Lichtende nachtwolken en meteoren, verlichters van de zomernacht

Reikhalzend kijken de kenners in juni en juli iedere heldere avond uit of ze er ook zijn, de ‘lichtende nachtwolken’. De blauwwitte, zilverachtige wolken vertonen soms fraaie golfstructuren en bieden door hun vorm en kleur iets dat de ‘gewone’ wolken in de lagere atmosfeer niet bezitten. Dit seizoen zijn ze ongekend actief. Nachtwolkwaarnemer en luchtvaartmeteoroloog Jacob Kuiper geeft in deze longread een analyse waarom 2019 dé grote kaskraker van de afgelopen jaren lijkt te worden.

Buiten een relatief kleine waarnemersgroep om,  zijn de meeste mensen doorgaans niet of nauwelijks op de hoogte van het bestaan van dit soort wolken. Dat de lichtende nachtwolken niet bij het brede publiek bekend zijn is logisch, want in een gemiddeld zomerseizoen komen ze vaak maar op 2 tot 5 late avonden en/of vroege ochtenden voor. Meestal bevinden ze zich dan ook nog vrij laag boven de noordelijke horizon waar andere objecten ze gemakkelijk aan het zicht kunnen onttrekken. Toch raakt het grote publiek de laatste jaren meer en meer bekend met het verschijnsel. De sterk toegenomen ‘camera-dichtheid’ onder de mensen en het relatief vaak verschijnen van deze bijzondere wolken heeft de onbekendheid teruggedrongen. De weerpresentatoren tonen met enige regelmaat nu op televisie de fraaie wolkenformaties, wat sterk bijdraagt aan de bekendheid van het fenomeen. Maar wat weten we nu eigenlijk over deze wolken? Hoe ontstaan ze en komen ze steeds vaker voor?

Lichtende nachtwolken op 13 juni 2019, omstreeks 00:03 vanuit Steenwijk. Foto: Jacob Kuiper

Stof en ijs vormen spiegeltjes

Lichtende nachtwolken bevinden zich op zeer grote hoogte in de atmosfeer. In de onderste 10 tot 15 kilometer van de dampkring, de troposfeer, vinden we de wolken die we dagelijks meemaken. In de laag daarboven, de stratosfeer, is het droog en vormen zich nauwelijks wolken. In de winter kunnen er in de stratosfeer op heel zeldzame momenten tussen 20 en 30 kilometer hoogte bij zeer lage temperaturen de zogenaamde parelmoerwolken ontstaan. In de nog hoger gelegen atmosfeerlaag, de mesosfeer, is eigenlijk ook te weinig waterdamp aanwezig om wolken te vormen. In het zomerseizoen ontstaan op hoge noordelijke breedte in de mesosfeer echter verticaal omhoog gerichte bewegingen die de ijle atmosfeer laten afkoelen. De afkoeling is aan de top van die laag, bij de zogeheten mesopauze, toch sterk genoeg om waterdamp te laten sublimeren tot ijskristalletjes. De temperatuur waarbij dat proces goed op gang komt ligt dan al rond de min 120 graden Celsius. De ijskristalletjes zetten zich graag af op minieme stofdeeltjes. Die stofdeeltjes zijn er op die hoogte, rond 80 tot 85 kilometer, in ruime mate voorhanden. Het zijn de resten van meteoren die al iets hoger in de atmosfeer uiteenvallen door de wrijving met de luchtmoleculen. De asresten van de meteoroïden zijn microscopisch klein en blijven lange tijd zweven op die grote hoogte. Juist rond de mesopauze zijn de meteoorresten dan een mooie basis om te berijpen. De berijpte deeltjes zijn dan zo groot dat ze het zonlicht kunnen weerkaatsen en als spiegeltjes gaan fungeren. De diameter van de afzonderlijke stofjes blijft echter superklein, vaak niet groter dan 1 tienmiljoenste meter. Dat weerkaatste zonlicht is daardoor erg zwak, zo zwak dat de berijpte stofjes pas zichtbaar worden als de hoeveelheid weerkaatst  licht  dat van de helderheid van de normale hemelachtergrond overtreft. Het duurt daarom in onze streken vaak minstens tot  vijf kwartier na zonsondergang (of tot maximaal 5 kwartier voor zonopkomst) dat de wolken zichtbaar worden.

Kijken naar Noorwegen en Zweden

Vanwege hun verschijningsmoment worden ze daarom nachtwolken genoemd, hoewel er in de zomer eigenlijk op onze breedte alleen maar sprake is van diepe schemering ( de ‘grijze’ nachten). Juist door dat feit, te danken aan de zon die niet zo heel ver onder de horizon staat, is het recept voor lichtende nachtwolken compleet. De stofdeeltjeshoogte op 85 kilometer verblijven op deze noordelijke breedte nog langer in de zon en kaatsen daardoor het licht ook naar onze positie in de schemering. Rond half twee in de nacht staat de zon het verst onder onze horizon en komt ook een groot deel van de nachtwolken even in het donker. In de aardschaduw is er dan geen mogelijkheid meer om zonlicht te weerkaatsen. Alleen berijpte stofdeeltjes die op zeer noordelijke breedte zweven, bijvoorbeeld boven midden Noorwegen, blijven de hele nacht in het zonlicht. Vanuit ons land zijn die zeer noordelijke wolken soms nog te zien, maar ze bevinden zich zeer laag boven de noordelijke horizon, soms niet hoger dan 1 graad aan de hemel. Het is wel bijzonder om dan in feite wolken te zien die zich op meer dan 1000 kilometer afstand van jou bevinden, ergens ver boven Noorwegen of Zweden.

1885

Het optreden van lichtende nachtwolken wordt al meer dan 100 jaar nauwkeurig bijgehouden. De allereerste meldingen komen uit 1885. Dat wil niet zeggen dat ze daarvoor nooit zijn gezien, maar er bestaan geen goede waarnemingsgegevens van. Wat opvalt, is dat er een sterke schommeling is in het aantal opgetreden situaties door de jaren heen. Het blijkt dat er ook een 11-jarige cyclus in is te ontdekken. De activiteitscyclus van de zon heeft invloed op het temperatuursverloop (verminderde kans op extreem lage waarden) in de mesosfeer en op de hoeveelheid ultraviolette straling. Die UV-straling is voor een deel verantwoordelijk voor het uiteenvallen van waterdampmoleculen in zijn afzonderlijke elementen. Beide effecten leveren tijdens een zonne(vlekken)maximum dus indirect een verlaagde kans op rijpvorming op de meteoorresten. In de jaren rond het zonnevlekkenminimum lijkt het aantal waarnemingen van lichtende nachtwolken dus gemiddeld hoger te liggen.

