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Version vom 19.1.2008
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Planetenfotografie: Grundlagen
Erforderliche Vorkenntnisse: Montierungen, Nachführung
Allgemeines
Dieser Artikel behandelt allgemeine Aspekte und Grundlagen der Planetenfotografie. Detailanleitungen zu den einzelnen Planeten werden im zweiten Teil der Anleitung zur Planetenfotografie gegeben.
Die Anwendung von Webcams wird in einem separaten Artikel beschrieben. Die Methodik der Okularprojektion und Beschreibungen der einzelnen Planeten gelten auch für Webcams.
Eine zunehmend an Popularität gewinnende Methode ist die sog. afokale Fotografie. Hierbei wird eine Digicam hinter ein Okular geschaltet und das vom Okular erzeugte Bild abfotografiert. Diese Technik wird im Artikel über Digitalkameras ausführlich beschrieben.
Bei der Fotografie von Planeten muss man zwischen der Darstellung ihrer Wanderung durch den Tierkreis und Detailaufnahmen von Planeten unterscheiden. Die erstgenannte Form wird unter Konstellationen beschrieben. In dieser Anleitung geht es ausschließlich um die Großaufnahme von Planeten bzw. Planeten mit ihren Monden.
Die Anfertigung von Detailaufnahmen von Planeten gilt als eine der schwersten Disziplinen der Astrofotografie. Der Grund ist, dass neben einer exakten Fokussierung der Optik eine perfekte Luftruhe erforderlich ist. Bei der Planetenfotografie kommt es auf die Darstellung möglichst feiner Oberflächendetails an.
Bei den benötigten Belichtungszeiten von einigen Sekunden werden Feinstrukturen meistens durch Luftturbulenzen verwischt. Eine perfekt scharfe Aufnahme ist daher in der Regel mit herkömmlichem Flimmaterial unmöglich, wenn man bedenkt, dass das Luftflimmern ("Seeing") eine Frequenz von etwa 10 Hertz hat. Das bedeutet, dass es im Durchschnitt zehn mal pro Sekunde beim Blick durchs Okular "wackelt".
Erschwerend kommt hinzu, dass die Planeten nur einige Bogensekunden groß erscheinen, selbst Jupiter, der größte Planet, hat maximal etwa 40 Bogensekunden Durchmesser. Zum Vergleich: Der Mond hat einen mittleren scheinbaren Durchmesser von 1920 Bogensekunden. Es werden also starke Vergrößerungen (lange Äquivalenzbrennweiten) benötigt. Diese erreicht man mit der Okularprojektion, die ich unter Grundlagen ausführlich beschreibe. Fokalaufnahmen mit einem Teleskop sind nur sinnvoll, wenn man die großen Gasplaneten zusammen mit ihren Monden abbilden möchte.
Hier zeigt sich einer der Vorteile einer Webcam: Sie haben standardmässig einen relativ kleinen Sensor von 640*480 Pixeln. Dieser verglichen mit modernen CCD-Kameras und digitalen Spiegelreflexkameras winzig kleine Sensor hat bei Planeten den Vorteil, dass das Zielobjekt auch bei relativ geringen Nachvergrösserungen mit Barlow-Linse oder Okularprojektion einen verhältnismässig großen Teil des Sensors einnimmt. Je nach Grösse des Planetenscheibchens nimmt es bereits mit acht Metern Brennweite bis zu ein Drittel der Bildhöhe ein. Bei den weitverbreiteten katadioptrischen Teleskopen mit 2000 Millimeter Brennweite benötigt man also wenn überhaupt nur noch eine Barlow-Linse mit ausreichendem Verlängerungsfaktor.
