La coloristica spaziale

Come vede un uomo in orbita nello spazio i colori della Terra? La codificazione della gamma cromatica percepita in queste condizioni rivela aspetti inediti sia del nostro pianeta sia del sistema visivo dell'uomo.

di Vladimir V. Vasjutin e Artur A. Tiscenko da Le Scienze nr 253

La più forte impressione che un cosmonauta riceve dallo spazio è quella dei vividi colori dei paesaggi, dei tramonti e delle aurore: viste spettacolari che nessuna tecnica può riprodurre o simulare. La fotografia e gli altri mezzi meccanici non rendono né la ricchezza cromatica ne la complessità delle strutture superficiali che solo occhio nudo è in grado di cogliere. La descrizione dei colori straordinariamente vividi ed esuberanti delle formazioni e dei fenomeni naturali è da molti anni parte integrante del programma spaziale sovietico. Fin dalle prime missioni spaziali abbiamo studiato come differisca la visione cromatica da quella comune al suolo. Abbiamo anche ottenuto importanti informazioni sulla terra che soltanto osservatori umani possono ricavare. Con l'espressione <<coloristica spaziale>> si designa lo studio della visione umana dei colori durante le missioni spaziali, la messa a punto degli strumenti di misurazione, quella dei colorimetri visivi e automatici del telerilevamento, lo studio degli attributi cromatici degli oggetti e dei fenomeni naturali e lo studio degli spettri di radiazione e degli errori e nella percezione delle caratteristiche spettrali. Le ricerche presero il via all'inizio degli anni 70 con il lancio delle prime stazioni orbitali con cosmonauti. Queste stazioni, che consentivano missioni di lunga durata, diedero modo di effettuare studi particolareggiati sulla visione dei colori e sulla percezione dell'informazione visiva dava spazio. Anche in precedenza gli specialisti di medicina aerospaziale avevano ottenuto dati sull'analisi visiva nel corso di brevi voli spaziali. Gli esperimenti effettuati durante le missioni di Voskhod e Sojuz (1965-1969) avevano accertato che durante le prime 24 h di volo, mentre l'organismo si adattava alla microgravità, la lista degli astronauti diveniva meno acuta e la visione cromatica subiva interessanti modifiche. Per esempio la percezione soggettiva della luminosità dei colori diminuiva del 20-25%, specialmente verso l'estremità rossa dello spettro. Ciò nonostante gli occhi degli astronauti restavano strumenti importanti di osservazione delle caratteristiche del nostro pianeta, perché occhio e cervello hanno proprietà che i sistemi meccanici di telerilevamento non posseggono. La dote più sorprendente dell'occhio è la capacità di rilevare e riconoscere configurazioni complesse anche quando queste si presentano su uno sfondo confuso. Questa proprietà viene detta : costanza della visione oculare.

 Vi sono molti tipi di costanza, per esempio quella della profondità relativa e dell'orientazione degli oggetti. La costanza più significativa è quella della percezione dei colori, che si mantiene anche quando lo spettro luminoso varia. Questa proprietà consente all'osservatore di superare fenomeni di offuscamento, dovuti per esempio a foschia atmosferica, a ombre e a chiazze di sole. È il vantaggio principale di sistemi di telerilevamento basati sull'occhio umano. Sono numerosi fattori che influiscono sulla qualità delle osservazioni visive compiute dallo spazio: alcuni sono sottili, per esempio il tempo impiegato per ciascuna osservazione. Dallo spazio l'occhio umano può facilmente distinguere autostrade, navi, strade, foreste, radure e altri particolari della superficie. Uno degli autori  (Vasjutin) ha tuttavia notato che l'individuazione dei particolari di un paesaggio e degli oggetti più piccoli dipende molto dalla durata dell'osservazione. All'occhio occorrono alcuni secondi per mettere a fuoco piccoli particolari e se l'osservatore dirige lo sguardo verso un'altra zona l'occhio non è più fuoco. Per esempio corrono da tre a 5 s per cominciare a distinguere un sistema di solchi dovuti all'erosione in un terreno agricolo. Cosmonauti che impiegano tempi diversi nella messa a fuoco di un particolare prima di riferire le loro osservazioni a volte <<vedono>> cose diverse. La metodologia per osservare tali formazioni è stata quindi modificata per tener conto di questo effetto. Con gli anni si sono rese necessarie anche altre modifiche. È fondamentale nelle osservazioni visive e dallo spazio, per esempio in quelle colorimetriche, addestrare i cosmonauti a superare i loro stereotipi cromatici, che si manifestano in una radicata indifferenza per l'informazione cromatica. Inoltre è necessario educarli al separare, anche nelle complesse condizioni del volo spaziale, le sensazioni cromatiche subconscie nelle tre componenti: tonalità, saturazione (o intensità) e brillanza (o luminosità). Anatolij N. Berezovoj, che seguì esperimenti di coloristica a bordo della stazione orbitale Saljut-7 nel 1982, fu il primo a impadronirsi di questa arte. Non tutti vi sono portati: ci vuole sì addestramento sia predisposizione.
Chi non abbia occhi dotati di una risoluzione spettrale sufficiente non può identificare oggetti con caratteristiche superficiali variabili, come vegetazione, acqua, deserti e così via. La gamma dei colori in natura è infinita. Perciò la vista di un cosmonauta deve avere i massimi requisiti. Mentre a un guidatore basta distinguere soltanto i tre  colori del semaforo,1 cosmonauta deve essere in grado di distinguere come minimo le tonalità principali di un colore, per esempio le diverse tonalità di marrone che corrispondono ai diversi colori della sabbia dei deserti.

