尘嚣

美国宇航员特蕾西·考德威尔·戴森在穹顶舱的自拍照。这张照片拍摄于2010年9月11日。国际空间站“远征”24任务期间，获得了维基共享资源2011年度照片的第二名。照片中，时年41岁的特雷西轻松地侧卧在舷窗上，用平静的目光观察着眼下蓝色的地球，给人们无限的遐想。

起初，我也很好奇，为什么要在空间站上开展地球观测活动？产生这个疑问，是因为现在，地表高度上，我们有小型无人机进行取证拍照;再高一点，可以使用直升机或固定翼飞机进行遥感航测;大气层内，还有可以飞至两三万米的高空侦察机或飞艇气球;卡门线之上，又有在各个轨道高度的光学侦察卫星、遥感卫星，在地表上空3.6万千米的地球同步轨道上，3颗卫星就能将地球全覆盖，实时获得大气、水文等数据信息。那么我们为什么还需要在400千米轨道高度的空间站上开展地球观测活动呢？宇航员在空间站内使用的单反相机和其他载荷能获得比专用卫星更清晰、信息量更大的影像吗？

关于这个问题，不光你我会感到不解，十多年前，不少科学家们也对在空间站上开展地球科学观测没那么看重，毕竟在低轨道光学观测，有间谍侦察之嫌，没法搁在明面儿上说。与此同时，我们也可以通过人造卫星对地球进行大量遥测，并且遥测质量也特别高。

这种“错误”认知的切实变化发生在2000年国际空间站投入使用后。时至今日，空间站上的航员们已经通过手持胶片或数码相机拍摄了超过100万张照片，内容包括陆地、海洋、大气现象，甚至月球。那么，在地球遥感领域，空间站上能做到哪些人造卫星系统不能做的事儿呢？

人，是空间站上开展地球观测活动的最大优势

这是一种独特的优势，宇航员们可以通过操纵手动或自动光学观测设备，实时的、亲眼观察和解释他们所目睹的一切。宇航员们通过观察和收集整理事件发生时的影像资料，可以为地面人员提供及时、精准的信息。同时，地面人员或宇航员也可以操控空间站上的自动遥感系统。这种灵活性比卫星或无人飞船更有优势，特别是在突发事件发生时，如火山喷发、地震或海啸，宇航员们能及时响应并展开工作，而不用像卫星那样需要地面人员上传指令，宇航员还能自主确定云层遮盖、光照强度等观察条件是否会影响有用数据的收集，而非像卫星那样自动收集数据而不考虑质量。

除了人的优势外，空间站平台本身也具有其他轨道卫星不具备的特点——可以在各种光照条件下对地观测。目前，对地进行光学观测的卫星多采用太阳同步轨道，例如“兰德赛特”7（Landsat7）和“特鲁斯”（Terra）卫星，它们的轨道设计成大致在一天内的同一时间通过地球表面上的同一地点，这些卫星对同一地点的重访周期大约为两周。在类似光照条件下采集图像，对为特定地点生成统一的数据十分有用，但这也限制了数据采集的时间，因为大多数情况下，这个“特定时间”被设定在中午——即光照最强的时刻。那么，如果科学家对通常发生在清晨、黄昏或深夜的地表现象感兴趣，例如常发生在下午或傍晚的沿海雾，那么极轨道上的太阳同步卫星就很难收集数据了。

宇航员在空间站里如何观测地球？

没错，当然是通过空间站上的“舷窗”，但此舷窗绝非我们乘坐飞机时所见的舷窗，空间站上的地球观测窗不仅需要承受舱室内外巨大的压差，其结构部件还得能适配、安装各种相机和传感器，舷窗玻璃也必须具备优秀的光学素质。国际空间站上的穹顶舱就是一个极佳的地球观测窗口，2010年2月8日，这个由欧空局主持设计制造，拥有6扇梯形边窗和1扇圆形顶窗的穹顶舱由“奋进”号航天飞机发射升空，从此改变了宇航员看地球的方式。

另一个位置，在国际空间站的美国“命运”实验舱上，一套名为“Window Observational Research Facility”（窗口观察研究设备，简称WORF）的系统为宇航员们观测地球提供更专业的帮助。该系统可以为相机等观察设备提供持续电源、数据传输、冷却等功能支持，其观察窗使用的光学玻璃也比穹顶舱的更胜一筹，NASA对此设备的评价是——载人航天器上素质最高的光学系统。

