7. September 2017

Wie wird aus Bild­da­ten ein At­las? - Die Kar­to­gra­fie­rung der Sa­turn­mon­de

Das Kar­ten­blatt "Cas­h­me­re Sul­ci" für den Sa­turn­mond Ence­la­dus
Bild 1/7, Credit: DLR.

Das Kartenblatt "Cashmere Sulci" für den Saturnmond Enceladus

Das Kar­ten­blatt ist ei­nes von 15 "Qua­dran­ten" des At­las­ses von Ence­la­dus. Die Kar­ten­geo­me­trie ist ei­ne so­ge­nann­te Lam­bert­sche win­kel­treue Ke­gel­pro­jek­ti­on.
Re­kon­struk­ti­on und Kor­rek­tur der Blick­rich­tung der Ka­me­ra
Bild 2/7, Credit: NASA/JPL-Caltech/Space Science Institute/DLR.

Rekonstruktion und Korrektur der Blickrichtung der Kamera

In­for­ma­tio­nen über die Po­si­ti­on der Son­de und den Punkt, auf den die Ka­me­ra ge­zielt hat, das "Poin­ting", wer­den den Bild­da­ten erst auf der Er­de zu­ge­wie­sen. Auf­nah­men von grö­ße­rer Ent­fer­nung, die den Rand des Mon­des ent­hal­ten, wer­den auf die­se Wei­se kor­ri­giert und je­ne mit hö­he­rer Auf­lö­sung (al­so aus der Nä­he auf­ge­nom­me­ne) wer­den dann auf die Rand­bil­der räum­lich prä­zi­se an­ge­passt.
Von den Roh­da­ten zum kar­ten­pro­ji­zier­ten Bild
Bild 3/7, Credit: DLR.

Von den Rohdaten zum kartenprojizierten Bild

Nach­dem die Roh­da­ten der Cas­si­ni-Ka­me­ras auf der Er­de an­kom­men, fehlt ih­nen nicht nur der räum­li­che Be­zug. Sie kön­nen Aus­le­se­feh­ler oder an­de­re Bild­feh­ler ent­hal­ten (Abb. links). Nach de­ren Be­sei­ti­gung er­fol­gen wei­te­re Kor­rek­tur­schrit­te: Mit ei­ner ra­dio­me­tri­schen Ka­li­bra­ti­on (Mit­te) wer­den Sen­sor­feh­ler - das "Grund­rau­schen" in den di­gi­ta­len Bild­da­ten oder Bild­feh­ler durch Strah­lungs­ein­flüs­se - be­sei­tigt. Als letz­ter Schritt wer­den die Bil­der geo­me­trisch kor­ri­giert, so­dass je­des Ob­jekt im Be­zug zur Ober­flä­che und ih­rer ge­gen­sei­ti­gen La­ge rich­tig dar­ge­stellt wird und man an den Rän­dern der Bil­der kei­nen Ver­satz zum nächs­ten Bild sieht. Dann er­folgt das Um­wan­deln in die ge­wünsch­te Kar­ten­pro­jek­ti­on (rechts) und schließ­lich das Zu­sam­men­set­zen der Bil­der zu ei­nem glo­ba­len Mo­sa­ik.
15-tei­li­ges At­las­sche­ma für die großen Eis­mon­de Sa­turns
Bild 4/7, Credit: Greeley, R. and Batson, R.M., 1990, Planetary Mapping, Cambridge University Press.

15-teiliges Atlasschema für die großen Eismonde Saturns

Nach ei­nem Stan­dard­werk zwei­er US-ame­ri­ka­ni­scher Wis­sen­schaft­ler, die En­de der acht­zi­ger Jah­re ge­nau fest­ge­legt ha­ben, wie sol­che pla­ne­ta­ren At­las­schnit­te aus­se­hen sol­len, wird das Blatt­sche­ma für die Kar­tie­rung der Eis­mon­de fest­ge­legt. Für die Tra­ban­ten des Sa­turn er­wie­sen sich drei ver­schie­de­ne Blatt­schnit­te als ge­eig­net: Ence­la­dus, Te­thys, Dio­ne und Rhea sind, wie in die­sem Bei­spiel, auf je­weils 15 Kar­ten dar­ge­stellt. Mi­mas und Ia­pe­tus auf drei Kar­ten­blät­tern und le­dig­lich Pho­ebe be­steht aus nur ei­ner Kar­te, da er von den ge­nann­ten Mon­den am wei­tes­ten vom Sa­turn ent­fernt ist und Cas­si­ni nur ein­mal zu Be­ginn der Missi­on an ihm vor­bei­ge­flo­gen ist.
15-tei­li­ges At­las­sche­ma für den Sa­turn­mond Te­thys
Bild 5/7, Credit: DLR.

