Was verrät uns der Regenbogen eines Planeten über dessen Wolken?

Oder "Was uns der Erdschein im Bild (die schattige Seite des Mondes) über die Wolken der Erde verrät?"

Die Phasenkurve eines Planeten beschreibt seine Helligkeit als Funktion des Phasenwinkels (Winkel zwischen einfallendem Licht und Beobachter). Die Phasenkurve der Erde wird wesentlich durch Rayleigh-Streuung an Molekülen und durch Mie-Streuung an Wolkentröpfchen bestimmt. Streuung an kugelförmigen Wolkentröpfchen erzeugt den Regenbogen bei einem Phasenwinkel von etwa 40°. Die genaue Position des Regenbogens und dessen Breite wird durch den Tröpfchenradius und die chemische Zusammensetzung der Wolkentröpfchen bestimmt. Da das unpolarisierte Sonnenlicht durch Streuung polarisiert wird, kann der Kontrast des Regenbogens mit Hilfe eines Polfilters deutlich verstärkt werden.

Die Phasenkurve der Erde kann mit dem VLT (Very Large Telescope) der ESO mittels des Erdscheins, also des reflektierten Lichts von der dunklen Seite des Mondes, beobachtet werden. Das Foto zeigt die schmale Mondsichel über dem Paranal-Observatorium der ESO mit dem VLT in Chile. Neben der hellen Sichel ist auch die restliche Mondscheibe, der Erdschein sichtbar. (Herkunftsnachweis: ESO/B. Tafreshi)

Polarisationsspektren des Erdscheins wurden zuletzt erstmals für Phasenwinkel zwischen 33° und 65° gemessen.

Durch Vergleich mit Modellsimulationen, welche wir mit unserem Strahlungstransportmodell MYSTIC durchgeführt haben, konnten wir zum einen feststellen, dass der Brechungsindex der Tröpfchen - wie erwartet - dem von Wasser entspricht und dass der mittlere Wolkentröpfchenradius zwischen 6 und 7 µm liegt. Des Weiteren konnten wir durch Hinzunahme der Rayleighstreuung einen mittleren Bedeckungsgrad von etwa 0.3 für die Flüssigwasserwolken ableiten und deren mittlere optische Dicke auf einen Bereich zwischen 10 und 20 einschränken.

Unsere Ergebnisse zeigen, dass die Beobachtung polarimetrischer Phasenkurven für die Charakterisierung der Atmosphären anderer Planeten außerhalb unseres Sonnensystems sehr hilfreich sein können.

Die Erdschein-Beobachtungen und deren Auswertung wurden in der Zeitschrift Astronomy & Astrophysics veröffentlicht:

The Cloudbow of Planet Earth Observed in Polarisation: Sterzik, M. F., Bagnulo, S., Emde, C., & Manev, M. (2020): Astronomy and Astrophysics, 639, A89
https://www.aanda.org/articles/aa/full_html/2020/07/aa38270-20/aa38270-20.html