Xuyên qua đại dương xanh thẳm và màn đêm đen (phần 2)

2013-11-25 11:20:33

(Sóng Trẻ) - Quan sát Trái Đất vào ban đêm cho ta biết vô vàn thông tin về cuộc sống con người. "Nó cũng gần giống như khi một người cận thị lần đầu tiên đeo kính lên và nhìn vào Trái Đất theo một cách khác hẳn".

Xuyên qua đại dương xanh thẳm và màn đêm đen (phần 1)

Lần đầu tiên đeo kính

Suomi NPP cùng thiết bị VIIRS của nó sẽ đi qua mọi địa điểm trên Trái Đất vào khoảng 1h30 sáng và 1h30 chiều (giờ địa phương) mỗi ngày; quan sát hành tinh chúng ta theo chiều dọc, từ cực Bắc tới cực Nam. VIIRS là thiết bị đo bức xạ quang phổ, nhận diện những photon ánh sáng trong 22 bước sóng khác nhau và lưu trữ chúng nhờ thiết bị bán dẫn chuyển đổi ánh sáng sang tín hiệu dạng số (tương tự với máy ảnh kỹ thuật số).

Dữ liệu trên bản đồ này thu được sau 9 ngày ở tháng 4 và 13 ngày ở tháng 10 (năm 2012). Vệ tinh phải di chuyển 312 lần quĩ đạo của nó và cần 2,5 terabyte dữ liệu để có được những ảnh chụp rõ nét cho từng vị trí trên bề mặt lục địa cũng như các đảo thuộc Trái Đất.

(ảnh: Đài Quan sát Trái Đất NASA và Trung tâm Dữ liệu Địa vật lý quốc gia NOAA)

Không giống như máy ảnh phim, chụp tất cả các ảnh với cùng một độ phơi sáng, VIIRS cung cấp hình ảnh bằng cách scan khung cảnh nhiều lần, sau đó phân giải nó ra thành hàng triệu phần tử ảnh riêng biệt, hay còn gọi là các pixel (điểm ảnh). Thiết bị này tiến xa hơn một bước khi có thể tùy chọn nên dùng chế độ thu sáng ít – trung bình – hay nhiều để đảm bảo từng điểm ảnh mô tả chính xác được lượng ánh sáng phát ra.

“Đối với các máy ảnh cầm tay, có chế độ chụp ban đêm khi thời gian màn trập mở ra lâu hơn nhiều so với chụp trong điều kiện ban ngày”, Elvidge nói, ông là người điều hành Nhóm Quan sát Trái Đất ở Trung tâm Dữ liệu Địa vật lý quốc gia NOAA. “Thiết bị ở đây cũng tương tự. Thời gian phơi sáng tăng lên – khoảng thời gian mà nó sẽ thu nhận các photon ánh sáng cho các điểm ảnh”. Nếu một điểm ảnh quá sáng, chế độ giảm sáng của bộ cảm biến sẽ giúp điểm ảnh đó không bị bão hòa. Ngược lại, nếu điểm ảnh quá tối, viêc điều chỉnh tương tự cũng sẽ diễn ra.

Sử dụng công nghệ hiện đại, băng tần của VIIRS hoạt động hiệu quả gấp 10 đến 15 lần so với hệ thống OSL trong việc phân giải các ánh sáng của đời sống con người, nhất là những ánh sáng mờ nhòa; hay phản chiếu ánh Mặt Trăng. Một điểm ảnh biểu diễn khoảng 742 met, trong khi trước đây tại chương trình DMSP, một điểm ảnh biểu diễn tới 3 kilomet. Không chỉ vượt trội về độ phân giải, bộ cảm biến còn có thể nhận diện những nguồn sáng mờ nhạt. Từ khi thiết bị VIIRS thực sự hoàn thiện, các nhà khoa học nay đã có thể thu được các số liệu định lượng chính xác về những đám mây, cũng như các yếu tố khác.

Băng tần của VIIRS (ảnh dưới) phải rõ nét ít nhất là gấp 10 lần so với hệ thống OSL trong việc phân giải các ánh sáng mờ nhạt.

(ảnh: Đài Quan sát Trái Đất NASA và Trung tâm Dữ liệu Địa vật lý quốc gia NOAA)

“Không giống với hệ thống OSL, quan sát hình ảnh từ VIIRS cũng gần giống như khi một người cận thị lần đầu tiên đeo kính lên và nhìn vào Trái Đất theo một cách khác hẳn”, Miller nói. “VIIRS cho phép chúng ta biến khung cảnh màn đêm mờ nhòa, kém chất lượng trở nên thật nét và trong. Hiện nay, chúng ta có thể nhìn mọi vật với các chi tiết thật rõ ràng và chính xác, đó thật sự là một hệ thống đo lường kiểu mới”.

