Почему качество спутниковых снимков Луны не лучше спутниковых снимков Земли или Марса?

Краткий ответ: Качество снимков определяется научными задачами, и съемка следов человека на Луне изначально не ставилась перед LRO. Его камера в несколько раз меньше тех, что снимают Землю или Марс. Кроме того, качеством съемки LRO пожертвовали ради увеличения площади снимаемой поверхности Луны, что позволило создать полную карту в самом высоком качестве.

Лучшим подтверждением реальности полетов людей на Луну являются их следы, оставленные полвека назад в реголите естественного спутника Земли. Правда, увидеть их — непростая задача. Луна находится слишком далеко, чтобы рассмотреть с Земли какие-либо признаки посещения человека.

Снимки Луны с самым высоким разрешением удалось сделать космическому аппарату NASA Lunar Reconnaissance Orbiter. LRO удалось рассмотреть места посадок Apollo и почти всех автоматических станций США, СССР и Китая, а также места падения аппаратов Европы, Индии и Израиля.

К сожалению, разрешающей способности в 0,5 м оказалось недостаточно, чтобы рассмотреть отдельные следы астронавтов, хотя протоптанные ими тропинки видны достаточно ясно. Конечно, хотелось бы рассмотреть еще лучше свидетельства такого выдающегося достижения человека, как шаги по Луне, но научные задачи LRO выходили далеко за пределы исторических.

Задачи межпланетной станции LRO:

• изучение окололунной среды: пыль, метеориты, радиация;
• геологическая картография всей поверхности Луны с высоким разрешением: распределение полезных ископаемых и воды в поверхностном слое;
• разведка площадок для будущих спускаемых аппаратов, в том числе пилотируемых.

Перед LRO ставилась задача разведки всех обстоятельств и условий для подготовки возвращения человека на длительный срок. Наблюдение мест посадок прошлого, как успешных, так и не очень, проходит в рамках последнего пункта программы исследований. Отдельной задачи сфотографировать следы, оставленные астронавтами Apollo, перед LRO не ставилось, хотя об этом иногда сообщает пресса.

Для осуществления всех научных задач LRO несет на борту 97 кг полезной нагрузки. В числе приборов, например, российский детектор нейтронов LEND (The Lunar Exploration Neutron Detector), который способен определять содержание воды в грунте на глубину до 1 м. Минералы в грунте определяют несколько спектрометров ультрафиолетового и инфракрасного диапазонов: Diviner Lunar Radiometer и Lyman Alpha Mapping Project, а также микроволновый радар Mini-RF.

Съемкой лунной поверхности занимаются три камеры, объединенные в один блок LROC (Lunar Reconnaissance Orbiter Camera), общей массой 18 кг. Одна камера — широкоугольная WAC (Wide Angle Camera) — снимает лунные панорамы шириной 100 км с линейным разрешением 100 м с высоты 50 км. Фотографированием Луны в высоком разрешении занимается узкоугольная камера NAC (Narrow Angle Camera). Это две практически одинаковые камеры, обзор которых немного накладывается друг на друга, и вместе они охватывают поле видимости шириной 5 градусов, или 5 км, с высоты 50 км.

Именно NAC смогла снять места посадок Apollo и многих автоматических станций других стран. Благодаря снимкам этой камеры удается сравнить фотопанорамы, сделанные астронавтами, и лунную местность. Можно найти большие валуны, посещенные астронавтами, убедиться, что тропинки и следы роверов, видимые на фотографиях астронавтов 1970-х годов, сохранились через полвека и доступны для изучения.

Несмотря на достаточно различимые подробности на снимках NAC, можно встретить и претензии к качеству их изображений — ведь всегда хочется большего. Одна из претензий, которую часто можно услышать в отношении лунных снимков, — отсутствие цвета. Об этом мы уже говорили, и, чтобы не повторяться, напомню, что цветной кадр всегда имеет меньшее разрешение, чем панхроматический. Черно- белый, или панхроматический, снимок использует свет всего доступного диапазона, а цветной вынужден распределять фотоны на три канала, чтобы сложить из них каждый отдельный цвет. Например, широкоугольная камера WAC имеет несколько фильтров и способна снимать в цвете.

Более серьезный повод для недовольства результатами NAC — разрешение снимков. Линейное разрешение 0,5 м, аналогичное лунному, получают, например, околоземные спутники, которые поставляют снимки для карт Google или по заказу Пентагона. Некоторые коммерческие спутники способны снимать Землю с разрешением 0,3 м, а самые большие спутники-шпионы — предположительно до 0,1 м. И это с высоты в 10 раз выше, чем летает LRO и сквозь земную атмосферу! Кажется, что лунные технологии NASA серьезно уступают возможностям коммерческих компаний. Трудно поверить, но это действительно так.

