Frage von MaHo12345, 60

Lichtverschmutzung messen?

Hallo zusammen :)

Im Rahmen meiner Abschlussarbeit möchte ich die Lichtverschmutzung messen. Und zwar habe ich mir das so vorgestellt, dass ich verschiedene Bilder der Sterne mache an verschiedenen Orten und diese dann vergleiche. Dabei würde ich in der Kamera immer die gleichen Einstellungen verwenden. Nun würde ich diese Bilder aber quantitativ vergleichen wollen, d. h. die Helligkeit der Sterne anhand der Bilder messen und vergleichen (Magnitude). Wisst ihr, wie ich da am Besten vorgehe und ob dies überhaupt möglich ist (also um korrekte Werte zu erhalten, die man vergleichen kann)?

Danke im Voraus:)

Antwort
von dan030, 22

Der Vorschlag aus einer anderen Antwort, Sterne zu fotografieren, taugt nicht wirklich. Denn die Wetterlage, insbesondere Bewölkung, ist an verschiedenen Standorten gern unterschiedlich.

Ich würde von vornherein erstmal bezogen auf die Nahumgebung einen möglichst dunklen Ort suchen, z. B. Mitte eines Stadtparks (in einer Großstadt) oder irgendwo "draußen auf dem Feld" (auf dem Lande).

Und dann digitale Fotos machen mit definierter Belichtung, also wirklich ALLE Parameter exakt gleich an allen Standorten, und mit gleichem Gerät. Auf keinen Fall automatische Belichtung o. ä., sondern wirklich Werte einstellen. Und Bilder unkomprimiert als Rohdaten speichern, kein JPG o. ä.

Da fallen dann wahrscheinlich für Menschen teils nicht mehr sinnvolle Bilder raus. Was man aber machen kann: mit einem kleinen Progrämmchen über die Bilddaten rübergehen, die RGB-Werte analysieren, und dann eben die Durchschnittshelligkeit des Gesamtbildes mathematisch ermitteln.

Wenn Du nun von jedem Standort mehrere Samples hast, dann sollte eine solche Meßreihe schon etwas Aussagekraft haben.

Ach ja: und am besten alle Referenzfotos bei Neumond an den verschiedenen Standorten. Denn den Mond als "natürliche Luftverschmutzung" wirst Du ja vermutlich außen vor lassen wollen.

Kommentar von MaHo12345 ,

Vielen Dank für deine Antwort.

Für meine Untersuchung werde ich darauf achten, dass kein Mond vorhanden ist (Neumond, bzw bereits untergegangen), und dass der Himmel klar ist. Auch werde ich, wie Du bereits beschrieben hast, im RAW-Format und mit immergleichen Einstellungen fotografieren.

Wie meinst du das mit "Da fallen dann wahrscheinlich für Menschen teils nicht mehr sinnvolle Bilder raus"?

Ziel meiner Arbeit ist es auch, verschiedene Orte miteinander zu vergleichen. Ich würde für diesen Zweck z. B. an einen Ort gehen und dann 24H (wenn der Sternenhimmel wieder etwa gleich ist) später an einen anderen Ort und immer Richtung Zenit fotografieren (mit klarem Wetter und ohne Mond) um die Bilder dann zu vergleichen. Meinst Du, dass dies so funktionieren würde?

Danke im Voraus!

Kommentar von dan030 ,

Ich würde mich nicht auf rein optisch wahrgenommene, und damit subjektive Eindrücke verlassen. Eine numerische Auswertung der RGB-Werte der Einzelpixel der aufgenommenen Bilder ist objektiv nachvollziehbarer und damit "wissenschaftlicher".

Mit "für Menschen nicht mehr sinnvollen Bildern" meinte ich, dass Du ggf. an Orte kommen kannst, wo Deine Aufnahmen (mit den standardisierten Einstellungen) tatsächlich kein wirklich mehr für einen Menschen auswertbares Bild liefern könnten. Zum Beispiel "viel zu dunkel" oder "sehr hell, und dann mehrere sehr helle Bilder von verschiedenen Standorten" (Du wirst ja längere Belichtungszeiten brauchen). Und da ist dann der Computer mit einer Datenanalyse schlicht überlegen.