Le formazioni naturali cadono in una gamma cromatica piuttosto ristretta, come appare in questo triangolo dei colori. Le diverse regioni cromatiche sono basate su osservazioni fatte in orbita. Benché ciascun oggetto terrestre abbia un colore caratteristico, la sua classe si può dedurre facilmente dall'intervallo di tonalità, saturazione e brillanza in cui è situato.

 

Le condizioni d'osservazione a bordo di un veicolo spaziale sono affatto insolite.

L'illuminazione solare di un paesaggio e la scintillante atmosfera terrestre sono complesse e strane. Quando vanno nello spazio, anche i piloti d'aereo più provetti sono colpiti dalla natura straordinaria e dei paesaggi terrestri e dei loro colori unici. Inoltre la velocità del veicolo rispetto alla terra modifica di continuo da fase dell'illuminazione di un oggetto e del suo angolo visuale. Non solo il cielo cambia colore secondo le condizioni atmosferiche e l'inclinazione del sole, ma le fini sfumature del cielo danno informazioni sulla purezza e sul contenuto di umidità dell'atmosfera. Spesso l'osservazione complicata da nubi troppo luminose e dalla foschia atmosferica che fa velo. Il cosmonauta deve essere in grado di distinguere questi parametri dalle loro manifestazioni cromatiche. Oltre che da una buona vista e dall'allenamento, l'osservazione della terra   dallo spazio dipende da vari fattori tecnici. Quello più ovvio è l'orientazione del veicolo durante l'osservazione: il veicolo deve sorvolare direttamente (o quasi) l'area da osservare e gli oblò devono essere rivolti nella giusta direzione. Il cosmonauta a pochissimo tempo per osservare una particolare zona del globo. In un tempo che va dai 40 ai 60 s, mentre il veicolo si avvicina all'area prescelta, l'osservatore deve individuare un obiettivo riconoscendone i punti di riferimento caratteristici, preparare l'apparecchiatura di registrazione puntandola verso l'obiettivo e poi annotare l'istante preciso di ogni ripresa. Queste informazioni sono necessarie per poter in seguito usare i dati balistici relativi all'orbita del veicolo in modo da determinare l'angolo, l'elevazione e la distanza d'osservazione, oltre che l'angolo sotto il quale il sole illuminava l'oggetto. Anche gli oblò della stazione devono possedere i requisiti ottici elevati. Non devono distorcere nell'immagine dello spettro cromatico della luce entrante. Ciò è particolarmente importante perché spesso i cosmonauti devono osservare oggetti poco contrastati. Gli oblò delle stazioni spaziali sono di quarzo, materiale che assorbe poca radiazione visibile, ma non lascia passare la radiazione ultravioletta ad alta frequenza che potrebbe danneggiare l'occhio. Dopo che il cosmonauta ha effettuato le osservazioni degli oggetti a terra, queste devono essere trasmesse in una forma che permetta ad altri di ricostruire e sfruttare ciò che il cosmonauta ha visto.
Accanto alla macchina fotografica, che trasmette direttamente le informazioni sui colori (ma non ha la capacità di discriminazione di colori e delle forme propria dell'osservatore umano) l'altro strumento importante è stato finora l'atlante cromatico,1 insieme di campioni di riferimento con cui si possono confrontare i colori osservati. Con l'adozione del atlante cromatico, verso la fine degli anni 60, i cosmonauti passarono da una discrezione gli impressionistica dei colori, basata su associazioni o su contenuti emotivi, a un sistema di codificazione numerica basato su tonalità, saturazione e brillanza. La codificazione numerica ha eliminato le incertezze che prima caratterizzavano le osservazioni umane e ha anche eliminato certe descrizioni alla buona, come: <<vedo un lago che ha il colore di un samovar>>, o <<sono appena passato sopra il delta del fiume Sulak, i detriti alluvionali sono color mattone>>, oppure <<vedo campi arati color