Das folgende Foto zeigt einen direkten Größenvergleich des Mondes mit Mars in einer erdnahen Position:
Aus der Notwendigkeit der Okularprojektion resultiert eine äusserst geringe Lichtstärke der Aufnahmeoptik. Die Fokussierung wird erschwert, und die Luftunruhe lässt sich kaum unterdrücken, da lange Belichtungszeiten erforderlich sind. Mit herkömmlicher Aufnahmetechnick muss man also im allgemeinen Abstriche bei der Bildqualität machen, dennoch kann man eindrucksvolle Ergebnisse erzielen.
In der Planetenfotografie haben Schwarz/Weiss-Fotos Vorteile: Benachbarte Details von Planeten haben oft nur sehr geringe Farbunterschiede. Diese können mit Schwarz/Weiss-Aufnahmen aufgrund ihres höheren Kontrasts deutlicher erfasst und herausgearbeitet werden.
Aufgrund des geringen Kontrastes von Planetenoberflächen ist die Wahl einer geeigneten Aufnahmeoptik nicht unerheblich, wenn man gute Ergebnisse erhalten möchte:
Bereits mit vier Zoll Öffnung kann man eindrucksvolle Planetenbilder gewinnen. Ein Spiegelteleskop sollte eine möglichst große Öffnung und gleichzeitig einen möglichst kleinen Fangspiegel aufweisen. Unter den Reflektoren gelten im acht- bis zehn-Zoll-Bereich die Maksutov-Cassegrains und Schmidt-Newton- bzw. Maksutov-Newton-Systeme als die besten "Planetenkiller". In Kombination mit Webcams oder anderen CCD-Systemen erbringen auch acht- bis 16 Zoll Newton-Reflektoren atemberaubende Ergebnisse, insbesondere bei Mars, Jupiter und Saturn.
Exzellente Planetenaufnahmen liefern auch Linsenteleskope (Refraktoren) der vier- bis sechs-Zoll-Klasse. Bei gleicher Öffnung liefert ein Refraktor ein wesentlich schärferes und kontrastreicheres Bild als ein Spiegelteleskop.
Alle in dieser Anleitung beschriebenen Planetendetails, die mit einer bestimmten Ausrüstung fotografierbar sind, sind als Faustregeln anzusehen, da das Ergebnis sehr stark von der Luftruhe und der Durchsicht der Erd- und Planetenatmosphäre abhängt.
Analog oder digital?
Analoge Kameras erlauben keine unmittelbare Kontrolle der Bildqualität. Wegen der recht langen Belichtungszeiten von einigen Sekunden fotografiert man mit ihnen mehr oder weniger auf gut Glück, da sich das Seeing nicht unterdrücken lässt. Die Erfahrung zeigt, dass man mindestens eine komplette 36er Filmpatrone benötigt, um ein paar gute Fotos zu erhalten. Planetenfotos auf Film sind in der Regel nicht sehr detailreich, die feinen Strukturen gehen im Korn der Filmemulsion verloren.
Die digitale Fotografie ist bei Planeten klar im Vorteil: Man kann direkt nach der Aufnahme die Bildqualität überprüfen. Man kann also die wenigen Nächte mit ruhiger Luft und guter Durchsicht effizienter nutzen. Eine digitale Spiegelreflexkamera hat eine höhere Auflösung als analoger Film, Feinstrukturen können also besser dargestellt werden.
Digitale Aufnahmesysteme haben auch eine höhere Lichtempfindlichkeit als analoger Film. Mit ihnen ist es möglich, so kurz zu belichten, dass Seeingunschärfen unterdrückt oder zumindest sehr stark reduziert werden können.
Filme/Empfindlichkeiten
Für Aufnahmen mit ruhender Kamera empfielt sich eine Empfindlichkeit von ISO 100 bis 200.
Bei der idealen Empfindlichkeit für Okularprojektion gibt es grundverschiedene Ansichten. Einige Astrofotografen nehmen ein starkes Rauschen bzw. Filmkorn in Kauf, um die Belichtungszeiten mit hohen ISO-Werten so kurz wie möglich zu halten. Andere Fotografen belichten mit geringen ISO-Werten lieber etwas länger und erzielen rausch- und kornfreie Fotos, deren Details etwas stärker durch die Luftunruhe verschmiert werden. Hier kann man kein Patentrezept angeben, da in beiden Fällen die Auflösung verringert wird. ISO 400 bis 800 stellt einen sinnvollen Kompromiss dar.