Lichtende nachtwolken op 21 juni omstreeks 23:21, gezien vanuit Steenwijk. Foto: Jacob Kuiper

Rol van methaan?

In de laatste decennia lijkt er echter een toename in de hoeveelheid polaire mesosfeerwolken, zoals de wetenschap deze wolken meestal noemt,  te constateren. Mogelijk wordt vanuit de lagere atmosfeer meer waterdamp naar de mesosfeer gevoerd, waardoor de kans op rijpvorming op de meteoroïderestanten toeneemt. Een van de mogelijkheden om meer water(damp) in de hogere atmosfeer te krijgen, biedt het broeikasgas methaan. De concentratie methaan in de troposfeer neemt de laatste decennia toe (o.a. door verhoogde uitstoot/aanmaak door landbouw en veeteelt en permafrostsmelt in de toendra’s). Dat opstijgende methaan kan op grote hoogte in de atmosfeer chemisch reageren met andere stoffen en onder invloed van sterke UV-straling van de zon uiteenvallen, waarbij dan water vrijkomt. Het onderzoek naar de toenemende concentratie waterdamp in de mesosfeer is nog erg jong en veel zaken zijn nog niet bekend. Door de veranderende samenstelling van gasconcentraties zijn de mogelijkheden om rijp op de het meteoorstof te laten groeien wellicht steeds gunstiger. De wijzigende frequentie en de mate waarin polaire mesosfeerwolken voorkomen, kan dus een aanwijzing zijn dat ook in de hoogste delen van de dampkring nieuwe evenwichten worden opgezocht.

De kaskraker van seizoen 2019

Met de 11-jarige zonneactiviteit nu zo ongeveer op het laagst, heeft het lichtende- nachtwolkenseizoen 2019 zich niet onbetuigd gelaten. Met de AIM-satelliet, speciaal aan het werk om polaire mesosfeerwolken in kaart te brengen, werden de eerste wolken waargenomen op 22 mei en dat is bijzonder vroeg. De concentratie polaire mesosfeerwolken nam daarna snel toe en reikte tot breedtegraden waar ze normaal niet of nauwelijks worden gezien. Vanuit Nederland en België werden de laatste weken vrijwel iedere heldere avond/nacht lichtende nachtwolken waargenomen. Dat is bijzonder en levert een verschijningsfrequentie die vele malen hoger ligt vergeleken met ‘magere’ jaren. Culminatie in het huidige nachtwolkenseizoen was de topdisplay op de late avond van 21 juni 2019. Rond 23.00 uur was de hemel in onze streken voor meer dan 80% bedekt met lichtende nachtwolken. Als groot liefhebber van het fenomeen, doe ik al sinds 1983 waarnemingen. Iedere heldere weersituatie in de zomernachten wordt geturfd of ze er wel of niet waren. De grote hoeveelheid verschijningen in dit seizoen zijn wat dat betreft al historisch. De uitgebreidheid waarmee het verschijnsel op 21 juni te zien was, brak de recordverschijning die op 2 juli 2008 in de vroege ochtend zichtbaar was. Ook andere nachtwolken-waarnemers die al meerdere decennia het verschijnsel bijhouden, spreken van een absolute topper in deze toevallig kortste nacht van het jaar.

Polaire mesosfeerwolken AIM satelliet 16 juni 2019 Foto: NASA.

Deel jouw foto’s

Heb je ook lichtende nachtwolken gezien? Deel je foto’s online op sociale media met de hashtag #lichtendenachtwolken en tag de Werkgroep Meteoren. We zijn te vinden op Twitter én op Instagram. Voor meer foto’s van lichtende nachtwolken kun je ook terecht op de Instagram van de KNVWS.


Tekstbijdrage: Jacob Kuiper, luchtvaartmeteoroloog bij het KNMI, tevens bestuurslid van de KNVWS en al jaren lid van de Werkgroep Meteoren.

De vergeten Nederlandse bijdrage aan de eerste interpretaties van Meteor Crater in Arizona

Door: John W.M. Jagt

Op het Colorado Plateau in de Amerikaanse staat Arizona ligt Meteor Crater, wereldwijd een van de meest bekende inslagkraters. Veel minder bekend is dat de Nederlander Marten Edsge Mulder, een professor in de oogheelkunde in Groningen, met zijn onderzoek aan het begin van twintigste eeuw aan de wieg stond van de huidige inzichten over de inslagprocessen die dit soort kraters vormen.

Professor Grzegorz Racki (Faculteit Aardwetenschappen van de Universiteit van Silesië, Sosnowiec, Polen) speurt al een aantal jaren het internet af, op zoek naar vroege (pre-1925) wetenschappelijke verhandelingen over inslagkraters, zowel op de Maan als op Aarde. Daarbij maakt het hem weinig uit wat de studies precies betogen: dat kan gaan van het mechanisme van de inslag zelf tot aan de gevolgen van de inslag op het (fossiele) planten- en dierenleven. Inmiddels is hij daarin heel bedreven geraakt en heeft al menig, doorgaans niet-Engelstalig artikel, en daarmee ook de auteurs, aan de vergetelheid ontrukt (Racki et al., 2014, 2018; Jagt-Yazykova & Racki, 2017; Racki, 2019; Racki & Koeberl, in druk). Eén van deze publicaties staat hieronder centraal, naar aanleiding van een artikel dat begin 2018 verscheen (Racki et al., 2018). Deze tekst is een uitgebreidere versie van een eerder verschenen artikel (Jagt et al., 2018) over Mulder in de Geo.brief over de eerste inslagstructuur van een meteoriet op Aarde die als zodanig werd erkend.

