EarthKAM nie fotografuje cały czas, a jedynie (średnio) raz na kwartał, w czasie krótkich sesji nazywanych „misjami”. Tylko wtedy sprzęt jest dostępny dla uczniów i ich nauczycieli. Jak się okazuje, to w zupełności wystarcza, by w program zaangażowały się setki tysięcy dzieci z ponad czterdziestu krajów świata. EarthKAM jest bowiem otwarty dla wszystkich i swoją obecność w nim zaznaczyły także szkoły z Polski. Ponieważ kryterium wieku ucznia nie jest zbyt restrykcyjne, z możliwości EarthKAM korzystają zarówno uczniowie podstawówek, gimnazjów, jak i szkół średnich. Uczestnictwo w EarthKAM jest bezpłatne. Aby przystąpić do programu wystarczy odrobina pasji po stronie nauczyciela, oraz rejestracja na stronie www.earthkam.org. Pod tym adresem można znaleźć także tysiące zdjęć z wcześniejszych misji EarthKAM oraz przykłady opracowania niektórych z nich.

ISERV i EarthKAM koncentrowały się na zdjęciach wykonywanych w ciągu dnia. Tymczasem to, co wyróżnia ISS na tle wszystkich istniejących satelitów teledetekcyjnych, to możliwość szczegółowego obrazowania Ziemi w zakresie widzialnym – nocą. Takie zdjęcia okazały się nie tylko atrakcyjne pod względem estetycznym, ale również naukowym. Jak żadne inne pomagają badać kwestie związane z zanieczyszczeniem świetlnym.

Zanieczyszczenie tego rodzaju to sytuacja, gdy na skutek działalności człowieka w środowisku pojawia się światło o zbyt dużym natężeniu, niekorzystnym widmie (kolorze), a do tego jest emitowane w niewłaściwym kierunku i o niewłaściwej porze. Skutki zanieczyszczenia światłem odczuwają nie tylko astronomowie (wzrost jasności nieba), ale niemal każdy mieszkaniec miasta. Problemy ze snem, spadek koncentracji, depresja, otyłość – to tylko kilka przykładów zaburzeń, jakie u człowieka wywołuje niewłaściwy kontakt z nocnym oświetleniem.

Intensywność zanieczyszczenia światłem można określać z orbity, rejestrując ilość promieniowania widzialnego, wysyłanego przez ludzi w niebo. W tym celu wystarczy nocą wykonać takie same obserwacje jak w ciągu dnia. I tu zaczynają się schody. Fotografowanie nocą zawsze jest pewnym wyzwaniem. Liczba fotonów, jakie wpadają po zmroku w obiektyw, jest znacznie mniejsza niż w ciągu dnia. Fotograf ratuje się zwiększając czułość matrycy (większe ISO), i/lub otwierając szeroko przysłonę, i/lub wydłużając czas ekspozycji.

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

PROMOCJA SONY - 50% RABATU NA OBIEKTYW!

Sony A7 IV + 50/1.8 FE

13146 zł 12722 zł

Sony A7 III + 50/1.8 FE

8846 zł 8422 zł

Sony A7 IV + 24-70/4 FE ZA OSS

15122 zł 13710 zł

Sony A7 III + 24-70/4 ZA FE OSS

10822 zł 9410 zł

Na ISS wydłużanie czasu ekspozycji nie wchodzi w grę. Stacja pędzi z prędkością 27,600 km/h, co – po zrzutowaniu trajektorii orbity na powierzchnię Ziemi – przekłada się na odcinek 7 km pokonywany w ciągu każdej sekundy. „Profesjonalne” sensory teledetekcyjne projektowane są w taki sposób, by za tym ruchem nadążyć. W efekcie, czas ekspozycji detektora na scenę jest szalenie krótki. Jedyną szansą dla astronautów z ISS jest więc wzrost czułości matrycy. Pierwsze Nikony na stacji oferowały maksymalne ISO 1600 (Nikon D1/D2xs) lub 3200 (tryb rozszerzony w D2xs). To niewiele, stąd nocne sesje fotograficzne na ISS rozkręciły się na dobre dopiero, gdy załodze dostarczono bardziej zaawansowanego Nikona D3s i Nikona D4. Do końca 2016 roku modelami D3s i D4 wykonano niemal 95% wszystkich nocnych zdjęć naszej planety, w tym aż 80% zdjęć z obiektywami o ogniskowej co najmniej 180 mm (takie szkła pozwalają uzyskać obraz z pikselem lepszym niż ~15 metrów).

