A FORMULA FOR THE BRIGHTNESS OF LUNA

7
8/19/2019 A FORMULA FOR THE BRIGHTNESS OF LUNA http://slidepdf.com/reader/full/a-formula-for-the-brightness-of-luna 1/7 Publications  of  th e  Astronomical  Society  of  th e  Pacific  103:1033-1039, September 1991  ©1991.  The Astronomical  Society  of  th e  Pacific.  All  rights  reserved.  Printed  in  U.S.A.  A MODEL OF  THE  BRIGHTNESS  OF  MOONLIGHT  KEVIN  KRISCIUNAS  Joint Astronomy Centre,  66 5  Komohana Street, Hilo, Hawaii 96720 AND  BRADLEY  E.  SCHAEFER  NASA/Goddard Space Flight Center,  Code 661, Greenbelt,  Maryland 20771  Received  1991  April  1,  revised  1991  June  3  ABSTRACT  A  knowledge of the brightness of  moonlight is  needed fo r  detailed calculations of the limiting magnitude of astronomical detectors, whether they be  visual, photographic,  or electronic. The  previous  iterature  contains no  method or  making  even crude estimates  and has ew actual measurements of moonlight brightness. n his paper we report new measurements of the ky  brightness from the 2800-m level of Mauna Kea.  In  addition, we present  a model fo r  predicting the moonlight as  a  function of the Moon's phase, the zenith  distance of the Moon, the zenith distance  of the ky  position, he angular separation  of the Moon and ky  position,  and the local  extinction coefficient.  The  model equations  can be  quickly calculated on a  pocket calculator. A  comparison of our model with our unar data and with some Russian solar data hows  he accuracy of our predictions to range from  8%  to 23%.  Key  words: ight-sky brightness-moonlight-atmospheric  extinction 1.  ntroduction It  is  of fundamental interest to know the limiting mag- nitude  of visibility for  finding objects  with a telescope.  This  subject  has  recently  been  addressed  by  Schaefer  1990a based on a database  of 31 4  visual observations of stars viewed in small-  to-medium-sized telescopes with a  variety of magnifications.  For  large telescopes  using video acquisition and guiding systems, he question is  still im-  portant. t s  also  relevant o he prediction of  proper exposure times fo r  optical CCD  cameras. A  related ques- tion  is:  what is  the magnitude limit when the Moon is  out? With the eye, video system, or CCD  camera the detec- tion of an object depends  on  the contrast of the brightness of the object  in  question versus the brightness of the sky.  We  can think of this as  achieving a certain signal-to-noise  ratio.  Whatever brightens the sky  degrades the limiting magnitude  of  the eye  or video system by approximately  the same amount. In  a  recent paper Krisciunas 990)  we presented a  sample of photometric  measurements  of  the sky  bright- ness,  with and without moonlight.  Most of the measure- ments and all of the  moonlight observations)  were ob-  tained at the 2800-m level ofMauna  Kea.  The  telescope is  a  15-cm Newtonian reflector, and he photometer em-  ploys  standard UBV  filters and an uncooled RCA  931A  photomultiplier. The  beam size  is  6.5 square arc minutes.  At  a  site not  hampered by light pollution it is  found that the inherent  dark sky  level at the zenith (but away  from the galactic  plane and more than two hours after the  end of twilight) is  about V  = 21.8 to 22.0 mag sec  ,  ß = 22.8 to 23.0 mag  ec  .  t  solar maximum hese nherent levels are 0.4 to 0.6 mag  sec  brighter. The  lunar sky  brightness s  he arithmetic difference between he bserved ky  brightness with he Moon above the  horizon and the inherent  dark sky value, given the phase of  the solar ycle.  n Figure 8  of Krisciunas 1990 these  differences  are plotted fo r  21  measurements, where he nominal dark ky  levels are aken o be he yearly averages fo r  the zenith. A  brief summary of some measurements s  also  given by Walker 1987  based on measurements at Cerro Tololo.  Walker s  measurements made within 4  days  of full  Moon were taken 90  degrees  or  more away  from the  Moon.  The  effect of  the Moon on  the sky  brightness at some position is  a  function of the phase of the Moon,  the zenith  distance  of the Moon,  he zenith distance  of the ky  position,  he angle  between the Moon and the sky  posi- tion,  and he atmospheric extinction.  n his paper we report additional  moonlight brightness observations  from the 2800-m level of Mauna Kea.  In  addition, we derive a simple model that gives  he relation between the cat-  tered moonlight  and the five  variables mentioned above. This model results n an easy-to-use equation hat will  predict  he moonlight brightness with an accuracy of 8%  to 23%.  1033  ©  Astronomical  Society of the  Pacific Provided  by the  NASA Astrophysics Data  System 

Transcript of A FORMULA FOR THE BRIGHTNESS OF LUNA

Page 1: A FORMULA FOR THE BRIGHTNESS OF LUNA

8/19/2019 A FORMULA FOR THE BRIGHTNESS OF LUNA

http://slidepdf.com/reader/full/a-formula-for-the-brightness-of-luna 1/7

P u b l i c a t i o n s  

o f

 

th e

  A s t r o n o m i c a l  

S o c i e t y

  o f  th e   P a c i f i c

 

1 0 3 : 1 0 3 3 - 1 0 3 9 , 

S e p t e m b e r 1 9 9 1

 

© 1 9 9 1 .

 

T h e A s t r o n o m i c a l

 

S o c i e t y   o f   th e

 

P a c i f i c . 

A l l  

r i g h t s

 

r e s e r v e d . 

P r i n t e d

 i n

 

U . S . A . 

MODEL

 

OF

 THE

 BRIGHTNESS 

OF MOONLIGHT 

K EV I N  K R I S C I U N A S

 

Joint Astronomy Centre, 

66 5

 Komohana 

Street, 

Hilo, Hawaii 96720 

A N D  

B R A D L E Y E . S C H A E F E R  

NASA/Goddard

 Space Flight Center, 

Code

 661,

 

Greenbelt, 

Maryland

 20771 

Rece ived 1 9 9 1  

Apri l  1 ,

 revised  1 9 9 1

 

June

 

3

 

ABSTRACT 

A

 

knowledge

 of

 

the brightness

 of

 

moonlight

 

is  

needed fo r detailed 

calculations of

 

the

 

limiting 

magnitude of astronomical

 

detectors, whether

 

they 

be

 visual, photographic, or

 

electronic. The 

previous iterature

 contains

 

no 

method or

 making

 even

 

crude

 

estimates

 

and has

 

ew 

actual 

measurements of moonlight brightness. n his paper we report new measurements of the ky  

brightness

 

from

 

the

 

2800-m

 level

 

of

 

Mauna

 

K e a .

 

In

 

addition,

 we 

present

 

a

 

model

 

fo r

 

predicting

 

the

 

moonlight as  a

 function

 

of

the Moon's phase, the zenith distance 

of

the Moon, the zenith distance of

 

the 

ky

 position, he angular

 

separation of

 

the Moon

 

and

 ky

 position, and

 

the

 

local

 

extinction 

coefficient.

 

The model equations can be 

quickly

 

calculated

 on a pocket 

calculator. 

A  

comparison

 of

 

our model with our 

unar

 data

 

and with 

some

 Russian solar data hows he 

accuracy

 of our 

predictions 

to

 

range from

 8%  to

 

23%.

