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.
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.
Der Helligkeitsanstieg kommt zum größeren Teil durch den Phaseneffekt, nur ein Teil
ist der Oppositionseffekt
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.
Daneben kann kohärente Rückstreuung den
Effekt wie ein Reflex noch weiter verstärken.
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!
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.
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.
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:
Interessant ist die Messung der Monde untereinander:
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:
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.
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.
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.
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.
Wenn man die Messwerte der 4 Monde mittelt ergibt sich die folgende Kurve
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.
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.
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.
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.
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
Die Helligkeit der Ringe legte etwa mind 30% zu, während die Saturnscheibe gleich hell geblieben ist:
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!
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!
Erster Versuch in der Oppositionsnacht
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.
Bilder vom KECK im IR.
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!
(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!
Der Nachweiss bedurfte mehr als 5 Jahre beim experimentieren:
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.
Uranus 2006
Uranus 2008