Ira Mitra
Изучение мирового океана
На протяжении всей истории океаны по всему миру играли очень важную роль в жизни людей. От способов передвижения до средств торговли и бизнеса, удивительно видеть, как мало мы знаем об этих огромных водных просторах. В настоящее время приблизительный процент исследования океана составляет 5%. Даже с развитием современных технологий мы до сих пор не имеем представления о 95% глубин Мирового океана.
Только когда мы сравниваем морские исследования с космическими, мы действительно видим прогресс человечества в подводных исследованиях. Несмотря на то, что Вселенная огромна и обычно считается совершенно неизвестной, человечество уже открыло и исследовало довольно большую часть нашей видимой Вселенной — 4%, если быть точным. Создается впечатление, что ученые лучше понимают бесконечное пространство, чем то, что на самом деле находится в пределах нашей собственной планеты.
Экспедиция HMS Challenger
В 1872 году HMS Challenger совершил первое в истории океанографическое путешествие. Возглавляемая сэром К. Уивиллем Томсоном экспедиция «Челленджер» предоставила удивительно точные данные для первого в истории глубоководного путешествия. Большинство их данных, касающихся температуры океана, океанских течений и контуров больших подводных бассейнов, достаточно надежны, чтобы ученые могли продолжать использовать их почти без изменений в 21 веке. Масштабы и тщательность этой экспедиции обеспечили HMS Challenger место в истории подводных исследований.
Эта экспедиция была лишь началом долгого и непрерывного путешествия человечества ко дну Мирового океана.
Дно океана с первого взгляда
Во всем мире люди ныряют с аквалангом и маской для развлечения, проводя отпуск в экзотических прибрежных местах, чтобы увидеть яркие коралловые рифы под поверхностью океана. Исследователи также ныряют под поверхность океана со своим снаряжением, но не ради потрясающих видов, а для изучения состояния рифов и подводных экологических систем.
Но человек может увидеть океан только во время погружения. Что, если бы вы захотели оценить дно океана во всем регионе или посмотреть, как эти подводные экосистемы поживают в глобальном масштабе?
Исследования НАСА
Вот где в дело вступает НАСА. Большинство людей знают только о Национальном управлении по аэронавтике и исследованию космического пространства за его десятилетия исследований миров за пределами нашей атмосферы. Чего они могут не знать, так это того, что НАСА исследует не только вселенную, но и экстремальные условия на нашей планете, которые, по мнению ученых, не так сильно отличаются от внеземных планет вокруг нашей Солнечной системы, как нам хотелось бы верить. Проект под названием SUBSEA возглавляет подводные исследования НАСА. SUBSEA расшифровывается как Systematic Underwater Biogeochemical Science and Exploration Analog. Под руководством Дарлин Лим из Исследовательского центра Эймса НАСА в Силиконовой долине в Калифорнии SUBSEA разрабатывает технологии, которые помогают проводить глобальные научные подводные исследования, а также оценивает наилучшие способы проведения дистанционных научных миссий для оптимизации будущих космических исследований.
Общий алгоритм жидкостного линзирования
В команде SUBSEA в Исследовательском центре Эймса исследователь Вед Чираят разработал новое оборудование на основе своей программной техники под названием Fluid Lensing, которая позволяет четко видеть сквозь движущуюся воду изображения рифов и других подводных экосистем. Получение точных измерений глубины и четких изображений является сложной частью подводной фотографии из-за того, как свет поглощается и усиливается водой и искажается ее поверхностью. Выполняя сложные вычисления, его алгоритм, общий алгоритм жидкостного линзирования, лежащий в основе технологии подводных исследований, в значительной степени способен устранить эти неприятные эффекты.
Искажение поверхностных волн и оптическое поглощение света создают серьезную проблему для дистанционного зондирования и записи подводной среды, с которой постоянно сталкивается большинство подводных фотографов-любителей. Но для точного научного исследования глубоководных экосистем человечеству пришлось разработать технологию противодействия искажению и поглощению света под водой.
Решение проблемы искажения
Вед Чираят разработал общий алгоритм жидкостного линзирования, чтобы попытаться решить эту проблему, чтобы упростить продолжение подводных исследований НАСА без этого искажения. Он не только позволил получить надежное изображение подводных объектов за счет рефракционных искажений от поверхностных волн в субсантиметровых масштабах, но также использовал поверхностные волны в качестве увеличительного оптического линзового элемента для повышения разрешения и характеристик отношения сигнал/шум подводных приборов дистанционного зондирования. На основе этого программного обеспечения он разработал две технологии для получения изображения через поверхность океана — систему FluidCam (компьютерная система обработки изображений на основе кубического спутника) и MiDAR (прибор многоспектральной визуализации, обнаружения и активного отражения).
FluidCam
Прибор FluidCam представляет собой высокопроизводительную цифровую камеру. Эта технология устанавливается на небольшой спутник или CubeSat и отправляется на орбиту вокруг Земли. После захвата изображений морского дна программное обеспечение для жидкостной линзы делает снимки и устраняет искажения, созданные волнами на поверхности океана. Алгоритм Чирайата также учитывает то, как объект может выглядеть увеличенным или казаться меньше, чем обычно, в зависимости от формы волны, проходящей над ним. Он также регулирует яркость объекта, на которую в обычных камерах повлияла бы различная длина поглощения света океанскими волнами.
МиДАР
После того, как FluidCam обработает изображения дна океана, вторая технология, MiDAR, берет на себя алгоритм. Он собирает данные со дна океана, передавая свет и возвращая его обратно в прибор, подобно тому, как работает радар. Он также работает в более широком спектре света, что означает, что он может обнаруживать особенности, невидимые человеческому глазу, и даже собирать данные в темноте. Эта технология жизненно важна для сбора данных о дне океана за много миль в космосе. В конце концов, технология и ее программное обеспечение будут вращаться вокруг Земли за пределами ее атмосферы.
Используя свои многочисленные функции, MiDAR также может видеть глубже в океане, чем это было бы возможно с помощью традиционных камер, расположенных близко к поверхности океана. MiDAR манипулирует увеличением водной поверхности в своих интересах, обрабатывает и создает изображения с гораздо более высоким разрешением, чем люди считали возможным. Это может даже позволить спутнику исследовать коралловый риф в сантиметровом масштабе.
Обе технологии Чираята приближают нас к картографированию дна океана с уровнем детализации, который ранее был возможен только тогда, когда команды дайверов отправлялись под воду для фотографирования. НАСА предоставило научному сообществу возможность наблюдать за океанами с одинаковым уровнем детализации по всему миру.
Спасение океанов
Осталось задать последний вопрос: почему картографирование океана так важно. Помимо объяснений НАСА о том, что дно океана может быть очень, очень похоже на окружающую среду многих безымянных планет, мы обязательно обнаружим в будущем, что океан является крупнейшей экосистемой Земли. Из-за глобального потепления, изменения климата и множества других антропогенных экологических катастроф эта подводная экосистема умирает. Без таких методов, как жидкостная линза, практически невозможно отслеживать эти экосистемы и организмы, живущие в глубинах океана. Отслеживание их приводит к доступности данных для исследователей, чтобы, наконец, найти решения проблем быстрого ухудшения жизни под водой.
Источник: StarTech
Перевод с английского
Main photo by NEOM on Unsplash
Coffee Time journal
Твой журнал на каждый день!
