Fotografowanie powierzchni Ziemi z orbity od zawsze absorbowało astronautów, jednak nigdy nie było dla nich zadaniem priorytetowym. Wynikało to przede wszystkim z postępu w dziedzinie lotów bezzałogowych. Pierwsze automatyczne misje fotograficzne w USA i ZSRR przeprowadzano już w roku 1961 (tj. jeszcze przed lotem Gagarina). W 1964 roku debiutowały satelity meteorologiczne z kamerami telewizyjnymi, a w roku 1972 na orbicie zagościł amerykański Landsat-1, rozpoczynając trwającą do dzisiaj serię wysokorozdzielczych obserwacji wielospektralnych. W rywalizacji z coraz doskonalszymi automatami człowiek musiał skapitulować. Okazał się piekielnie drogim, a przez to mało efektywnym „narzędziem” do obserwacji naszej planety. Niemniej fotografowanie Ziemi nigdy nie zostało wykreślone z programu szkolenia astronautów. Wciąż jest praktykowane, a dzięki wdrożeniu technologii cyfrowej stało się tańsze i łatwiejsze, niż kiedykolwiek wcześniej.

Komu i do czego w takim razie przydają się zdjęcia wykonywane przez astronautów? Odpowiedzi poszukamy na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej (ISS), która stanowi dzisiaj centralny element programów lotów załogowych USA, Rosji, Japonii, Kanady i niektórych krajów Europejskiej Agencji Kosmicznej. Poprzedni tekst cyklu „Fotografując w Kosmosie” wyczerpująco opisał sprzęt, jakim posługuje się załoga ISS. W tym artykule chciałbym wskazać obszary, w których cyfrowe fotografie z ISS okazują się bardzo przydatne, a może nawet niezastąpione. Nie będzie to możliwe bez wcześniejszego zestawienia cyfrówek z ISS z bardziej standardowymi technikami obserwacji Ziemi (tj. bezzałogowymi satelitami teledetekcyjnymi).

----- R E K L A M A -----

ZIMOWA PROMOCJA NA OBIEKTYWY SIGMY

Sigma 150-600/5-6.3 S DG DN (Sony E)

6189 zł 6689 zł

Sigma 50/1.4 ART DG HSM (Canon EF)

3289 zł 3489 zł

Sigma 18-35/1.8 ART DC HSM (Nikon F)

3289 zł 3489 zł

Sigma 70-200/2.8 S DG DN (L-mount)

7289 zł 7589 zł

Chris Cassidy z aparatem Nikon i obiektywem 400 mm fotografuje „z ręki” powierzchnię Ziemi. W podobny sposób wygląda fotografowanie w ciągu dnia i nocy. Fot. NASA

W sensie techniki fotografowania, zdjęcia wykonywane przez astronautów w zasadzie nie różnią się od tych, jakie każdy z nas może wykonać „z ręki” przez okno samolotu. Ot, zbliżamy się do okna, nakierowujemy obiektyw na wybrany cel i „pstryk”. Naturalnie inna jest wysokość lotu: nie kilkanaście a około czterystu kilometrów. To przekłada się na rozdzielczość geometryczną uzyskiwanych obrazów (ich szczegółowość). Dysponując aparatem Nikon D5 (matryca 5568×3712 pikseli) i obiektywem 800 mm, z orbity 400 km astronauci mogą uzyskać obrazy z pikselem o rozmiarze ~4 metrów. Często stosowany na ISS teleobiektyw 400 mm zapewnia obrazy z pikselem ~7 metrów. Z punktu widzenia współczesnej teledetekcji jest to wynik… dość przeciętny. Europejskie satelity Sentinel-2 dostarczają za darmo danych o rozdzielczości przestrzennej 10 m/piksel, a dysponując kilkoma tysiącami dolarów możemy zakupić obrazy o rozdzielczość aż 0,31 m/piksel (satelity WorldView-3 i -4). Satelitów przesyłających dane z pikselem mniejszym niż 5 metrów są dziesiątki…

Na niekorzyść zdjęć przesyłanych z pokładu ISS przemawia też ich… fotograficzna natura. Sensorem obrazującym w cyfrówkach Nikona jest matryca CMOS z filtrem Bayera. Przed matrycą instalowany jest dodatkowo filtr podczerwieni, odcinający promieniowanie dłuższe niż około 700 nm. Jeśli go nie zdemontujemy (a NASA tego nie robi), uzyskujemy zdjęcia tylko w trzech szerokich kanałach barwnych (spektralnych): czerwonym (R), zielonym (G) i niebieskim (B). To w zupełności wystarczy, by odtworzyć kolorystykę fotografowanej sceny. Jednak kombinacja obrazów RGB jest zbyt skąpa do ilościowej analizy np. roślinności. W jej przypadku kluczową rolę odgrywa zakres bliskiej podczerwieni: 750–900 nm (tzw. red edge). Umożliwia on określenie kondycji roślin, w tym także upraw rolniczych. A ponieważ rolnictwo stanowi jeden z kluczowych obszarów zastosowania danych satelitarnych, sensory ogromnej większości satelitów teledetekcyjnych są czułe na bliską podczerwień. Astronauci ze swoimi Nikonami na niewiele się tu przydadzą (choć może kiedyś rozważą fotografowanie pozbawionym filtra podczerwonego modelem D810A).

