塵囂

美國(guó)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(guó)際空間站“遠(yuǎn)征”24任務(wù)期間，獲得了維基共享資源2011年度照片的第二名。照片中，時(shí)年41歲的特雷西輕松地側(cè)臥在舷窗上，用平靜的目光觀察著眼下藍(lán)色的地球，給人們無(wú)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(cè)活動(dòng)？產(chǎn)生這個(gè)疑問，是因?yàn)楝F(xiàn)在，地表高度上，我們有小型無(wú)人機(jī)進(jìn)行取證拍照;再高一點(diǎn)，可以使用直升機(jī)或固定翼飛機(jī)進(jìn)行遙感航測(cè);大氣層內(nèi)，還有可以飛至兩三萬(wàn)米的高空偵察機(jī)或飛艇氣球;卡門線之上，又有在各個(gè)軌道高度的光學(xué)偵察衛(wèi)星、遙感衛(wèi)星，在地表上空3.6萬(wàn)千米的地球同步軌道上，3顆衛(wèi)星就能將地球全覆蓋，實(shí)時(shí)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(cè)活動(dòng)呢？宇航員在空間站內(nèi)使用的單反相機(jī)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(guān)于這個(gè)問題，不光你我會(huì)感到不解，十多年前，不少科學(xué)家們也對(duì)在空間站上開展地球科學(xué)觀測(cè)沒那么看重，畢竟在低軌道光學(xué)觀測(cè)，有間諜偵察之嫌，沒法擱在明面兒上說(shuō)。與此同時(shí)，我們也可以通過(guò)人造衛(wèi)星對(duì)地球進(jìn)行大量遙測(cè)，并且遙測(cè)質(zhì)量也特別高。

這種“錯(cuò)誤”認(rèn)知的切實(shí)變化發(fā)生在2000年國(guó)際空間站投入使用后。時(shí)至今日，空間站上的航員們已經(jīng)通過(guò)手持膠片或數(shù)碼相機(jī)拍攝了超過(guò)100萬(wàn)張照片，內(nèi)容包括陸地、海洋、大氣現(xiàn)象，甚至月球。那么，在地球遙感領(lǐng)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(cè)活動(dòng)的最大優(yōu)勢(shì)

這是一種獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，宇航員們可以通過(guò)操縱手動(dòng)或自動(dòng)光學(xué)觀測(cè)設(shè)備，實(shí)時(shí)的、親眼觀察和解釋他們所目睹的一切。宇航員們通過(guò)觀察和收集整理事件發(fā)生時(shí)的影像資料，可以為地面人員提供及時(shí)、精準(zhǔn)的信息。同時(shí)，地面人員或宇航員也可以操控空間站上的自動(dòng)遙感系統(tǒng)。這種靈活性比衛(wèi)星或無(wú)人飛船更有優(yōu)勢(shì)，特別是在突發(fā)事件發(fā)生時(shí)，如火山噴發(fā)、地震或海嘯，宇航員們能及時(shí)響應(yīng)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(qiáng)度等觀察條件是否會(huì)影響有用數(shù)據(jù)的收集，而非像衛(wèi)星那樣自動(dòng)收集數(shù)據(jù)而不考慮質(zhì)量。

除了人的優(yōu)勢(shì)外，空間站平臺(tái)本身也具有其他軌道衛(wèi)星不具備的特點(diǎn)——可以在各種光照條件下對(duì)地觀測(cè)。目前，對(duì)地進(jìn)行光學(xué)觀測(cè)的衛(wèi)星多采用太陽(yáng)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(shè)計(jì)成大致在一天內(nèi)的同一時(shí)間通過(guò)地球表面上的同一地點(diǎn)，這些衛(wèi)星對(duì)同一地點(diǎn)的重訪周期大約為兩周。在類似光照條件下采集圖像，對(duì)為特定地點(diǎn)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(shí)間，因?yàn)榇蠖鄶?shù)情況下，這個(gè)“特定時(shí)間”被設(shè)定在中午——即光照最強(qiáng)的時(shí)刻。那么，如果科學(xué)家對(duì)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(yáng)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(cè)地球？

沒錯(cuò)，當(dāng)然是通過(guò)空間站上的“舷窗”，但此舷窗絕非我們乘坐飛機(jī)時(shí)所見的舷窗，空間站上的地球觀測(cè)窗不僅需要承受艙室內(nèi)外巨大的壓差，其結(jié)構(gòu)部件還得能適配、安裝各種相機(jī)和傳感器，舷窗玻璃也必須具備優(yōu)秀的光學(xué)素質(zhì)。國(guó)際空間站上的穹頂艙就是一個(gè)極佳的地球觀測(cè)窗口，2010年2月8日，這個(gè)由歐空局主持設(shè)計(jì)制造，擁有6扇梯形邊窗和1扇圓形頂窗的穹頂艙由“奮進(jìn)”號(hào)航天飛機(jī)發(fā)射升空，從此改變了宇航員看地球的方式。

另一個(gè)位置，在國(guó)際空間站的美國(guó)“命運(yùn)”實(shí)驗(yàn)艙上，一套名為“Window Observational Research Facility”（窗口觀察研究設(shè)備，簡(jiǎn)稱WORF）的系統(tǒng)為宇航員們觀測(cè)地球提供更專業(yè)的幫助。該系統(tǒng)可以為相機(jī)等觀察設(shè)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(xué)玻璃也比穹頂艙的更勝一籌，NASA對(duì)此設(shè)備的評(píng)價(jià)是——載人航天器上素質(zhì)最高的光學(xué)系統(tǒng)。

