Das Beispiel zeigt einen Driftscan auf 1.3 GHz. Das Mondsignal ist nur etwa 0.7 dB über dem Hintergrundrauschen und wesentlich schwächer als der Kalibrator. Eine Vermessung des Himmelshintergrundes wurde anschliessend ausgeführt.
Auf 24 GHz wurde zunächst nach der besten Mondposition gesucht, dann ein klein wenig nach Westen gehalten, so dass nach dem Anhalten der Antennennachführung der Mond durch die Antennenkeule läuft. Nachdem das Signal des 'leeren' Himmels konstant wird, wird die Flusskalibration und ein vollständiges Profil des Himmelshintergrundes aufgenommen. Auf dieser Frequenz ist der Mond deutlich stärker als auf 1.3 GHz.
Auf 24 GHz (Systemtemperatur ca. 400 K) beträgt die Antennentemperatur etwa 100..120 K. Wegen der schmalen Antennenkeule von 0.2° ist dies auch die Temperatur auf der Mondoberfläche. Allerdings ist hierbei die Abschwächung des Signals durch die Erdatmosphäre noch nicht berücksichtigt, was zu einem erheblich kleineren Wert als der Durchschnittstemperatur von 240 K führt.
Nachstehend ist der berechnete Radiofluss auf 1.3 GHz für die ersten drei Monate in 2015 dargestellt. Hierbei ist die sich ändernde Entfernung Erde-Mond berücksichtigt, sowie ein einfaches Modell des Gangs der Oberflächentemperatur mit der Mondphase verwendet worden.
Da das Hauptanliegen der Nachweis von etwaigen Änderungen des Radioflusses während der Finsternis ist, gestaltet sich das Beobachtungsprogramm einfach: Der Mond wird mit den Antennen auf 1.3, 8, 10, und 24 GHz nachgeführt und die Radioflüsse werden dauernd gemessen und aufgezeichnet. Die Beobachtungen beginnen kurz nach Mondaufgang, um eine reichliche Datenmenge des unverfinsterten Mondes zu gewinnen, um eine zuverlässige Einschätzung der Signaländerungen durch Instrument und Himmelsbedingungen zu ermöglichen. Glücklicherweise bleibt der Himmel während der gesamten Nacht vollkommen wolkenlos.
Die auf 1.3 GHz gemessene Signalstärke: Der graue waagrechte Strich zeigt an, wann der Mond im Halbschatten ist, der schwarze Strich, wann er im Kontakt mit dem Kernschatten ist. The beiden schwarzen Marken zeigen, wann er vom Kernschatten bedeckt ist. Da die Antenne eine recht breite Keule von 1.8° sowie deutliche Nebenkeulen hat, ist der Signalpegel am Anfang und am Ende erhöht, durch die vemehrte Einstrahlung des Erdbodens. Am Anfang finden sich auch einige Störungen, wie die kurze hohe Spitze, wohl durch einen Vogel.
Während des gesamten Finsternis, gibt es keine wesentliche Änderung des Signalpegels, abgesehen von der ansteigenden Einstrahlung des Erdbodens. Um 03:00 UT hält die Nachführung zufälligerweise an. Da eine Weile vergeht, bis die Nachführung wieder in Gang gesetzt wird, bleibt bie Antenne auf den leeren Himmel gerichtet, und misst das Himmelsrauschen. Daraus ergibt sich das Mondsignal von 1.03 dB über dem leeren Himmel, wie es bei dieser Antenne zu erwarten ist.
Der Signalpegel fällt im östlichen Teil (rot) der Mondbahn in derselben Weise ab, wie er im westlichen Teil (blau) ansteigt. Eine leichte (0.1 dB) Erhöhung im westlichen Teil ist nicht von der Finsternis verursacht, sondern offenbar durch Änderungen in der Empfangselektronik oder der Erdatmosphäre bedingt.
Leider wurden die Daten nicht aufgezeichnet. Aber häufiges Nachschauen während der Nacht zeigen keine Änderung des Signalpegels, abgesehen von einigen kleinen und plötzlichen Schwankungen, die durch das Durchbiegen der Koaxialkabel verursacht werden.
Der auf 10 GHz gemessene Pegel zeigt einen systematischen Anstieg. Da bei dieser Frequenz die Wärmestrahlung der Erdatmosphäre wichtig ist, kann dieser Anstieg durch eine Veränderung in der Atmosphäre verursacht sein, oder aber auch im Rauschen des in der Nacht auskühlenden Empfängers. In jedem Fall besteht aber keine Beziehung zur Finsternis. Insbesondere gibt es keinerlei Reaktion – in Form eines Abfalls der Signalstärke – die beim Eintritt des Mondes in den Kernschatten gegen 02:15 UT einsetzt! Der plötzlicher Abfall um 03:50 UT ist ganz klar durch das Instrument verursacht. Der Anstieg am Ende der Aufzeichnung ist dadurch bedingt, dass die Antenne in einige Bäume am Westhorizont schaut.
