豐富。NASA方面表示，這些照片發(fā)送到地面后，不需要經(jīng)過任何處理，科研與救災人員就能夠獲得并使用他們需要的多種信息。

類似的通過宇航員手持相機進行的地球突發(fā)災難觀測還有很多，其中距離較近的是發(fā)生在2017年的美國加州山火。這場山火過火面積之大，持續(xù)時間之久，造成了巨大的人員傷亡和經(jīng)濟損失，而宇航員在空間站拍下的大量照片為消防部門提供了重要參考。當然，話說回來，對火情、洪災、植被覆蓋的觀測，也有專用衛(wèi)星如NASA的“阿卡”（Aqua）衛(wèi)星，其搭載的中等分辨率成像分光輻射儀，就能檢測出地表異常發(fā)熱的區(qū)域，而“特魯斯”衛(wèi)星上搭載的熱輻射儀則可以通過不同顏色顯示過火痕跡。此外，還有哪些觀測活動是衛(wèi)星無法取代人工的呢？

夜空燈光。在黑暗的地方拍照，長時間曝光需要使用三腳架穩(wěn)定住相機，但如果你以17馬赫的速度運動時，就需要在三腳架上再安裝個儀器。攝影師在地球上長時間曝光星空時用的儀器叫“赤道儀”，空間站上的這個儀器和赤道儀原理一樣，都可以補償平臺高速運動時的角速度變化，但名稱得換一換，或許叫做“空間站地球儀”比較合適吧。不過，研發(fā)它的歐空局已經(jīng)起好了名字，Night Pod——夜景平臺。

夜景平臺安裝在穹頂艙內，宇航員主要用它拍攝地球高分辨率、高清晰度的城市夜景、海陸交通、火山活動、海洋捕撈等。美國前宇航員瑪莎·埃文斯說：“來自空間站的夜景圖像可以即時地了解人類在地球表面活動的足跡。”例如，你可以看到空曠漆黑的近海海面一盞盞明亮的燈光，那是捕魚的漁船，你還可以看到在兩座城市之間有零星的亮點，那是大貨車司機在跑長途。還有很多這類精彩的地球夜景，NASA通過互聯(lián)網(wǎng)向公眾免費提供這些照片。

其實，官方為夜景平臺布置的任務早已經(jīng)完成了，但它仍在空間站上，繼續(xù)為宇航員觀測地球服務著。不僅是觀測地面，包括極光、極地云層等高緯度的大氣現(xiàn)象，也可以通過平臺進行拍攝作業(yè)。配合空間站上的自動遙感系統(tǒng)，空間站上拍攝的影像不斷為人類研究地球提供著多角度的信息。

能進入國際空間站的宇航員是幸運的，因為穹頂艙為他們提供了一個絕佳的窗外視角，而在此之前由前蘇聯(lián)制造的和平號空間站上，條件就沒有那么好了。為數(shù)不多的幾個小舷窗，留給宇航員的視野并不大，最大的舷窗直徑不過67厘米。但即便如此，宇航員們依然通過這個小舷窗拍攝了超過20萬張地球照片，而且其中超過半數(shù)是膠片照片。

所以，在空間站上看地球，不僅是看形態(tài)各異的地表結構、色彩斑斕的極光閃電，地球表面上發(fā)生的各種大型人為或自然變化，翱翔在太空的宇航員都可以通過多種角度及時地做出反饋或進行研究，這就是在空間站上開展地球觀測的重要意義。隨著國際空間站即將到壽，未來的太空軌道上，中國的“天宮”號空間站將會成為主角，在今后很長一段時間里，地球靚照，將會出自中國太空攝影師之手。

責任編輯：陳肖