 

K e y

 words: ight-sky brightness-moonlight-atmospheric extinction 

1. ntroduction 

It 

is

 

of

fundamental interest to 

know

 the limiting mag- 

nitude 

of visibility for finding

 

objects

 

with

 

a telescope. 

T h i s

 

subject

 

has

 

recently

 

been

 

addressed

 

by

 

Schaefer

 

1990a based

 

on 

a

 database of 31 4

 

visual

 observations

 of

 

stars viewed in small- to-medium-sized telescopes with 

a

 

variety of

magnifications.

 For large 

telescopes

 using

 

video 

acquisition

 and guiding systems, he question is  still im- 

portant. t

 s

 also

 

relevant

 o he 

prediction

 of proper 

exposure times fo r optical 

CCD

 cameras. A  related ques- 

tion i s : what

 is  

the 

magnitude 

limit

 when

 the

 

Moon

 

is  out? 

With the 

eye,

 video system, or 

CCD

 camera the detec- 

tion

 

ofan 

object

 

depends

 on

 

the 

contrast

 ofthe 

brightness

 

of

the object in question versus the 

brightness

 of the 

sky.

 

We

 can think of

this

 as  

achieving

 

a

 certain 

signal-to-noise 

ratio. 

Whatever

 

brightens

 the 

sky

 degrades the limiting 

magnitude

 

of

 

the

 

eye

 

or

 

video

 

system

 

by approximately

 

the same amount. 

In

 a recent

 paper 

Krisciunas 990)

 we

 presented a

 

sample

 of 

photometric

 

measurements 

of the sky  bright- 

ness,

 with and without 

moonlight.

 

Most

 of the measure- 

ments and

 

all of the moonlight

 

observations)

 were 

ob- 

tained at the 2800-m level ofMauna K e a . The telescope is  

a

 

15-cm

 Newtonian

 

reflector, 

and 

he

 

photometer em- 

ploys standard U B V  

filters 

and 

an

 uncooled R C A  931A  

photomultiplier. The beam size  is  6.5 square 

arc

 minutes. 

A t a 

site

 not hampered by light pollution it is  found that 

the inherent dark sky  

level

 

at

 the zenith 

(but

 

away

 from

 

the galact i c plane and more than 

two

 hours after the end

 

of

twilight) is  about V  

=

 

21.8

 to 

22.0

 mag sec

 

, ß = 

22.8

 

to

 23.0 

mag e c

 

. t

 

solar

 maximum

 hese nherent 

levels

 

are 0.4 

to

 0.6 

mag

 

sec

 

brighter.

 

The

 lunar sky

 

brightness 

s he 

arithmetic 

difference 

between

 

he bserved ky brightness

 

with

 

he

 

Moon

 

above

 the horizon and the inherent dark sky

value,

 

given

 

the

 phase 

of

 the solar yc l e . 

n

 

Figure

 8

 

of Krisciunas 

1990

 

these

 differences are plotted fo r 

21

 

measurements,

 

where 

he nominal dark 

ky  

levels

 are aken

 

o be 

he 

yearly

 

averages

 fo r the zenith. A  brief summary of some 

measurements

 s also 

given

 by Walker 1987 based

 

on 

measurements

 at 

Cerro

 Tololo. Walker

 s

 

measurements

 

made within 4 days  

of

 full

 

Moon were taken 90  degrees 

or more away from the Moon. 

The effect of the

 

Moon on  the 

sky brightness

 at 

some

 

position 

is

 

a

 function of

the

 

phase of

the

 

Moon,

 

the

 zenith

 

distance

 

of the Moon, he zenith distance

 

of the ky  

position,

 

he angle between the Moon and the sky posi- 

tion, 

and

 he

 atmospheric 

extinction.

 n 

his

 

paper we 

report additional moonlight

 

brightness observations from 

the

 2800-m

 

level of

 

Mauna 

K e a .

 

In

 addition, we

 derive 

a

simple model

 

that

 g i v e s 

he

 

relation

 

between

 

the

 ca t -

 

tered moonlight and the f ive  

variables

 mentioned above. 

This model results n an easy-to-use equation hat will 

predict he moonlight brightness with an 

accuracy

 of 

8%  to

 

23%.

 

1033 

©

 

Astronomical Society

 of the

 

Pacific  Provided 

by

 the

 NASA Astrophysics

 

Data

 

System 

Page 2: A FORMULA FOR THE BRIGHTNESS OF LUNA

8/19/2019 A FORMULA FOR THE BRIGHTNESS OF LUNA

http://slidepdf.com/reader/full/a-formula-for-the-brightness-of-luna 2/7

1034 

KRISCIUNAS AND 

SCHAEFER

 

2. Observations

 

A  dozen observations of

 

the 

brightness

 of the moonlit 

sky

 were 

made

 from 

the

 2800-m 

level

 of 

Mauna

 Kea

 

with

 

the

 dentical 

nstrumental

 

setup

 

as

 used by Krisciunas 

1990.

 

These dozen 

observations

 are 

to

 be joined with 

the 

21 observations

 

in Table

 5

 of

 Krisciunas

 

1990.

 In Table 1  

we

 gi ve  the

 new measurements

 

of 

the

 observed V-band

 

sky  

brightness 

on

 

moonlit

 

nights. The

 

first

 

s ix

 

columns 

gi ve he U T date and UT time of the observation, he 

azimuth and 

zenith

 distance of the 

sky 

position,

 

and the 

azimuth and

 

zenith distance

 

of the Moon.

 

Note 

that

 al l 

angles

 

have

 

been

 rounded o 

he nearest

 degree

 since 

greater

 accuracy

 

is

 not needed. The seventh column g i v e s 

p ,

 which is  

the

 angular

 distance

 between 

the Moon

 and 

the sky

 position.

 The eighth column gives the phase angle 

(a ) 

of

 

the Moon, 

which

 

is

 defined as  the angular distance 

between

 the Earth and the 

Sun

 as  seen from the Moon. 

(When 

the

 

Moon

 is  

between full and

 new, 

<

 

0. )

 

The

 

phase 

angles

 werecalculated using

 

the

simpler

 

algorithm

 

of

 

Meeus 

1980 e q.

 

31.4)),

 which

 

gnores 

he 

noncon- 

stancy

 

of the

 

e c l i p t i c ) 

atitude

 of the Moon. The

 ninth

 

column 

g i v e s 

he

 observed

 

V

 

magnitude 

of

 

the

 ky

 

as

 

measured in magnitudes per square 

arc

 

second.

 

The

 last 

column

 

in

 

Table

 1

 gi ve s

 

the 

sky  brightness of

 

the

 moonlight alone as  

measured 

in 

nanoLamberts

 (nL) . 

The

 

reason

 fo r

 

converting

 

from a

 

logarithmic 

unit

 (magni- 

tudes per square arc second) to a

 linear

 

unit

 

(nanoLam-

 

berts) s

 because a magnitude difference compares

 

he 

moonlight to

 

the

 

background which is  variable

 

from site to 

s i t e . In addition, the 

use

 ofa linear unit allows fo r the easy 

subtraction ofthe background sky brightness. The choice 

of

the

nanoLambert

 

as

 

the

linear

 

unit

 

is  

to

follow

 

the

lead

 

of

 

Knol l ,

 

Tousey 

&

 Hulburt 1946, 

Weaver 

1947,

 

Hecht 

1947,

 Garstang

 1989, 

and

 

Schaefer

 1990a. The relation

 

T A B L E

 

V - b a n d

 ky

 

rightness

 on 

ights

 i t h 

moonlight

U T k y  posn.

