Ungewöhnlicher Regenbogen am 27. 08. 11

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Anke Mo
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Ungewöhnlicher Regenbogen am 27. 08. 11

Beitrag von Anke Mo » 4. Sep 2011, 07:41

Hallo Forum,

beim Durchsehen meiner Bilder von einem Teleskoptreffen am letzten Augustwochenende fiel mir folgender Regenbogen auf, der am linken Fuß des Hauptbogens ungewöhnlich aussieht. Der Rot-Anteil erscheint verbreitert, fast gespalten und nach Außen hin ungewöhnlich scharf begrenzt.

Aufgenommen um 20:00 Uhr MESZ, Korbach-Rhena.

Bild

Das Bild ist bis auf eine Helligkeitskorrektur unbearbeitet. EOS350D, 1/100sec f/8 @35mm ISO400

Wie entsteht so etwas? Soweit ich weiß, treten gespaltene Bögen durch unterschiedlich deformierte Tropfen auf, sind dann aber am oberen Scheitel des Bogens geteilt und nicht am Fuß.

edit: Hier noch ein Ausschnitt aus einem weiteren Bild.

Gruß,
Anke

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Elmar Schmidt
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Beitrag von Elmar Schmidt » 4. Sep 2011, 08:48

Hallo Anke,

tolle und signifikante Sichtung, da müssen jetzt mal die Experten ran. Aufspaltungen werden m.W. herkömmlich durch mehrere Tropfenkollektive erklärt.

Für mich sieht es noch so aus, als ob der Sekundärbogen im Fußbereich auch verbreitert ist. Und oben im Bild verläuft er anscheinend nichtparallel zum Primärbogen. Dazu müßte vielleicht ein Referenzbild (z.B. Sternfeld) gemacht werden, um Kissenverzerrung usw. auszuschließen.

Gruß, Elmar

Alexander Haußmann
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Beitrag von Alexander Haußmann » 7. Sep 2011, 17:24

Hallo Anke, hallo Elmar,

dieses Bild hat mir in den letzten Tagen ziemlich zu denken gegeben. Inzwischen glaube ich, verstanden zu haben, was wir hier sehen.

Zunächst einmal: Der wachsende Abstand zwichen den Bögen im oberen Bildteil ist eine direkte Folge der (gnomonischen) Weitwinkelprojektion, tritt also auch ohne jegliche Kissen/Tonnenverzerrung auf. Zwei an die Wand gemalte konzentrische Kreise würden auf einem Weitwinkelfoto den gleichen Effekt zeigen.

Schwieriger ist die Veränderung des Hauptbogens nach unten hin. Ich erkenne hier keine Spaltung, aber ein deutlich verbreitertes Rot und Gelb. Die derzeitige Theorie erklärt sowas, wie von Elmar schon angedeutet, durch die Tropfengrößenverteilung, also die "Mischung" verschieden großer Anteile von unterschiedlich großen Tropfen. Größere Tropfen bewirken einen schmaleren Regenbogen mit intensiverem Rot, sind allerdings durch den Luftwiderstand beim Fallen abgeplattet. Dadurch ist deren Regenbogen nicht mehr kreisrund. In Scheitelnähe passen die verschobenen Regenbögen am schlechtesten zusammen, so dass man dort nur den Regenbogen durch die kleineren Tropfen sieht (die Abplattung und damit die Regenbogenverschiebung nehmen mit der Tropfengröße sehr schnell zu). Der Rest mischt sich weg. Am Fuß können mehr oder weniger alle Tropfen beitragen, da auch die abgeplatteten dort einen etwa kreisförmigen Querschnitt besitzen.

Dazu hab ich mal eine grobe Simulationsrechnung für die Sonnenhöhe 2,9° mittels Airy-Theorie (also einfacher Wellenoptik) und einer typischen Tropfenverteilung (exponentiell) gemacht:

Bild

Soweit so gut, aber das breite Rot und Gelb ist hier nicht zu sehen. Schneidet man aber die größten Helligkeiten ab und streckt den Rest (was einer Überbelichtung entspricht), tritt es zu Tage:

Bild

Nun sieht aber das Originalbild jedoch gar nicht überbelichtet aus. Aber es geht hier auch nicht um "ausgefressene" weiße Lichter, sondern man muss jeden Farbkanal extra betrachten. Die einzelnen Kanäle des Fotos sehen folgendermaßen aus (v.l.n.r.: Rot-Grün-Blau):

Bild

Man erkennt, dass der Regenbogen im roten Kanal z.T. schon stark in der Sättigung ist (was sogar einen "Schatten" im Blaukanal verursacht). Insofern kann man die "überlichtete" Simulation für einen Vergleich mit dem Foto heranziehen.