Geologische gemoederen

Al sinds de ontdekking in 1891 heeft Meteor Crater (ook wel Barringer Crater, Coon Mountain, Coon Butte en Canyon Diablo genoemd) op het woestijnachtige Colorado Plateau in de Amerikaanse staat Arizona, de gemoederen stevig beziggehouden. Niet in de laatste plaats had dit te maken met winstbejag, want er was al bekend dat ijzermeteorieten diamanthoudend konden zijn. Met name Daniel Moreau Barringer (1860–1929) uit Philadelphia, zowel zakenman/advocaat als mijningenieur/geoloog, was ervan overtuigd dat commerciële winning van edelmetalen zoals platinum, nikkelijzerverbindingen en van diamantjes dieper in de bodem van de krater mogelijk was (vgl. Reimold et al., 2005). Met zijn ‘Standard Iron Company’ rekende hij zich al rijk, ofschoon aan het begin van de 20ste eeuw het proces van kratervorming door meteoren en het al dan niet uit elkaar spatten daarvan nog lang niet was doorgrond. Barringer ging uit van een niet-explosieve inslag. Andere geologen in de Verenigde Staten gingen daarin niet mee. Zij dachten eerder aan een vulkanische oorsprong van de krater als gevolg van een stoomexplosie in de aardkorst, vergelijkbaar met de ‘Maaren’ in de Duitse Eifel.

Satellietfoto van de Meteor Crater in Arizona (foto: Wikimedia [NASA Earth Observatory)

Oogheelkundige werpt blik op inslagkrater

In november 1909 woonde Marten Edsge Mulder, professor in de oogheelkunde aan de Universiteit van Groningen, een lezing van ir. Albert Kapteyn over ‘Vogelvlucht en vliegmachines, zwaarder dan de lucht’ bij. Kapteyn’s experimenten met betrekking tot het spreiden van druk op een bolvormig lichaam leidden bij Mulder tot een soort aha-erlebnis. Thuis ging hij daarna zijn eigen testjes uitvoeren.

In 1911 berichtte hij uitvoerig hierover in een geïllustreerd artikel in ‘De Ingenieur’, het blad van het Koninklijk Instituut van Ingenieurs (Mulder, 1911). Mulder was het niet eens met Barringers notie van een niet-explosieve vorming van de inslagkrater in Arizona, en  kwam met een origineel model van het explosieve proces van meteoren. Hij toonde aan dat de leidende zijde van de meteoroïde eerst komvormig uitgehold werd op zijn weg door de dampkring. De gassen die hierin warden samengedrukt zouden er dan later voor zorgen dat de meteoroïde met veel geweld (als een bom) uit elkaar zou spatten, in de lucht of – als hij groot genoeg was – wanneer hij met het aardoppervlak in aanraking kwam. [Een interessante parallel met deze hedendaagse studie. Red.] Op basis van deze redenering nam Mulder aan dat er heel weinig, of zelfs geen, nikkelijzermassa in de Meteor Crater te vinden zou zijn. Kortom: mijnbouw zou een onderneming zijn die tot falen gedoemd was. Had Barringer maar naar Mulder geluisterd.   

Mulder ging dus uit van een explosieve impact die resulteerde in de Meteor Crater in Arizona. Bij dit soort inslagen verdampt of smelt het projectiel grotendeels en uitgeworpen debris zal een strooiveld vormen rond de inslagkrater. Onafhankelijk van de hoek waaronder de inslag plaatsvindt, zal dit altijd een ronde structuur opleveren; de doorsnede daarvan is meestal groter dan 100 m, en soms tot circa 160 km. De snelheid bij het inslaan zal voor steenmeteorieten meer dan 2 km per seconde bedragen; voor ijzermeteorieten is dat rond 4 km per seconde.

Genegeerde impact

Marten Edsge Mulder (1847–1928) de man achter de vergeten Nederlandse bijdrage aan de eerste interpretaties van Meteor Crater in Arizona. Foto: Rijksuniversiteit Groningen, R. ter Sluis.

Mulders artikel is daarna amper geciteerd, met uitzondering van een paar Duitse tijdschriften zoals ‘Astronomischer Jahresbericht’ (en zelfs vertaald in die taal) en van Niermeyer (1913). Niermeyer ging zelfs een stap verder; hij hield er serieus rekening mee dat de krater ontstaan zou kunnen zijn na een forse aardbeving omdat ronde gaten en zand-/modderkegels wel vaker waren gezien na een dergelijke seismische gebeurtenis. Dat het 1911 artikel zich niet in een wijde verspreiding mocht verheugen, heeft zo goed als zeker te maken met de taalbarrière en de geringe distributie van dit soort tijdschriften. Door Amerikaanse wetenschappers is het 1911 artikel zo goed als volledig genegeerd; dat aspect is door Hoyt (1987) later toegelicht. We mogen nu wel stellen dat Mulder gezien kan worden als diegene die het concept van een explosief model voor Meteor Crater wetenschappelijk onderbouwde.  

Pas later, in de jaren 20 en 30 van de vorige eeuw, werd zijn innovatieve werk door anderen op een hoger plan getild door de invoering van een ‘impact model’ met een rationele mechanische basis en nadruk op de kinetische energie van een kosmisch projectiel. In dat opzicht schaart Mulders artikel uit 1911 zich onder hypotheses die hun tijd ver vooruit zijn.

Marten Mulder heeft eindelijk de plek gekregen die hij binnen de ‘impact geology’ verdiend heeft.

Het onderzoeksartikel ‘A Dutch contribution to early interpretations of Meteor Crater, Arizona, USA – Marten Edsge Mulder’s ignored 1911 paper‘ dat in 2018 in de Proceedings of the Geologists’ Association verscheen, heeft Marten Mulder nu eindelijk de plek gegeven die hij in de ‘impact geology’ verdiend heeft. Het is te hopen dat zijn observaties nu aangehaald zullen worden in overzichtswerken over meteorietinslagen op Aarde (vgl. Glass & Simonson, 2012).

DANKWOORD

Grote dank aan Rolf ter Sluis (Rijksuniversiteit Groningen) voor toestemming voor gebruik van het portret van Marten E. Mulder, en aan Denise Maljers (TNO/Geologische Dienst, Utrecht) voor instemming voor het hergebruik van delen van de tekst in de Geo.brief (Jagt et al., 2018).