 

o a n

  B^on

 

( O b s . )

 

between

 

the

 

sky

 brightness in nanoLamberts 

{ B

 

) and in 

magnitudes per square arc second (V ) 

is

 

D a t e im e  

A Z 

o

 

m a g / s e c

1 9 9 0  

1 2

 

e b

 

:11 

2 8  

D e c

 

:05 

1 9 9 1

 

an 

4

 Jan

 

4

 

an

 

4

 

an

 

4 an

 

4

 Jan

 

4 an

 

4

 Jan

 

2 1  Jan

 

2 1  Jan

 

8 : 0 7

 

8 : 1 5

 

8 : 2 3  

8 : 3 0  

8 : 3 4  

8 : 4 2  

8 : 4 9  

8 : 5 4  

6 : 2 6

 

6 : 3 3  

2 8 0

 

8 9  

1 2 5

 

63  

55  

8 2  

1 4 3  

9 9  

7 9

 

1 6 5

 

2 6 3

 

1 1 3  

9

 

1 8  

1 7

 

3 8

 

3 0

 

5 2  

3  

61  

68  

1 1  

4 9  

2 4 

9 4 

3 0 0

 

8 5 

8 5 

8 6 

8 7  

8 7  

8 7

 

8 8

 

8 8

 

2 6 5

 

2 6 6

 

7 9  

4  

8 2

 

8 0  

7 8

 

7 7 

7 6

 

7 4

 

7 2

 

7 1

 

6

64  

8 8  

2 2

 

68  

4 5

 

53  

2 4 

69  

1 6 

9

 

69  

1 4 

8 5 

- 3 0  

4 9

 

- 4 8  

- 4 8  

- 4 8  

- 4 9

 

- 4 9

 

- 4 9  

- 4 9

 

- 4 9

 

1 1 9  

1 1 9  

1 9 . 8 1 3 0 8

 

1 8 . 9 0 7 

3 3

 

2 0 . 1 4 1  

1 9 . 6 0 5  

1 9 . 6 8 4  

1 8 . 6 1 5  

1 9 . 9 0 2  

1 8 . 4 5 6  

1 8 . 2 2 8  

1 9   . 7 7 1 

2 0 . 5 7 2

 

2 1 . 0 3 1  

2 0 6 

3 8 0  

3 5 4

 

1 0 8 7

 

2 8 1

 

1 2 5 5

 

1 5 5 7  

3 2 9  

7 1

 

3 0

 

Β = 

34.08

 exp(20.7233  0.92104 

V )

 

(1)

 

Observations

 m a d e  at 

8 0 0 - m

 elevation  of

 M a u n a

 

K e a ,

 

H a w a i i .

 

as  given in equation 

(27)

 of Garstang 

1989. 

The surface- 

brightness equivalent o one enth magnitude star per 

square

 

degree

 

(that

 

i s , 

the

 

S 10

 

unit)

 

equals

 

0.263

 

nL.

 

A n

 

alternative 

expression,

 equivalent 

to

 equation 

(1), which 

includes

 the

 definition ofthe

 

S 10 

unit

 and 

the 

s ca l e  factor 

to convert to nanoLamberts, is  

B  = 0.263 0

 

where

  100)°

2

 

«

 

.51189 nd  = 0. 0  .5 

log(3600

2

«

 27.78151.  

The

 dark nighttime sky brightness 

0

)

 as a 

function

 of

 

zenith

 distance

 (Z )

 is  

B

0

(Z) 

=

 610 °   2) 

where

 

=

 

(1 

-0.96sin

2

Zr

0

·

5

 

3)

 

The extinction coefficient 

is

 k in  units 

of

 magnitudes per 

air mass . X  is the optical 

pathlength

 along 

line ofsight in 

units

 

ofair

 masses.

 Note

 that

 the

 

formula

 fo r  X

 

in equation

 

(3)

 

is

 appropriate

 

fo r

 the

 night glow. Equations (2) 

and

 (3)

 

are implifications

 

f quations 29) nd 30)

 

rom 

Garstang 1989 

that

 are 

adequate fo r

 

the

 

present

 purposes. 

The dark zenith sky

 

brightness (B

ze n

)

 is taken as  

the

 yearly 

average 

reported

 in

 Krisciunas 

1990 or 

as  

discussed be- 

low.

 The extinction coefficients were taken to equal the 

value

 measured fo r that night 

or

 the median 

value

 

at

 

the 

2800-m 

level

 

of

 Mauna K e a , namely 0.172 

mag/air

 mass , 

obtained 

by

 Krisciunas

 

1990.

 

The 

ast

 column 

of

 Table has he background ky  

brightnesses 

subtracted

 

out.

 

That 

s , 

he value or

 

he 

background

 alone,

 

B

0

{

Z),

 

is

 subtracted

 

from the

 

observed

 

brightness for the moonlight plus background, Β

,

 leaving 

the

 

brightness 

of the

 

moonlight 

alone,

 B

moon

. When

 

the

 

moonlight is  dim compared to the background,

 

the natu- 

ral

 

variations in

 

the

 background will 

cause

 

large

 relative

 

errors n 

derived

 

values

 of B

m

oon

. Therefore, we have 

excluded nine

 observations

 for

 which

 the

 

moonlight

 

is  

fainter 

than 

the

 

dark 

sky

 background) from

 

our

 

statistical 

analys i s of the model compared to 

actual

 

observations.

 

The

 

observations

 

of

 

1991

 

January

 4

 

(UT)

 

are

 

particu-

 

larly

 

useful,

 since a 

concerted 

effort was  undertaken to 

narrow

 

down 

the

 functionality of the 

components

 of the 

lunar sky-brightness ffec t . This nvolved obtaining

 

dark-sky

 value on

 that

 

night

 (V

 =

 

21.444 mag

 sec

 

)

 an 

hour before he Moon ose. This value compares 

well

 

with the

 1990

 average 

(the

 

year 

of sunspot maximum) of 

V

 =

 21.377

 ±

 

0.095 mag sec

 

,

 

based on measurements

 

of

5

 nights.

 For

 the two observations in Table 1  from 1990 

we

 

shall adopt he 1990

 yearly average

 as he 

nominal

 

dark-sky value. We s h a l l adopt the 

actual

 

dark-sky

 value 

©

 

Astronomical Society

 of the

 

Pacific  Provided 

by

 the

 NASA Astrophysics

 

Data

 

System 

Page 3: A FORMULA FOR THE BRIGHTNESS OF LUNA

8/19/2019 A FORMULA FOR THE BRIGHTNESS OF LUNA

http://slidepdf.com/reader/full/a-formula-for-the-brightness-of-luna 3/7

MOONLIGHT-BRIGHTNESS 

MODEL

 

for 

1991

 January 

4

 

fo r

 

reference

 

in

 calculating the 

lunar

 

e f fe c t on that night. On this night we also measured the 

V-band extinction to 

be

 A : 

=

 0.116 ± 0.019 mag/air mass , 

based on 8 measurements 

of

stars

 over a range 

of

 1. 5 

air 

masse s . 

or

 the 

1991

 January

 21

 data we shall adopt a 

dark-sky 

value of 

V

 

= 1.388 mag

 sec

2

,

 qual 

he 

average

 

of

the

 

s ix

 measurements

 

of

the

 previous

 

year.