Các nhà du hành trên Trạm Vũ trụ Quốc tế (ISS) chụp quang cảnh vùng Trung Tây Hoa Kỳ vào 31 tháng 1 năm 2012. Ảnh chụp của họ đã có độ phân giải cao hơn nhưng vẫn chưa ổn định như ảnh chụp từ vệ tinh VIIRS.

(ảnh: Đội Quan sát Trái Đất ISS)

Các nhà du hành cũng chụp ảnh Trái Đất về đêm và thực tế là những bức hình của họ còn độ phân giải cao hơn. “Nhưng các nhà du hành không thể nhìn về Trái Đất 24 giờ một ngày, 7 ngày trong tuần và 365 ngày trong năm”, William Straka – nhà khoa học về khí quyển tại ĐH Wisconsin nói. Straka bổ sung thêm, do quĩ đạo của Trạm Vũ trụ Quốc tế nên các nhà du hành không thể quan sát bề mặt các vùng cực, dù họ có thể nhìn thấy các hiện tượng ở tầng cao khí quyển. Nài ra, ISS phải 2 hay 3 ngày mới đi qua một điểm trên Trái Đất với khung giờ không cố định, trong khi Suomi NPP bay qua một vị trí 2 lần mỗi ngày vào một thời điểm được định sẵn. Một số nhà khoa học muốn quan sát cả từ VIIRS lẫn ISS để tổng hợp được mọi ưu điểm từ độ phân giải, thời gian, và sự chính xác về định lượng.

Ánh điện ban đêm

Quang cảnh ban đêm được thu nhận bởi băng tần trên VIIRS ngày càng trở nên hữu ích hơn đối với các nhà khoa học về khí quyển, các nhà khí tượng học – những người thường xuyên quan sát các cơn bão và siêu bão.

“Có thể quan sát vào ban đêm giúp nhận diện những đặc điểm mà các cảm biến trên các vệ tinh khác dễ bỏ lỡ”, Straka nói. “Chúng ta có thể nhận ra những cột khói mỏng, tro tàn rất nhẹ từ núi lửa, hay những vùng sương giăng…– những gì rất dễ bị lẫn vào hậu cảnh”.

Chris Elvidge có hứng thú đặc biệt đối với việc nhận diện các nguồn dễ gây cháy – ví dụ như ma trơi hay khí gas – chúng phát sáng trong các bước sóng khác biệt. Nhóm những người của ông có thể nhận diện nguồn sáng này với nguồn sáng nhân tạo bằng cách cùng một lúc sử dụng băng tần cho ánh sáng nhìn thấy được và băng tần hồng nại. “Nhờ vậy chúng tôi có thể xác định được nhiệt độ và sự tỏa nhiệt từ các nguồn sáng này”. Elvidge hy vọng về sau này, hệ thống đo lường có thể giúp đưa những đánh giá chính xác hơn về lượng carbon dioxide thoát ra.

Vùng Tây Bắc của tiểu bang Bắc Dakota, một trong những khu vực ít dân cư nhất của Hoa Kỳ, trong những năm gần đây cũng đã “ngời sáng” trong đêm. Ánh sáng phát ra từ giếng khoan và khí gas trong thành hệ đá phiến sét Bakken.

(ảnh: Đài Quan sát Trái Đất NASA và Trung tâm Dữ liệu Địa vật lý quốc gia NOAA)

Nhưng tác dụng phổ biến cũng như sâu xa nhất của việc thu hình ảnh vào ban đêm vẫn là việc nghiên cứu – cả về khoa học và mỹ học – về nguồn sáng từ các thành phố.

“Hình ảnh chụp vào buổi đêm cho ta nhìn nhận hành tinh của mình thông qua trực giác”, William Stefanov – nhà khoa học thâm niên về viễn thám của chương trình ISS nói.

“Ánh sáng từ các thành phố là phương tiện giúp nhận diện vùng nông thôn và vùng thành thị, thể hiện những nơi tập trung dân cư đông đúc và ngược lại”, Stefanov chú thích thêm. “Đây cũng là cách hữu hiệu để quan sát sự phát triển của đô thị và khu vực nại ô, từ đó đưa ra kế hoạch sử dụng năng lượng, dự đoán các áp lực lên thành phố, nghiên cứu về những nơi đang có nhiệt độ tăng cao do hoạt động con người, hay để khởi động các mô hình khí hậu mới”.