Porównanie obrazu centrum Warszawy uzyskanego z ISS w ciągu dnia (20 lipca 2006; Kodak K760C, 1/500 s, f/5.6, ISO 100) i nocą (8 października 2015, Nikon D4, 1/30 s, f/2.8, ISO 8000). Obydwa zdjęcia uzyskano obiektywem 400 mm, mają więc bardzo zbliżoną rozdzielczość przestrzenną (około 8 m/piksel). Mimo tego wyraźnie widoczny jest spadek wyrazistości (ostrości) dla zdjęcia nocnego. Fot. A. Kotarba/NASA

W trybie podstawowym D3s i D4 oferowały maksymalną czułość 12800, a w trybie rozszerzonym aż 102400 (D3s) i 204800 (D4). Z trybu rozszerzonego astronauci w korzystali sporadycznie, zazwyczaj w Nikonie D3s, ustawiając ISO na równe 51200. Zdecydowana większość nocnych zdjęć została wykonana przy czułości 6400 i 12800 (uwzględniając jedynie zdjęcia z obiektywami co najmniej 180 mm). Pozwoliło to astronautom na robienie zdjęć z czasami ekspozycji na poziomie 1/20 s i 1/40 s.

Poznań nocą, sfotografowany z pokładu ISS w roku 2015 Nikonem D4. Zdjęcie w mniejszej rozdzielczości wykonano 6 kwietnia przez obiektyw Nikkor 85mm (1/15 s, f/1.4, ISO 8000), podczas gdy zdjęcie w wyższej rozdzielczości 8 października, obiektywem Nikkor 400mm (1/20 s, f/2.8, ISO 8000). Fot. NASA

Ponieważ zdjęcia były wykonywane z ręki, wiele ekspozycji było poruszonych i rozmazanych. By wyeliminować ten problem, Europejska Agencja Kosmiczna sfinansowała zapatrzenie stacji w statyw NightPod. Od tradycyjnego statywu różnił się przede wszystkim głowicą. Była skomputeryzowana i umożliwiała częściową kompensację ruchu stacji. Prowadzenie aparatu odbywało się za pomocą silnika krokowego, z dokładnością do 7 sekund łuku i mogło trwać maksymalnie 10 sekund. Urządzenie zaprojektowano z myślą o Nikonie D3s i obiektywie 400 mm, a więc przewidywano uzyskiwanie zdjęć o rozdzielczości około 10 metrów/piksel.

Statyw NightPod zainstalowany w kopule ISS. Między aparatem a statywem widoczna jest głowica odpowiedzialna za kompensowanie ruchu stacji. Fot. NASA

NightPod trafił na ISS w grudniu 2011 roku. Trudno powiedzieć, na ile faktycznie poprawił jakość nocnych zdjęć, gdyż pliki EXIF (jedyne metadane dołączone do zdjęć) nie informują o fakcie użycia statywu. Nie wiadomo więc, czy dana fotografia zawdzięcza swą wyjątkową wyrazistość pewnej ręce astronauty, czy też elektronicznemu prowadzeniu przez NightPod. Ze statywem czy bez, nocne zdjęcia z pokładu ISS będą nadal wykonywane. Póki co po prostu nie ma dla nich alternatywy. Co prawda regularne nocne obserwacje w zakresie widzialnym są wykonywane przez meteorologiczny sensor VIIRS, jednak cechuje je bardzo mała rozdzielczość przestrzenna: zaledwie 742 m/piksel. Nikony pokazały już wielokrotnie, że piksel 10-metrowy to dla nich nic nadzwyczajnego, tak w ciągu dnia, jak i nocą.

Nie mniej istotna jest kwestia koloru. Obrazy VIIRS są „czarno-białe”, a mówiąc ścisłej – panchromatyczne: obejmują tylko jeden, szeroki zakres promieniowania od 500 do 900 nm. Sensor nie dostarczy nam żadnej informacji o kolorze światła. To poważny problem w erze wymiany lamp sodowych (światło pomarańczowe) i rtęciowych (światło zielonkawe) na oświetlenie LED (intensywne światło białe). Badania pokazują, że LED-y nasilają zanieczyszczenie światłem ze względu na duży udział światła niebieskiego. Niestety VIIRS jest ślepy na błękit – nie rejestruje promieniowania poniżej 500 nm. Proste kompozycje RGB z cyfrówek Nikona wypełniają więc bardzo ważną niszę.

Nocny obraz świateł Warszawy uzyskany za pomocą aparatu cyfrowego na ISS. Fot. A. Kotarba/NASA/NOAA.

Nocny obraz świateł Warszawy uzyskany za pomocą instrumentu OLS na pokładzie satelitów wojskowych DMSP. Fot. A. Kotarba/NASA/NOAA.