Kommentar von MaHo12345 ,

Für mich ich es sehr wichtig, meine Bilder quantitativ zu vergleichen, eine subjektive Beschreibung halte ich auch für wenig aussagekräftig. Denkst Du, das diese RGB-Werte am Besten geeignet sind für einen solchen Vergleich? Soviel ich weiss, werden scheinbare Helligkeiten in der Astronomie in Magnitude (mag) angegeben, wäre so etwas anhand von einer Bilddatei auch möglich zu kalkulieren?

Kommentar von dan030 ,

Naja, Du könntest die Bildaufnahmen ja normieren. Dieses etwas prähistorische Magnituden-System ist ja durchaus mathematisch greifbar, und es gibt Sterne, deren Helligkeit in den Aufnahmen man zur Datennormalisierung heranziehen könnte. Insbesondere Polarstern.

Wenn Du auf das Magnituden-System umrechnen möchtest, dann wirst Du auf jeden Fall ziemlich professionelles Fotoequipment brauchen. Das geht definitiv über die 08/15-Knipse aus dem Mediaquatsch hinaus. Du suchst ja offenbar nach Resthelligkeiten in den Aufnahmen, die wirklich "nahe null" sind. Billig-Geräte produzieren bei Dunkelheit und langer Belichtung gern mal lustige Artefakte und scheiden für sowas aus.

Kommentar von MaHo12345 ,

Daran hatte ich auch schon gedacht, einen Stern als Referenz zu nehmen, das möchte ich auf jeden Fall versuchen.

Wenn du von professionellem Fotoequipment redest, weiss ich nicht genau, wie ich mir das vorstellen muss. Als ambitionierter Fotograf habe ich eine DSLR, welche soweit ich das beurteilen kann Langzeitbelichtungen machen kann ohne Artefakte. Vielleicht kannst du das selber beurteilen, hier ein Bild welches ich vorhin gemacht habe, denkst Du, damit könnte man in Anbetracht meiner Ideen etwas anfangen (Mir ist bewusst, dass der Mond die Aufnahme verschmutzt)?

Link zum Bild: https://drive.google.com/open?id=0B9Iv8Uhe1LiZX20wQmk4OEJxVUE

Kommentar von dan030 ,

Ich würde mit dem "Rohdaten"-Bild arbeiten. Das rauschreduzierte Bild hat deutliche Artefakte drin und ein unsauberes Nearfield-Averaging drin. Wenn Du das numerisch auswertest, dann kommt nur Mist raus. Besser wirklich direkt den Output aus der Kamera nehmen.

Das Rohdaten-Bild sieht nicht so schlecht aus. Allerdings solltest Du, wenn Du numerisch vergleichbare Aufnahmen haben willst, wirklich gar keine Artefakte im Bild haben, wie z. B. in Deiner Aufnahme rechts diese Mauer oder Gebäudewand, oder wasauchimmer das ist.

Kommentar von MaHo12345 ,

Vielen Dank für deine Tipps, ich schätze das sehr! Könntest du noch erklären, was Nearfield-Averaging ist und wie ich jetzt mit einer Magnituden Skala die Helligkeit der Sterne auf solchen Bildern ausdrücken könnte?

Kommentar von dan030 ,

Mit "Nearfield-Averaging" meinte ich den Lichteinfluss, der offenbar von unten links in Deiner Testaufnahme gekommen ist. Da sieht man sehr deutlich zwischen dem Orignalbild und dem von Dir nachgerechneten Bild, dass da Artefakte reingekommen sind.

Was ansonsten die Normalisierung angeht: Naja, Du bekommst halt RGB-Helligkeiten. Und musst die versuchen, näherungsweise auf das logarithmische Magnitudensystem rückzurechnen. Da kann ich Dir jetzt ohne weitere Datenanalyse keine konkreten Tipps geben. Was die Theorie angeht, sind ja durchaus Rechenformeln bekannt. Ggf. die Literatur (oder als ersten Anstoß Wikipedia) bemühen.

Du wirst bei der Umrechnung auf das Magnituden-System das Problem bekommen, dass der Auflösungsbereich Deiner Kamera limitierend wirken wird. D. h. Du wirst Dich entscheiden müssen, ob Du entweder schwach leuchtende Sterne aus der Betrachtung herauslassen willst, oder die lichtstarken Sterne möglichst gut "vermessen" willst. Beides zusammen geht nicht.

Also platt gesagt zwei Alternativen: entweder "wie viel Sterne kann man so einigermaßen sehen?" oder "wie hell sind die folgenden 5 Sterne an Ort X?", um es mal auf einfache Fragestellungen zu reduzieren. Wenn Du deutlich über solche Fragen hinausgehen willst, dann wird Dein Equipment vermutlich nicht reichen.