John W.M. Jagt is werkzaam bij het Natuurhistorisch Museum Maastricht, de Bosquetplein 6-7, 6211 KJ Maastricht; email: john.jagt@maastricht.nl


Referenties
  • Glass, B.P. & Simonson, B.M., 2012. Impact crater formation, shock metamorphism, and distribution of impact ejecta. In: Distal impact ejecta layers. Impact studies, pp. 15–75. Springer-Verlag, Berlin/Heidelberg, doi: 10.1007/978-3-540-88262-6_2
  • Hoyt, W.G.,1987. Coon Mountain controversies – Meteor Crater and the development of impact theory, 455  pp. University of Arizona, Tucson.
  • Jagt, J.W.M., Jagt-Yazykova, E.A., Racki, G. & Koeberl, C., 2018. Meteor Crater. De Nederlandse bijdrage. Geo.brief, 43 (4), 14–15.
  • Jagt-Yazykova, E.A. & Racki, G., 2017. Vladimir P. Amalitsky and Dmitry N. Sobolev – late nineteenth/early twentieth century pioneers of modern concepts of palaeobiogeography, biosphere evolution and mass extinctions. Episodes, 40, 189–199.
  • Mulder, M.E., 1911. De explosie van meteoren en het ontstaan van den meteoorkrater van Canyon Diablo. De Ingenieur, 26 (39), 880–885.
  • Niermeyer, J.F., 1913. Kraters in sedimentair gesteente in Arizona en Nieuw-Mexico. Handelingen van het XIVde Nederlandsche Natuur – en Geneeskundig Congres, gehouden te Delft op 27, 28 en 29 maart 1913, pp. 430–436.
  • Racki, G., 2019. Between Gilbert and Barringer: Joseph A. Munk as unknown pioneer of the meteorite model and geotourist exploitation of Coon Mountain (Arizona). The Journal of Geology, 127, doi: 10.1086/701516
  • Racki, G., Koeberl, C., Viik, T., Jagt-Yazykova, E.A. & Jagt, J.W.M., 2014. Ernst Julius Öpik’s (1916) note on the theory of explosion cratering on the Moon’s surface – the complex case of a long-overlooked benchmark paper. Meteoritics & Planetary Sciences, 49, 1851–1874, doi: 10.1111/maps.12367
  • Racki, G., Jagt, J.W.M., Jagt-Yazykova, E.A. & Koeberl, C., 2018. A Dutch contribution to early interpretations of Meteor Crater, Arizona, USA – Marten Edsge Mulder’s ignored 1911 paper. Proceedings of the Geologists’ Association, 129, 542–560, https://doi.org/10.1016/j.pgeola.2018.05.005
  • Racki, G. & Koeberl, C., in druk. In search of historical roots of the meteorite impact theory: Franz von Paula Gruithuisen as the first proponent of an impact cratering model for the Moon in the 1820s. Meteoritics & Planetary Sciences, doi: 10.1111/maps.13280
  • Racki, G., Viik, T. & Puura, V., 2018. Julius Kaljuvee, Ivan Reinwald, and Estonian pioneering ideas on meteorite impacts and cosmic neocatastrophism in the early 20th century. BSGF – Earth Sciences Bulletin 2018, 180002, 22 pp. https://doi.org/10.1051/bsgf/2018011
  • Reimold,  W.U., Koeberl, C., Gibson, R.L. & Dressler, B.O., 2005. Economic mineral deposits in impact structures: a review. In: Koeberl, C. & Henkel, H. (eds). Impact tectonics, pp. 478–552. Springer-Verlag, Berlin/Heidelberg.

Prijsbewuste petrologie: meteorietslijpplaatjes bekijken op een klein budget

Het bestuderen van meteorieten onder een geologische microscoop geeft een fascinerend beeld van de mineralen en de structuren van het gesteente. We schreven er op de website al uitvoerig over. Heb je per se een petrologische microscoop nodig om slijpplaatjes te bekijken? Zeker niet, want polarisatiefilters voor fotocamera’s blijken een prima alternatief voor wie het écht simpel wilt houden.

Slijpplaatje kun je eenvoudig bekijken tussen twee polarisatiefilters met behulp van een handlens. Een relevante vraag is welke filters daarvoor geschikt zijn, of wáár je deze filters vandaan haalt. Polarisatiefilters zijn op grote schaal verkrijgbaar als filters die je voor de lens van je fotocamera schroeft. Deze polarisatiefilters lijken dus een handige optie te zijn. Wie het goed wilt aanpakken zou dus het liefst gebruik maken van lineair gepolariseerde filters, net zoals de filters die in geologische microscopen worden gebruikt. Echter, een van de verworvenheden van de moderne digitale DSLR camera’s is de autofocus en de lichtmeting door de lens. Deze twee functies worden verstoord bij gebruik van een lineair polarisatiefilter. Het alternatief voor het lineaire filter is het circulaire polarisatiefilter dat net wat anders werkt en daardoor de voorgenoemde autofocus- en lichtmeetproblematiek het hoofd weet te bieden. Het gevolg is dat de lineaire filters door de populariteit van de DSLR’s beperkter verkrijgbaar zijn dan hun circulaire soortgenoten. Zijn de circulaire polarisatiefilters een alternatief en geven ze door hun andersoortige werking wel resultaat? We namen de proef op de som en testte of de circulaire polarisatiefilters óók geschikt zijn om slijpplaatjes te bekijken.

Circulaire polarisatiefilters bedoeld voor de DSLR. Met een diameter van 62 mm kun je een slijpplaatje (doorgaans 45×22 mm groot) tussen de twee filter plaatsen, waarna je de twee filters op elkaar schroeft voor gebruik. Foto © Werkgroep Meteoren.

Proef op de som

Op de onderstaande foto is een exemplaar (een ‘individual’) van een SaU 001 meteoriet te zien, met een kenmerkende zwartgeblakerde smeltkorst. Het slijpplaatje op de afbeelding is afkomstig van een ander fragment. Dit flinterdun geslepen meteorietplakjes is slechts 30 micrometer dik: dun genoeg dat licht dóór het gesteente heen valt. Hierdoor is het mogelijk om het plakje met doorvallend gepolariseerd licht te bestuderen. Dit is dan ook een veelgebruikte aanpak waarmee geologen tal van gesteenten onder een petrologische microscoop bestuderen om ze aan een classificatie te onderwerpen. Je leest elders op onze website wat meteorieten op deze manier prijsgeven.

Sayh al Uhaymir 001 met slijpplaatje. Deze gewone steenmeteoriet (chondriet) is afkomstig uit de woestijn van Oman. Rond het jaar 2000 werd er rond de 450 kg van deze meteoriet geborgen. Ze classificeren als L4/5 en bevatten verschillende soorten chondrulen. Foto © Werkgroep Meteoren.

