21. Woche - Die Farben des Mondes

 -  Astrofoto der Woche  - 

Das heutige AdW beschert uns einen ungewöhnlichen Anblick. Den meisten von uns sind Fotografien des Erdmondes eher in silbrig-weißem Farbton in Erinnerung, wenn er sich nicht gerade durch besondere atmosphärische Umstände einfärbt, z.B. bei Auf- oder Untergängen bei dunstiger Luft, leicht bewölktem Himmel oder während einer Mondfinsternis.

Stefan Binnewies, Astrofotograf vornehmlich im Bereich Deep Sky, zeigt uns hier ein „Triptychon“ (altgriechisch triptychos = „dreifach gefaltet“) des Mondes in bunt und stellt dabei die Frage, warum die Farben zwischen Vollmond und Mondsichel an gleichen Stellen auf dem Mond auf den Aufnahmen so unterschiedlich erscheinen.

Die Aufnahmen des Triptychons stammen aus unterschiedlichen Jahren. Der linke Teil zeigt den abnehmenden Mond am 6. Oktober 2007 und ist ein Dreifachpanorama, aufgenommen mit einer digitalen Spiegelreflexkamera (DSLR) des Typs Canon 5D. Aufnahmeinstrument war ein 61-cm-Spiegelteleskop von 4900 mm Brennweite auf der Insel Kreta (Skinakas Observatorium). Die Belichtung betrug 1/1000 s bei ISO 100. Die mittlere Aufnahme entstand nahe Vollmond am 27. Oktober 2015 und wurde 1/125 s belichtet. Zum Einsatz kam diesmal eine DSLR Canon 6D bei ISO 200. Diese und auch die rechte Aufnahme entstanden an einem 105-mm-Refraktor bei einer Brennweite von 1800 mm. Aufnahmeort war jeweils Much im Bergischen Land. Das rechte Teilbild zeigt den zunehmenden Mond am 18. April 2010 bei einer Belichtung von 1/60 s bei ISO 400 unter leicht diesigen Bedingungen. Aufnahmekamera war eine DSLR Canon 5D. So viel zu den aufnahmetechnischen Umständen.

Wenngleich uns der (Voll-)Mond als besonders „hell“ erscheint, ist er doch in Wirklichkeit kein besonders guter „Reflektor“ des Sonnenlichts. Gerade einmal 7% beträgt seine durchschnittliche Albedo (lateinisch albus = weiß, albedo = „Weiße“ oder „Helligkeit“) im integralen Licht. Zum Vergleich: dunkler Ackerboden oder asphaltierte Straßen liegen auf ähnlichem Niveau. Die Albedo-Werte in Bezug auf die Mondoberfläche sind dabei recht unterschiedlich. So liegen sie in den überwiegend mit Lava gefluteten Maria mit etwa 5% teils deutlich unter denen der Hochländer und Krater, wo Werte zwischen 10 und 15% gemessen werden.

Wenn Sonnenstrahlung auf Materieteilchen trifft, dann geht ein Teil der Strahlungsenergie auf die Atome der Teilchen über und versetzt deren Elektronen in einen sogenannten „angeregten Zustand“. Dabei wird der Strahlung eine bestimmte Energiemenge entnommen und im atomaren Elektronengefüge gespeichert. Dieser Speichervorgang währt allerdings extrem kurz. Nach etwa einer Milliardstel Sekunde wird die Energie schon wieder abgegeben. Je nach Art und Weise, wie das vonstatten geht, spricht man von Absorption, Streuung oder Reflexion. Bei der Absorption wird die Energie durch einen Stoß auf ein benachbartes Teilchen übertragen und erhöht dessen Geschwindigkeit, das Teilchen erwärmt sich. Die aufgenommene Energie kann aber auch in Form eines Strahlungsquants wieder abgegeben werden, wobei sich aber im Allgemeinen die ursprüngliche Strahlungsrichtung verändert. Die auftreffende Strahlungsenergie wird also lediglich in verschiedene Richtungen umverteilt, wobei die Summe der Energie erhalten und die Wellenlänge identisch bleibt. Diesen Prozess nennt man dann Streuung. Dies kann man sich bildlich vor Augen führen, wenn man einen Wasserstrahl mit einem Gartenschlauch auf einen Holzpfahl richtet und das Wasser in verschiedene Richtungen spritzt (streut). Nur, wenn die Streuung in eine einzige Richtung erfolgt, spricht man von Reflexion. Diese findet man nur an festen, sorgfältig polierten oder flüssigen Oberflächen. In den meisten Fällen reden wir also eher von Rückstreuungen.

