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Oppositionseffekte im Sonnensystem



Der Oppositionseffekt ist eine optische Erscheinung in Form einer scheinbaren Aufhellung von Oberflächen am Gegenpunkt einer Lichtquelle. Befindet sich zum Beispiel die Sonne im Rücken eines Beobachters, kann der Effekt als vergleichsweise heller Bereich um den Gegensonnenpunkt am Boden beobachtet werden.
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Ursache ist, dass Oberflächenstrukturen, um den Gegenpunkt einer Lichtquelle vor dem Beobachter ihre eigenen Schatten verbergen.

Himmelskörper, die keine Atmosphäre besitzen, erscheinen deutlich heller, wenn sie sich vom Beobachter aus genau in Opposition zur Sonne befinden. Der Vollmond beispielsweise ist nicht doppelt, sondern sechsmal so hell wie der Halbmond.
uranus2011opefferkl2.jpg

Der Helligkeitsanstieg kommt zum größeren Teil durch den Phaseneffekt, nur ein Teil ist der Oppositionseffekt
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Wie kommt der Oppositionseffekt zustande?:

Feine, durch Mikrometeoriten entstandene Poren wirken bei schrägen Lichteinfall wie eine Lichtfalle und werden nur ausgeleuchtet wenn die Sonne im Rücken des Beobachters steht.
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Daneben kann kohärente Rückstreuung den Effekt wie ein Reflex noch weiter verstärken.
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Quelle: Wikipedia

Der Oppositionseffekt erlaubt Rückschlüsse auf die Oberfläche von Himmelskörpern die man nicht direkt erforschen kann. Theoretisch wären Rückschlüsse möglich auf:
-die Porösität der Oberfläche
-die Größe der Poren über die Wellenlänge
-das Alter der Oberfläche (sehr junge Oberflächen wären Porenfrei)
-das Material der Oberfläche (fließendes Eis verschließt die Poren und wirkt stärker über die kohärente Rückstreuung)


Der Oppositionseffekt beim Erdmond:

-Die Halbwertsbreite des Oppositionseffektes liegt beim Erdmond bei 2 Grad
-Nur bei Mofis ist Oppositionseffekt maximal (Kernschattenradius 0,8 Grad)
-der normale Vollmond kann bis zu 5 Grad vom Kernschatten entfernt sein was den Oppositionseffekt auf 20% reduziert!
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Ideal war die Geometrie kurz nach der Mondinsternis am 25.4.2013. Auch am Tag zuvor war das Wetter gut so das ein direkter Vergeich möglich war. Beide Bilder entstanden mit identischer Optik bei identischen Kameraeinstellungen.
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Es wurde eine Helligkeitssteigerung innerhalb eines Tages von 34% gemesssen (Auswahl Mondscheibe, Gamma korrigiert)

-Ein Tag nach Vollmond ist der Oppositionseffekt kaum noch nachweisbar
-Der Erdmond einen sehr starken hat Oppositionseffekt. Er besitz kein Eis und eine sehr alte Oberfläche was für Shadow-Hiding als primäre Ursache spricht. Dies ist aber umstritten da Untersuchungen am Mondgestein ein starkes Coherent-Backscatter zeigen.
-Die Helligkeit verdoppelt sich durch den Oppositionseffekt (0,44 – 1 mag Angaben der Literatur sehr wiedersprüchlich)(7)
(7) Lane, A. P.: Monochromatic phase curves and albedos for the lunar disk http://articles.adsabs.harvard.edu//full/1973AJ.....78..267L/0000274.000.html




Das große Problem bei der Nutzung des Oppositionseffektes zur Analyse der Oberflächen ist die Frage wie kann man die beiden Effektursachen unterscheiden und quantitativ bestimmen kann.

Shadow-Hiding beim Oppositionseffekt:
-bei abnehmenden Phasenwinkel nimmt die cirkulare Polarisation ab (besonders in dunklen Regionen)
-bei abnehmenden Phasenwinkel verhalten sich die Helligkeitsänderungen über alle Wellenlängen fast gleich.
-an den Polen ist der Oppositionseffekt schwächer als am Äquator
-Junge Oberflächen haben ein geringes Shadow-Hiding


Coherent-Backscatter:
-die Stärke des Oppositionseffektes ist wellenlängenabhängig
-an Pol und Äquator ist der Effekt fast gleich
-Junge Oberflächen neigen eher zu Coherent-Backscatter als zu Shadow-Hiding
-bei abnehmenden Phasenwinkel nimmt die cirkulare Polarisation zu (2)

(1)Hapke, B.: The Lunar Opposition Effect Revisited
(2)Hapke, B.: The Nature of the Opposition Effect in Frost, Vegetation and Soils



Problem:
Das Hauptunterschiedsmerkmal ist die Polarisation. Doch die Polarisation ist schwach (unter 1%) und es gibt noch andere Faktoren die zur Polarisation führen können.
---> Der Bedeutung des Oppositionseffektes zur Oberflächenanalyse ist nur schwer zu fassen.