 

3. Atmospheric 

Scattering

 

The atmospheric 

scattering

 of moonlight is  

a

 complex 

problem. The

 

sky  brightness will depend on 

the 

extinc-

 

tion coefficient,

 

he

 magnitude

 of the Moon, he

 zenith

 

distance 

of

the Moon, the angular separation between the 

Moon

 and the

 sky

position, and the 

zenith

 distance

 

of the 

sky position. n 

hese

 next

 

wo sections we describe 

a

 

simple

 scattering model (elaborated by one 

of

us, 

B . 

E.

 

S .)  

so 

as

 

to

 establish functional forms for the variation ofeach 

parameter that are fairly

accurate. 

When looking out 

along

 

a

 line of

sight,

 an observer

 

will 

detect

 scattered

 light

 from 

the

 

Moon. Let

 

the field

 

ofview 

be 

a

 

circle

 with an angular radius of φ , o 

that

 the

 

s ca t - 

tered

 

light 

must 

come

 

from

 

nside

 a

 narrow

 cone.

 The 

volume of

 the

 cone 

can be broken

 

up

 nto differential

 

volumes 

dV 

=

 π   (R  φ )

2

 dR  4) 

where R  

is

 

the

 distance from 

the

 observer 

to

 

the

 

volume. 

Thi s volume will have some density of scatterers, D, 

which will 

be

 

proportional to

 the volume

 

extinction 

coeffi-

 

cient b  

D  

=

 cb  5) 

where

 

c

 i s

 some

 constant.

 The

 

number

 of

scatterers

 in the 

differential

 volume, dN, will be 

dN 

=

 DdV 

=

 

7ïcbR

2

^

2

dR  6) 

The 

brightness 

of

scattered light

 

from 

each 

volume will be 

proportional to d N . 

The differential

 

volume

 will be

 

illuminated 

by 

moon-

 

light dimmed by the atmosphere. 

If

 7 *  is  the illuminance 

of 

the Moon outside the atmosphere and I 

is  

the 

illumi- 

nance ofthe Moon inside the 

atmosphere,

 then 

these

 two 

quantities will be 

related

 as

 

I

 

l0-

0

Akx

 

,

 

7)

 

where k 

is

 

the

 

extinction

 

coefficient

 and X

m

 

is

 

the

 

optical 

pathlength 

to

 

the Moon

 as  measured 

in

 

air

 masses s e e  

be low) .

 

The illuminance of

 

the Moon (in footcandles) can 

be

 related

 

to

 the

 V

 

magnitude 

of the

 

Moon

 

(m)

 as

 

j*

 

_

 2Q -

0

-

4

(

m

 

+  

16

·

57

  g) 

( s e e

 

eq.

 

16) 

of Schaefer 

1990a).

 The 

magnitude 

of

 

the 

Moon will 

be

 a function of the phase 

angle,

 α   in degrees, 

such

 

that

 

1035 

m

 

-12.73

 + 0.026 

α  

+ 4

 Χ  

Π

9

 

4

 

9)

 

( s e e

 page 

14 4

 of

 

Allen 1976).

 

The brightness of

 

scattered

 

moonlight

 

will

 be proportional to 

I .

 Equation (9) 

g i v e s

 

= —12.73 fo r full Moon,

 

in agreement with the results 

of

 

Lane

 &

 

Irvine

 

1973

 

extrapolated

 to α  

=

 0.

 

However, this 

ignores

 the 

opposition

 e f fe c t . For al < 7° the bright- 

ness of the Moon

 

deviates from

 

this relation s e e ,

 

e.g., 

Whitaker 1969).

 

When the Moon 

is

 exactly full 

it

 is  about 

35 %

 

brighter

 than 

he extrapolation

 

would

 predict,

 

as -

 

suming,

 

of

 

course,

 that 

it

 is  not undergoing a penumbral

 

or

 umbral eclipse. 

The

 

luminous

 intensity

 of

 the 

differential volume,

 dL,

 

will be

 

proportional

 

o

 

he

 

number 

of

 scatterers n he 

volume, the

 

illuminance

 

of

 

the Moon,

 

and

 

the

 scattering

 

function.

 The

 

cattering function,

 

(p), escribes he 

intensity 

of 

scattered 

light

 as  a 

function

 

of

 the scattering

 

angle 

p . Therefore, 

dL = If{p)dN 

10)  

In

 

this 

equation 

and

 

below,

 

the

 various 

constants

 

of

 

pro- 

portionality

 

will be absorbed 

into

 the scattering 

function.

 

The ight

 

raveling

 

from 

he

 differential volume o he 

observer 

will

 be

 

attenuated not only 

by

 

the

 atmosphere

 

but 

also 

by he nverse

 

square aw

 

fo r

 

he 

ntensity 

of 

light. 

The

 perceived surface

 

brightness from

the

 

differen- 

tial volume, 

dB,

 will 

be

 

the

 

perceived

 brightness divided 

by

 

the

 subtended sol id  angle,

 

so that

 

d B

 

= dLe~

7

/ R

2

 

=

 If{p)be-

J

dR  11)  

Here,

 corresponds o he 

optical

 depth between he 

observer 

and

 the

volume. 

The total

 

apparent

 surface

 

brightness 

can

 

be

 

found

 

by

 

integrating along the entire line of sight. 

For

 the simple 

model

 

that

 the atmosphere is  

uniform

 up to some height 

H, then 

the

 

optical

 depth will be 

simply

 

b R .

 The integral 

must

 

run 

rom zero 

o

 he distance of the op of the 

atmosphere that is  Hsec(Z)). Thus, 

he

 surface bright- 

ness

 will be

 

B

 

= If{p)[l-

e

bHsec{z)

]  12) 

For

 such an atmospheric model, the extinction coefficient 

can be related to the

volume

 

extinction

 coefficient as

 

10 -

O

Ak

 

=

 

e-

b

H

 

13)

 

The 

air

 mass is  often evaluated as 

the

 secant 

of

the 

zenith

 

distance, and 

this

 

is

 accurate

 

fo r

 

any direction

 

not

 

near the

 

horizon. S o, the secant 

of

the 

zenith

 distance in equation 

(12) will be better approximated as the 

air

 mass along the 

line

 

of 

sight, 

X(Z). 

Many

 

expressions

 fo r

 air

 

mass

 that

are

 valid 

lo w 

on  

the 

horizon 

have

 been proposed Hardie 1962; Rozenberg 

1966; 

Garstang 

1989; 

Schaefer

 1989).

 Ideally,

 

each 

extinc-

 

tion

 component must 

be

 

handled

 separately 

since

 they al l 

have

 

different 

height

 

distributions

 

cf . 

Schaefer

 

1990b). 

©

 

Astronomical Society

 of the

 

Pacific  Provided 

by

 the

 NASA Astrophysics

 

Data

 

System 

Page 4: A FORMULA FOR THE BRIGHTNESS OF LUNA

8/19/2019 A FORMULA FOR THE BRIGHTNESS OF LUNA

http://slidepdf.com/reader/full/a-formula-for-the-brightness-of-luna 4/7

1036

 

KRISCIUNAS

 

AND

 SCHAEFER 

From 

these correct

 calculations, 

we

 have found

 

that equa- 

tion

 III.

 

3, 17

 

from Rozenberg 1966 is  the most reasonable 

of

 the 

simple

 

formulae

 fo r zenith 

distances

 al l 

the

 

way

 to

 

the

horizon.