Nocny obraz świateł Warszawy uzyskany za pomocą instrumentu meteorologicznego VIIRS na satelicie Suomi-NPP. Fot. A. Kotarba/NASA/NOAA.

Konkretnie jaki potencjał drzemie w nocnych zdjęciach z ISS? Podam przykład z mojego „podwórka”. Jednym z ważniejszych parametrów geofizycznych powierzchni Ziemi jest stopień nieprzepuszczalności. Powierzchnie w 100% nieprzepuszczalne (beton, asfalt, zabudowa, itp.) utrudniają wodzie wnikanie w głąb gleby, co powoduje zaburzenia systemu hydrologicznego i klimatologicznego. W efekcie: degradację ekosystemu. Obserwacje satelitarne to najlepsze narzędzie do kartowania zasięgu terenów nieprzepuszczalnych. Jedna z metod teledetekcji polega na wykorzystaniu obserwacji nocnych w zakresie widzialnym. Bazuje się tu na prostym założeniu, że tam, gdzie pojawia się człowiek, jednocześnie pojawia się też beton, asfalt i zabudowa, oraz instalowane jest sztuczne oświetlenie.

Porównanie obrazu Warszawy uzyskanego w ciągu dnia (satelita Landsat) oraz nocą (fotografia z ISS). Zdjęcie w wersji interaktywnej można oglądać online pod adresem: http://zoz.cbk.waw.pl/nocne/mapa.html Fot. A. Kotarba/NASA/USGS

Z takich założeń wyszli autorzy pierwszej globalnej mapy terenów nieprzepuszczalnych. Sięgnęli po obserwacje nocne z wojskowych satelitów DMSP. Obrazy te mają niską rozdzielczość przestrzenną (1 km) i – co gorsza – w obszarze miast ulegają prześwietleniu. Z 10000 razy większą rozdzielczością fotografie z ISS wydają się bardzo kuszącą alternatywą. Czy faktycznie są? Sprawdziłem to wraz z kolegą wykonując mapy terenów nieprzepuszczalnych dla Berlina. Jedna mapa bazowała na nocnej obserwacji z ISS, druga na danych z DMSP. Okazało się, że dokładność mapy powstałej w oparciu o fotografię z Nikona wyniosła aż 83%, podczas gdy DMSP osiągnął zaledwie 42% dokładności.

Obserwacjom z DMSP pomogło dopiero „drobne” manipulowanie przy danych. Pozwoliło poprawić wiarygodność mapy, w rezultacie czego dokładność wzrosła do 73%. Ale nic za darmo. Nowe mapy z DMSP wyłapywały jedynie centra miast, pomijając obszary o niskiej przebaczalności (np. rozproszonej zabudowy w terenach podmiejskich). Tymczasem ISS spisywał się wzorowo – poprawnie wykrywał tereny o każdym stopniu nieprzepuszczalności. Pozostaje tylko żałować, że ISS nie prowadzi systematycznych obserwacji Ziemi nocą. Niektóre lokalizacje nie mają ani jednej nocnej fotografii, inne (zwłaszcza w krajach pochodzenia astronautów), mają ich setki. Wszystkie nocne zdjęcia wykonane z pokładu ISS można znaleźć na stronie: https://eol.jsc.nasa.gov/.

Fotografowanie w bardzo trudnych warunkach oświetleniowych wielu osobom przywołuje tylko jedno skojarzenie: Sony α7S II. Japońska bezlusterkowa cyfrówka zasłynęła tak czułą matrycą, że ponoć niektórzy fotografowie zapomnieli czym jest statyw. Pracownicy Japońskiej Agencji Kosmicznej oraz firmy Sony postanowili zademonstrować możliwości α7S II na orbicie. Jednak zamiast wysyłać aparat astronaucie, zdecydowali się na nieco odważniejszy krok: umieszczenie aparatu na zewnątrz stacji kosmicznej. Stosowne miejsce znalazło się w japońskim module Kibō, a dokładniej na zewnętrznej platformie, pozwalającej tymczasowo przymocowywać najróżniejsze instrumenty badawcze (IVA-replaceable Small Exposed Experiment Platform).