除了這個(gè)供宇航員進(jìn)行肉眼觀察的舷窗外，國(guó)際空間站上還裝備有幾臺(tái)觀測(cè)相機(jī)：ISSAC農(nóng)業(yè)觀測(cè)相機(jī)，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(guó)中西部地區(qū)農(nóng)業(yè)活動(dòng)和相關(guān)研究的多光譜數(shù)據(jù)，此外還用來(lái)收集分析全球自然災(zāi)害影像，以支持NASA的人道主義工作;HICO相機(jī)，安裝在日本“希望”號(hào)實(shí)驗(yàn)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(tái)施密特·卡塞格林式（Schmidt-Cassegrain）望遠(yuǎn)鏡和一臺(tái)數(shù)碼相機(jī)組成的國(guó)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(guò)地球科學(xué)數(shù)據(jù)幫助發(fā)展中國(guó)家緩解和應(yīng)對(duì)災(zāi)難，并提供人道主義支持，ISERV的信息可以很方便的通過(guò)官方渠道獲得。

那么，宇航員們?cè)诳臻g站上的地球觀測(cè)活動(dòng)做出過(guò)哪些貢獻(xiàn)呢？以2011年3月11日發(fā)生在日本東海岸的9.0級(jí)大地震來(lái)說(shuō)，這場(chǎng)有記載以來(lái)強(qiáng)度最大的地震是太平洋板塊和北美板塊之間的斷層運(yùn)動(dòng)引起的，地震本身對(duì)當(dāng)?shù)厝说挠绊戇€不算最嚴(yán)重，但地震引發(fā)的海嘯對(duì)福島第一核電站和煉油廠的損壞，對(duì)環(huán)境造成了嚴(yán)重的、長(zhǎng)期的、潛在的生態(tài)危機(jī)。3月13日，當(dāng)空間站運(yùn)行到日本地震災(zāi)區(qū)上空時(shí)，宇航員羅恩加蘭拍攝了許多受災(zāi)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(yáng)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(jī)，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(nèi)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(guò)任何處理，科研與救災(zāi)人員就能夠獲得并使用他們需要的多種信息。

類似的通過(guò)宇航員手持相機(jī)進(jìn)行的地球突發(fā)災(zāi)難觀測(cè)還有很多，其中距離較近的是發(fā)生在2017年的美國(guó)加州山火。這場(chǎng)山火過(guò)火面積之大，持續(xù)時(shí)間之久，造成了巨大的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)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(dāng)然，話說(shuō)回來(lái)，對(duì)火情、洪災(zāi)、植被覆蓋的觀測(cè)，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(cè)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(guò)不同顏色顯示過(guò)火痕跡。此外，還有哪些觀測(cè)活動(dòng)是衛(wèi)星無(wú)法取代人工的呢？

夜空燈光。在黑暗的地方拍照，長(zhǎng)時(shí)間曝光需要使用三腳架穩(wěn)定住相機(jī)，但如果你以17馬赫的速度運(yùn)動(dòng)時(shí)，就需要在三腳架上再安裝個(gè)儀器。攝影師在地球上長(zhǎng)時(shí)間曝光星空時(shí)用的儀器叫“赤道儀”，空間站上的這個(gè)儀器和赤道儀原理一樣，都可以補(bǔ)償平臺(tái)高速運(yùn)動(dòng)時(shí)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(guò)，研發(fā)它的歐空局已經(jīng)起好了名字，Night Pod——夜景平臺(tái)。

夜景平臺(tái)安裝在穹頂艙內(nèi)，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(dòng)、海洋捕撈等。美國(guó)前宇航員瑪莎·埃文斯說(shuō)：“來(lái)自空間站的夜景圖像可以即時(shí)地了解人類在地球表面活動(dòng)的足跡?！崩?，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(diǎn)，那是大貨車司機(jī)在跑長(zhǎng)途。還有很多這類精彩的地球夜景，NASA通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)向公眾免費(fèi)提供這些照片。

其實(shí)，官方為夜景平臺(tái)布置的任務(wù)早已經(jīng)完成了，但它仍在空間站上，繼續(xù)為宇航員觀測(cè)地球服務(wù)著。不僅是觀測(cè)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(guò)平臺(tái)進(jìn)行拍攝作業(yè)。配合空間站上的自動(dòng)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(jìn)入國(guó)際空間站的宇航員是幸運(yùn)的，因?yàn)轳讽斉摓樗麄兲峁┝艘粋€(gè)絕佳的窗外視角，而在此之前由前蘇聯(lián)制造的和平號(hào)空間站上，條件就沒有那么好了。為數(shù)不多的幾個(gè)小舷窗，留給宇航員的視野并不大，最大的舷窗直徑不過(guò)67厘米。但即便如此，宇航員們依然通過(guò)這個(gè)小舷窗拍攝了超過(guò)20萬(wàn)張地球照片，而且其中超過(guò)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(jié)構(gòu)、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(guò)多種角度及時(shí)地做出反饋或進(jìn)行研究，這就是在空間站上開展地球觀測(cè)的重要意義。隨著國(guó)際空間站即將到壽，未來(lái)的太空軌道上，中國(guó)的“天宮”號(hào)空間站將會(huì)成為主角，在今后很長(zhǎng)一段時(shí)間里，地球靚照，將會(huì)出自中國(guó)太空攝影師之手。

責(zé)任編輯：陳肖