Der Oppositionseffekt bei den Jupitermonden

Problem: Wie läßt sich eine geeignete Referenz finden?
Notlösung: hellste Methan-Strukturen auf Jupiter im Äquatorband wurden zur Eichung verwendet.
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Ergebnis: Eine Helligkeitsänderung von 0,67mag innerhalb von 3 Wochen. Die Entfernungsänderung spielt eine untergeortnete Rolle (<0,1 mag).
Der Oppositionseffekt ist deutlich höher als in der Literatur angegeben.
Mögliche Ursachen:
-EB hat seine Helligkeit verändert
-oder Ganymed hat seine Helligkeit verändert.

Letzteres läßt sich mit einer Simulation mit Celestia prüfen:
2011jupopanni4.gif


Interessant ist die Messung der Monde untereinander:
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Der Mond Europa tanzt aus der Reihe und schwankt stärker als die anderen Monde. Könnte auch hier ein Rotationslichtwechsel eine Rolle spielen?
Die Simulation mit Celstia sagt ja:
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Ein Rotationslichtwechsel gibt es nicht nur bei Japetus, Europa und Ganymed. Er ist bei vielen Monden im Sonnensystem immer bei der östlichen Elongation zu beobachten.
In Bewegungsrichtung der Monde wird verstärkt dunkler Staub aufgesammelt:




Ob es auch beim Erdmond in Fahrtrichtung eine dunkle Seite gibt?
Die Vorderseite ist wegen der Mare zum Test ungeeignet. Folgende Messung wurde an einer Karte der Mondrückseite vom LRO-Orbiter vorgenommen:

Das dunkle Mar auf der Südseite könnte eine Verfälschung bewirken. Deshalb wurde nochmal die Nordseite Extra gemessen:


Der Mond ist auf der LRO-Karte in Fahrtrichtung abgedunkelt. Das könnte jedoch auch Zufall sein. Es ist zudem nicht sicher ob die LRO-Bilder einheitlich kalibriert sind und stets bei gleicher Sonnenhöhe aufgenommen wurden.




Uranusmonde:

Die Uranusmonde sind das ideale Objekt im Sonnensystem zur Untersuchung des Oppositionseffekt. Kein anderer Planet hat eine so geringe Neigung gegen die Ekliptik. Bei jeder Opposition liegt der Phasenwinkel unter einem Grad.
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Die Uranusmonde wurden 20111 am Oppositionstag, 4 Tage nach der Opposition, einen Monat nach der Opposition und etwa 1,5 Monate nach der Opposition ausgemessen. Als Referenz wurde jeweils das im Methanband sehr dunkle Uranusscheibchen verwendet. In den ersten 4 Tagen wurde bei den 4 großen Monden ein unerwartet starker Helligkeitsabfall von 0,6 mag registriert.
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Mit dem Photometrieprogramm Miniwin wurden jeweils mehrere Einstellungen durchgespielt und Mittelwerte gebildet. Immer mit dem gleichen Ergebnis.
Einem Monat nach der Opposition war die Helligkeit entfernungsbereinigt um weitere 0,4mag gefallen.

Ein so starker Effekt ist bei der winzigen Winkeländerung nur sehr schwer erklärbar. Der erste Verdacht war, dass die Helligkeit des Uranusscheibchens selbst eine änderung erfahren haben könnte. Doch da ließ sich im direkten Vergleich nichts signifikantes nachweisen.
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Nach dem etwas unklaren Ergebnis 2011,
der zweite Versuch zur Opposition 2012
mit mehr systematischen Messungen.
Oppositionseffekte, Rotationseffekte und Ringe im Uranussystem 2012



