Нижняя ступень лунного модуля, следы и оставленное оборудование в съемке кинокамеры из иллюминатора стартовой ступени лунного модуля Apollo 15. NASA
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.
Сравнение размеров оптических инструментов космических аппаратов LRO, MRO, WorldView-3 и Hubble. NASA, ESA, Maxar
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.