Een wezenlijk verschil tussen de lineaire en circulaire polarisatiefilters is de manier waarop de lichtgolven worden gefilterd. Zo is het beeld door gekruiste lineaire filters geheel zwart. Immers, de polarisatierichting van de onderlinge filters verschillen in gekruiste toestand 90 graden. Het licht wordt in één golfrichting doorgelaten door het eerste filter, maar niet door het tweede omdat ze gekruist zijn. In tegenstelling tot het lineaire filter, zorgt het circulaire filter dat de lichtgolf een draaiing ondergaat en op basis van die eigenschap wordt weggefilterd. We laten te onderliggende natuurkunde even achterwegen (details zijn hier te lezen), maar het effect is dat het beeld van twee gekruiste filters niet donker maar juist geel- of blauwkleurig wordt, al naar gelang de draaiing van het ene filter ten opzichte van de andere. De onderstaande foto illustreert het effect.

Het slijpplaatje tussen twee circulaire polarisatiefilters. De verschillende sneden geven een idee van de veranderingen die optreden in het beeld zodra een circulair polarisatiefilter wordt gekruist en gedraaid. Foto © Werkgroep Meteoren.

Heeft dit dan ook invloed op de manier waarop we naar een slijpplaatje kijken? Dat hangt er vanaf hoe je het bekijkt. Bij een geologische microscoop die werkt met lineaire polarisatie wordt het licht eerst gepolariseerd voordat het door het slijpplaatje valt. Zodra dat licht door het slijpplaatje valt, beïnvloeden de mineralen in het gesteente de verdraaiing van de lichtgolven, en pas met het tweede filter zien we het effect (daarom wordt het tweede filter ook wel de ‘analysator’ genoemd). Bij het gebruik van circulaire polarisatiefilters is de werking niet wezenlijk anders. Net als met lineaire polarisatie wordt het doorvallende licht gefilterd zodat bepaalde mineralen in een andere kleur oplichten. Kwantitatief gezien is er dus een verschil: je kunt de mineralen met een circulair gepolariseerd filter immers niet op dezelfde gestructureerde wijze bestuderen als met de lineaire filters in een petrologische microscoop. Kwalitatief gezien, heeft het gebruik van circulaire polarisatiefilters geen groot nadelig effect op het zichtbaar maken van verschillende mineralen en structuren.

Alles dat je nodig hebt voor een budget-opstelling voor het bekijken van slijpplaatjes. Uit onze test blijkt dat je kunt volstaan met een tweetal circulaire polarisatiefilters (62 mm diameter is aan te bevelen) en een goede handlens die 10x tot 15x vergroot. Foto © Werkgroep Meteoren.

Net als met lineaire polarisatie zie je met een circulaire polarisatiefilter de verschillende mineralen en structuren óók in andere kleuren oplichten en van kleur verschieten tijdens het draaien van de filters. Porfirische chondrulen lijken net op een bonte verzameling confetti, terwijl de traliechondrulen hun kenmerkende kleurrijke strepenpatroon vertonen. Het resultaat is dus vergelijkbaar met de lineaire polarisatiefilters, alleen fysisch gezien is het dus nét iets anders.

Traliechondrule in het SaU 001 slijpplaatje. Het resultaat van de opstelling met circulaire polarisatiefilters: een detailopname uit het slijpplaatje van de SaU 001 waarin o.a. traliechondrulen zichtbaar zijn. Deze macrofoto is gemaakt met de ‘omgekeerde lens methode’. Hierbij is een primelens met een omkeerring op de DSLR camerabody gemonteerd om er een macrolens van te maken. Foto © Werkgroep Meteoren.

Het eindoordeel

Al met al blijken de circulaire polarisatiefilters een prima optie voor wie zijn eerste stappen wilt zetten met het bestuderen van (meteoriet)slijpplaatjes. Met een handlens die een vergroting van 10x tot 15x geeft, kun je al naar de intrigerende kleuren en structuren van chondrulen turen. Zo kun je dus voor enkele tientjes op eenvoudige wijze slijpplaatjes in gepolariseerd licht bekijken om fascinerende eigenschappen van meteorieten te ontdekken.  Wellicht is deze simpele opzet een mooie opmaat naar een nieuwe hobby met een échte geologische microscoop.

Meer lezen:

 


Tekstbijdrage: Sebastiaan de Vet

FRIPON-NL: Frans netwerk van vuurbolcamera’s wordt uitgebreid naar Nederland

Door: Detlef Koschny, Andrea Toni.

FRIPON is het ‘Fireball Recovery and InterPlanetary Observation Network’ dat op dit moment in Frankrijk in bedrijf is met zo’n 100 camera’s. Op basis van het FRIPON-systeem wordt momenteel een nieuw vuurbolcameranetwerk in Nederland uitgerold waarmee nieuwe kansen ontstaan voor wetenschappelijk onderzoek, vuurbolwaarnemingen en meteorietberging.

Figuur 1. De FRIPON-camera op het dak van ESA/ESTEC in Noordwijk.

FRIPON is een allsky-cameranetwerk met het doel om vuurbollen te detecteren om er vervolgens hun banen van te berekenen. Door vervolgens de donkere vluchtfase van overgebleven materiaal te berekenen, kunnen zoeklocaties binnen het strooiveld van de vuurbol worden vastgesteld. Dat is, althans, het hoofddoel van het project dat gefinancierd wordt door het Franse nationale onderzoekagentschap FNRA: meteorieten bergen die met waarnemingen van hun vuurbol te koppelen zijn aan hun bronplanetoïde. Het IMCCE (Institut de Mécanique Céleste et de Calcul des Éphémérides) in Parijs heeft hiervoor de cameraopstelling ontworpen en doorontwikkeld, een server opgezet en dataverwerkingssoftware ontwikkelt voor de detectie en verwerking van de beelden. Inmiddels zijn 100 camera’s operationeel in Frankrijk en is de ‘data pipeline’ in de eindfase van de ontwikkeling en implementatie.