 Therefore, 

X(Z) =

 

[cos(Z) + 

0.025

 éT

11

 

1

 

14)

 

In

 

this

 

formula

 the

 

air

 

mass

 

goes

 

as

 

s e c ( Z )

 

when

 

fa r

 from

 

the

 horizon but i s limited to 40 air masses 

on

 the horizon. 

T h i s

 is  the

 

best

 

formula

 

to use

 fo r correcting 

the 

bright-

 

ness ofan object directly observed (e.g., the Moon i t s e l f ) . 

However, 

fo r

 

scattered

 light

 from 

the 

Moon we 

find

 

that 

air

 masses based on

 

equation 3)

 

give

 

he better i t of 

observed unar brightness 

s .

 

model

 brightness,

 

or

 

a

 

very large range

 

of B

m

oon

.

 

We might

 

cal l

 

equation (3) the 

scattering 

air

 mass and equation 

(14)

 

the

 

extinction

 

air 

mass ,

 and it

 

is  clear from 

our

 data

 

that 

equation

 (14) leads 

to a gross 

underestimate

 ofthe lunar sky-brightness effect 

when the Moon is  low  on the horizon. 

From

 

equations (7), 

12),

 and

 (13),

 

he

 

model

 surface

 

brightness will be 

B

m

oon

= / p )

 rlO-o· [1-10-°«]  15) 

The

 

evaluation

 of/(p) 

will

 be 

given

 in the

next

 

section. 

T h i s 

last

 equation embodies a number ofcomplexities, 

the 

details

 of

 

which

 

have

 not been fu l ly elaborated.

 

The

 

most obvious are: 

(1)

 The volume extinction coefficient b will 

be

 a 

sum

 of 

two exponential 

functions

 ofheight. 

(2)

 

The extinction in equation (7) will 

be

 a function of 

the height of

the

 

volume. 

(3)

 

The e f fe c t s of a spherical Earth and refraction be- 

come

 

important

 

near

 

the

 horizon.

 

Better

 

calculations

 

can

 

and 

have

 been made (cf. Rozenberg 1966 and references 

therein). However,

 

the results are of much greater com- 

plexity. 

(4)

 The 

scattered 

light

 h as  

a

 small 

but

 significant 

frac- 

tion

 

of multiply

 scattered 

light, whereas

 

he

 

use of the 

scattering 

function

 n equation

 12) mplicitly assumes 

single scattering. 

Equation (15) h as  

also 

ignored several

 

e f fe c t s ,

 

some of 

them quite 

minor:

 

(1)

 The Moon has an asymmetric 

distribution

 of maria 

so 

hat

 he Moon 

and,

 hence, he scattered moonlight 

should

 be

 

slightly 

brighter before 

u l l

 Moon 

han 

after 

(Stebbins

 & Brown 

1907;

 

Russell

 1916; Rougier 1934). 

However, this effect is  very small and Lane 

&

 

Irvine 

1973 

were unable to detect it . 

(2) or

 la l 

<

 

7° the lunar opposition effect should be 

taken nto account, 

which

 case 

he

 derived 

value

 

of 

B m o o n must be multiplied by a

factor

 in between 1.00 and 

1.35. 

This

 

factor

 only comes 

into

 play within 

a day

 

of full 

Moon.

 

(3) 

Refraction

 will change the altitudes and separation 

of the Moon

 

and

 

the

 sky 

position

 from

 those

 used 

in

 

this 

model.

 However, even on the horizon, he altitude will 

only

 shift by 

half a

 

degree 

at

 

most and will

 

change

 

he 

predicted brightness by only small amounts. 

(4) The position of the

 

Moon 

as  used

 

in

 this paper is  

that

 of the

 

Moon's 

center,

 whereas 

t

 would be more 

accurate

 

to use

 

the position of the light centroid. How- 

ever,

 under

 

extreme

 

conditions,

 he

 

difference

 

in

 

posi-

 

tion

 

is  

a quarter 

of 

a degree

 at

 

most,

 o

 

that 

this 

effect 

is  

negligible.

 

(5)

 

The

 

Moon

 

is  

sometimes closer

 

and,

 hence, arger

 

and brighter than at other

 

times fo r the 

same

 phase angle. 

The

 apparent diameter

 ofthe

 Moon

 will 

vary 

by

 

11.6%

 on

 

average from

 

apogee to 

perigee, so

 

that

 the Moon's

 

mag- 

nitude, as  derived 

by

 equation (9), may be in error by as  

much 

as

 ±

 

0.12 magnitude. 

A n improved 

model

 

would

 

account

 fo r al l of

 the

 

above 

e f fe c t s and more. Y e t the real 

atmosphere

 is  never 

as

 well 

behaved

 

as

 

in

 any

 model

 

ever 

calculated. 

In particular,

 

the concentration and 

distribution

 of the atmospheric 

aerosols are 

highly variable

 with ime and

 ocation

 

c f.

 

F i g . 

56

 ofRozenberg 1966). With such large variations, it 

is  

useless

 

to

 

refine

 a model intended fo r general 

applica- 

tion. 

The

 real

 justification

 fo r 

the

 

simplicity

 

of

 

the

 model in

 

equation

 

(15)

 is  

that

 it 

reproduces

 the observations with 

remarkable accuracy. We will show

 

below that the model 

reproduces 

he Mauna

 

Kea data 

(from

 

scattered

 moon- 

l i gh t ) with an 

rms

 uncertainty 

of 

23 %  and the data (from 

scattered

 sunlight) from two Russian sites

 

(Pyaskovskaya- 

Fesenkova 1957) to an 

accuracy

 of

 

8%  to 11%.

 

This accu-

 

racy is

 

achieved

 despite

 the

 hundredfold

 variation

 

in

 

the 

observed brightness 

of 

scattered

moonlight. 

4. Scattering Function

 

Equation (15) g i v e s a simple formula fo r the moonlight 

brightness,

 

where 

the

 

functional 

forms 

for

 I 

fc, 

X

m

,

 and 

X

 are derived from theory. However, the scattering

 

func- 

tion,

 

(p), as 

not

 

yet

 been evaluated. The scattering 

function,

 /(p),

 s 

proportional

 

to

 

the 

fraction 

of incident 

light

 scattered 

nto

 a unit 

solid angle 

with

 a 

scattering

 

angle

 . The scattering 

angle,

 

,

 will 

be

 equal o he 

angular

 separation between

 the

 Moon

 

and the

 

sky  

posi- 

tion for single scattering. 

The

 scattering function

 

will

 

be

 

composed 

of

 additive 

terms

 

associated with

 the

 

two

 

types

 

of

 

scattering 

in

 

our

 

atmosphere. The 

first

 ype 

s

 Rayleigh scattering from 

atmospheric gase s , which will 

contribute/

R

(p). The s e c - 

ond 

type

 

is  Mie scattering by atmospheric aerosols, which 

will contribute/

M

(

p). The two

terms

 will add ( s e e  eq. II. 

2,

 

38 ofRozenberg 1966),

 

so that

 

/(PH/r(P)+/M(P) 

16) 

Remember that the scattering 

functions

 

have 

absorbed 

constant

 

factors 

relating 

to unit

 

conversions and

 

normal- 

iza t ions . 