topo>>. Con un atlante cromatico basta riferire i numeri dei colori alla stazione terrestre, dove le osservazioni possono essere ricostruite con l'ausilio di un atlante identico. Il primo atlante cromatico, con 30 tonalità, fu usato nel 1968 da Georgi T. Beregovoj a bordo della Sojuz 3 per misurare i colori dell'alba nello spazio. La saturazione e la brillanza dell'aurora tuttavia erano tali che quel piccolo Atlante non era sufficiente per descriverle. Nel 1974 i cosmonauti della Saljut 4 usarono un atlante con i colori del mare realizzato dagli oceanografi per conformarsi alla scala Forel, che è basata su un insieme normalizzato di 23 soluzioni chimiche i cui colori vanno dal blu al marrone. Nel 1977 cosmonauti della Saljut 6 collaudarono un atlante con circa 300 tonalità. I dati ricavati impiegando nello spazio questi primi atlanti cromatici dimostrarono che per descrivere con precisione gli oggetti era necessaria una varietà di colori molto maggiore. Non era possibile racchiudere la natura in così pochi i campioni. Nel 1982 i cosmonauti a bordo della Saljut 7 portarono con sé l'ATS-1000, un atlante approntato nel 1970 da Elena N. Justova dell' Istituto sovietico di metrologia Mendeleev. I risultati riportati in questo articolo sono stati quasi tutti ottenuti con questo atlante. L'atlante cromatico ATS-1000 contiene 1000 campioni di cui tonalità, saturazione e brillanza sono state misurate con precisione.
Quanto alla tonalità, la precisione dei campioni è di circa 5 nm, vicino al valore di soglia per la discriminazione cromatica. Nonostante gli inconvenienti (è voluminoso e un po' difficile da usare davanti   all'oblò) e la successiva messa a punto di tutta una serie di colorimetri per telerilevamento,  l'ATS-1000 resta uno strumento inestimabile e spesso soccorre in casi inattesi.  Per esempio si è dimostrato importante per il successo dell'esperimento con l'<<elettrotopografo>> effettuato a bordo della Saljut 7 da Aleksandr P. Aleksandrov e Vladimir A. Ljakhov nel 1983.

 Tra il 1980 e il 1983 alcuni scienziati del Centro Statale Priroda (natura) costruirono lo Tsvet-1 (colore-1), un colorimetro visivo portatile basato su una macchina fotografica reflex a lente semplice. Il colorimetro contiene una cassetta asportabile con colori campione che possono essere osservati attraverso il mirino dell'apparecchio. L'operatore punta il mirino su un oggetto naturale i poi gira 3 manopole per selezionare un colore campione che coincida  per tonalità, saturazione e brillanza. Poi fotografa l'oggetto che registra le letture cromatiche. Questi dati sono ritrasmessi a terra durante il periodo di comunicazione successivo. Lo Tsvet-1 fu usato per la prima volta nello spazio nel 1983 a bordo della Saljut 7. Il colorimetro visivo consente maggiore precisione dell'atlante. Questo poi è difficile da usare al oblò perché la luce esterna lo colpisce impedendo il cosmonauta di confrontare con sicurezza i toni. Nello stesso periodo venne anche costruito lo Tsvet-2 colorimetro fotoelettrico automatico che fu utilizzato per le ricerche condotte da aerei, i cui voli erano programmati in modo da coincidere con le osservazioni orbitali. I collaudatori di questo dispositivo lo impiegarono all'inizio per studiare i colori dell'oceano. L'oceano sembrava infatti prestarsi particolarmente bene perché è vasto e si modifica poco durante un volo. Dopo avere effettuato numerosi esperimenti a bordo di aerei, i ricercatori rimasero sconcertati nello scoprire che l'oceano presentava un'infinita varietà di colori: anche nella stessa zona la superficie appariva diversa in istanti diversi. Le prime osservazioni visuali strumentali e sistematiche della terra furono effettuate a bordo della Saljut 6 da Georgij Grecko, Vladimir Kovalenok e Valerij Rjumin, i primi astronauti e rimanere a lungo nello spazio.