15-teiliges Atlasschema für den Saturnmond Tethys

Te­thys ist mit ei­nem Durch­mes­ser von 1062 Ki­lo­me­tern der fünft­größ­te Mond des Sa­turn. Drei­mal konn­te das Ka­me­ra­sys­tem auf Cas­si­ni den Mond bei ei­nem na­hen Vor­beiflug fo­to­gra­fie­ren und so­mit ei­ne glo­ba­le Ab­de­ckung mit Bild­da­ten in ho­her Auf­lö­sung er­rei­chen. Die Na­men der Land­schafts­merk­ma­le auf Te­thys und auch je­ne der Kar­ten­blät­ter be­ru­hen auf Fi­gu­ren, die in Ho­mers Odys­see vor­kom­men.
Das Kar­ten­blatt Eu­ro­tas Chas­ma­ta des Sa­turn­mon­des Dio­ne
Bild 6/7, Credit: DLR.

Das Kartenblatt Eurotas Chasmata des Saturnmondes Dione

Dio­ne hat ei­nen Durch­mes­ser von 1123 Ki­lo­me­tern und ist von zahl­rei­chen Kra­tern be­deckt, was auf ein ho­hes Al­ter der Ober­flä­che hin­deu­tet. Ne­ben Ence­la­dus ist Dio­ne der­je­ni­ge Mond, der die meis­ten tek­to­ni­schen Struk­tu­ren auf­weist, bei­spiels­wei­se so­ge­nann­te Chas­ma­ta (Plu­ral von Chas­ma, griech. für Schlucht). Das Kar­ten­blatt stellt die Ober­flä­che von Dio­ne in ei­ner zy­lin­dri­schen Mer­ca­tor­pro­jek­ti­on dar.
Dar­stel­lung der ge­sam­ten Ober­flä­che von Mi­mas
Bild 7/7, Credit: DLR.

Darstellung der gesamten Oberfläche von Mimas

Die­se glo­ba­le Dar­stel­lung des Mon­des Mi­mas aus Cas­si­ni-Bild­da­ten ist ei­ne äqui­di­stan­te zy­lin­dri­sche Pro­jek­ti­on: Je­de recht­e­cki­ge Git­ter­zel­le hat die glei­che Grö­ße, Form und Flä­che. Al­le Grad­netz­schnitt­punk­te be­tra­gen 90 Grad. In die­ser Pro­jek­ti­on wer­den die Po­le als ge­ra­de Li­ni­en oben und un­ten im Git­ter­netz dar­ge­stellt. Der für Mi­mas cha­rak­te­ris­ti­sche Kra­ter Her­schel ist in der lin­ken Bild­hälf­te zu se­hen. Für die Be­nen­nung der geo­lo­gi­schen Phä­no­me­ne wer­den Fi­gu­ren aus der grie­chi­schen My­tho­lo­gie und der Ar­tus­sa­ge ver­wen­det.

Nach 20 Jahren wird die erfolgreiche NASA/ESA-Mission Cassini-Huygens am 15. September 2017 ihr Ende finden. Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) war und ist an der Mission von Anfang an technisch, wissenschaftlich und als im Auftrag des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (BMWi) projektförderndes Raumfahrtmanagement beteiligt.

In einer Serie von Beiträgen stellen wir noch einmal die Mission, ihre Experimente, den wissenschaftlichen Kontext, ihre wichtigsten Ergebnisse und die dabei geleisteten Beiträge des DLR und anderer wissenschaftlicher Einrichtungen in Deutschland vor.

Dank Cassini kennen wir heute 62 Monde des Saturn. Eine wichtige Grundlage für ihre weitere Erforschung sind genaue Kartenwerke der Monde. Das DLR-Institut für Planetenforschung erstellt diese auf Basis der hochaufgelösten Kamerabilder von Cassini für die sieben mittelgroßen Eismonde Mimas, Enceladus, Tethys, Dione, Rhea, Iapetus und Phoebe. Der größte Saturnmond Titan hat eine dichte Atmosphäre, die hochauflösende Aufnahmen im sichtbaren Licht verhindert - seine Kartierung beruht vorrangig auf Radardaten. Die übrigen Monde sind meist sehr kleine Objekte mit Durchmessern weit unter 100 Kilometern, die so unregelmäßig rotieren, dass man auf ihnen kein Koordinatennetz festlegen kann.

