Эти кадры с Земли и за ее пределами показывают наше единственное в своем роде движение по Вселенной.
«Строить одну космическую станцию для всех было и остается безумием: мы должны были построить дюжину». -Ларри Нивен
Здесь, на твердой поверхности Земли, Солнце и Луна восходят и заходят ежедневно. В те часы, когда Солнце невидимо, закрыто твердой Землей, звезды кружатся над головой в огромном куполе ночного неба.
В северном полушарии кажется, что они вращаются вокруг Полярной звезды, в то время как в южном полушарии кажется, что звезды вращаются вокруг Южного небесного полюса. Чем дольше вы наблюдаете - или фотографируете, чем дольше вы оставляете затвор камеры открытым - тем длиннее и эффектнее становятся траектории, которые очерчивают звезды.
В чем причина этого? Это потому, что Земля вращается вокруг своей оси. Северный и Южный небесные полюса выровнены с этой осью, поэтому кажется, что звезды с 24-часовым периодом вращаются вокруг той же оси. На самом деле, если бы вы находились в месте, где небо было чистым 24 часа подряд (как сегодня на северном полюсе), вы могли бы даже получить полный замкнутый круг до ваших следов.
Это никогда (пока) не удавалось, хотя замечательную попытку сделать специально такую фотографию предпринял Эрл Мозер (см. выше), у которого штатив повернулся еще на 180° в течение 12 часов ночной экспозиции. Некруглость следов вызвана небольшим смещением его штатива с северным небесным полюсом, который он промахнулся на крошечную долю градуса!
Но, может быть, подумаете вы, вы бы не потерпели тех самых следов из космоса. Не будучи привязанными к поверхности Земли, звезды казались бы неподвижными, а вращалась бы только Земля под вами. Куда бы вы отправились посмотреть и протестировать это?
На Международную космическую станцию, конечно же! Относительно новый купол, показанный снаружи (вверху) и изнутри (внизу), позволяет астронавтам МКС одновременно получить превосходный вид на Землю и горизонт на 360°.
Если эта куполообразная структура в космосе кажется вам знакомой, это потому, что вы, возможно, видели что-то очень похожее давным-давно в далекой-далекой галактике.
Но давайте вернемся к реальности того, что на самом деле поддерживает людей за пределами Земли. Как и практически все спутники Земли, Международная космическая станция движется по почти идеальной круговой орбите всего в нескольких сотнях километров над нашей поверхностью. Поскольку он находится на низкой околоземной орбите, он совершает кругосветное путешествие вокруг Земли - путешествие, превышающее 25 000 миль (40 000 км) - чуть менее чем за 90 минут.
Он должен двигаться с головокружительной скоростью 4,6 мили в секунду (7,5 км в час); согласно закону гравитации, это единственная скорость, при которой спутник будет двигаться по круговой орбите на небольшом расстоянии от поверхности Земли!
Но это не единственное происходящее движение; пока это происходит, Земля вращается под вами с 24-часовым периодом!
У вас есть несколько вариантов ориентации вашего космического корабля, которые информируют о звездных следах, которые вы (или не хотите) увидеть. Один из вариантов - и это то, что делает космический телескоп Хаббл, например - - это полное игнорирование Земли. Пусть ваш космический корабль вообще не вращается, направьте его на цель вдали от Солнца, туда, где Земля никогда не встанет у вас на пути, и наблюдайте за ней столько, сколько захотите. Запустите свой спутник таким образом, и, подобно Хабблу, вы никогда не увидите звездного следа.
Но МКС была построена не для того, чтобы смотреть в космос, она была построена для того, чтобы смотреть вниз на Землю.
А если вы посмотрите вниз с МКС, на что вы будете смотреть вниз?
Каждые девяносто минут вы будете проходить от экватора до северных широт, затем полностью вниз, через экватор и вниз к Антарктиде (но не совсем над ней), а затем обратно на север снова к экватору. Из-за вращения Земли долгота мест, над которыми вы пролетаете, меняется примерно на 20° каждый раз, когда проходит МКС.
Поскольку МКС спроектирована таким образом, чтобы смотреть вниз, а не - как Хаббл - не вращаться вообще, она вращается каждые девяносто минут, так что купол, который я вам показывал ранее always указывает прямо на Землю. Это означает, что если вы засунете камеру в купол, вы сможете увидеть что-то похожее на то, что сшил Алекс Ривест ниже.
www.youtube.com/watch?v=TOQrx-7qgakt=16
Как видите, звезды действительно кажутся вращающимися! Это бесспорно, но вы должны задаться вопросом, почему это так.