©

 

Astronomical Society

 of the

 

Pacific  Provided 

by

 the

 NASA Astrophysics

 

Data

 

System 

Page 5: A FORMULA FOR THE BRIGHTNESS OF LUNA

8/19/2019 A FORMULA FOR THE BRIGHTNESS OF LUNA

http://slidepdf.com/reader/full/a-formula-for-the-brightness-of-luna 5/7

MOONLIGHT-BRIGHTNESS 

MODEL

 

1037 

For Rayleigh scattering

 

from atmospheric gases, he 

contribution

 to the

 scattering 

function will 

be

 

/r(p) =

 

C

R

 [1.06 

+

 c os

2

(p)] 

(17) 

(Rozenberg 

1966).

 C

R

 is

 

a

 

proportionality constant yet 

to 

be 

determined.

 

For

 Mie 

scattering

 

of

 

aerosols,

 

he

 

contribution

 to 

the

 

scattering function will be /m(p)· 

Explicit

 equations

 

or  

(

p) have been compiled in  the 

treatise

 of van de

 Hülst

 

1957 fo r 

many

 particle 

shapes,

 i z e s , and 

optical

 proper- 

ties. Unfortunately,

 hese

 idealized

 

cases have no utility 

for

 the

 real

 atmosphere where

 

the

 aerosol 

size

 

distribu-

 

tion is  

broad, and

 

the

 particle

 shape

 

and

 

composition

 

are 

widely

 variable. In principle, 

(

p ) can be found by inte- 

grating

 the single particle 

functions

 over the s ize , 

shape,

 

and optical 

properties 

of the

 aerosols,

 

but

 in practice

 

this 

knowledge

 s never 

known

 with 

sufficient

 

accuracy

 o 

justify 

the

 integration.

 Henyey

 

&

 Greenstein

 1941 

offer 

a

 

scattering function that 

is

 merely a convenient 

functional

 

form

 with

 

no

 

basis

 

in

 

data. Thus, 

he

 

only

 alternative

 is

 

that 

of

empirical measurement.

 

Therefore, n practice, we will use 

he 

observations 

from

 

the previous section

 to 

define

 

the

 scattering

 

func-

 

t ion . T h i s can

 

be done

 

because B

moon

I

 k, X

m

, and X  

are

 known 

fo r al l

 observations 

from 

Mauna K e a ,

 o

 

that

 

equation 

(15)

 can be 

solved

 

for/(p).

 Figure 1  s h o w s a plot 

of 

the 

scattering function

 

as

 a

 function

 

of the Moon/sky 

separation.

 

Pyaskovskaya-Fesenkova 1957 presents smoothed data 

for 

the daytime ky

 

brightness

 

hat

 

can also

 

be used to 

evaluate 

/(p).

 The

 

eason s

 hat scattered

 sunlight s 

identical in everything but intensity

 

with scattered moon- 

light. 

The 

difference

 

in

 intensity 

can

 be easily accounted

 

6.4 

Observed cattering

 

unction 

D ) 

O

 

6.2

 

6

 

5.8

 

5.6 

5.4

 

5.2 

30

 

0

 

0

 

20

 

Scattering Angle degrees)

 

150

 

Fig. 

-The

 

scattering

 function, /(p), a s  d ed u c ed

 from

 th e  moonlight 

observations repor ted in th i s paper and  in Krisciunas 1 9 9 0 . That i s , for 

th e  

observations,

 

all

 

th e  

quanti ties

 

in

 

equation

 

( 1 5 ) are  known

s o

 

that

 

th e 

scattering

 

may

 

be  

solved

  f o r .

 Th e scat ter ing function i s  a function of   th e 

scattering angle, p . Th e scat ter ing

 

function from equation 

( 2 1 )

 i s  drawn

 

a s  th e 

smooth

curve . 

fo r 

by

 

using

 the 

Sun's

 magnitude (m

su n

 = —26.74) instead 

of

the Moon's magnitude in equation (8). The Russian data 

are 

fo r the

 whole

 sky

 from

 sites

 with

 A : = 

0.15 and k

 = 

0.24 

and fo r solar zenith 

distances

 of0, 30 , 60 , and 8 0 degrees. 

We

 

have extracted

 

many 

representative 

points, alcu- 

lated/(p) from

 

equation 

(15),

 and plotted

 

the results

 

Figure

 

2.

 

The

 

first

 item to 

notice

 is that the scattering 

function

 

is

 

identical

 to  

within 

he 

scatter) or

 

the

 

hree

 sites 

with 

extinction

 coefficients

 of

 0.15, 0.172, and 0.24.

 Second, 

there is

 

no systematic difference between solar and 

lunar

 

data. 

The

 third 

and 

fourth 

items

 

are

 that the data

 

with the

 

zenith

 distance of

 

the

 

source

 

nd of

 

the

 ky

 position 

greater

 than 80 degrees 

are

 not 

systematically

 different 

from

 the 

average.

 These

 four items 

show

 

that

 the 

func-

 

tional

 

dependence on  k, 

I

 X

m

,

 

and X

 

is  correct.

 

This is  

the empirical  

justification 

that

 

the

 approximations

 leading 

to equation (15) are good. 

The

 Mie

 

scattering 

by

 aerosols 

is

 

highly

 

forward s ca t - 

tering.

 

Thus,

 

he

 

Rayleigh

 

scattering

 

will

 

dominate

 

or  

scattering angles greater

 

than 90 degrees.

 

Therefore,

 

the

 

empirical measures of/(p) fo r 

large

 angles can be used to 

measure C

R

.

 

The value

 

will

 be

 he average

 

over

 

data 

values with a scattering angle 

of

 greater

 than 90 degrees) 

of

 the empirical/(p) 

divided by 1.06 

+

 

c os

2

(p).

 

We find 

a

 

value 

of2.27

 X 

10

5

forC

R

The Rayleigh

component

 of/(p) can then 

be

 

subtracted

 

out,

 

leaving 

only/

M

(p

). 

For scattering

 

angles from 10

 

to 80

 

degrees, the empirical/

M

(

p) is  roughly 

a

 straight line on 

a

 

Observed 

cattering unction

 

30

 

0

 

0

 

20

 

Scattering 

Angle

 degrees) 

150

 

Fig.

 2-The 

cattering

 function, /(p),

 s

 ed u c ed 

from 

th e

 

unlight 

observations repor ted

 

in 

Pyaskovskaya-Fesenkova

 1 9 5 7 . A s

 

in Figure 1 , 

a l l 

th e 

quanti ties

 

n equation

 

1 5 ) are  known

 o

 that

 

th e scattering 

function

 may 

be

 

de te rmined .

 Th e scattering

 function

 i s 

plotted

 versus

 

th e

 cattering 

angle, 

, or 

si te s

 with extinction coefficients

 

of 0.15 

(crosses)

 and  0.24 

( d o t s ) .

 Th e scattering function from equation ( 2 1 ) i s

 

drawn 

a s

 th e 

smooth 

curve . Note that

 

th e  

scat ter 

about

 

th e model

 

i s  

small and  that 

the r e  

i s  no

 

significant difference

 

be tween  

th e  

two sites, a s  

th is

 i s  th e

 

empirical

 

justification that

 

th e  functional

 form

 of  

equation  

( 1 5 ) 

i s

 valid. 

©

 

Astronomical Society

 of the

 

Pacific  Provided 

by

 the

 NASA Astrophysics

 

Data

 

System 

Page 6: A FORMULA FOR THE BRIGHTNESS OF LUNA

8/19/2019 A FORMULA FOR THE BRIGHTNESS OF LUNA

http://slidepdf.com/reader/full/a-formula-for-the-brightness-of-luna 6/7

1038  KRISCIUNAS 

AND

 SCHAEFER 

log-linear

 

plot.