Kommentar von MaHo12345 ,

Vielen Dank für deine Hilfe, ich versuchen RGB-Helligkeit Messungen zu machen und der Rest wird sich dann hoffentlich ergeben.

Antwort
von 1966Michael, 21

Eine direkte Messung der Lichtverschmutzung besteht darin, die Flächenhelligkeit des Nachthimmels zu bestimmen, d.h. nicht die Magnitude von Sternen, sondern die Magnitude des Himmelshintergrundes pro Fläche (z.B. pro Quadratbogensekunde). Ein indirektes Maß für die Lichtverschmutzung ist die Magnitude der schwächsten Sterne, die Du auf einer Aufnahme noch nachweisen kannst. Je heller der Himmelshintergrund ist, um so heller sind auch  die schwächsten noch sichtbaren Sterne. Die Dir schon vorgeschlagene Methode, die Milchstraße unter verschiedenen Bedingungen zu photographieren, geht in die gleiche Richtung - es wird dabei die Flächenhelligkeit des Himmelshintergrundes mit derjenigen der Galaxis verglichen. Gute flächige Testobjekte für Lichtverschmutzung, die keine Weitwinkelkamera erfordern, sind z.B. die Andromedagalaxie oder der Orionnebel.

Antwort
von Willwissen100, 28

Die Milchstrasse ist immer an der gleichen Stelle und die kannst Du immer fotografieren.

Da wo man die noch sehen kann, hat es wenig Lichtverschmutzung. Da wo das Foto bei gleicher Belichtung nur hell und grau wird, ist zu viel Licht.

Ich sah das letzte Mal die Milchstrasse richtig, als ich morgens um vier Uhr auf einem Bergpass aus dem Auto stieg und in den Himmel schaute.

Kommentar von MaHo12345 ,

Danke für deine Antwort, jedoch ist es nicht so, dass wir von der Erde die Milchstrasse immer gleich sehen, siehe z.B. in diesem Video: https://www.youtube.com/watch?v=dp6V4CfGLu4. Jedoch vermute ich, dass wenn man in Abständen von 24h in den Himmel schaut in etwa die gleichen Sterne sehen kann, jedoch bin ich mir da nicht sicher.

Kommentar von Willwissen100 ,

Ja und nein. Etwa gleich helle Sterne. Aber die Bewölkung könnte stark mit mischen. Eine Wolke fängt sehr viel Licht von der Erde und trübt so das Bild.

ob Du 20'000 oder nur 18'000 Sterne auf dem Foto hast, das wird dabei nicht so eine Rolle spielen. Ich denke, je mehr Lichtverschmutzung, umso weniger Sterne sind auf dem Foto erkennbar.

Auch im Film siehst Du teils die Städte im Hintergrund als helle Störung. Das ist die Lichtverschmutzung. z.B. bei 01:09.

Kommentar von Willwissen100 ,

Du könntest immer den Polarstern ins Visier nehmen. Der ist immer im Norden. Jede Nacht. Damit hast Du fast konstante Verhältnisse. Jedoch auch da wird die Bewölkung mitmischen.

Antwort
von Questionpark, 22

Da musst du wissen wie viel Dreck durchschnittlich in m³ Luft befindet, dann die Entfernung zum Stern wissen meine ich.

Dann könntest du ungefähr herausfinden zu wie viel Prozent der Weg der Lichtstrahlen bis zur dir gehemmt wurde.Nebenbei wäre dabei wichtig auch die Entfernung von der Sonne, zum_Stern zu kennen und ob da noch welche Steine dem Weg der Lichtstrahlen bis zur Erde stören. Da sich unser Planet als auch die Sterne bewegen, wäre es sinnvoller dann auch zu schreiben zu welchem Zeitpunkt man dies errechnet hat... . Für genauere Berechnung müsste man auch noch die Biegung der Lichtstrahlen... die Lichtreflektion einzelner Treibhausgase, die Stärke des Lichts... kennen,was mit der heutigen Technologie eher unmöglich ist.

Kommentar von dan030 ,

Bezogen auf "Lichtverschmutzung" in Großstädten ist der Dreck in der Luft zumindest in unseren Regionen ein eher sekundäres Problem. Chinesen mögen das anders sehen.

Aber bei uns geht's primär mal um die ganze Beleuchtung am Boden, die auch in die weitere Umgebung abstrahlt.

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