Aparat α7S II wyposażono w obiektyw FE PZ 28–135mm F4 G OSS, co pozwoliło na kontrolowanie wszystkich parametrów ekspozycji zdalnie, z Ziemi. Korpus i obiektyw schowano w aluminiowej osłonie i wysłano na orbitę w grudniu 2016. Kilka miesięcy później z orbity popłynęły pierwsze obrazy. A w zasadzie pierwsze wideo, bowiem α7S II pozwolił transmitować ciągły obraz nocnych świateł Ziemi przy ISO 51200, czasie ekspozycji 1/15 s i ogniskowej 28 mm (rozdzielczość przestrzenna obrazów wynosiła zatem w przybliżeniu 100–150 m/piksel). Teoretycznie, przy ogniskowej 135 mm α7S II umożliwiłby dostarczenie zdjęć z pikselem ~30 m. Niestety, Japończycy nigdy nie podali do informacji publicznej, czy tego typu fotografie były wykonane.

Nocny przelot nad wschodnim wybrzeżem USA, zarejestrowany jako sygnał wideo z cyfrówki Sony α7S II. Video: JAXA/Sony

Nocny przelot nad Japonią, zarejestrowany jako sygnał wideo z cyfrówki Sony α7S II. Video: JAXA/Sony

Ostatnią cyfrówką z ISS, o jakiej chciałbym wspomnieć, jest aparat o nieco innym przeznaczeniu, niż dotąd opisane. Służy on nie tyle obserwacjom Ziemi, co bacznemu śledzeniu działań astronautów, monitorowaniu stanu stacji oraz ruchu statków transportowych odwiedzających ISS. Właśnie taki jest cel zestawu kamer TV rozmieszczonych w różnych punktach stacji – swoistej orbitalnej telewizji przemysłowej.

Podstawowy system wizyjny ISS wywodzi się jeszcze z lat 90. minionego stulecia, stąd jakość uzyskiwanego obrazu odpowiada tzw. standardowej rozdzielczości 720×480 pikseli (SDTV). Idąc z duchem czasu NASA chciałaby wdrożyć kamery nowszej generacji i przejść z rozdzielczości standardowej na sygnał high-definition (HDTV; 1280×720 pikseli). W pierwszej kolejności zakładano instalacje kamer z trzema niezależnymi matrycami – osobno kolor czerwony, niebieski i zielony. Badania rynku szybko pokazały, że trudno o odpowiednie urządzenie: te które gwarantowałyby dobrą jakość obrazu, były za duże i zbyt kosztochłonne, natomiast małe kamery nie radziły sobie z promieniowaniem, na jakie musiałyby być wystawione na zewnątrz ISS. Uwagę przeniesiono zatem na standardowe aparaty cyfrowe z matrycami CMOS w układzie Bayera. Zapewne nie będzie niespodzianką, gdy powiem, że finalnie wybór padł na… Nikona (model D4).

Aparat poddano niewielkim przeróbkom, głównie w zakresie oprogramowania – NASA zależało na tym, by lustrzanka dawała się kontrolować w 100% zdalnie, z naziemnego centrum kontroli lotu. Do Nikona dodano obiektyw 28–300 mm, telekonwerter (2x), oraz mały silnik, który pozwala zdalnie zwiększać i zmniejszać ogniskową. Obrazowanie obydwa się przez specjalne okienko, wykonane ze szkła kwarcowego. Tak skonfigurowany system obrazowania NASA nazwała EHDCA (External High Definition Camera Assembly). Pierwszy zestaw EHDCA został zainstalowany na zewnątrz stacji w 2016 roku. Sprawuje się doskonale, a w czasie, gdy nie filmuje/fotografuje astronautów, kieruje obiektyw na Ziemię, racząc nas pięknymi obrazami Błękitnej Planety. Oczywiście: high-definition.

Nikon D4 dostosowany do potrzeb External High Definition Camera Assembly. Rys. NASA.

Powyższe zestawienie daje ogólny zarys najważniejszych zastosowań zdjęć (i filmów) uzyskiwanych za pomocą standardowych (komercyjnych) aparatów cyfrowych na ISS. Stacja jest jednak także miejscem pracy innych interesujących systemów obrazowania, opartych na nieco bardziej zaawansowanych rozwiązaniach technicznych. System kamer dla rolników ISSAC, kamera UtherCast do transmisji wideo 4K, zestaw czterech kamer wysokiej rozdzielczości (HDEV), kamera 4K Red Dragon… to najważniejsze z nieopisanych tu urządzeń. A do tego dochodzi jeszcze kilka optycznych instrumentów teledetekcyjnych, instalowanych na zewnątrz stacji, w tym skaner hiperspektralny, detektor burzowych wyładowań jonosferycznych, laser do badania chmur… Jak widać każdy, kto interesuje się optycznymi obserwacjami Ziemi, na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej znajdzie coś dla siebie.

O autorze:
Dr Andrzej Kotarba pracuje w Zespole Obserwacji Ziemi Centrum Badań Kosmicznych Polskiej Akademii Nauk w Warszawie.