Достаточно сравнить стоимость лунной камеры LROC и самых «мощных» околоземных спутников, чтобы понять причины слабости лунной оптики. Так, вся программа окололунного зонда LRO обошлась в $504 млн за космический аппарат и его запуск. Создавался аппарат более десяти лет назад, а электроника NAC, с целью экономии, была повторением камеры CTX (Context Camera) марсианского зонда MRO (Mars Reconnaissance Orbiter), который полетел к Красной планете в 2005 году. Стоимость же современного космического аппарата дистанционного зондирования Земли WorldView-3 компании Maxar (ранее DigitalGlobe) — $650 млн, и он практически наполовину состоит из телескопа и камеры. Телескоп WorldView-3 имеет диаметр главного зеркала 1,1 м, что в пять раз больше, чем у LRO, летает на высоте 620 км над Землей и снимает ее с линейным разрешением 0,3 м. Преимущество WorldView-3 в бюджете и технологиях определяется его большей востребованностью для государственных и коммерческих нужд — фактически это коммерческий спутник-шпион, работающий на Пентагон, но и продающий снимки «на сторону».

Большинство спутниковых снимков Земли, которые использует Google, имеют линейное разрешение 0,5 м. Более высокое разрешение картографических снимков этого сервиса достигается уже аэрофотосъемкой. Поэтому, сравнивая качество фотографий Луны и Google-карт Земли, следует сначала убедиться, что мы сравниваем именно космические снимки.

Сравнение возможностей околоземных спутников и LROC удобно проводить благодаря полноразмерному макету лунного модуля Apollo, который установлен во дворе Института Франклина в Филадельфии. Используя сервис Map Google Pro, мы можем посмотреть несколько снимков, сделанных за последние годы. Чтобы отличить спутниковый снимок от аэрофото, нужно обратить внимание на поставщика фотографии. Спутниковые данные Google закупает у американской компании DigitalGlobe, которая в прошлом году вошла в холдинг Maxar Technologies, — их спутниковые снимки Земли лучшие на мировом рынке спутниковой съемки.

До 2015 года спутниковые компании США не имели прав на то, чтобы выкладывать в открытый доступ снимки Земли с разрешением выше 0,5 м. Это ограничение накладывал Пентагон, который в единоличном порядке закупал снимки более высокого разрешения. Затем ограничение сдвинули до 0,3 м. Таким образом, снимки DigitalGlobe до 2015 года имеют разрешение 0,5 м или хуже. Теперь мы можем сравнить спутниковое фото макета лунного модуля в Филадельфии со снимками первой ступени лунных модулей Apollo, которые остались на Луне.

Контраст лунных снимков заметно выше из-за того, что сама Луна довольно темная: она отражает от 6 до 12% солнечного света. Лунный модуль же покрыт светоотражающей теплозащитой, что делает его значительно ярче того уровня освещения, на который настроена лунная камера. В остальном видимость деталей модуля вполне сравнима с аэрофотосъемкой и превосходит околоземный коммерческий спутник.

Убедившись, что разрешение снимков лунной камеры вполне сопоставимо с кадрами самых «дальнобойных» околоземных спутников, зададимся следующим вопросом: почему лунные снимки не лучше земных?

Про стоимость и сроки изготовления мы уже говорили, но если сопоставить потенциальные возможности оптики камеры NAC с фактическим разрешением ее снимков, то окажется, что угловое разрешение могло бы быть в три раза лучше! Что же заставило NASA сознательно отказаться от возможности увидеть поверхность Луны с большей детализацией?

Угловое разрешение объектива фотоаппарата или телескопа зависит от диаметра. Для сравнения: диаметр главного зеркала телескопа NAC LRO — 195 мм, диаметр зеркала WorldView-3 — 1100 мм, а диаметр зеркала космического телескопа Hubble — 2400 мм. Зная диаметр главного зеркала телескопа, можно рассчитать по известным формулам предельное угловое разрешение изображений, которые он способен создавать.

Для расчета фактического углового разрешения телескопа, с поправкой на разные длины волн и качество изготовления телескопа, астрономы разработали упрощенные формулы. Так, физик Джон Рэлей предложил формулу: r = 140/D, где r — угловое разрешение в угловых секундах, D — диаметр телескопа в миллиметрах. Астроном Уильям Доус (William Rutter Dawes) предложил другой параметр: r = 116/D.

Так, по Рэлею, разрешение NAC LRO получается 0,7 угловой секунды, а по Доусу — 0,59 угловой секунды. Фактически же в характеристиках камеры указано 2 угловые секунды — именно столько займет 0,5 м с расстояния 50 км.

Получается, мы видим более чем трехкратное несоответствие между теоретическими возможностями оптики NAC LRO и реальными кадрами. Видимо, повлиял какой-то иной фактор, и, чтобы его узнать, нам придется учесть еще одну характеристику камеры — угол обзора.