Fotometrische Messungen vergleichbarer Oberflächenformationen zeigen ein bemerkenswertes Ergebnis. So folgt das Rückstreuverhalten des auf die Mondoberfläche fallenden Sonnenlichts nicht dem „Lambertschen Reflexionsgesetz“ (benannt nach seinem Entdecker Johann Heinrich Lambert), welches den Einfluss des Einfallswinkels der Sonnenstrahlung auf die beschienene Fläche beschreibt. Im Alltag (z.B. beim Fotografieren) kommt es oft vor, dass schräg angestrahlte oder angeblitzte Flächen dunkler erscheinen als senkrecht beleuchtete. Bei den Messungen wurde die Winkelabhängigkeit des Rückstreuvermögens der Mondoberfläche bestimmt. Die Messwerte liegen mitunter deutlich unterhalb der Lambertschen Kurve.

Drei Oberflächeneigenschaften bestimmen hauptsächlich das Streuverhalten. Erstens die Verteilung der streuenden Bodenunebenheiten und Hohlräume. Das Sonnenlicht kann dann aus verschiedenen Winkeln in die Oberflächenstrukturen eindringen. Zweitens die oben beschriebene Albedo des Oberflächenmaterials, und drittens die Streufunktion der einzelnen unterschiedlich großen Materieteile (Brocken, Körner, Staubpartikel).

Außerdem ist die Streuung auch abhängig von der Wellenlänge des einfallenden Lichts und von der Teilchengröße, auf die die Strahlung trifft. Nach den Theorien von Rayleigh und Mie streuen Partikel, die nicht größer als 10 bis 20% der Lichtwellenlängen sind, das Violett und Blau bis zu 16-mal so stark wie das Rot. Liegt die Größe der Partikel in etwa bei den Wellenlängen des Lichts, erfolgt nur noch eine leicht blaubetonte Streuung. Teilchen, die deutlich über der Größe der Lichtwellenlängen liegen (z.B. Nebel, Wolkentröpfchen), zeigen gar keine Wellenlängenabhängigkeit des gestreuten Lichts mehr, das Streulicht ist weiß. Diese Abhängigkeiten sind auch der Grund, warum z.B. das an den winzigen Rauchpartikeln einer brennenden Zigarette gestreute Licht blau ist, während der ausgeatmete Rauch, der in der Lunge mit sehr großen Wasserdampfmolekülen angereichert wurde, weiß erscheint.

Spektralfotometrische Untersuchungen weisen darauf hin, dass die Mondoberfläche etwa 8% des einfallenden blauen Lichts und 12% des roten reflektiert. Das zurückgestreute Licht ist demnach braun getönt und es gibt zahlreiche Gebiete auf dem Mond, die geringe, aber dennoch signifikante Veränderungen einer Brauntönung erkennen lassen. So zeigen vergleichende Beobachtungen des Meeres der Ruhe (Mare Tranquillitatis) eine mehr stahlgraue Färbung, während das Meer der Heiterkeit (Mare Serenitatis) eine mehr gelbbraune Tönung zeigt. Spektralfotometrische Messungen haben ergeben, dass beide Maria im blauen Licht mit 8% die gleiche Rückstrahlung haben, aber im roten Licht reflektiert das Mare Serenitatis mit ca. 12% etwas mehr Licht als das Mare Tranquillitatis (ca. 11%). Unterschiedliche Metallgehalte (insbesondere Eisen und Titan) im Mondgestein tragen u.a. zu dieser Färbung bei. Rötlichere Regionen haben nach Untersuchungen einen Eisenanteil von unter 15% und einen Titangehalt unter 2%. Die bläulichen Gebiete zeichnen sich durch einen höheren Eisenanteil sowie bis zu 7% Titangehalt aus. Das Auswurfsmaterial besonders junger Krater wie Aristarchus oder Tycho erscheint weißlich.