 From 

this

 plot 

we

 

will

 adopt a 

formula

 fo r 

/M(p)

 = 

10

ei5

~

p/40

 

18 ) 

N ow  

the

 total scattering function

 

can 

be

 found as  

a

 func- 

tion of ρ   from

 

equations 16),

 

17), and

 18),

 and 

is dis

played 

as

 

a

 curve in

 Figures

 1

 

and 2. 

For

 

angular

 

separations

 

less

 than

 

10

 

degrees,

 

he

 

data

 

in K i n g 1971 show 

that

 

equation 

(18)

 

is

 not

 

va l i d . 

Schaefer

 

1991 h as

 

shown that 

/m(p) 

=

 6.2 X 10

7

 p~  

(19) 

The

 cattering 

angle 

s measured n degrees or both 

equations

 (18) and 

(19).

 This 

small

 

angle

 scattering forms

 

the aureole. 

The reader may wish to compare 

our

 scattering func- 

tion, 

sing 

appropriate

 

cal ing,

 

o hat 

of

 

McClatchey 

et al . 

1978

 

(Fig .

 

26

 in Section 14) and 

that

 of Rozenberg 

1966 (Fig . 

72). 

5.

 Discussion

 

The ina l quation or 

moon

 

s

 erived rom qua- 

tions 

3),

 

8) , 9),

 nd

 

15)-(19). 

or

 Moon/sky 

separa- 

tions greater than 10 degrees, 

hese

 results can be 

sum-

 

marized

 as

 

j*  

=

 20

  - 0 . 4 ( 3 . 8 4  +  

0 . 0 2 6  

lal+4

 X

 1 0 - 9

 

a 4 )

 

/(p)

 

Ι Ο

536

 

[1.06

 + c os

2

(p)] + 

10

615

-

p

/40

 

X(Z) 

=

 

(1-0.96

 s in

2

Z )~

0

·

5

 

oon riO il lO·

4

 

(20) 

(21)

 

(3) 

(15)

 

The

 

required nput or his general formulation

 

s he 

lunar phase 

angle

 

a,

 

he

 Moon/sky eparation

 

he 

extinction coefficient k, he 

zenith

 distance of

 

the Moon 

Z

m

,

 and

 

the

 zenith 

distance of the 

sky  

position

 Z. These

 

equations are not 

as

 formidable 

as

 hey might ook. 

pocket calculator

 

can evaluate B

moon

 in 

about

 

a minute

 and 

only 

a

 few 

lines

 of 

code

 are needed

 

in a computer pro- 

gram. 

The change in the V-band sky  brightness caused by the 

moonlight

 will be

 

A V

 = -2.5 log [ ( ß m o o n  

+

 B

0

{Z))/B

0

{Z)] 

(22) 

A s

 a guide, we 

have

 tabulated 

typical

 

values

 of B

m

oon

 (i n 

n L )

 

and

 

A V

 (i n

 

magnitudes

 

per

 

square

 

arc

 

second)

 

fo r

 

a

 

range of α   and ρ   ( s e e  

Table

 2) . This table was  constructed 

with 

he

 assumption 

hat k

 

=

 0.172 mag/air

 

mass the 

median V-band extinction at the 2800-m level of Mauna 

K e a ) , 

and 

that

 

V

ze n

 = 

21.587

 mag

 

sec

 

(the

 

mean

 dark-sky

 

value 

at

 he 

same

 

site,

 quivalent o B

ze n

 

=

 

9.0

 n L ) . 

Strictly speaking,

 

he values

 

of B

moon

 and 

A V  

in Table 

2

 

only 

apply

 o a 

site

 with he 

same 

median

 

extinction 

coefficient and mean dark-sky 

brightness

 

as

 the 2800-m 

level

 

of

 

Mauna

 Kea (e.g., McDonald 

Observatory).

 

Given the two extinction 

terms

 in 

equation

 (15), 

a

 table 

Lunar ky 

r igh t n e s s

 ffect rom odel

a

Phase 

ngular

 i s tance

 

between 

angle o o n

 and sk y

 posi t ion

 p )

 

( a )

 °

 

 

 0° 

20°

 

30° 

60° 

7 2 1 6

 

1 6 0

 

3 0

 

3 7

 

1 8

 

{-4.48)

 

-2.87)

 

-2.22)

 

-1.93)

 

-2.16)

 

3 3 6 4

 

5 4 1   2 4 7

 

2 0 4  

3 8 1  

1 2 0  

(-3.67)

 -2.13)

 

-1.54) -1.30) -1.49)

 

1 3 5 1 1 7 

9

 2 

5 3

 

(-2.73) 

-1.35)

 

-0.88)

 

-0.71)

 -0.85) 

3 9 1

 

3

 

9

 

4  

(-1.58) 

-0.58)

 

-0.34)

 -0.26) 

-0.32)

 

a

Values 

of 

moon/

 measured

 

n nanoLamberts. or unar

 

zeni th  angle

 of

 60° 

and  

V-band 

e x t i n c t i on

 of 0.172 

mag/ 

ainnass.

 

or this able is

 

measured 

along

 h e  

grea t 

circle on

 

th e ky 

pass ing

 hrough

 

t h e  m o o n

 

and  th e 

zen i t h .

 

Therefore , h e olumn 

=

 

60°

 

orresponds

 o h e zen i t h . 

Values 

pa r e n t h e s e s

 

ar e  

ν

 

in  

mag/sec

2

using

 

V  

=

 

21.587

 

mag/sec

2

 B

zen

 =

 

79.0 L ) s h e  nominal zeni th ky 

br igh tne s s , 

nd

 sca l ing

 

h e zeni th ky

 

br igh tne s s 

h e

 

nominal

 

alue

 

at h e

 zeni th  

angle

 

orresponding

 

o

 

comparable to Table 

2

 fo r the

 

Mauna Kea summit (with 

median V-band 

extinction

 of

0.113

 

mag/air

 

mass;

 Krisciu-

 

nas 990)

 

g i v e s B

moon

 

values

 which are al l ower. The 

extreme

 example

 

would

 be fo r a satellite

 in 

Earth orbit,

 

fo r 

which

 

k

 

=

 0 and B

m

oon

 always equals 0 (i.e., the sky is  

black) . For

 

dark 

sky

 site

 

with k 

0.30

 

the sky-bright- 

ness

 effect due to the Moon is  larger than those 

values

 

tabulated

 in

 

Table 2.

 

Because the

 

moonlight 

contribution

 

comes

 

from scattering 

of

 

light,

 where 

one

 s observing 

through

 more 

atmosphere

 (i.e.,

 

sea level v s . on 

a

 moun- 

taintop), 

there will be 

more

 

scattering. 

For

 Palomar and Mount 

Wilson,

 which have

 

V-band 

extinction

 omparable o

 

hat t he 800-m

 evel

 f

 

Mauna K e a , 

but

 different dark-sky 

brightnesses 

(due to 

art i f i c ia l light), one 

can

 use the 

values

 ofB

m

oon

 from 

Table

 

2 and equations (1),

 

(2),

 

(3), and (22), with an 

appropriate

 

value

 of

 

V

ze n

 for equation (1),

 

o calculate the sky-bright- 

ness

 

effect

 

( A V )

 

in

 

mag

 

sec

 

.