De meteorenonderzoeksgroep bij het ESA Science Support Office werkt momenteel met een tweetal camera’s die simultaan waarnemen vanaf de Canarische Eilanden, genaamd CILBO (Canary Islands Long-Baseline Observatory). Dit systeem is in staat om lichtzwakke meteoren tot magnitude 5 vast te leggen. Een probleem van de gebruikte camera’s is echter dat ze verzadigen al meteoren helderder zijn dan magnitude 0. Op de waarnemingen uit te kunnen breiden naar grotere objecten (en daarmee heldere magnitudes) is recent besloten om te starten met allsky-vuurbolcamera’s. In plaats van een eigen systeem te ontwerpen heeft het team besloten om bestaande appratuur te gebruiken. Dankzij bestaande contacten met het IMCCE is besloten om het FRIPON netwerk uit te breiden naar Nederland.

Wetenschappelijke motivatie

De oorspronkelijke wetenschappelijke motivatie voor FRIPON, zoals al genoemd, is het bergen van meer meteorieten in Frankrijk en het koppelen aan bronplanetoïden.  Dit kan gedaan worden met het waarnemen van vuurbollen; verleng het lichtspoor achterwaarts om de baan in het zonnestelsel te bepalen, verleng het voorwaarts, rekeninghoudend met windrichting en –snelheid, en je kunt een verwachting maken van de plek waar de meteorieten van een vuurbol zijn neergekomen.

Voor de meteorenonderzoeksgroep bij ESA is de wetenschappelijke afweging beduidend anders. Bij de onderzoeksgroep werken we aan de fluxdichtheid van meteoroïden, of in andere woorden, hoeveel meteoroïden treden de aardse atmosfeer per tijd en oppervlak binnen. Zoals gezegd doen we dit op basis van videowaarnemingen met ons simultaanstation op de Canarische Eilanden (CILBO). Meteoren die helderder zijn dan magnitude 0 zorgen voor de verzadiging van het beeld. Afhankelijk van het materiaal en de snelheid correspondeert dat met meteoroïden van 2 mm tot 3 cm in doorsnede. Met gegevens die we verkrijgen met FRIPON kunnen we ook fluxdichtheden bepalen voor groter objecten dan nu het geval is.

Een andere belangrijke wetenschappelijke reden is het berekenen van het lichtrendement. Dit is het percentage van de kinetische energie van een meteoroïde die omgezet wordt in licht. Met andere woorden, als je de massa (of afmeting) van een meteoroïde wilt bepalen op grond van de magnitude, dan moet je deze waarde weten. Met slechts een lichtcurve van een meteoor is het niet mogelijk om deze waarde te berekenen. Voor onze CILBO opstelling gebruiken we op dit moment de waarde die bepaald wordt op basis van gelijktijdige waarnemingen met video en radar in Canada. Een andere methode om het lichtrendement te bepalen is door de afremming van de meteoor mee te nemen. Echter, deze afremming is het beste waarneembaar voor objecten die te groot (helder) zijn om vast te leggen met CILBO. FRIPON legt daarentegen met regelmaat de afremming vast en maakt het dus mogelijk om het lichtrendement te bepalen zonder dat er een andere detectiemethode nodig is.

De cameraopstelling

De FRIPON-camera die momenteel op het dak van ESA-ESTEC in Noordwijk staat, is te zien in Figuur 1, en alle benodigde apparatuur is weergegevens in Figuur 2. De camera zelf is een Basler aca1300-30gm digitale camera (oudere systemen gebruiken een DMK23g445) die filmt met 25 frames per seconde. De camera is gemonteerd in een behuizing met een transparante koepel van optische kwaliteit en is slechts 10 cm in diameter en 15 cm hoog.  Het camerasysteem is speciaal ontworpen door het bedrijf Shelyak en kost zo’n 1.200 Euro. Met de bijgeleverde montagebeugels is het mogelijk om de camerabehuizing op zowel een vlak oppervlak te plaatsen of te monteren op een paal van minder dan 5 cm in diameter.

Figuur 2. Overzicht van alle hardware voor een FRIPON station. De camera ligt links op het bubbelfolie. De zwarte doos met bekabeling is de Power-over-Ethernet router. Geheel rechts ligt de NUC-computer. Dit is een system bedoeld voor plaatsing in Duitsland. De NUC van de camera op ESTEC is te zien op de achtergrond.

De camerabehuizing heeft een korte Ethernetkabel voor de verbinding met een computer, en de stroomvoorziening. Hiervoor is een router met Power-over-Ethernet (PoE) nodig om te camera te kunnen aansluiten. Indien nodig kan de kabel verlengt worden met een Cat-6 ethernetkabel die aan te sluiten is op een voor PoE-geschikte router.  Deze router verbindt de camera met de computer en het internet. Hiervoor kan elk willekeurig type computer gebruikt worden. Wij maken gebruik van een NUC (Next Unit of Computing) dat een compacte computer is van slechts 10x10x5 cm groot. Als je deze aanschaft met de juiste Solid State Harddisk, dan kan het complete software systeem eenvoudig geïnstalleerd worden als disk image.

Het gehele systeem heeft geen toetsenbord of monitor aangezien het direct verbinding maakt met een server in Frankrijk, en daardoor alleen via remote acces via de Franse server te bekijken is. Om op een FRIPON computer te kijken, is het dus nodig om via de server in te loggen en via deze route de computer te benaderen. De reden hiervoor komt hieronder aan bod bij de dataverwerking.

Dataverwerking

De NUC leest de beelddata van de camera in realtime. Detectiesoftware op de NUC zorgt voor de identificatie van events, het zoekt daarvoor naar helder objecten die in een rechte lijn bewegen en verwerpt objecten die te traag zijn. Echter, het systeem zal niet alleen vuurbollen detecteren maar ook vliegtuigen en andere zaken. Alle detecties, gemiddeld een paar per nacht, worden direct naar de centrale server in Parijs gestuurd. Daar komt alle data samen van camera’s die staan opgesteld in Frankrijk, België en Duitsland. Een ‘event’ wordt past aangemaakt als er 3 of meer camera’s een detectie op hetzelfde moment hebben.

De directe verbinding met de server in Parijs is de reden dat de computer niet direct gebruikt kan worden, dit zou in strijd zijn met de veiligheidsregels voor de server, aangezien hackers op die manier direct toegang tot het Franse netwerk kunnen krijgen. Het systeem verstuurt e-mails op dagelijkse basis waarin een overzicht van alle events van de afgelopen nacht zijn samengevat. Hiervan zou het de baan ten opzichte van de grond, de baan in het zonnestelsel en mogelijke strooiveld kunnen berekenen. Dat laatste is echter nog niet operationeel.