2011 wurde der Oppositionseffekt im Uranussystem untersucht und es gelang nach jahrelangen rumprobieren endlich die Uranusringe zu fotografieren. Zum Oppositionszeitpunkt war damals der Himmel klar und das Seeing perfekt. In der Oppositionswoche 2012 gab es erneut sehr gute Bedingungen und so die Chance die Messungen zu wiederholen!
Zwischen dem 21.9.2012 und dem 23.1.2013 entstanden 8 Belichtungsreihen. Zwischen der Messung vom 8.11.2012 und 23.1.2013 gab es jedoch keine signifikante Helligkeitsänderung, so das nur 7 Messungen ausgewertet wurden. Der Oppositionstag sollte am 29.9.2012 sein. Der Planet bewegt sich am irdischen Himmel etwa ein Grad pro Tag.
Das die Uranusmonde einen sehr starken Oppositionseffekt besitzen ist bekannt (1). Die geringe Neigung des Planeten gegen die Ekliptik erleichtert den Nachweis.
Die Aufnahmen entstanden am 80cm f/10 Spiegel der VSW München mit einer gekühlten CCD und einem 50nm Methanbandfilter. Im Methanband ist Uranus ausreichend dunkel um als Referenzquelle zu dienen. Der Gasplanet selbst ist vom Oppositionseffekt nicht betroffen.
Jede Belichtungsreihe wurde je zweimal mit unterschiedlicher Apparatur gemessen und ein Mittelwert gebildet. Der Mittelwert für jeden Mond wurde in eine Grafik mit den Mondpositionen eingetragen.


9ur21hnsb.gif 9ur21p.jpg 9ur21p4.jpg

9ur28hnsb.gif 9ur28p.jpg 9ur28p4.jpg

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10ur2hnsb.gif 10ur2p.jpg 10ur2p4.jpg

10ur2hnsb.gif 10ur2p.jpg 10ur2p4.jpg

10ur5hnsb.gif 10ur5p.jpg 10ur5p4.jpg

11ur8hnsb.gif 11ur8p.jpg 11ur8p4.jpg

Wenn man die Messwerte der 4 Monde mittelt ergibt sich die folgende Kurve
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In der Nacht vom 30. scheint es einen Oppositionseffekt von etwa 0,3mag gegeben zu haben. Der 2.10. ist der Messpunkt mit dem größten Ausschlag.
8 Tage vor der Opposition (am 21.) und 6 Tage nach der Opposition (am 5.) ist ein Rückgang von 0,3mag zu verzeichnen. Bis zum 18.10. gibt es dann kaum noch eine Veränderung. Vom 18.10 bis 8.11. fällt die Helligkeit nochmal um 0,5mag. Hier könnte vielleicht der Phaseneffekt eine Rolle spielen. Allerdings gibt es vom 8.11.2012 bis zum 23.1.2013 kleinen weiteren Abfall, sondern eher wieder eine Steigerung. Innerhalb +-Woche wurde also ein Oppositionseffekt von etwa 0,3 mag gemessen. Wenn man den Zeitraum auf mehr als 5 Wochen ausdehnt, scheint auch mehr möglich zu sein. Jedoch sollte die einzelne Messung vom 8.1. auch nicht überinterpretiert werden. Für eine klare Aussage ist ein Punkt zu wenig.
Dies ist auch an dem seltsamen Einbruch vom 28.9. zu sehen, für den keine Erklärung gefunden wurde. Es scheint an der kompletten Messung zu liegen und nicht an dem Ausreißer eines einzelnen Mondes. Eine Erklärung mit einem Rotationslichtwechsel wäre daher unwahrscheinlich. Falls ein Messfehler vorliegt, würde es Sinn machen, diesen Wert zu ignorieren.
u2012oberonb.gif u2012titaniab.gif u2012arielb.gif u2012umbrielb.gif



Unter der Annahme das alle Monde vom Oppositionseffekt gleichermaßen betroffen sind, kann man die Messreihen auch verwenden um Rotationslichtwechsel nachzuweisen. Dabei wird nicht mit der absoluten Helligkeit sondern mit relativen Helligkeiten gearbeitet. Das ist genauer.
Der Mond Oberon hatte glücklicherweise bei 3 Messungen eine ähnliche Position, so das er gut als Eichpunkt verwendet werden konnte.
2012oberonmas1.jpg

Bei der folgenden Grafik sind die weißen Punkte direkt gegen Oberon gemessen. Bei den gelben Punkten erfolgte die Messung indirekt über einen der weißen Punkte. Die roten Werte sind am ungenauesten. Sie wurden über die gelben Punkte gemessen.
Die Messpunkte sind gut gestreut. Dadurch sind die Bahnen gut abgedeckt, aber die einzelnen Punkte schlecht zu überprüfen.
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Wenn man sich die Messpunkte genau anschaut fällt auf, dass sich die Minimal- und Maximalwerte auf der Bahn meist um 180 Grad versetzt befinden. Dies spricht für einen realen Effekt. Bei der folgenden Grafik wurde versucht die hellen und die schwachen Bahnabschnitte zu markieren.
2012relativok1.gif

Die Verteilung der hellen und der schwachen Bahnabschnitte ist etwas unerwartet. Bei fast allen Monden im Sonnensystem ist die Westliche Elongation heller als die östliche Elongation, da in Fahrtrichtung mehr dunkle Staubteilchen und Meteoriten einschlagen. Bei Uranus ist keine Einheitlichkeit zu sehen.