Die Aufnahmetechnik

Das Cassini-Kamerasystem ISS (Imaging Science Subsystem), das die Bilder für die Karten liefert, besteht aus zwei Komponenten: der hochauflösenden Kamera NAC (Narrow-Angle Camera) mit einem Teleskop von zwei Metern Brennweite sowie der Weitwinkelkamera WAC (Wide-Angle Camera), die eine Brennweite von 20 Zentimetern aufweist. Jede Kamera ist mit mehreren Filtern ausgestattet, die zusammen einen Wellenlängenbereich des Lichts von Ultraviolett bis zum nahen Infrarot abdecken. Für die Erzeugung der Kartenwerke sind die panchromatischen Bilder und die mit dem Grünfilter aufgenommenen Bilder relevant, da sie in etwa den gleichen Kontrast aufweisen. Durch diese Kombination wird eine möglichst volle Abdeckung bei hoher Auflösung erzielt.

Bevor diese quadratischen Bilder - jedes Rohbild hat eine Größe von 1024 mal 1024 Pixeln -zu einem globalen Mosaik verarbeitet werden können, müssen zunächst alle Aufnahmen für einen Mond gesichtet und die Auflösung in Metern pro Bildpunkt des späteren Mosaiks festgelegt werden. Denn anders als bei anderen Missionen fliegt Cassini nicht in einem Orbit um die Monde und umrundet sie solange, bis die gesamte Oberfläche aufgenommen ist, sondern fliegt um den Saturn und macht bei nahen V orbeiflügen an den Monden Aufnahmen ihrer Oberflächen. Diese Aufnahmesequenzen wurden zwar auch genau geplant, aber die Sonde fliegt dabei jedes Mal in einem anderen Abstand zur Oberfläche. Dabei steht die Sonne unterschiedlich hoch über dem Mondhorizont und auch der Blickwinkel von der Kamera zur Oberfläche ändert sich jedes Mal. Das mündet in sehr unterschiedliche Aufnahmen und macht das Mosaikrechnen zu keiner leichten Aufgabe.

Bearbeitung der Rohdaten

Die Sonde Cassini schickt die Bilder in Form von Rohdaten zur Erde. Informationen über die Position der Sonde und den Punkt, auf den die Kamera gezielt hat, das "Pointing", werden ihnen dann auf der Erde anhand der von der Raumsonde synchron zu den Bildern aufgezeichneten Positionsdaten zugewiesen. Während die Orbitinformationen ausreichend genau sind, um die Bilder direkt weiterzuverarbeiten, muss die Rekonstruktion des Kamera-Pointings im Nachhinein noch einmal verbessert werden (Abb. 2). Aufnahmen von größerer Entfernung, die den Rand des Mondes enthalten, werden auf diese Weise korrigiert und jene mit höherer Auflösung (also aus der Nähe aufgenommene) werden dann auf die Randbilder photogrammetrisch, also räumlich präzise orientiert, angepasst. Wenn die Bilder auf der Erde ankommen, fehlt ihnen nicht nur der räumliche Bezug, es kann auch vorkommen, dass sie Auslesefehler oder andere Bildfehler enthalten (Abb. 3a). Nach der Beseitigung dieser Fehler erfolgen weitere Korrekturschritte: Mit einer radiometrischen Kalibration (Abb. 3b) werden Sensorfehler - das "Grundrauschen" in den digitalen Bilddaten oder Bildfehler durch Strahlungseinflüsse - beseitigt. Anschließend wird durch eine sogenannte photometrische Korrektur versucht den Sonnenstand zum Zeitpunkt der Aufnahme für jedes Bild zu vereinheitlichen und damit die Effekte zu reduzieren, die sich ergeben, wenn die Objekte auf der Oberfläche bei jeder Aufnahme aus einer anderen Richtung beleuchtet werden und ihre Schatten dadurch immer in eine andere Richtung zeigen.

Als letzter Schritt werden die Bilder geometrisch korrigiert, sodass jedes Objekt im Bezug zur Oberfläche und ihrer gegenseitigen Lage richtig dargestellt wird und man an den Rändern der Bilder keinen Versatz zum nächsten Bild sieht. Dann erfolgt das Umwandeln in die gewünschte Kartenprojektion (Abb. 3c) und schließlich das Zusammensetzen der Bilder zu einem globalen Mosaik.

Die Unterteilung in Teilkarten

Nun folgt die Überlegung, in wie viele Kartenteile man das Mosaik zerlegen kann, ohne dabei Bildauflösung zu vergeuden, aber dennoch handhabbare Karten zu erzeugen. Maßgebend für diese Entscheidung ist ein Standardwerk zweier US-amerikanischer Wissenschaftler, die Ende der achtziger Jahre genau festgelegt haben, wie solche planetaren Atlasschnitte aussehen sollen. Für die Eismonde des Saturn ergaben sich im Laufe der Zeit drei verschiedene Blattschnitte: Enceladus, Tethys, Dione und Rhea sind auf jeweils 15 Karten dargestellt (Abb. 4), Mimas und Iapetus auf drei und lediglich Phoebe besteht aus nur einer Karte. Er ist von den genannten Monden am weitesten vom Saturn entfernt, daher flog Cassini nur einmal zu Beginn der Mission am 11. Juni 2004 an ihm vorbei.