 

One of the principal 

uncertainties

 n using equation 

(22)

 on any

given

 night 

comes

 from 

the

 uncertainty 

ofthe 

adopted

 dark-sky 

zenith brightness.

 

Even

 f it s mea- 

sured, 

one

 

does

 not 

know

 the exact contribution of

 

faint 

stars in the beam or what the effect is  of the solar wind on 

the 

air

 

glow

 

on

 that 

specific

 

day . 

See

 

Krisciunas

 1990

 fo r

 

further 

discussion.

 

The accuracy

 

of 

our general 

formulation

 

can

 be

 deter- 

mined rom he catter of he bserved rightnesses 

about he predictions. n 

Figure

 

we plot B

moon

 ob - 

©

 

Astronomical Society

 of the

 

Pacific  Provided 

by

 the

 NASA Astrophysics

 

Data

 

System 

Page 7: A FORMULA FOR THE BRIGHTNESS OF LUNA

8/19/2019 A FORMULA FOR THE BRIGHTNESS OF LUNA

http://slidepdf.com/reader/full/a-formula-for-the-brightness-of-luna 7/7

MOONLIGHT-BRIGHTNESS 

MODEL

 

1039 

M o d e l Brigh tnes s 

n L )

 

Fig.

 3-Obse rved 

values

 

of

 s k y  brightness

 

d ue  to

 

scat tered moonlight 

( i n  nanoLamberts) v s . model values from equation ( 1 5 ) . 

Open

 circles: 

data for which

 B

moon

 < 

B

Q

{ Z ) . Squares:

 

data of 

1 9 9 1  

January 4 .

 Large 

dots: 

a l l

 other

 

data. A

 

line of  

slope

 1  i s  indicated. 

served)

 v s .

 

B

moon

 

(mode l )

 fo r the 

data 

of

 

Krisciunas

 

1990 

and

 from 

Table

 1  of

this

 paper. If we take the

ratios

 

[ B m o o n  

(observed)

  ß

moon

 (mode l) ] /B

moon

 

(observed)

 

we  find 

an

 rms

 

variation ofthis ratio

 

of

23 %

 fo r the

 

Mauna 

K e a data (with B

moon

 > B

0

{Z)),

 

8%

 fo r the k = 

0.15

 Russian 

site,

 and 

11 %

 

for the

 k

 =

 0.24 

Russian site.

 

Hence, we

 

conclude 

that

 

our 

formula

 

has an accuracy of

8%

 to 23 % in 

the prediction 

of 

the sky  brightness from 

moonlight.

 The 

accuracy will 

be

 

poorer

 

when

 the Moon or 

sky

 position is  

c los e 

o

 

he

 

horizon

 o 

hat

 

small

 uncertainties

 n

 

he 

extinction 

coefficient

 will 

be

 

magnified.

 

To the

 best 

ofour

 knowledge,

 no

 formula

 fo r

 moonlight 

brightness has 

ever

 

appeared

 in the 

literature.

 

Our

 

for-

 

mula

 h as  

the

 

advantages

 

of having

 

the

 correct 

functional 

dependencies, et being

 

easy

 

use

 nd

 

accurate o 

better than 23%. A s

 

such, he equations can 

be

 used to 

optimize exposure times 

fo r photography

 and 

CCD

 im- 

age s , o predict limiting magnitudes

 

fo r visual

 

observa- 

tions, as  

well 

as

 

to predict

 the

 

visibility

 

of

stars, 

planets,

 

or 

comets

 

near

 the Sun 

or

 Moon fo r historical purposes. 

We hank Ewen Whitaker or 

useful

 comments and 

references to

 other 

work.

 

R EF ER EN C ES

 

Allen,

 

C .

 

W . 1 9 7 6 , 

Astrophysical

 

Quanti ties

 

(London,

 

Athlone)

 

Garstang,

 R . H. 1 9 8 9 , PASP, 1 0 1 , 306 

Hardie , R . H. 1 9 6 2 , in Stars and  Stellar 

Systems,

 V o l .  2 , 

Astronomical

 

Techniques , d .

 

W .

 

. Hi l tne r

 

(Chicago, Univ.

 

Chicago Press),

 

p.

 

1 7 8  

H e c h t , S . 1 9 4 7 , J . Opt. S o c . Am., 

3 7 ,

 

59

 

Henyey,

 

L . 

G ., 

Greens te in , J .

 L .

 1 9 4 1 , ApJ, 9 3 , 7 0  

King,

 

I .

 R . 1 9 7 1 , 

PASP,

 

8 3 ,

 

1 9 9  

Knoll,

 Η

.  .

, Tousey,

 

R .,  Hulbur t , E .

 O.

 9 4 7 ,  J . Opt. S o c .

 

Am.,

 

3 6 ,

 480 

Krisciunas, K . 1 9 9 0 , PASP, 1 0 2 , 1 0 5 2  

Lane,

 

A .

 P.,  Irvine, W . M . 1 9 7 3 , A J , 

7 8 ,

 267 

McClatchey,

 R .  ., Fenn, R . W ., Selby, J . Ε .  ., 

V o l z ,

 

F.

 E ., &Garing, 

J .

 S . 

1 9 7 8 , 

in

 

Handbook

 of  Optics , 

e d .

 W .

 

G .

 

Dri scol l&W .

 Vaughan

 

(New Y o r k , 

McGraw-Hill),

 Chap t . 1 4  

M

 ecus , . 9 8 0 ,

 Astronomical

 Formulae  for 

Calculators

 (Hove, Bel- 

gium, Volkssterrenwacht Urania)

 

Pyaskovskaya-Fesenkova, . V . 9 5 7 , Investigation of th e  Scattering 

of

Light in

 

th e

 

Earth 's 

Atmosphere 

(Moscow, U.S .S .R. Acad .

 

S e i . 

Press) 

Rougier, G . 1 9 3 4 , L'Astronomie, 

4 3 ,

 

2 2 0 ; 

43, 2 8 1  

Rozenberg, G . V . 1 9 6 6 , Twilight (New

 

Y o r k ,

 Plenum Press) 

Russell, H. N . 1 9 1 6 , ApJ, 4 3 ,  1 0 3  

Schaefer , Β

.

 E . 1 9 8 9 , S T , 7 7 , 

3 1 1

 

1 9 9 0 a ,

 

PASP,

 

1 0 2 ,

 

2 1 2

 

1 9 9 0 b ,

 

QJRAS,

 

3 1 ,

 

5 3  

9 9 1 ,

 

PASP,

 

1 0 3 ,

 

645 

Stebbins , J. ,  Brown, F. 

C .

 1 9 0 7 , 

ApJ,

 

2 6 ,

 

326 

van de

 

Hüls t , 

H.

 

.

 

9 5 7 ,

 

Light 

Scattering 

by Small Particles 

(New

 

Y o r k , Wi l e y  S o n s ) 

W alker ,

 

A .

 1 9 8 7 , N O A O 

News le t t e r ,

 N o .  1 0 , 

1 6

 

W e ave r ,

 

H. 

F.

 1 9 4 7 ,

 

PASP, 

5 9 ,

 232 

W hi take r ,

 

E .

 

A . 1 9 6 9 ,

 in

 

Analysis

 

of Apollo 8

 Photography

 

and 

Visual 

Observations, N A S A  SP-201, 

3 8

 

©

 

Astronomical Society

 of the

 

Pacific  Provided 

by

 the

 NASA Astrophysics

 

Data

 

System