Stand van zaken in Nederland

Om zelf bekend te raken met het FRIPON-systeem hebben we een camera geplaatst op het dak van het kantorencomplex van het technologiecentrum ESTEC van ESA gelegen in Noordwijk (Zuid-Holland). De veiligheidsnormen voor netwerken zoals die door het FRIPON netwerk worden aangehouden, zijn ook bij ESA van kracht. Zodoende liepen we aanvankelijk tegen verbindingsproblemen aan om de camera met de server in Parijs te verbinden. Uiteindelijk hebben we de router in een ‘gedemilitariseerde zone’ van ons netwerk geïnstalleerd. Particuliere netwerken hebben geen last van deze problemen, de tweede camera van het netwerk in Oostkapelle werd in november 2017 zonder enig probleem in een paar uur tijd geplaatst en verbonden met de centrale server.

Op dit moment zijn er de twee operationele camera’s in Nederland. In Figuur 3 zijn deze locaties weergegeven in groen. Naast de camera op ESTEC en bij Klaas Jobse (Oostkapelle) hebben we afspraken met Felix Bettonvil (Dwingeloo), Jos Nijlands (Benningbroek), Arnold Tukkers (Lattrop) en Sebastiaan de Vet (Tilburg) om extra camera’s te plaatsen. Eén camera, gefinancierd door de Universiteit van Oldenburg (Duitsland), is opgesteld in Groningen. We zijn zelf nog op zoek naar een aantal locaties om meer stations te huisvesten. Dankzij een interne ESA-beurs hebben we extra financiering ontvangen om een paar extra camera’s aan te schaffen en daarom zijn er nog meer opstellocaties van camera’s nodig. Geïnteresseerden die een camera op een geschikte locatie in Gelderland kunnen huisvesten, kunnen met ons contact opnemen. Na deze eerste uitbreidingsfase in Nederland, willen we nog extra camera’s plaatsen op de geelgekleurde locaties, die te zien zijn op het kaartje.

Figuur 3. Bestaande en geplande camera’s voor de uitbreiding van FRIPON. Groen: geplaatst. Oranje: wordt geplaatst in de loop van 2018. Geel/transparant-geel: vacante locaties waarvoor nog en deelnemer wordt gezocht.

De eerste grote vuurbol die we hebben vastgelegd, vond plaats vlak voordat ik mijn presentatie gaf op het Internationale meteorencongres IMC, op 21 september 2017. Binnen de werkgroep Meteoren beter bekend als de ‘Lubachvuurbol’. De opname van de FRIPON op ESTEC is te zien in Figuur 4, meer details lees je hier en hier.

Voor deze vuurbol hebben we drie zwakkere events gehad, altijd samen met de camera in Brussel en een of twee andere station in België. Echter, een vuurbol die zichtbaar is vanuit zowel Brussel als Noordwijk moet ongeveer halverwege de twee stations liggen. Daardoor verschijnt de vuurbol op de opnames altijd laag aan de horizon voor beide stations. Met een kleinere onderlinge afstand, zoals met Oostkapelle is de afstand van 100 km veel beter en verwachten we typisch een of twee gelijktijdig waargenomen vuurbollen per maand.

Figuur 4. De ‘Lubachvuurbol’ boven ESTEC op 21 september 2017. Dit event werd ook vastgelegd door de FRIPON camera’s in Brussels (B) en Lille (F).

Open punten

Het gebruik van de FRIPON-camera’s is geheel ‘hands-off’ manier, met ander woorden, de gastlocatie hoeft niks te doen. Alle detecties en event-correlaties worden automatisch uitgevoerd. Echter, de betrokkenen zouden, net als de auteurs van dit artikel, geïnteresseerd kunnen zijn om de data van de camera direct te benaderen. Bijvoorbeeld als je gevraagd wordt ‘heb je op dit of dat tijdstip iets gezien’ en dan zou het fijn zijn om de data direct te kunnen benaderen. Dit is natuurlijk mogelijk door in te loggen op de server in Parijs, maar het proces van inloggen en dataoverdracht is langdradig. We zijn daarom bezig met het opzetten van een eigen systeem waarbij alle data van de Nederlandse FRIPON-stations ook naar een ftp-server bij ESA worden gepushed. We zitten in het proces van het testen van dit systeem, maar het is nog niet operationeel.

Zoals hierboven al genoemd, zijn bepaalde delen van de software nog niet af of gemakkelijk toegankelijk, zoals de baanberekening en de berekeningen van de donkere vluchtfase voor het bepalen van strooivelden. Samen met twee promovendi van de Universiteit van Oldenburg zijn we betrokken in de dataverwerking en bereiden we de wetenschappelijke analyse routines voor. We zijn vooral geïnteresseerd om snel geïnformeerd te worden van een vuurbol, nog voordat we erover lezen in het nieuws.

Tot slot

FRIPON-NL bevind zich midden in het opstartproces. Op dit moment zijn twee camera’s operationeel en zijn er afspraken met drie andere gastlocaties. Financiering voor meer camera’s is beschikbaar. Na installatie zal het netwerk verbonden worden met de camera’s in Frankrijk, België en Noord-Duitsland.

De FRIPON-camera’s hebben al bewezen dat ze vuurbollen kunnen detecteren. De dataverwerking, waaronder het berekenen van de banen ten opzichte van de aarde, banen in het zonnestelsel en mogelijke strooivelden van meteorieten moeten nog gefinancierd worden door onze Franse collega’s. ESA is bij FRIPON betrokken vanuit een aanpalend wetenschappelijk oogpunt en we kunnen snel meldingen te krijgen als er een vuurbol heeft plaatsgevonden.

De camera’s zijn bewezen robuust en betrouwbaar te zijn en we verwachten dat we heel Nederland kunnen afdekken in 2019. Dit netwerk is ook complementair aan het CAMS-netwerk (dat is geoptimaliseerd voor zwakke meteoren), of de bestaande camera’s in het Duitse ‘EN’ netwerk die weer geschikter zijn voor positionering maar te kort komen in tijdsbepaling.

We zoeken meer gastlocaties voor de plaatsing van een camera, dus ben je geïnteresseerd om bruikbare gegevens te helpen verzamelen, neem dan contact op met de auteurs.