Nachdem der Blattschnitt gewählt ist und die Mosaikteile zugeschnitten und in die richtige Kartenprojektion umgewandelt wurden, wird ein Kartennetz um jedes dieser Mosaikteile konstruiert. Das Koordinatensystem wurde von der In­ter­na­tio­na­len Astro­no­mi­schen Uni­on (IAU) mit westwärts laufenden Längengraden festgelegt, die von 0 bis 360 Grad gehen. Die Nullmeridiane sind ebenfalls fest definiert und werden jeweils von einem kleinen Krater auf der Oberfläche markiert. Neben der Hauptkarte wird jedes Kartenblatt mit weiteren Informationen versehen. Dazu gehören eine globale Übersichtskarte, die Auskunft über die Lage des Kartenblatts gibt, eine Darstellung, der man die Einzelbilder entnehmen kann, die in den jeweiligen Ausschnitt eingeflossen sind, sowie eine Darstellung, die deren Bildauflösung zeigt (Abb. 1).

Tausendundeine Nacht und König Artus

Wie bei allen Körpern im Sonnensystem werden Oberflächenmerkmale wie Krater, Berge, Ebenen oder Bruchstrukturen mit Namen versehen, die sich in den Mythologien und Kulturen der Völker finden lassen. Diese wurden vom Cassini Imaging Team, zu dem auch die DLR-Wissenschaftler und -Kartografen gehören, vorgeschlagen und von der IAU überprüft und bestätigt. Dabei ist jedem Mond ein bestimmtes Thema zugewiesen, aus dem die Namen von Orten und Personen herangezogen werden, wie zum Beispiel die Sage um König Artus bei Mimas, die Geschichten von 1001 Nacht bei Enceladus oder die Odyssee von Homer bei Tethys. Alle Namen sind in den Kartenblättern eingetragen. Weitere Themen für die Benennung von Objekten auf Planeten, Monden und Asteroiden können im Ga­zet­teer of Pla­ne­ta­ry No­men­cla­ture des U.S. Geo­lo­gi­cal Sur­vey nachgelesen werden.

Ständige Verbesserung der Karten durch neue Aufnahmen

Die Mission lieferte zwischen 2004 und 2017 immer wieder neue spektakuläre Bilder von nahen Vorbeiflügen an den Monden, und so konnten auch die Mosaike und Atlanten immer wieder aktualisiert und verbessert werden. Neue Regionen wurden beleuchtet, die man vorher nie so detailliert gesehen hatte und Strukturen wurden entdeckt, die so prominent erscheinen und von geologischer Bedeutung für den jeweiligen Mond sind, dass sie sich einen Namen verdient hatten. Die gesamten Atlanten sowie Bildmosaike stehen der Öffentlichkeit zur Verfügung und können von der Internetseite des Cas­si­ni Ima­ging Cen­tral La­bo­ra­to­ry for Ope­ra­ti­ons oder der des Pla­ne­ta­ry Da­ta Sys­tems der NASA heruntergeladen werden.

Kontakt
  • Elke Kersten
    Deut­sches Zen­trum für Luft- und Raum­fahrt (DLR)
    In­sti­tut für Pla­ne­ten­for­schung
    Telefon: +49 30 67055-469
    Fax: +49 30 67055-402
    Rutherfordstraße 2
    12489 Berlin
  • Elke Heinemann
    Deut­sches Zen­trum für Luft- und Raum­fahrt (DLR)

    Po­li­tik­be­zie­hun­gen und Kom­mu­ni­ka­ti­on
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Schwarzes Loch

"Kollabiert eine bestimmte Masse bis auf den Radius einer Sphäre, der dem Schwarzschildradius der Masse entspricht, bildet sich ein Schwarzes Loch. Der Schwarzschildradius ist proportional zur Masse und definiert als das Zweifache der Gravitationskonstante mal der Masse geteilt durch das Quadrat der Lichtgeschwindigkeit. An der Oberfläche der Sphäre wird die Entweichgeschwindigkeit dann gleich der Lichtgeschwindigkeit und daher kann nichts mehr von dort 'entkommen'.  Schwarze Löcher haben lediglich drei Eigenschaften: Masse (ohne irgendeine materielle Struktur), Drehimpuls und Ladung. Man findet sie als Relikte verloschener, massereicher Sterne und in den Zentren von Galaxien." Manfred Gaida, Raumfahrtmanagement, Extraterrestrik