Elvidge đã chứng kiến nhiều cách ứng dụng khác nhau đối với các bức ảnh chụp ánh đèn đô thị. “Ánh sáng nhân tạo là công cụ viễn thám tuyệt vời cho đời sống con người”, ông nói.

Ánh sáng từ thành phố thường chỉ ra đâu là nơi con người sinh sống, nhưng điều này không chính xác với Bán đảo Triều Tiên. Dân cư ở Hàn Quốc (phía Nam) là khoảng 49 triệu người và cả vùng đất tràn ngập ánh sáng. Bắc Triều Tiên có 24 triệu dân nhưng nài Bình Nhưỡng ra thì ánh sáng dường như không xuất hiện. Ở nài khơi, đại dương sáng lên nhờ ánh điện từ hàng triệu tàu đánh cá xếp dọc theo các biên giới vô hình.

(ảnh: Đài Quan sát Trái Đất NASA và Trung tâm Dữ liệu Địa vật lý quốc gia NOAA)

Các nhà khoa học nghiên cứu về xã hội, các nhà nhân khẩu học đã sử dụng những bức ảnh để tạo nên các mô hình phân bố về không gian cho hoạt động kinh tế, các công trình xây dựng, và cả phân bố dân cư. Những người làm quy hoạch và các tổ chức môi trường đã sử dụng bản đồ ánh sáng để lựa chọn các địa điểm thích hợp cho việc quan sát thiên văn; kiểm tra việc mở rộng nơi sinh sống của con người quanh các khu bảo tồn, những nơi ẩn náu của động vật hoang dã.

Nhóm nghiên cứu của Elvidge đã được các tổ chức tìm hiểu về sự thải khí carbon dioxide tìm tới. Khí carbon dioxide thoát ra từ việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch và từ các đoàn tàu đánh bắt cá, những thuyền viên ở đây đã thắp sáng đại dương để nâng cao sản lượng thủy sản. Các nhà sinh vật đã tìm hiểu về việc sự phát triển của các đô thị làm hủy hoại môi trường sống của động vật. Họ cũng từng nghiên cứu về “chế độ độc tài” tại nhiều khu vực trên thế giới, khi ánh điện về đêm tại nơi sinh sống của các nhà lãnh đạo cứ có xu hướng mở rộng ra.

Trong những năm gần đây, Miller, Elvidge và các đồng nghiệp đã khám phá ra những ứng dụng không ngờ tới khi sử dụng hệ thống đo lường “những vùng tối tăm”. Nó bao gồm vệ tinh quan sát đầu tiên theo dõi biển ngân hà bí ẩn – một sự phát quang sinh học từ động vật biển, khiến những vùng rộng lớn của đại dương tỏa sáng. Và khả năng bất ngờ của băng tần trên VIIRS đã giúp các nhà khoa học không bao giờ phải lo lắng về việc quan sát, kể cả vào những đêm không trăng; bởi họ vẫn còn các ánh sáng dù chỉ lờ mờ, và ánh sáng từ những ngôi sao.

Bản đồ ánh sáng đô thị đã được sử dụng để tạo nên các mô hình phân bố kinh tế, dân cư; kiểm tra việc mở rộng nơi sinh sống của con người quanh các khu bảo tồn, những nơi ẩn náu của động vật hoang dã; theo dõi những nơi bị mất điện.

(ảnh: Đài Quan sát Trái Đất NASA và Trung tâm Dữ liệu Địa vật lý quốc gia NOAA)

“Ánh sáng buổi đêm là dữ liệu thú vị nhất tôi từng có cơ hội được nghiên cứu trong suốt sự nghiệp của mình”, Elvidge nói, ông đã làm việc với các hình ảnh này từ năm 1992. “Kể cả sau 20 năm, tôi vẫn luôn ngạc nhiên khi nhận ra các bức ảnh chụp thành phố ban đêm cho ta biết nhiều thế nào về hoạt động con người”.

“Dù cho ta có hướng về các hành tinh khác, hay các xó xỉnh nào đó thuộc vũ trụ bao la trong những khám phá vĩ đại sắp tới”, Miller bổ sung, “Sự quan sát trong đêm tối là một nhắc nhở nhẹ nhàng rằng vẫn còn đó những biên giới ta chưa đạt được ngay cả trên sân nhà”.

Michael Carlowicz, thiết kế bởi Paul Przyborski

(earthobservatory.nasa.v)

Dịch: Hạnh Dung

Báo mạng điện tử K32