Zenith Sky Brightness Difference Using Linear Polarization Filter at Maximum and Minimum Attenuation Angle and with 600 nm long pass filter after sunset

Zeniitinalueen kirkkauseroja lineaarisen polarisaatiosuotimen ja 600 nm punasuotimen läpi auringonlaskun jälkeen

Author: I. Yrjölä, 03-05-2003   update 22-10-2009 Copyright 2002...2014
hits since 20050614

Abstract: The light scattering from the sky is intense in the blue end of the light spectra and strongly polarized at 90 degrees from the sun. The polarization is highest when there are least water vapour, aerosols and turbidity in the air. Haze will bring multiple (Mie) scattering which will de-polarize the Rayleigh scattered light. The purpose was to estimate and test how much gain there is by the use of polarization and long pass filters with the aim to add (meteor video) observing hours during low sun angles after and before sunset and sunrise and during summer light nights. This article takes a look at how this well know effect for photographers, could be used in video meteor astronomy.
 
 



Photos: Left: Sky at sunset with linear polarizer filter set for
minimum and maximum attenuation (insert) on the
camera objective. Right: fisheye towards zenith and gamma set to 0.2 to enchance the polarized light- zone effect.













Introduction: A high latitude observing site suffers from summer light skies rendering optical astronomical observations impossible even at midnight hour from approximately early May till early August. To shorten this period, optical filters could provide some help by attenuating part of the scattered sunlight, providing the loss of light on the filters can be overcome due to extreme sensitivity of the observing instrument (image intensifier). The observed object's spectra may or may not allow these methods to be used, so their practicality has to be considered on each case. This method could also be used in the winter during the twilight hours, but since the time window where the filters are useful, is limited, and it would need extra work to remove and insert them at dusk and a dawn, and which would abruptly change the instrument's photometric characteristics and influence on the observing data processing, this may not be worth the trouble.

Since moonlight, which is also a frequent problem at all latitudes in optical astronomy, is merely sunlight reflected by the moon and is scattered in our atmosphere in similar way, the same methods can also be used to attenuate scattered moonlight component at 90 degrees from the moon with the polarization filter, or at almost any direction by the use of red filter. Efficient use of polarization filter for these purposes would call for a rotation (polarization tracking) mechanism to keep the filter at right angle from the source of interfering light source in case the filter is used for a time period of longer than about an hour. For short observation period, a compromise where filter's polarization angle is set to correspond the maximum skylight attenuation at middle of the observing period, is an acceptable compromise, but this period can not be much longer than an hour or so.
 

Taivaalta sironnut auringon- ja kuunvalo on voimakkainta spektrin sinisessä päässä ja voimakkasti polarisoitunutta 90 asteen kulmaetäisyydellä auringosta (tai kuusta). Polarisoituminen on puhtainta, kun ilmassa on vähiten vesihöyryä, aerosoleja ja pyörteisyyttä. Utuisuus aiheuttaa moninkertaista sirontaa (Mie scattering), joka de-polarisoi Rayleigh-sironneen polarisoituneen valon.

Tähtitaivaan himmeiden (>+2 mag) kohteiden optinen havainnointi on Suomessa mahdotonta huhtikuun lopusta elokuun alkupuolelle vaalean yötaivaan vuoksi. Koska taivaalta sironnut auringonvalo on painottunut voimakkaasti spektrin siniseen päähän ja on polarisoitunutta, polarisaatio- ja punasuotimia voidaan käyttää sen vaimentamiseen ja saada kohteen kontrasti paranemaan taustataivaaseen nähden, mikäli havaittavan kohteen spektri sen sallii. Suotimiin hukkuu valoa, mutta jos havaintoinstrumentti on erittäin herkkä, siihen on varaa.  Polarisatiosuotimesta saatavaa hyöty on suurimmillaan hyvällä säällä ilmamassan ollessa kuiva, puhdas  ja pyörteetön. Taivaan pimetessä kunnolla suotimet pitäisi jossakin vaiheessa ottaa pois käytöstä, ja aamuhämärän saapuessa asettaa takaisin linssin eteen, joka esim. meteorivideokuvauksessa aiheuttaa kameran fotometrisiin ominaisuuksiiin tiedonkäsittelyn kannalta hankalan äkillisen muutoksen, lisää työmäärää melkoisesti,  mikä tekee tällaisen suotimien jokaöisen käytön epäkäytännölliseksi.