Oppositionseffekte der Ringe im Sonnensystem

Bekannt ist der Oppositionseffekt der Saturnringe.
Besonders dramatisch war er im Jahre 2005 als die Erde vom Saturn aus gesehen einen Sonnentransit durchführte
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Die Helligkeit der Ringe legte etwa mind 30% zu, während die Saturnscheibe gleich hell geblieben ist:
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Oppositionseffekte bei den Uranusringen

Im Jahre 2007 blickten wir auf die Kante des Uranusringsystems. Aus diesem Anlass gab es von Seiten der Profis viele Aufnahmen, denn in der Kantenlage ist die Säulendichte der Teilchen besonders hoch und man hoffte durch die gesteigerte Helligkeit neue Erkenntnisse zu gewinnen. Die Profis verwenden für die Ringfotografie Spezialkameras mit Wellenlängen jenseits von einem Mikrometer. Handelsübliche CCDs sind in diesem Bereich unempfindlich. Uranusringaufnahmen von Seiten der Amateure sind daher bislang unbekannt. Der Uranus überstrahlt im sichtbaren Licht seine Ringe, deswegen wurden sie erst bei einer Sternbedeckung zufällig entdeckt. Einen kleinen Hoffnungsschimmer gab es jedoch im Bereich von 890nm. Hier befindet sich eine Methanbandlinie in der der Planet sehr dunkel ist. Vor einigen Jahren wurde deshalb ein Methanbandfilter angeschafft. In Dutzenden Versuchen wurde jahrelang probiert die Ringe abzubilden. Mehrere Filter, Reducer und Kamerakombinationen wurden getestet.
Es war einfach nichts zu sehen!
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Im letzten Jahr wollte ich schon aufgeben, doch dann hatte ich eine Idee. Was wäre, wenn die Uranusringe einen Oppositionseffekt besitzen, ähnlich wie die Saturnringe? Die Uranusmonde sind für einen starken Oppositionseffekt bekannt.

Zur Oppositionszeit 2011 war Uranus erneut im Visier. In der Oppositionsnacht gab es sehr gutes Seeing und 4 Tage später waren die Bedingungen erneut optimal. Es gelang tasächlich in beiden Nächten ein brauchbares Foto!!! Natürlich ist der Nachweiß absolut grenzwertig, das kann nicht anders sein. Doch die Größen und die Winkel stimmen. Die bisherigen Erfahrungen mit dem Equipment sprechen gegen ein Artefakt!
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Erster Versuch in der Oppositionsnacht


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Zweiter Erfolg 4 Tage nach der Oppositionsnacht.

Winkel und Größen stimmen mit einem Vergleichsbild der Profis überein.
Das Vergleichsbild entstand 2003, als der Ring die identische öffnung hatte, wie 2011.
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Bilder vom KECK im IR.


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Erich Karkoschka hat eines seiner HST-Bilder das mit einem vergleichbaren Filter bei 892 nm entstanden ist zur Verfügung gestellt. Es wurde auf etwa eine Bogensekunde unscharf gerechnet, um die Helligkeiten vergleichen zu können. Das sieht sehr vielversprechend aus!
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(HST, Erich Karkoschka, University of Arizona/NASA)

Zum Zeitpunkt der Aufnahme war der hellere Teil des Rings rechts (suedlich) des Uranus. Der helle Teil geht in 264 Tagen einmal um Uranus herum. Exakt 11 Umläufe und 45 Tage später ist das Bild vom 26.9.2011 entstanden. Auch hier ist der südliche Ringteil heller!
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Der Nachweiss bedurfte mehr als 5 Jahre beim experimentieren:
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Bei der Ringfotografie war 2011 der Knoten durchschlagen und bei der Abbildung der Uranusring entwickelt sich langsam eine Routine. Ein Foto vom 2. auf den 3.10. zeigt den Ring erneut deutlich. Der Nachweis ließ sich bestätigen.
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Uranus 2006
Uranus 2008