Угол обзора — важный параметр для любого фотообъектива или телескопа. Широкоугольные объективы охватывают большое поле зрения (в англоязычной терминологии — field of view), но они уже не могут различать мелких деталей в каждой точке съемки. Узкоугольные объективы фотографы обычно называют длиннофокусными, или телефото, или просто телевиками. Они обладают возможностью «приближать», т.е. позволяют рассмотреть малую область, но с высоким разрешением. Некоторые ручные фотокамеры могут менять угол обзора, приближать и отдалять изображение — так называемый зум, но на космические аппараты такие камеры стараются не ставить из-за обилия подвижных частей, которые могут выйти из строя. Чаще в космос отправляют телескопы с фиксированными характеристиками, фотографы такие объективы называют «фиксы». Привычные всем смартфоны также имеют камеры с фиксированным углом обзора, что роднит их с космическими аппаратами.

Если перед космическим аппаратом стоит задача как можно лучше увидеть малый объект исследования, то конструкторы используют узкоугольную камеру с максимально возможным разрешением. По такому принципу созданы спутники компании Maxar или камера HiRISE на марсианском космическом аппарате MRO. Если же мы захотим быстро составить полную карту исследуемого большого космического тела, то лучше поставить широкоугольную камеру. Так поступили создатели окололунных зондов SMART-1, Kaguya, Chandrayaan-1, Chang'e 1, 2. Обычно конструкторы стараются ставить на зонды и широкоугольный объектив, и узкоугольный, но такое удается не всегда, ведь грузоподъемность ограничена, а ученые всегда стремятся установить побольше разных приборов.

Но что делать конструктору, когда от него требуют создать аппарат для составления полной карты Луны в обозримые сроки, с высоким разрешением, с ограниченностью по массе полезной нагрузки и уложиться в сравнительно скромный бюджет?

Он создает LRO.

Три камеры, объединенные в один блок LROC, имеют массу 18 кг, а технологии базируются на более ранних, взятых с марсианского MRO. Широкоугольная WAC имеет марсианского предшественника MARCI. Узкоугольная NAC получила электронику от марсианской CTX, но на окололунной орбите пришлось использовать другую оптическую схему телескопа, более стойкую к температурным перепадам. Марсианский телескоп CTX обладает главным зеркалом диаметром 108 мм и снимает Марс с линейным разрешением 5 м с высоты 300 км. Если бы MRO удалось снизить до высоты LRO, то CTX показала бы поверхность с фактическим линейным разрешением около 1 м. Зато угол обзора этой марсианской камеры вдвое шире каждой отдельной лунной NAC.

Перед конструкторами NAC LRO стояла задача сделать камеру, превосходящую вдвое линейное разрешение CTX, но сохраняющую прежний угол обзора. Наиболее простым выходом стало создание двух одинаковых узкоугольных камер, которые суммарно сравнятся с одной CTX по углу обзора. Если бы в NAC использовали оптику с предельным разрешением, то угол обзора даже двух камер с высоты 50 км составил бы всего около 1,6 км.

То есть снижение разрешения снимков NAC LRO в три раза произведено именно для расширения угла обзора в те же три раза.

Чтобы убедиться в этом, сравним характеристики различных космических аппаратов с телескопами. В приведенной таблице телескопы перечислены в порядке увеличения диаметра главного зеркала. Приборы CTX и HiRISE установлены на космическом аппарате, летающем вокруг Марса. Спутники SkySat-1, «Ресурс-П», Pléiades, WorldView-3 и GeoEye-1 летают на низкой околоземной орбите и снимают поверхность Земли. Космический телескоп Hubble также находится у нашей планеты, но смотрит в космос.

Из таблицы хорошо видно, что у телескопов с угловым разрешением, близким к теоретически возможному, очень малый угол обзора — редко больше полутора градусов. Такое разрешение еще годится для полета на большой высоте, но с низкой орбиты в 50 км это слишком узкая полоса съемки. Зато увеличенный угол обзора, как у NAC LRO или CTX MRO, приводит к ухудшению разрешения. Похожее можно увидеть у российского спутника «Ресурс-П», где разработчики с целью увеличения ширины съемки до 4,6 градуса практически вдвое снизили фактическое разрешение его оптики.

Почему же для LRO был так важен угол обзора, что ради него пожертвовали высоким разрешением снимков лунной поверхности и возможностью увидеть следы людей на ней?

Причина кроется в одной научной задаче космического аппарата LRO: создание высокоточной карты Луны. Чтобы ее осуществить, пришлось обеспечить возможность камеры охватывать своими снимками достаточно широкие пространства. Даже несмотря на это, за десять лет работы LRO пока не удалось составить полную карту Луны с разрешением 0,5 м — часть снимков имеет разрешение около 1 м.

Если бы NAC LRO сделали предельно возможного линейного разрешения, то ширина кадра также сократилась бы втрое, как и площадь снимка. И только ради возможности увидеть следы Армстронга не в виде тропинки, а в виде отдельных точек? Если бы они были столь важны, то можно было бы снарядить небольшой луноход и изучить места посадки вблизи, а не с высоты 50 км. И такие проекты тоже есть, но пока не у NASA.