Compiere osservazioni del genere non era stato possibile prima e che occorrono da due a tre settimane perché la vista di una persona si adatti alle condizioni orbitali e l'occhio riesca a cogliere i più minuti particolari di un paesaggio. Essi osservarono enormi onde solitarie lunghe 100 km, le tracce superficiali lasciate sull'acqua dai tifoni (che danno un'idea precisa delle dimensioni dell'uragano) e alcune tra le formazioni caratteristiche del fondo oceanico. Nel 1984 Leonid D. Kizim, Vladimir A. Solov'ev e Oleg Ju. At'kov, terzo equipaggio della Saljut 7, studiarono i colori dell'Oceano Pacifico; il rilievo fu compiuto in due settimane, mentre impiegando navi sarebbero occorsi da cinque a 10 anni. Inoltre le misurazioni superficiali fatte con la scala Forel e un disco bianco calato in mare avrebbero fornito solo un numero limitato di gradazioni cromatiche. Le prime osservazioni sistematiche dell'oceano dallo spazio furono condotte da Kovalenok nel 1978, durante la sua seconda missione a bordo della Saljut 6. Egli invitò alcuni oceanografi a partecipare a questi studi, una collaborazione importante considerati i vantaggi economici che ne derivarono per la navigazione e la pesca. I risultati non si fecero attendere: i pescherecci cominciarono a confermare la presenza di elevate concentrazioni di pesce nelle zone indicate dai cosmonauti; altre navi ricevettero dallo spazio indicazioni sul modo migliore per superare le banchise e le zone di grande turbolenza. (Le flottiglie da pesca sfruttano aerei da ricognizione con a bordo osservatori dalla vista acutissima fin dagli anni 40; un <<cercatore>> esperto può determinare, dalla forma e dal colore del banco, il tipo di pesce). Le osservazioni orbitali di Kovalenok e le valutazioni del colore dell'acqua da lui fornite dopo il volo con l'ausilio di un atlante e fornirono la base per i primi veri e propri esperimenti di coloristica spaziale. Berezovoj e Valentin V. Lebedev compirono le ricerche a bordo della Saljut 7 nel 1982. I 2 cosmonauti erano stati appositamente addestrati nella coloristica teorica e pratica. Il loro addestramento pratico era avvenuto a bordo di un aereo laboratorio durante voli sul Mar Nero, sul Mar Caspio, sul Mare di Okhotsk e sul Mar del Giappone. Un mese dopo il lancio Berezovoj tracciò i primi schizzi della struttura superficiale dell'oceano.
Durante i 211 giorni trascorsi in orbitaregistrò più di 20 strutture superficiali caratteristiche delle correnti oceaniche verticali e orizzontali, vari andamenti di circolazione delle acque e formazioni associate a concentrazioni di sospensioni organiche e inorganiche nelle profondità dell'oceano. A queste strutture, molte delle quali non erano mai state osservate prima, erano sovrapposti in mare mosso e correnti atmosferiche. Durante questa missione i cosmonauti eseguirono circa 150 misurazioni cromatiche dell'oceano. Registrarono formazioni superficiali   le cui dimensioni andavano da 10 a 500 km. Le osservazioni permisero di identificare tre zone fondamentali su uno sfondo blu scuro: acque <<deserte>> blu chiaro, aree verdi ricche di plancton e acque marroni ricche di minerali in sospensione e di plancton vecchio. Il contrasto cromatico tra gli oggetti osservati e le acque dello sfondo era in media di circa 10 nm. Le osservazioni dell'oceano al largo delle coste argentine sono un esempio tipico degli esperimenti colorimetrici di Berezovoj. Egli studiò il contrasto cromatico delle correnti oceaniche, che hanno temperatura e concentrazione salina diverse dalle acque con esse confinanti. Le strutture delle correnti e la loro evoluzione nel tempo sono temi di ricerca importanti per gli oceanografi. Le correnti oceaniche infatti influenzano in misura significativa l'equilibrio termico fra oceano e atmosfera, e determinano il clima tanto vicino alle correnti quanto a distanza. Oltre a studiare le caratteristiche della superficie oceanica, i ricercatori valutarono anche il tempo necessario per osservarle dallo spazio. Registrarono il tempo occorrente per individuare un determinato oggetto in fase di avvicinamento, il tempo apparente perché apparissero i suoi attributi cromatici mentre il veicolo spaziale si avvicinava alla verticale sopra l’oggetto e il tempo durante il quale era possibile registrare i colori dell’oggetto e dello sfondo mentre il veicolo lo sorvolava direttamente.