Übrigens habe ich ein ähnliches Bild aus einem Buch (Greenler, Minnaert oder Lee/Fraser) in Erinnerung, was eine ähnliche Verbreiterung von Rot und Gelb am Fuß des Hauptbogens zeigt. Den Effekt gab es also schon zur Dia-Zeit.

Viele Grüße,
Alex

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Anke Mo
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Beitrag von Anke Mo » 7. Sep 2011, 20:45

Hallo Alexander,

vielen Dank für die ausführliche Erläuterung. Das klingt plausibel. Ich werde bei Gelegenheit die Bilder nochmal genau unter die Lupe nehmen.

Vermutlich hat der tiefe Sonnenstand und der nächste heranziehende Schauer die Betonung der Rot- und Gelbanteile verstärkt,Regenbogen ist.

Leider gibt es trotz Nachfrage von diesem Bogen soweit ich weiß keine weiteren Bilder von anderen Beobachtern. Ein ebenfalls sehr prächtiger Regenbogen etwa eine Stunde vorher wurde von mehreren Besuchern dokumentiert.

Gruß,
Anke

Alexander Haußmann
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Beitrag von Alexander Haußmann » 8. Sep 2011, 21:16

Hallo Anke,

stimmt, die "Rotverschiebung" des Spektrums wegen des tiefen Sonnenstands hab ich gar nicht berücksichtigt, da kommt das Rot noch stärker rüber. Auch kommt es am Fuß des Regenbogens noch zu einer Erhöhung der Helligkeit, weil in der Sichtlinie mehr Tropfen "hintereinander" liegen und zum Regenbogen beitragen, als am Scheitel. Das alles war in dem einfachen Modell nicht drin. Der nächste Schauer (also auf der Westseite) dürfte aber nicht viel ausmachen, da nur das direkte Sonnenlicht zum Regenbogen beiträgt. Maximal verschieben sich Helligkeit und Farbton des Hintergrundes auf der Ostseite etwas.

Vielleicht ist es lohnenswert, auch beim Regenbogen eine (automatische) Belichtungsreihe in Richtung Unterbelichtung zu machen. Ich glaube, das breite Gelb in dem Foto ist eigentlich Grün und wird durch das gesättigte und verbreiterte Rot "vergilbt". Das soll natürlich keine Kritik an der Belichtung des Fotos sein, es zeigt nur, dass auch der vermeintlich vertraute Regenbogen starke und fotografisch schwer fassbare Helligkeitsschwankungen aufweisen kann.

Hoffentlich bietet sich demnächst nochmal die Gelegenheit - einen der schönsten Regenbögen des Jahres 2008 habe ich immerhin Anfang Oktober gesehen.

Viele Grüße,
Alex

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Sven Aulenberg
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Beitrag von Sven Aulenberg » 8. Sep 2011, 21:38

Hallo zusammen,
Also mir hat das Bild auch keine Ruhe gelassen, weil ich dies auch kürzlich so ähnlich aber nicht so deutlich fotografiert habe.

Aber zunächst zur (gnomonischen) Weitwinkelprojektion. Ich habe mal ein wenig nachgelesen, es aber nicht verstanden. Vielleicht kannst du, Alexander, das etwas näher erläutern?
Meine Gedanken dazu waren folgende: Wenn man ein Teilstück eines Regenbogens fotografiert, dann ist die Sensorebene (Objektiv demnach auch) nicht parallel zur Erscheinung. Richte ich den Sensor exakt parallel zum Bogen aus, also Sensormitte/Objektivmitte zeigt auf den Gegensonnenpunkt, so könnte die Verzerrung nicht oder nur sehr gering auftreten. Vorrausgesetzt das Objektiv ist korrigiert oder die Kamera/Bildbearbeitung-SW kann die Objektivfehler korrigieren. Ich kann aber auch vollkommen daneben liegen.