Typowa obserwacja z satelity teledetekcyjnego. Detektory satelity rejestrują promieniowanie w kilku zakresach widma, dzięki czemu możliwe jest odtworzenie barw rzeczywistych. Jednak gdy składowe RGB zastąpimy danymi zebranymi w zakresach podczerwieni (niewidocznej dla ludzkiego oka), uzyskujemy obrazy w kolorach nierzeczywistych, ale za to znacznie łatwiej jest rozróżniać poszczególne typy powierzchni. Pracując na zwykłych danych fotograficznych jest to niemożliwe. Fot. A.Kotarba / USGS

Jest jeszcze jedna kwestia warta odnotowania. W teledetekcji najcenniejsze są dane radiometryczne: informują o ilości promieniowania elektromagnetycznego, docierającego do każdego piksela matrycy detektorów. Brzmi bardzo fizycznie, ale to właśnie znajomość fizycznych podstaw interakcji promieniowania z materią otwiera drogę do zdalnego badania obiektów i procesów. Wykonywane przez astronautów cyfrowe fotografie nie mówią nic o promieniowaniu. Naturalnie, jasność piksela wynika wprost z ilości otrzymanego światła, jednak czytając wartości poszczególnych pikseli zdjęcia widzimy tylko: „jaśniej” i „ciemniej”. Teoretycznie każdego Nikona można skalibrować. Ale trzeba to wykonać osobno dla każdego z używanych obiektywów, każdej możliwej ogniskowej, przysłony, czułości ISO… NASA słusznie uznała, że nie warto się trudzić, bo nawet po kalibracji dane z Nikonów nie dorównają bezzałogowym satelitom teledetekcyjnym.

Jakby tego było mało, Międzynarodowa Stacja Kosmiczna porusza się po dość „nieteledetekcyjnej” orbicie. Orbita idealna powinna być heliosynchroniczna – skonfigurowana w taki sposób, by satelita przelatywał nad każdym punktem globu o tej samej godzinie lokalnego czasu słonecznego. Jest to kluczowe, gdy chcemy porównywać stan środowiska w różnych dniach, miesiącach czy latach. Orbita ISS heliosynchroniczna nie jest. Stacja może przelatywać nad daną lokalizacją o różnej porze dnia i nocy. Porównywalność danych jest przez to szalenie utrudniona. Warto też wspomnieć, że orbita ISS jest nachylona do płaszczyzny równika pod kątem 51,6 stopnia. Nie ma więc mowy, by stacja przeleciała dokładnie nad Warszawą, Moskwą, czy Alaską – nad żadnym miejscem położonym w szerokości geograficznej większej, niż 51,6 stopnia. Typowe satelity teledetekcyjne krążą po orbitach okołobiegunowych i swoimi teleskopami mogą zajrzeć pionowo z góry w każdy „zakątek” planety.

Każda czerwona kropka na tej mapie pokazuje położenie ISS w chwili, gdy astronauta naciskał na spust aparatu. Widać doskonale, które regiony świata są najatrakcyjniejsze dla orbitalnych fotografów. Mapa zestawia jedynie obserwacje z lat 2000–2013; nie rozróżnia między ogniskowymi stosowanych obiektywów, oraz parametrami ekspozycji. Rys. https://natronics.github.io/ISS-photo-locations/

Położenie stacji w czasie wykonywania zdjęcia, z rozbiciem na poszczególne załogi ISS. Wyraźne jest duże zróżnicowanie w ilości wykonanych zdjęć, co wynika z charakteru misji (dostępności wolnego czasu), ale również indywidualnych preferencji astronautów (są wśród nich miłośnicy fotografii, jak i osoby stroniące od łapania za aparat). Rys. https://natronics.github.io/ISS-photo-locations/

W tym miejscu można dojść do wniosku, że zdjęcia wykonywane przez astronautów w zasadzie do niczego się nie nadają! I faktycznie – w większości przypadków jest to prawda. Potencjalny użytkownik danych satelitarnych sięgnie po zdjęcia z ISS tylko wtedy, gdy nie znajdzie lepszych materiałów w archiwach misji teledetekcyjnych lub gdy na takie materiały zwyczajnie nie będzie go stać. Z tą ostatnią sytuacją mamy często do czynienia w słabo rozwiniętych krajach Afryki, Ameryki Środkowej, czy Południowo-Wschodniej Azji. Z pomocą stara się tu przyjść amerykański rząd, m.in. przez zainicjowany w 2004 roku program SERVIR. W wielkim skrócie: USA zapewniają swoim partnerom dane satelitarne (za darmo) oraz uczą ich, jak z tych danych korzystać. Ponieważ przedsięwzięcie jest charytatywne (rachunki płaci Waszyngton), preferowane są rozwiązania skuteczne, lecz tanie.