Belichtungszeiten
Im Falle von Panoramaufnahmen und der Darstellung der Wanderung zwischen den Sternen beträgt die ideale Belichtungszeit bei ruhender Kamera und Weitwinkelobjektiven etwa 30 Sekunden. Mit Nachführung gelingen bei einigen Minuten Belichtungszeit eindrucksvollere Aufnahmen.
Bei Detailaufnahmen mit Okularprojektion beträgt die benötigte Belichtungszeit einige Sekunden. Die exakte Belichtungszeit lässt sich nicht pauschal angeben, sie hängt vom Planet, seiner Helligkeit, Höhe über dem Horizont, Entfernung von der Erde, der Durchsicht, Effektivbrennweite der Optik und ihrer Öffnung bei gegebener Effektivbrennweite ab: Bei konstanter Brennweite vervierfacht sich die Belichtungszeit, wenn der Durchmesser der Öffnung halbiert wird. Umgekehrt wird die Belichtungszeit geviertelt, wenn die Öffnung verdoppelt wird. Nicht zuletzt ist auch die ISO-Empfindlichkeit entscheidend.
Die ideale Belichtungszeit ermittelt man idealerweise mit einer Belichtungsreihe. Wegen der wechselnden atmosphärischen Bedingungen kann die Belichtungszeit bei sonst gleichen Einstellungen (Öffnung, Brennweite, ISO-Empfindlichkeit) zum Teil beträchtlich schwanken. Daher werden hier keine konkreten Zahlen angegeben.
Planetenaufnahmen mit ruhender Kamera
Hierbei erscheinen die Planeten nur als sternförmige Punkte, bei langen Brennweiten bestenfalls als winzig kleine, strukturlose Scheibchen. Bei mittleren bis langen Brennweiten (ab etwa 200mm digital bzw. 300mm analog) lassen sich bereits die Jupitermonde abbilden.
Das folgende Foto zeigt eine solche Aufnahme des Mondes und Jupiter mit ruhender Kamera und 200 Millimeter Brennweite.
Ansonsten ist hierbei nur die Darstellung der Bewegung der Planeten zwischen den Sternen und die Fotografie von Konstellationen eine sinnvolle Aufgabe.
Planetenaufnahmen mit Nachführung
Mit kurzen Brennweiten und Fokalaufnahmen erzielt man eine hellere Abbildung der Planeten und Sterne.
Okularprojektion
Bei der Okularprojektion projiziert eine Barlowlinse bzw. ein Okular das Bild des Planeten auf den Film bzw. Sensor. Das Prinzip ist mit dem einer Diaprojektion auf eine Leinwand identisch. Durch den Abstand Okular/Sensor wird eine hohe Vergrößerung erzielt: Je größer der Abstand des Okulars zum bildaufzeichnenden Medium, umso stärker ist die Vergrößerung. Allerdings nimmt die Helligkeit mit wachsender Vergrößerung ab und die benötigte Belichtungszeit zu: Verdoppelt man den Durchmesser des Planetenbildes, vervierfacht man die benötigte Belichtungszeit bei ansonsten gleichen Voraussetzungen. Dies erhöht die negativen Einflüsse der Luftunruhe und die Gefahr des Verwackelns einer Aufnahme.
Skizze der Aufnahmegeometrie in Okularprojektion:
Die Fokussierung erfolgt sinnvollerweise mit der Scheinerblende, die ich hier in einem separaten Artikel ausführlich beschreibe.