Abhängigkeit des Signalpegels vom Elevationswinkel: Die senkrechten Striche markieren den ersten Kontakt (grau) und den Eintritt und Austritt in den Kernschatten (schwarz). Die waagrechte schwarze Linie zeigt das Intervall an, währenddessen der Mond völlig im Kernschatten ist, mit der maximalen Bedeckung als vertikalen Strich gekennzeichnet. Offensichtlich gibt es keinerlei Veränderung des Signals mit der Elevation. Auf 10 GHz kann die Absorption der Atmosphäre vernachlässigt werden. Es gibt keine Verändering des Signals durch die Finsternis.
Da auf 24 GHz die atmosphärische Absorption wichtig ist, wird die Antenne in etwa regelmäßigen Abständen etwa 5° östlich des Mondes geschwenkt um das Himmelsrauschen zu messen. Der Signalpegel fällt erst leicht ab und steigt dann wieder an, da die Wärmestrahlung der Atmosphäre nach geringen Elevationen ansteigt. Um 02:40 UT, gegen maximaler Abschattung, wird eine längere Messung durchgeführt. Zufälligerweise tritt eine erhebliche Änderung des Pegels auf, die insgesamt einen Abfall von 0.2 dB ergibt. Dies ist rein instrumenteller Natur, weil die Änderung während der Messung am leeren Himmel auftritt: Kopiert man diesen Teil der Registrierkurve an die Stelle des Mondsignals, so findet man dass dies Stück (hier blau dargestellt) sich sehr gut in den Verlauf des Mondsignals einfügt. Daher ändert sich die Radioemission auf 24 GHz während der Finsternis nicht.
Aus den Messungen von Mond und benachbartem Himmel (rote Kurve) kann der Zustand der Atmosphäre bestimmt werden. Die grüne Kurve zeigt die Abhängigkeit des Himmelsrauschens vom Elevationswinkel, die aus einem einfachen Atmosphärenmodell vorhergesagt wird. Die blaue Kurve ist die Anpassung der Mondmessungen. Blaue Zahlen am oberen Rand geben den Elevationswinkel für den Abszissenwert der Luftmasse = 1/sin(elevation) an.
Mit einer Systemtemperatur von 200 K aus anderen Messungen, und unter der Annahme einer planparallelen Luftschicht der Temperatur 290 K findet man, dass der gemessene Verlauf des Himmelsrauschens mit der Elevation durch eine Zenitabsorption von 0.47 dB, entsprechend einer Zenittemperature von 30 K, wiedergegeben wird. Beide Werte sind in guter Übereinstimmung mit vorhergehenden Beobachtungen bei klarem Himmel. Für dem Mond ergibt sich eine Antennentemperatur von 175 K.
Jedoch bleibt eine Frage offen: In-situ Messungen während der Apollo Missionen zeigen in der Tat
eine erhebliche Temperaturänderung der obersten Schichten während Mondfinsternissen. Wenn die Emission
bei 24 GHz aus den obersten Zentimetern stammt, warum wird dann kein Signalabfall gemessen?
Da Piddington und Minnett ihre Messungen der Verzögerung der Mondtemperaur ebenfalls auf 24 GHz machten,
ist offenbar die Frequenz noch nicht ausreichend hoch, um wirklich die allerobersten Schichten zu erfassen.
Wie groß wäre der zu erwartende Pegelabfall?
Dies läßt sich mit Hilfe eines Modells des Mondbodens berechnen,
der durch die Sonneneinstrahlung geheizt wird:
Die vorhergesagte Absenkung des Radioflusses des Mondes bei mehreren Frequenzen
während einer totalen Mondfinsternis, gemessen in Prozent des Flusses des Vollmonds.
Die maximale Bedeckung ist zum Zeitpunkt = 0.
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Der Mond nahe bei maximaler Abschattung. Wegen der 15 s langen Belichtung ist der Mond verschwommen aber Spuren von Hintergrundsternen sind sichtbar. |
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Der Mond beim Austritt aus dem Kernschatten. Die Belichtung ist so gewählt, dass der abgeschattete Teil sichtbar ist. Daher ist der helle Teil völlig überbelichtet. |
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Der Mond vor dem Verlassen des Halbschattens. |