W takim duchu zrealizowany został projekt ISERV: ISS SERVIR Environmental Research and Visualization System Pathfinder. Naukowcy NASA z Marshall Space Flight Center zaproponowali, by wysokorozdzielcze dane obrazowe dla programu SERVIR pozyskiwać z ISS za pomocą lustrzanki Canon EOS 7D oraz niewielkiego teleskopu Celestron 925 (ogniskowa 235 cm, układ Schmidta-Cassegraina). Nietypowy zestaw fotograficzny trafił na ISS w lipcu 2012. Wraz z nim skomputeryzowany montaż, pozwalający na zdalne prowadzenie teleskopu bezpośrednio z Ziemi – inżynierom zależało na tym, by nie obarczać astronautów dodatkowymi zajęciami, związanymi z obsługą nowego systemu obrazowania na stacji.

Kanadyjski astronauta Chris Hadfield z Celestronem 925 dla systemu ISERV. Fot. NASA

ISERV pozwalał uzyskiwać zdjęcia (cyfrowe fotografie) z rozdzielczością przestrzenną 2,8 m/piksel. Pojedynczy kadr obejmował obszar o wymiarach 9×13 km, a prędkość fotografowania dochodziła do 3 ujęć na sekundę. W takiej konfiguracji ISERV działał przez dwa lata, do grudnia 2014. W samym tylko czerwcu 2014 fotografował m.in. powodzie w Kanadzie i Indiach, zniszczenia po tornado w USA, huragan na Filipinach. Wiosną 2014 aktywnie wspierał poszukiwania samolotu Malaysia Airlines lot 370 (w kwietniu 2014 wykonał na tę okoliczność 6500 zdjęć). W sumie ISERV przesłał na Ziemię ponad 40 tysięcy fotografii. Wszystkie są dostępne publicznie i za darmo na tej stronie.

Z początkiem roku 2015 ISERV trafił do magazynu ISS, z zastrzeżeniem, że w razie potrzeby system można reaktywować. Niestety, w archiwach NASA brak wzmianki, czy ten nietypowy zestaw był kiedykolwiek później użyty ponownie, i czy w ogóle wciąż znajduje się na ISS. Wsparciem w zarządzaniu kryzysowym pozostają wciąż zdjęcia wykonywane z ręki standardowym sprzętem (Nikonami). Przed laty zostały wykorzystane także w Polsce. W czasie powodzi w roku 2010 przebywający na ISS japoński astronauta Sōichi Noguchi skierował obiektyw na tereny zalane przez Wisłę w okolicach Sandomierza. Zdjęcia udostępnił od razu poprzez swoje konto w serwisie Twitter. W ten sposób dane mogły być od razu wykorzystane do wykreślenia zasięgu powodzi. Na standardowe dane teledetekcyjne trzeba było poczekać jeszcze kilka dni.

Zdjęcie zalanych terenów w okolicy Sandomierza, które wykonał japoński astronauta Sōichi Noguchi 22 maja 2010 (Nikon D3s + obiektyw 800 mm; czas ekspozycji 1/1250 s, f/6.3, ISO 200).

Obraz z satelity Landsat-5, uzyskany 5 czerwca 2010, aż dwa tygodnie po obserwacji z ISS. Fot. A.Kotarba / NASA / USGS

Innym ważnym i ciekawym obszarem zastosowania fotografii cyfrowej z ISS jest edukacja. Potencjał dydaktyczny zdjęć wykonywanych z kosmosu dostrzegła Sally Ride, pierwsza Amerykanka w kosmosie. Zaproponowała projekt znany obecnie pod nazwą EarthKAM (Earth Knowledge Acquired by Middle school students). Początkowo realizowany w czasie misji wahadłowców, w roku 2001 EarthKAM ma stałe przeniósł się na Międzynarodową Stację Kosmiczną.

Według koncepcji Ride uczniowie samodzielnie wybierają miejsca, które maja być sfotografowane z orbity. Muszą przy tym uwzględnić specyfikę orbity ISS – to, kiedy i gdzie stacja będzie przelatywała. Gdy zdjęcia zostaną wykonane, trafiają do uczniów, a ci są zobowiązani poddać je analizie. Ponieważ program adresowany jest do dzieci w wieku 10–15 lat (odpowiednik amerykańskiej middle school), analiza polega najczęściej na opisie treści zdjęcia i przygotowaniu okolicznościowego plakatu lub prezentacji. A wszystko można wykonać w np. ramach lekcji przyrody.

Na potrzeby EartKAM zarezerwowano na pokładzie ISS jednego Nikona D2x . Aparat jest mocowany na statywie przy oknie modułu Destiny, w taki sposób, by obiektyw był cały czas wycelowany w nadir. Za sterowanie cyfrówką odpowiada laptop IBM do którego podpięto aparat. Tym samym zaangażowanie astronauty ogranicza się do minimum: uruchomienia sprzętu i ewentualnej zmiany obiektywu. Kontrola pracy aparatu obywa się zdalnie, z Ziemi.

Okno w amerykańskim module laboratoryjnym Destiny, a przed nim dwa instrumenty: po lewej stronie kamera do obserwacji upraw (AgCam), a po prawej Nikon służący programowi EarthKAM. Przez to samo okno wykonywane były również fotografie systemem ISERV. Fot. NASA