Samaa tekniikkaa voidaan käyttää yöllä kuunvalon haitan vähentämiseen, koska sekin on vain auringonvaloa, joka on heijastunut kuun pinnan ja siroaa maan ilmakehässä. Polarisaatiosuotimen juoheva rutiinikäyttö vaatisi suotimeen pyöritysseurantamekanismin, joka pitäisi suotimen asennossa, jolla saavutettaisiin koko ajan maksimivaimennus. Lähes maksimivaimennuksen antama suotimen kiertokulma-alue ei ole neulanterävä, eli suodinta ei tarvitse pyörittää, jos suodinta käytetään yhtäjaksoisesti vain noin tunnin verran. Tällöin havaintojakson alussa ja lopussa suotimen vaimennus ja saatu hyöty jää hieman maksimiarvoa vähäisemmäksi.



 

Stellar test images with image intensifier

Koekuvia tähtitaivaasta valonvahvisimella


UMa area imaged with image intensifier using 600 nm long pass (red) and linear polarization (at maximum attenuation for scattered sunlight) fitters. Photos taken with digicam from monitor screen after adjusting the brightness setting for identical brightness of the background for all cases. Please note the spectra of stars affects results with the red filter.

Otavan aluetta valongahvistimella 600 nm punasuotimella ja lineaarisella polarisaatiosuotimella. Kuvattu digikameralla videomonitorin ruudulta. Kuvan pohjakirkkaus säädetty samaksi kaikille suotimille. Huom: tähden oma spektri vaikuttaa punasuotimella saatuihin tuloksiin.
 

Though the loss of light with filters is evident, specially with high gain image intensifier, there is some difference in the numbers of stars visible at that -10.5° solar elevation angle. The best solution may be the use of combined polarizer and 600 nm long pass filters, but even then the difference in the number of stars on the video field, is not vast, but it's there as you can see. Also studying daytime sky spectra and aiming 90 degrees away from the sun suggests this combination is blocking much of the blue-end spectra of scattered sunlight with the red filter and the polarizer blocking off about 2..3 magnitudes at these solar angles.

Vaikkakin valoa hukkuu suotimiin, sen huomaan varsinkin suurivahvistuksisella valonvahvistimella, on kuvakentässä näkyvien tähtien lukumäärissä -10.5° auringonkorkeuskulmalla joitakin eroja. Tehokkain ratkaisu on puna- ja polarisaatiosuotimen yhteiskäyttö, mutta näkyvien tähtien lukumäärään se ei huikeaa eroa tee, kuten kuvista näkyy. Suodinyhdistelmähän on teoreettisesti tehokkain vaihtoehto, sillä sironnut auringonvalon kajo on lähinnä sinistä valoa, kuten päivätaivaan valon spektristä huomataan ja sitä punasuodin suodattaa. 90-asteen päässä auringosta taivaalta sironnut auringonvalo on kaikkein eniten polarisoitunutta ja polarisaatiosuodin oikein säädettynä vaimentaa sitä jossakin tilanteessa jopa noin 2...3 magnitudia.
 

Photometric measurements with blue-sensitive phototransistor

Fotometrisiä mittauksia siniherkällä valotransistorilla

NOTE: 1:10 ratio = 10 dB = 2.5 stellar magnitudes

Attenuation of zenith sky brightness with different optical filters and sun angle as referred to initial sunset illuminance value using 25° FOV and phototransistor detector. Upper trace is with no filters.

Taivaan zeniitinalueen kirkkauden eroja erilaisilla optisilla suotimilla ja auringon korkeuskulmilla verrattuna auringonlaskun hetkisiin arvoihin 25 asteen näkökentässä ilmaisimena valotransistori. Ylin käyrä on mitattu ilman suotimia.
 