除了这个供宇航员进行肉眼观察的舷窗外，国际空间站上还装备有几台观测相机：ISSAC农业观测相机，分辨率20米/像素，可见光和近红外波成像，主要用于收集美国中西部地区农业活动和相关研究的多光谱数据，此外还用来收集分析全球自然灾害影像，以支持NASA的人道主义工作;HICO相机，安装在日本“希望”号实验舱（Kjbo），分辨率90米/像素，主要收集地球海岸水体透明度，海底地貌以及岸上植被等数据;由一台施密特·卡塞格林式（Schmidt-Cassegrain）望远镜和一台数码相机组成的国际空间站环境研究和可视化系统（ISERV），该系统以每像素小于3米的地面分辨率采集可见光图像，旨在通过地球科学数据帮助发展中国家缓解和应对灾难，并提供人道主义支持，ISERV的信息可以很方便的通过官方渠道获得。

那么，宇航員们在空间站上的地球观测活动做出过哪些贡献呢？以2011年3月11日发生在日本东海岸的9.0级大地震来说，这场有记载以来强度最大的地震是太平洋板块和北美板块之间的断层运动引起的，地震本身对当地人的影响还不算最严重，但地震引发的海啸对福岛第一核电站和炼油厂的损坏，对环境造成了严重的、长期的、潜在的生态危机。3月13日，当空间站运行到日本地震灾区上空时，宇航员罗恩加兰拍摄了许多受灾地区的照片，在这些照片中，人们可以清楚地看到石油泄漏漂浮在海面上的范围，在阳光的照射下，这些油污十分明显。罗恩加兰使用的就是普通的单反相机，配合不同焦距的镜头，最终获得的照片比大多数卫星照片具有更高的分辨率，且角度更多，内容更加丰富。NASA方面表示，这些照片发送到地面后，不需要经过任何处理，科研与救灾人员就能够获得并使用他们需要的多种信息。

类似的通过宇航员手持相机进行的地球突发灾难观测还有很多，其中距离较近的是发生在2017年的美国加州山火。这场山火过火面积之大，持续时间之久，造成了巨大的人员伤亡和经济损失，而宇航员在空间站拍下的大量照片为消防部门提供了重要参考。当然，话说回来，对火情、洪灾、植被覆盖的观测，也有专用卫星如NASA的“阿卡”（Aqua）卫星，其搭载的中等分辨率成像分光辐射仪，就能检测出地表异常发热的区域，而“特鲁斯”卫星上搭载的热辐射仪则可以通过不同颜色显示过火痕迹。此外，还有哪些观测活动是卫星无法取代人工的呢？

夜空灯光。在黑暗的地方拍照，長时间曝光需要使用三脚架稳定住相机，但如果你以17马赫的速度运动时，就需要在三脚架上再安装个仪器。摄影师在地球上长时间曝光星空时用的仪器叫“赤道仪”，空间站上的这个仪器和赤道仪原理一样，都可以补偿平台高速运动时的角速度变化，但名称得换一换，或许叫做“空间站地球仪”比较合适吧。不过，研发它的欧空局已经起好了名字，Night Pod——夜景平台。

夜景平台安装在穹顶舱内，宇航员主要用它拍摄地球高分辨率、高清晰度的城市夜景、海陆交通、火山活动、海洋捕捞等。美国前宇航员玛莎·埃文斯说：“来自空间站的夜景图像可以即时地了解人类在地球表面活动的足迹。”例如，你可以看到空旷漆黑的近海海面一盏盏明亮的灯光，那是捕鱼的渔船，你还可以看到在两座城市之间有零星的亮点，那是大货车司机在跑长途。还有很多这类精彩的地球夜景，NASA通过互联网向公众免费提供这些照片。

其实，官方为夜景平台布置的任务早已经完成了，但它仍在空间站上，继续为宇航员观测地球服务着。不仅是观测地面，包括极光、极地云层等高纬度的大气现象，也可以通过平台进行拍摄作业。配合空间站上的自动遥感系统，空间站上拍摄的影像不断为人类研究地球提供着多角度的信息。

能进入国际空间站的宇航员是幸运的，因为穹顶舱为他们提供了一个绝佳的窗外视角，而在此之前由前苏联制造的和平号空间站上，条件就没有那么好了。为数不多的几个小舷窗，留给宇航员的视野并不大，最大的舷窗直径不过67厘米。但即便如此，宇航员们依然通过这个小舷窗拍摄了超过20万张地球照片，而且其中超过半数是胶片照片。

所以，在空间站上看地球，不仅是看形态各异的地表结构、色彩斑斓的极光闪电，地球表面上发生的各种大型人为或自然变化，翱翔在太空的宇航员都可以通过多种角度及时地做出反馈或进行研究，这就是在空间站上开展地球观测的重要意义。随着国际空间站即将到寿，未来的太空轨道上，中国的“天宫”号空间站将会成为主角，在今后很长一段时间里，地球靓照，将会出自中国太空摄影师之手。

责任编辑：陈肖