Как оказалось, это полностью из-за того, как МКС вращается в пространстве! В отличие от звездных следов на Земле, которым потребуется 24 часа, чтобы сделать полный круг, следы на МКС сделают полный круг всего за 90 минут, потому что это период вращения МКС вокруг Земли. (Точно так же, как период обращения Луны вокруг Земли - и период вращения, и период обращения - составляет один лунный месяц.) Это не потому, что МКС приливно привязана к Земле, а скорее по замыслу; это позволяет куполу МКС всегда указывать на поверхность Земли. Это идеально подходит для изучения нашей планеты из космоса, что является одной из главных научных целей космической станции.
И тем не менее, только совсем недавно мы получили фотографии, демонстрирующие, как именно выглядит это явление. Благодаря астронавту НАСА и выдающемуся фотографу, бортинженеру 31-й экспедиции Дону Петтиту, у нас есть целый ряд композиций изображений из купола Международной космической станции. Петтит сделал серию снимков с короткой выдержкой и соединил их вместе, чтобы получить эти потрясающие виды звездных следов с МКС.
Как он это сделал? По его собственным словам:
Мои изображения звездного следа сделаны с выдержкой от 10 до 15 минут. Однако для современных цифровых камер 30 секунд - это максимально возможная выдержка из-за шума электронного детектора, который фактически затуманивает изображение. Чтобы добиться более длинных выдержек, я делаю то, что делают многие астрономы-любители. Я делаю несколько 30-секундных экспозиций, а затем «складываю» их с помощью программного обеспечения для обработки изображений, таким образом получая более длительную экспозицию.
В отличие от Земли, следы звезд Международной космической станции не имеют центра ни на Северном, ни на Южном небесных полюсах. Для этого есть веская причина: МКС не вращается вместе с Землей, она вращается так, что всегда указывает на Землю! Следовательно, точки, которые кажутся стационарными, - это точки вдоль оси вращения МКС, которая не только очень быстра, но и прецессирует на 360° в течение года!
На каждой составной фотографии, помимо звезд и звездных следов, есть некоторые замечательные вещи, которые мы можем наблюдать на нашей собственной планете, просто глядя на Землю!
Вверху, например, можно увидеть зеленоватое свечение атмосферы, а также желтые полосы проносящихся городов и синие крапинки - которые, хотите верьте, хотите нет, это удары молнии - усеивающие изображение.
Звезды выглядят как дождь благодаря узкоугольной фотографии, параллельной направлению движения Международной космической станции. Этот эффект начинает исчезать по мере того, как вы отходите в стороны, где начинают проявляться эффекты вращения МКС.
Также на гораздо больших высотах над Землей наблюдается гораздо более слабое свечение воздуха, которое имеет тусклый красный цвет. Это происходит из-за того, что атомы кислорода очень высоко медленно теряют возбуждение в течение ночи. В то время как яркий, тонкий зеленый слой - слой воздуха на высоте 90-100 км, красный слой - на высоте 150-300 км, почти на высоте самой станции!
А как насчет изображения выше с замечательным количеством синих пятнышек? Как вы, наверное, догадались, это проходящая гроза, дающая впечатляющие результаты на этой замедленной фотографии, где каждое синее пятнышко представляет собой молнию. По мере того, как спутник движется по Земле, место грозы (и городских огней) быстро перемещается по фоторамке, создавая полосы непрерывного света, усеянные прерывистыми ударами молнии!
Над спокойным регионом вы увидите гораздо более безмятежную композицию. «Размытие», которое вы видите в верхней части изображения над слабым красным свечением воздуха? Это связано с тем, что солнечные батареи, необходимые для питания станции, перемещаются и регулируются по мере того, как МКС находится на орбите, чтобы максимально использовать энергию, которую они получают от Солнца.
И хотя звезды могут быть тусклыми, один объект на небе все еще кажется невероятно ярким: Луна, хорошо видная наверху. Обратите внимание, что без атмосферы Земли, преломляющей и рассеивающей интенсивное количество света, исходящего от нее, в других частях неба световое загрязнение отсутствует в результате Луна! Это демонстрирует еще одно преимущество астрономии из космоса.
И, наконец, пример, который покажет вам, что даже потрясающие фотографии Дона не безупречны; даже его звездные следы иногда страдают недостатками!
Для этого есть две возможные причины: во-первых, МКС иногда корректирует свое вращение, а во-вторых, камера могла немного изменить свою ориентацию между снимками.
В общем, Дон создал 26 таких составных изображений, которые можно просмотреть в фотопотоке НАСА на flickr. Эти тропы отличаются, но похожи на те, что проложены на Земле, и теперь вы знаете науку, стоящую за ними, а также то, на что вы смотрите.
Happy Throwback четверг; особенно если вы пропустили эти изображения, когда они были впервые выпущены, наслаждайтесь ими всеми!
Понравилось, что вы здесь прочитали? Зайдите на форум Starts With A Bang в Scienceblogs, присоединяйтесь к обсуждению и напишите нам!