The initial zenith area skylight attenuation difference between the two polarization is 7.2 dB at sunset, but is reduced to about 5 dB as the sun approaches –5°. The difference in stellar magnitudes is 1.8 and 1.25. The benefits of using a polarization filter and a red filter in darkening the sky background, will vanish gradually as the sky becomes increasingly more dark. The polarization difference being 3 dB at approximately –9° angle, when it may no longer be practical to use the polarization filter because of it’s 47% (~3 dB) transmissivity losses. The dip and secondary peak near –5° observed on other studies on single wavelength data, can not be well observed in these results, presumably because of the broad spectral response of the detector and filters.

The use of 600 nm (red) long pass filter reduces sky brightness by 3.6 dB (0.9 mag.) at sunset, but this difference is also reduced to about 2.5 dB (~0.6 mag.) at negative sun angles greater than -4°).

The typical attenuation for sky brightness achieved during these first degrees of twilight, is 8.5 dB (2.1 mag.) (polarizer only), or 10 dB (2.5 mag.) by using both optimally adjusted linear polarizer and the red filter.

The measurements were made with Centronic OSD1-5T photodetector connected to a home-made transimpedance op-amplifier with DVM on the evening of Aug. 5. 2000 and using EME-planner software to display sun's elevation angle in real time. Weather conditions: temperature 19….16 °C, RH 70…77%. Field of view was limited to 25 degrees and the instrument was aimed towards zenith. The filters were Hoya 25A 600 nm long pass and Tokina (PL) linear polarizer. Verifiable measurement errors in the data are less than +-10%

Note: The sensitivity of the detector did not allow data to be taken at lower sun elevation angles.

The spectral response of the detector does not match that of the eye, but resembles more a S25 type photocathode used in image intensifier, on which the filters are used. (http://www.centronic.co.uk/electro/responce.htm)

Auringonlaskun hetkellä zeniitin alueen ristikkäisten polarisaatioiden välinen ero on 7.2 dB, mutta vähenee noin 5 dB:iin Auringon kulman painuessa –5 asteeseen. Ero magnitudiasteikolla on 1.8 mag ja 1.25 mag. Punaisen- ja polarisaatiosuotimen antama hyöty taivaan tummuuden lisäämiseksi hupenee sitä mukaa, kun taivas tummenee ja on noin 3 dB (0.7 mag.) kulman ollessa noin –9°, jolloin voi alkaa olla kyseenalaista onko polarisaatiosuotimesta enemmän haittaa, kuin hyötyä sen 47% valonläpäisystä johtuen (~3 dB). Noin –5° tienoilla oleva toisiomaksimi, joka on havaittu spektrivasteeltaan kapeakaistaisella polarisaatiomittauksella, ei juurikaan näy näissä tuloksissa johtuen ehkäpä käyttämäni ilmaisimen ja suotimien leveästä spektrivasteeesta.

600 nm:n punasuotimen käyttö vähentää taustataivaan tummuutta 3.6 dB (0.9 magnitudia) auringonlaskun hetkellä, mutta tämäkin hyöty hieman vähenee auringon painuessa ja on n. 2.5 dB (~0.6 mag) –4° tienoilla.

Tyypillinen taustataivaan tummuuden aleneminen heti auringonlaskun jälkeen elevaatiokulman ensimmäisten miinusasteiden aikaan on 8.5 dB (2.1 mag) (pelkkä polarisaatiosuodin), tai 10 dB (2.5 mag) käyttämällä sekä puna-, että polarisaatiosuodinta.

Mittaukset suoritettiin 5. paivä elokuuta, v. 2000, Centronic OSD1-5T valodiodilla, joka oli kytketty omavalmisteiseen transimpedanssioperaatiovahvistimeen ja näyttönä oli digitaalinen yleismittari (Fluke-77). Auringon kulmaa näytti EME-planner-ohjelma. Sääolosuhteet: lämpötila 19…16 °C, suhteellinen kosteus 70…77%. Ilmaisimen näkökenttä zeniitissä oli rajattu halkaisijaltaan 25 asteeseen. Suotimet: Hoya 25A, Tokina PL. Todetut mittausvirheet ovat alle +-10%.