Detlef Koschny en Andrea Toni zijn werkzaam bij de Meteor Research Group van het Science Support Office van de Europese ruimtevaartorganisatie ESA, gevestigd bij het technische ruimtevaartcentrum ESTEC in Noordwijk.

Vertaling: Sebastiaan de Vet

Meteorieten en de zoektocht naar leven op Mars

Door: Arjen Boosman.

Onderzoek naar organische stoffen (koolstofhoudende verbindingen) is van belang voor verschillende grote vraagstukken binnen de wetenschap. Hoe is het leven op aarde ontstaan? Waar komen vluchtige stoffen op aarde en planeten vandaan? En hoe ziet de koolstofcyclus eruit op andere lichamen in het zonnestelsel? Dit zijn slechts een paar voorbeelden van ingewikkelde vraagstukken waarin organische stoffen een rol in spelen.

Meteorieten zijn een zeer waardevolle bron van informatie over het gedrag van organisch materiaal in de ruimte. Het zijn tenslotte tastbare studiematerialen van delen van (vroegere) planeten, planetoïden en ruimtestof. Voor het onderzoek naar organisch materiaal zijn vooral de zogenaamde koolstofchondrieten belangrijk. Dit zijn primitieve meteorieten met een zeer hoge hoeveelheid organisch materiaal. Tijdens het ontstaan van het zonnestelsel is niet al het stof uit de protoplanetaire schijf samengeklonterd om de planeten te vormen. Tijdens het ‘groeien’ van een planeet wordt het binnenste steeds warmer. Een deel van het stof is samengeklonterd tot relatief kleine objecten, waardoor deze niet zo sterk zijn opgewarmd en dus geen differentiatie heeft ondergaan. Differentiatie is het inwendige proces dat ervoor zorgt dat grote hemellichamen, bv. de aarde, Mars, en Venus, opgedeeld worden in een metalen kern en een mantel en korst van gesteente. Tijdens dit proces gaat veel informatie over de oorsprong van het planeetvormende materiaal verloren. Via verschillende soorten chondrieten, waaronder de koolstofchondrieten,  kunnen we dus eigenlijk monsters nemen van het zonnestelsel in zijn ontstaansfase.

Promotieonderzoek

In de ruimte vliegt er nog een heleboel van dit primitieve materiaal rond met een grote hoeveelheid organisch materiaal. Een grote hoeveelheid van dit materiaal komt jaarlijks op het oppervlak van planeten terecht. Over het effect dat dit organisch materiaal op de atmosfeer van planeten heeft, is eigenlijk maar heel weinig bekend. Tijdens mijn promotie bij het Instituut voor Marien en Atmosferisch onderzoek Utrecht (IMAU) en de Faculteit Geowetenschapen probeer ik deze effecten beter in kaart te brengen.

Dit willen we bereiken door meteorietmateriaal bloot te stellen aan bepaalde condities die we ook in de ruimte vinden. We gebruiken hiervoor een klein stukje van de Murchisonmeteoriet. Deze koolstofchondriet viel op 28 september 1969 in Australië, bij het plaatsje Murchison. Aangezien deze meteoriet al tijdens het vallen is geobserveerd, kon de meteoriet kort na de inslag worden geborgen. Hierdoor is de mate van besmetting met aards materiaal minimaal, en de meteoriet is daardoor uitermate geschikt voor wetenschappelijk onderzoek. Tijdens onze experimenten wordt het stukje meteoriet verpulverd tot een fijnkorellig poeder en blootgesteld een hoge dosis UV-straling. We meten vervolgens welke vluchtige stoffen, en hoeveel hiervan, het meteorietpoeder afgeeft en proberen daarmee te beredeneren welke effecten dit heeft op de atmosfeer van een planeet.

Murchisonpoeder. Versgemalen koolstofchondriet, klaar voor een UV-bestralingsexperiment. Foto: Arjen Boosman.

Interesse in Mars

In het bijzonder zijn we geïnteresseerd in de atmosfeer van Mars. Onderzoek met satellieten en robotkarretjes heeft aangetoond dat er een zeer kleine hoeveelheid methaan in de Marsatmosfeer zit. Aangezien methaan in de atmosfeer van Mars snel afbreekt door reactieve stoffen in de atmosfeer en UV-straling, moet het dus constant geproduceerd worden om nog altijd meetbaar te zijn. Op aarde wordt zo’n 90% van het methaan geproduceerd door micro-organismen die bijvoorbeeld in rijstvelden, moerassen, en in de maag van herkauwers leven. De ontdekking van methaan leidde daardoor tot veel vragen bij wetenschappers, want niemand weet precies hoe het methaan op Mars precies wordt gevormd. Eén van de manieren om zonder de tussenkomst van leven methaan te vormen is via de fotodegradatie van organisch materiaal.

Experimenteren met fotodegradatie

Fotodegradatie betekent letterlijk ‘afbreken met licht’. Door blootstelling aan UV-straling kan het organisch materiaal uit meteorieten dat op Mars terechtkomt (het gaat hier om enkele tot tientallen miljoenen kilo’s aan meteorieten en ruimtestof per jaar) afbreken, waarbij onder andere methaan vrijkomt. Andere stoffen die we kunnen detecteren uit meteorieten, en dus interessant zijn voor de koolstofkringloop op Mars, zijn o.a. koolstofdioxide, methanol en aceton.

Marsmethaan. Een aantal mogelijke bronnen van methaan op Mars. Foto: NASA

Er moet nog veel onderzoek gedaan worden naar de invloed die meteorieten hebben op de atmosfeer van Mars en andere planeten. Het lijkt erop dat de hoeveelheid methaan die we kunnen produceren via fotodegradatie niet genoeg is om de hoeveelheid methaan in de atmosfeer te verklaren. Onderzoek moet daarom nog aantonen hoe groot de andere bronnen voor methaan zijn. In toekomstig onderzoek naar de atmosfeer van Mars, door bijvoorbeeld de Europese Trace Gas Orbiter, kan met behulp van de isotopen in methaanmoleculen onderzocht worden wat de herkomst is van het gevonden methaan. Zo hopen we in de toekomst een beter beeld te krijgen van de koolstofkringloop en de oorsprong van methaan op Mars.

 


Arjen Boosman is promovendus aan de Universiteit Utrecht en werkt aan het onderzoeksproject ‘Life cycle of meteoritic carbon on planetary bodies with focus on Mars’.