Zur möglichen Aufspaltung des Bogens:
Alexander hat die Verbreiterung sehr anschaulich dargestellt und erklärt.
Der Ursprung der scheinbaren Aufspaltung könnte folgender sein: Ich habe dein Bild mal mit USM bearbeitet und verschieden Einstellungen ausprobiert. Dabei fällt auf, dass der äußerste Bogen mehr Pink als rot erscheint und der "Spalt" zeigt sich eher als dunkleres Rot. Ich kann mir gut vorstellen, dass der pinkfarbene Bogen den nahen Infrarotbereich darstellt. Weiter oben ist der Bogen schmäler und Das Rot und Pink verschmieren miteinander. Erst die Verbreiterung/Spreizung macht die unterschiedlichen Farbbanden sichbar. Viele Kameras könne ja den nahen Infrarotbereich darstellen. Ich erinnere mich da an die "Purple sun", ein Bild der untergehenden Sonne (Hier der Link zum Blog: http://atoptics.wordpress.com/tag/purple-sun/).
Auch hier war vermutlich der nahe Infrarotbereich zu sehen.

Hier mal Ankes Bild nochmals bearbeitet. Ich hoffe man sieht was ich meine. (draufklicken und es wird größer)

Bild

Hier noch ein bearbeitetes Bild von mir. Ein Bogen von Anfang der Woche. Auch bei ihm konnte ich eine scheinbare Aufspaltung entdecken, jedoch ist dies fast nur mit USM zu sehen. Dieser "Spalt" ist sehr schmal und geht vom Linken Fuß über den Scheitel hinaus. Um es noch deutlicher zu machen habe ich mit dem Kontrast gespielt. Es scheint, als wenn eine Lücke bestehen würde. Eventuell hat meine Kamera auch so eine Lücke zwischen Rot und Infrarot? Was denk ihr?
Bild
Das Bild wurde mit Polfilter gemacht.

Viele Grüße aus dem herbstlichen Westen
Sven

Alexander Haußmann
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Beitrag von Alexander Haußmann » 10. Sep 2011, 12:17

Hallo Sven,

bezüglich der gnomonischen Projektion: Bei der Atmosphärischen Optik geht es ja letzlich um Licht, dass aus bestimmten Richtungen kommt. Dies entspricht den Punkten einer Kugeloberfläche, also der Himmelskugel, wobei sich der Beobachter in deren Mitte befindet. Die Punkte auf der Kugel lassen sich durch Azimut und Höhe kennzeichnen, ebenso wie Länge und Breite auf der Erdoberfläche. Die gnomonische Projektion bildet einen Teil dieser Kugel auf eine Ebene ab, die man sich als Berührungsebene an die Himmelskugel vorstellen kann. Die Projektion erfolgt dann durch Strahlen aus dem Kugelmittelpunkt. Anschaulich gesgt, man nehme einen Globus aus Glas, setze eine kleine (ideal punktförmige) Glühbirne in den Mittelpunkt und halte ein ebenes Blatt Papier an den Globus, so dass es die Kugel in einem Punkt berührt. Auf dem Papier sieht man dann eine gnomonische Projektion. Beim Fotografieren oder beim klassischen Gnomon (einem senkrechten Schattenstab zum Aufzeichnen der Sonnenbahn) läuft die Ausführung der Projektion zwar anders ab, das Ergebnis ist aber gleich. Um beim Globus zu bleiben: Der Wahl des Berührungspunktes des Papiers entspricht beim Fotografieren die Ausrichtung der Kamera, genauer der optischen Achse, also der Linie senkrecht zum Sensor zentral durchs Objektiv. Beide Male braucht man zwei Zahlen (z.B. Höhe und Azimut) für eine eindeutige Angabe. Denken wir uns den Hauptregenbogen als den fünfzigsten Breitengrad und den Nebenbogen als den vierzigsten, und legen den Berührungspunkt auf 50° (nördliche) Breite und 0° Länge (in den Ärmelkanal...). Wird jetzt das Licht im Globus angeschaltet und man zeichnet die Projektion beider Breitengrade ab, so laufen sie auf dem Papier auseinander, obwohl sie auf dem Globus parallel zueinander sind.

Man kann das nun als Verzerrung sehen oder als Besonderheit dieser Projektion, denn sie hat zwei wichtige Vorteile. Zum einen: Hält man sich das Ergebnis (die Papierzeichung oder eben auch ein Foto) im richtigen Abstand vor ein Auge, kommen im Auge alle Strahlen aus der "richtigen" Richtung an, gerade so, als ob die Kugel noch da wäre. Das heißt also, wir bekommen auf diese Weise eine naturgetreue Abbildung der Welt auf eine ebene Fläche. Wichtig ist der richtige Betrachtungsabstand: Beim Foto ist das Brennweite mal Bildbreite durch Sensorbreite. Für Weitwinkelbilder ist das aber ein unangenehm kleiner Abstand, so dass diese meist aus "zu großer" Entfernung betrachtet werden. Ergebnis: Die auseinanderlaufenden Regenbögen irritieren uns. Der zweite Vorteil: Großkreise auf der Kugel (Längengrade oder der Äquator) werden als gerade Linien wiedergegeben.