Bei langen Effektivbrennweiten sind lichtstarke Teleskope im Vorteil: Bei gleicher (Effektiv-)Brennweite wird bei Verdoppelung des Durchmessers des Spiegels bzw. des Objektivs die Belichtungszeit geviertelt. Die Verwackelungsgefahr durch Wind und Schwingungen wird hierdurch deutlich verringert.
Im Falle von Webcams genügt häufig bereits eine zwei- bis vierfach vergrößernde Barlow-Linse, um ausreichend große Planetenabbildungen zu erhalten.
Farbfilter
Farbfilter verstärken bzw. blockieren bestimmte Wellenlängenbereiche des sichtbaren Lichtes, nämlich die Komplementärfarbe der Filterfarbe, so dass sich der Kontrast der Planetenabbildung erhöht. Ein Rotfilter blockiert zum Beispiel das blaue Licht und umgekehrt. Hierdurch können farblich ähnliche, benachbarte Planetendetails deutlicher voneinander getrennt oder in Extremfällen überhaupt erst sichtbar gemacht werden.
Benachbarte Planetendetails haben oft ähnliche Farben, aber nur geringe Intensitätsunterschiede. Hier blockiert bzw. schwächt ein Filter eine der beiden Strukturen, wodurch sich der Kontrast und damit die Sichtbarkeit verbessert.
Da Farbfilter je nach Farbe und Dichte eine mehr oder weniger starke Lichtdämpfung erzeugen, eignen sie sich nur für lichtstarke Teleskope. Die Belichtungszeit verlängert sich bei gleichbleibenden Bedingungen (effektive Öffnung des Teleskops, Effektivbrennweite, ISO-Empfindlichkeit, Durchsicht der Atmosphäre) in der Regel um den Faktor zwei bis vier!
In Verbindung mit Schwarz/Weiss-Aufnahmen kann der Kontrast- und Detailgewinn, insbesondere bei der Verwendung von Webcams, dennoch beträchtlich sein.
Da der Farbfilter in den Strahlengang zwischen Hauptspiegel bzw. Objektiv und den Film bzw. Sensor gesetzt wird, verändert er die Fokuslage. Der Farbfilter muss also vor der Fokussierung eingesetzt werden.
Es sollte beim Kauf darauf geachtet werden, dass Farb- bzw. Neutralgraufilter in der Schmelze gefärbt und nicht farbbeschichtet sind. Eine Vergütung ist wichtig, um störende Reflexionen ("Geisterbilder") zu vermeiden.
CCD-Kameras
Diese Kamerasysteme haben vor einem Jahrzehnt die Astrofografie revolutioniert. CCD-Kameras (CCD = Charge Coupled Device; ladungsgekoppeltes Element) besitzen wie Digitalkameras einen aus einzelnen Bildpunkten bestehenden, lichtempfindlichen Sensor. Dieser ist wesentlich lichtempfindlicher als analoger Film und erlaubt daher viel kürzere Belichtungszeiten.
Dieser Vorteil macht sich gerade in der Planeten- und Mondfotografie bemerkbar, da man mit diesen Systemen hierbei so kurz belichten kann, dass die durch die Luftunruhe ("Seeing") verursachten Unschärfen weitestgehend unterdrückt werden.
Bei astronomischen CCD-Kameras wird der Sensor auf minus zehn Grad Celsius und darunter gekühlt. Diese Kühlung unterdrückt das thermische Rauschen der Sensoren, das sich in einem "schmutzigen", grau-braunen Himmelshintergrund äussert, praktisch vollständig. Dieser Vorteil macht sich aber erst bei langen Belichtungszeiten bemerkbar, die in der Planetenfotografie nicht benötigt werden.
In der Planetenftografie werden die CCD-Systeme daher immer mehr durch Webcams verdrängt, die ebenfalls einen CCD-Sensor, jedoch keine Kühlung enthalten. Einen Abschnitt über Webcams und technisch verwandte Aufnahmesysteme ist finden Sie hier.
Ergänzende Artikel: Webcams, Planeten im Detail, Digitalkameras