Huom: Ilmaisimen rajallinen herkkyys mahdollisti arvojen mittaamisen vain -5.5 asteen auringon korotuskulmaan asti. Ilmaisimen spektrivaste ei ole sama kuin silmän, vaan se muistuttaa valonvahvistimissa käytettyä S25 tyypin fotokatodia, jonka kanssa suotimia on koekäytetty. (http://www.centronic.co.uk/electro/responce.htm)

Photometer output voltage vs. assumed sky illuminance at solar angles –5.5 degrees to 0 degrees in 0.5 degree steps using OSD1-5T blue sensitive photodetector.



 
 
 

Conclusion:

In most cases the filtering of scattered sun- or moonlight can provide a marginal, but real advantage in those difficult natural-light-pollution situations and the use of carefully selected filter or filters is recommended.

Application to image intensified meteor video work: The meteor video season can be extended by 5 to 6 days in May and another 5 to 6 days in June at sites with latitude around 60° N. Since the application (meteor imaging with image intensifier or CCD) calls for a low sky brightness for many reasons, the sun's elevation range proper for this application, is far form the 0...-5° low negative sun angle range, where most benefit could be achieved by the use of polarizer filter. At -10° the polarizer filter gives 1.3° solar elevation angle advantage - into the nautical twilight zone, which in my location equals to about 5 nights and one extra night can be gained by stacking the 600 nm long pass filter. Without filters, few meteors have been detected with intensified camera and MetRec software when solar elevation angle has been higher than -12° (during nautical twilight) and with WAT-902H CCD camera at solar angles higher than -11°.

Overall, the benefit in observing time, if filters are used only at season's start and end nights, is about +0.5% / year.  That is no more than some 16 hours, but since the instrument's sensitivity is reduced, the 'effective' gain is less. Substantially more observing time could be gained if the filters would be used every night during twilight and full moon periods, but as mentioned earlier, they would need a mechanism to automatically flip them on and rotate the polarization filter according to light pollution source's direction (sun or near full moon). Further, the software that reads the images, would have to be able to take in to account the changes in instrument's photometric characteristics.

On sites located between latitudes 55° to 57°, such as southern Baltic area, the filters could be used to eliminate the midsummer pause in observing. At lower latitudes the benefits would be only in moonlight and nightly dusk/dawn filtering. At latitudes higher than 57° the filters extend the season by about 12 days, but a summer break is unavoidable.
 
 

Artificial light pollution map of nothern Kymi-river valley area

Pohjoiskymenlaakson alueen valosaastekartta


Rajamagnitudit zeniitissä (paljain silmin näkyvien tähtien lukumäärä):
4.5-5.0  (<250)   5.0-5.5  (<400)   5.5-6.0 (<600)  6.0-6.25  (<900)    6.25-6.5 (<1300)>6.5   (>1300)
Linnunrataa ei näy                  Linnunrata  näkyy hyvin
 
 


Katuvalaistuksen sähkötehon kasvu viimeisten 100 vuoden ajalta Kuusankoskella. y-asteikko: jokainen 10-kertainen valaistukseen kulutetun sähkötehon määrä kasvattaa tuotettua valon kirkkautta 2,5 magnitudi-yksikköä. Koska lamppujen ja valaisimien hyötysuhde on kasvanut, valoteho on kasvanut kulutettua sähkötehoa nopeammin ja kasvaa yhä. Kuvaaja ei sisällä yksityistä, kaupallista, liikunta-alue-, tai teollisuuden valaistusta, mm. urheilukentät, kauppakeskusten pysäköintialueet, kasvihuoneet, sekä teollisuuden puunkäsittelyalueet. Ensimmäiset ulkovalaistus-valokaarilamput (8 kpl) syttyivät Kymintehtaalla 1.4.1884. Sitä ennen vähäinen ulko"valaistus" tuotettiin vahakynttilöillä ja öljylampuilla. 2000-luvulla pääasiassa elohopeahöyrykatuvalaisimia oli reilut 4000 kpl ja niiden keskim. teho 250 W ja valaistuja katuja noin 100 km verran.
Increase of streetlight power consuption over the last 100 years in Kuusankoski. Vertical scale: every 10-fold increase of power consumed equals to produced light power increase of 2.5 stellar magnitudes, but since the efficiency of lamps and fixtures has improved, light power has increased substantially more than the consumed electric power and is still increasing. This graph does NOT include private, commercial, community or industrial lighting of which sports arenas, shopping malls, greenhouses and industrial wood processing areas are most lighted.
 