Nochmal zum Regenbogen: Wird die Kamera auf den Gegenpunkt gerichtet, kommen tatsächlich zwei parallele Kreise als Bilder der Regenbögen heraus, vorausgesetzt, man hat ein derartig weitwinkliges Objektiv. Beim Glasglobus würde man dann das Papier am Nordpol anlegen und sich wieder die Bilder der Beitengrade von 50° und 40° N anschauen. Aber auch andere Projektionen, z. B. ein Fischaugenobjektiv, würden in diesem Fall zwei parallele Kreise liefern.

Bezüglich der Bildverabeitung mit USM: Man muß da sehr aufpassen, da die Farbinformationen an den Kanten sehr schnell in die Sättigung geraten. D.h. man muss sorgfältig prüfen, ob das Pink wirklich schon im Original da war und nicht als Artefakt entstanden ist, z.B. durch Abtasten der RGB-Daten mit einer Pipettenfunktion. Vom USM-Bild alleine würde ich nicht auf Aufspaltungen oder spektrale Lücken in der Sensorempfindlichkeit schließen wollen. Solche Lücken wären ziemlich ungewöhnlich, da der Empfindlichkeitsverlauf von Rot zu Infrarot typischerweise stetig ist (siehe hierzu z.B. http://opus.bibl.fh-koeln.de/volltexte/ ... istian.pdf, S. 81 für die Canon EOs 450D ohne IR-Sperre). Solange der IR-Filter drin ist (was ja der übliche Fall ist), wird eigentlich kein Infrarot registriert. An meiner Pentax mit IR-Sperre kann ich gerade noch so um 720 nm Bilder machen (der Wood-Effekt ist da schon zu sehen).

Viele Grüße,
Alex

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Sven Aulenberg
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Beitrag von Sven Aulenberg » 11. Sep 2011, 21:10

Hallo Alex,
erst einmal herzlichen Dank für deine ausführliche und gute Erklärung. Als ich mich im Netz über die gnomonischen Projektion informierte, war mir der Zusammenhang zum Regenbogen völlig unklar. Da der Regenbogen für mich mehr eine zweidimensionale Erscheinung ist (bei einer idealisierten Regenwand wäre es zumindest so) und keine Kugel, passte dies für mich nicht zusammen. Dann lag ich ja garnicht so falsch, wobei es nicht immer einfach ist, sich die Dinge in allen drei Dimensionen vorzustellen.
Unsere gewölbte Netzhaut ist dann wohl dafür verantwortlich, dass wir die Bögen parallel sehen. Und wenn etwas nicht so richtig passt, dann wird es von unserem Denkorgan passend gemacht ;-)
Zur USM: ja da hast du recht, es handelt sich dabei ja um eine Kantenüberhöhung, also ist die Sättigung schnell erreicht. Wenn ich mir Ankes Bild ansehe, dann brauche ich keine Pipettenfunktion oder im Umkehrschluss einen neuen Bildschirm :lol: (ich habe keinen kalibrieten EIZO). Bei mir sieht Ankes Bild im Original schon Pink aus, zumindest am Fuß. Ob dies nun der Wirklichkeit entspricht wird niemand mehr sagen können. Meine Nikon habe ich gerade mal getestet. Eine Infrarotfernbedienung zeigt im abgedunkelten Raum ein deutliches dunkles Pink.
Bei meinem Regebogen ist Pink im Original auch zu sehen und der Spalt ebenfalls. An eine spektrale Lücke mag ich auch nicht glauben. In Zukunft werde ich darauf achten, dass alle Eletronischen Helferlein in der Kamera abgeschaltet sind. Wenn man bedenkt, dass der Bogen kurz vor Sonnenuntergang (in anderen Bilder war sie bereits hinter dem Horizont verschwunden, der Bogen aber immer noch da !?) abgelichtet wurde, halte ich es durchaus für möglich, dass die pinke Farbe den vermehrten Infrarotanteil wiedergibt. Auch Ankes Regenbogen wurde kurz vor Sonnenuntergang gesichtet. Auch hier werde ich in Zukunft ein Auge drauf haben.
Nun interessiert mich natürlich, wie groß der Infrarotbereich meiner Kamera ist. IR-LED´s sind laut Wiki meist im Bereich von 880nm bis 950nm zu finden.
Vielen Dank nochmal und viele Grüße

Sven

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