Die Oberfläche des Mondes besteht aus verschiedenen Mineralien, die nicht nur unterschiedliche Albedowerte besitzen, sondern auch eine mehr oder weniger große Energiemenge der eintreffenden Strahlung absorbieren. Auch scheinbar völlig durchsichtige Substanzen extingieren (dämpfen) die eintreffende Strahlung mit zunehmendem Lichtweg durch das Material. Da der Mond über keine schützende Atmosphäre verfügt, kann z.B. die kurzwellige, energiereiche UV-B und UV-C Strahlung ungehindert auf die Mondoberfläche einfallen. Dies kann u.a. zu Fluoreszenzlicht in vielfältigen Farbabstufungen von Blau bis Rot führen, welches ebenfalls zum Gesamt-Farbeindruck beiträgt. Unter fortschreitendem Beschuss durch die energiereiche Sonnenstrahlung wird das Mondgestein mit der Zeit immer dunkler. Bei Aristarchus und Tycho z.B. ist noch nicht genügend Zeit dafür vergangen.

Die Farbwirkung der Mondoberfläche wird aber auch durch andere Umstände beeinflusst. Als erstes ist die Öffnung der aufnehmenden Optik zu nennen, ob Farben überhaupt wahrgenommen werden oder nicht. Die Aufnahme des linken Bildes erfolgte bei sehr großer Öffnung, im Gegensatz zu den anderen beiden Teilbildern. Hier dürfte bereits bei visueller Beobachtung eine deutliche Färbung zu erkennen sein. Im Verhältnis zu den Aufnahmen mit der deutlich kleineren Optik wurde nur eine geringe Belichtungszeit und ein niedriger ISO-Wert benötigt, um die Farbinformation festzuhalten. Zudem hatte die eingesetzte Optik einen sicherlich deutlich besseren Standort aufzuweisen. Die atmosphärischen Verhältnisse und die Lage auf einem Berg dürften der Aufnahmequalität äußerst zuträglich gewesen sein. So dürfte die „Reinheit“ der Farben durch geringere Störeinflüsse wie Streuung des Mondlichts (z.B. durch vorhanden Dunst) höher liegen, als bei den anderen beiden Bildern. Die Höhe des Standortes bewirkt, dass weniger Luftmoleküle zur Streuung vorhanden sind, der Blauanteil der Streuung verschiebt sich mehr ins Violett. Das wirkt sich ggf. auch auf die Farbwiedergabe aus. Die Intensität des rückgestreuten Lichts ist aufgrund der deutlich unterschiedlichen Öffnungen und Belichtungszeiten verschieden. Mit der kleineren Optik wird weniger Farbinformation eingefangen und dies kann auch durch die mit 8-fach bzw. 16-fach höhere Belichtungszeit sicher nicht völlig egalisiert werden. Durch die unterschiedlichen Mondphasen und den damit verbundenen anderen Einfallswinkel des Sonnenlichts ergeben sich weitere mögliche Abweichungen in der Farbwahrnehmung. Die Intensität des rückgestreuten Lichts ist bei Phasen abseits der Vollmondphase geringer, also gewissermaßen etwas „dunkler“ und lässt die gleiche Farbe anders erscheinen.

Kommt nun Dunst als Störfaktor hinzu, wie im rechten Bild, kann man einen weiteren möglichen Effekt auf die Farbwahrnehmung feststellen. Abhängig von der Teilchengröße ist die Streurichtung unterschiedlich. Während die kleinen Luftteilchen das Licht fast in jede Richtung mit annähernd gleicher Intensität streuen, streuen die deutlich größeren Dunstteilchen ein Vielfaches (bis zu Zehnerpotenzen) mehr in die Richtung des eintreffenden das Lichtstrahls. Seitlich der Strahlungsrichtung nimmt die Streuungsintensität sehr rasch ab, steigt jedoch aber gegen die Strahlungsrichtung noch einmal etwas an. Man spricht dann bezeichnenderweise von der sogenannten „Vorwärtsstreuung“. Da die großen Dunstteilchen „weißes Vorwärtsstreulicht“ erzeugen, wird hiermit die Farbgebung entsprechend etwas weißlicher, also blasser und beeinflusst somit auch die Farbwahrnehmung.

Das menschliche Auge tendiert dazu, die Gesamtfarbe des Mondes eher als weiß zu interpretieren. Die verschiedenen Brauntöne werden vom menschlichen Auge dann als komplett andere Farbtöne wahrgenommen. So wird ein rötliches Braun sehr schnell als gelblich, ein kühlerer Braunton als grünlich oder bläulich empfunden.

In der Hoffnung, die gestellte Frage nach der unterschiedlichen Farbgebung theoretisch etwas „erleuchtet“ zu haben, bedanken wir uns für die sehr interessante Bildeinsendung.

Text: Jens Leich

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