 

Yhteenveto:

Suotimien käyttö luonnollisen valosaasteen vähentämiseen on suositeltavaa, vaikkakin saatu etu on marginaalinen. Suodintyyppien valinta pitää tehdä kuitenkin harkiten ja pahimmissa tilanteissa käyttää useampia suotimia.

Meteorivideokuvaukseen soveltaminen: Meteorivideokuvauskautta voi optisilla suotimilla jatkaa, tosin ilmaisuherkkyyden kustannuksella. Suotimista saatava hyöty jää kuitenkin vähäisemmäksi, koska valonvahvistimella kuvattaessa taustataivaan kirkkaus ei saa olla liian suuri, eikä 0...-10 asteen auringon elevaatiokulmilla  kannata kuvata monestakaan eri syystä. Hyödyllisellä -10...-12° auringon elevaatiokulma-alueella valo ei valitettavasti enää ole niin hyvin polarisoitunutta ja polarisaatiosuotimen hyöty jää vähäisemmäksi. Käytäntö on osoittanut, että meteoreja ei juuri saada rekisteröityä (MetRec) auringon ollessa korkeammalla kuin 12° horisontin alapuolella (elevaatio -12°, astronomisen hämärän ja nauttisen hämärän raja) kuvan pohjakirkkauden nousun vuoksi (mm. kameran dynamiikka ja vanojen heikentynyt kontrasti). Suotimilla päästään noin noin 2° verran nauttisen hämärän puolelle, eli kuvaus valonvahvistimella onnistuu elevaatiokulmaan -10.5° asti ja epäherkemmällä CCD kameralla -9.7 asteeseen. Kuvattujen meteorien lukumärä ilman suotimia kuitenkin laskee jo pelkästään rajamagnitudin heikentyessä  noin 1/10-osaan auringon elevaation noustessa -12.5° > -10° ja 1/100-osaan auringon elevaation noustessa -12.5 asteesta -7.5 asteeseen.

Normaalisti ilman suotimia meteorivideokuvauskausi alkaa tunnin kuvausajalla / yö 31. heinäkuuta ja päättyy 9. toukokuuta (60.9° N, oletushavaintopaikka eteläsuomessa). Mikäli suotimet otetaan käyttöön  10. toukokuuta, päästään keväällä polarisaatiosuotimella jatkamaan kautta 5..7 yötä (n. 16,5 asti) ja lisäämällä punasuodin sen päälle vielä yksi yö lisää. Sama voidaan toistaa käänteisessä järjestyksessä heinäkuun 24. ja 25. elokuuta...30. heinäkuuta. Hyödyntämättä vuoden jokaisen havaintoyön hämäräjaksoja ei suotimien käyttö lisää vuotuista havaintoaikaa, kuin 0.5%:lla, eli korkeintaan noin 16 tuntia, ja kun lasketaan kameran alentunut meteorien ilmaisuherkkyys suotimien vaimennuksen vuoksi, "tehollinen" havaintoajan kasvu jäänee reilusti alle 10 tunnin / vuosi, eli jos talven aikana saa n. 1000 meteoria videoitua, suotimilla saa tuohon määrään parikymmentä lisää.



References and links:

"Polarized Light in Nature," Können G.P., Cambridge University Press, New York (1985)
Zenith Skylight Characteristics in the Sunrise Period at Mauna Loa
Light Measurement Handbook
Blue sensitive detectors
Photometer preamplifier
Filters