La visione dei colori che hanno i cosmonauti differisce di molto da quella degli osservatori a terra. Gli errori nella determinazione del colore preciso di un oggetto dipendono sia dalla lunghezza d'onda (a sinistra) sia dalla durata del tempo trascorso in orbita (a destra). Rispetto ai soggetti a terra i cosmonauti commettono errori di discriminazione più lievi all'estremità rossa. La loro discriminazione cromatica nelle regioni blu-verde e giallo-arancione resta essenzialmente invariata.

Oltre a raccogliere dati sulle strutture terrestri e oceanichei ricercatori hanno anche studiato le proprietà della visione cromatica umana durante i voli spaziali lunghi.La ragione principale di questa ricerca era data dalla necessità di valutare la precisione delle misurazioni cromatiche visive. Ciascun cosmonauta effettuava una serie di prove in cui confrontava i campioni di una tavola con 30 colori (10 tonalità, ciascuna con tre gradazioni di saturazione e brillanza) con i colori normalizzati di un atlante cromatico o di un colorimetro visivo. La differenza tra le tonalità effettive e quelle percepite corrispondeva all’errore assoluto delle misure cromatiche dei cosmonauti.  Queste prove furono ripetute parecchie volte, in modo da accumulare dati sufficienti  a identificare andamenti regolar. Le prove di variazione fornirono diversi risultati. La discriminazione cromatica all’estremità blu dello spettro era stabile, cioè l’osservazione visiva dell’oceano era buona. Anche la visione cromatica blu-verde (intorno ai 490 nm) e in quella giallo-arancione (circa 580 nm) dello spettro era molto stabile e la sensibilità dei cosmonauti alle differenze cromatiche era elevata. Le prestazioni peggiori dei cosmonauti  nel confrontare i colori si ebbero all’estremità rossa dello spettro. Già a terra l’errore nella discriminazione del rosso è elevato, ma nello spazio è ancora maggiore. Gli esperimenti normalizzati di discriminazione cromatica forniscono solo parte del quadro. In realtà i cosmonauti debbono osservare gli oggetti naturali sotto spettri e intensità di illuminazione molteplici.  Gli spettri della luce solare fissa ad angoli differenti e in diverse condizioni atmosferiche non sono stati studiati a sufficienza.  In molti casi, tuttavia, i cosmonauti riescono a operare discriminazioni dei colori degli oggetti naturali più fini di quanto si direbbe dai colori di quegli oggetti e dagli esperimenti. Questa maggiore capacità non è solo una proprietà della vista dei cosmonauti,  ma è anche dovuta al contrasto cromatico degli oggetti visti dallo spazio. Gli studi di coloristica finora condotti hanno fornito  la base di nuove tecniche per ricavare informazioni spettrali sulla Terra. Mentre le tecniche basate sui satelliti di telerilevamento come il Landsat misurano la luminosità del suolo in numerose bande spettrali e poi forniscono le informazioni in forma codificata, con le tecniche coloristiche basate sull’osservazione umana si determinano i colori caratteristici di importanti formazioni naturali e si forniscono questi colori direttamente. Inoltre lo studio della visione cromatica nello spazio ha contribuito a migliorare l’efficienza dei cosmonauti per compiti diversi dallo studio della Terra. La coloristica spaziale ha anche consentito di formulare nuovi standard di riferimento per un proficuo studio della natura dallo spazio, in cui si tiene conto dell’oggetto osservato.  Le prime misurazioni visive dei parametri cromatici di oggetti naturali poco conosciuti hanno permesso poi di redigere specifiche migliori per gli spettrometri e per i sistemi fotografici di telerilevamento.