Sonnenfinsternis

J. Draeger

In der professionellen Astronomie werden kaum noch photographische Filme eingesetzt. Die meisten Aufgaben lassen sich mit elektronischen Detektoren wie etwa CCDs weit schneller, genauer und billiger erledigen. Gerade für den Amateur gibt es jedoch Spezialgebiete wie etwa die Beobachtung von Sonnenfinsternissen, bei denen der Einsatz von Kameras vielversprechender ist als der Einsatz elektronischer Detektoren. Folgende Gründe sind hierfür maßgeblich:

1. Derzeit können nur wenige teure CCD-Typen oder -Mosaike mit der Detektorfläche eines handelsüblichen Kleinbildfilms konkurrieren.
2. Dynamische Prozesse lassen sich mit Farbfilmen gleichzeitig in mehreren Spektralbereichen registrieren. Farb-CCDs, welche für astronomische Anwendungen geeignet wären, sind dagegen kaum verfügbar. Die bautechnisch erforderliche räumliche Trennung der Pixel, welche jeweils in einem eigenständigen Spektralbereich registrieren, macht bei ihnen zudem ein beträchtliches Oversampling mit entsprechenden Empfindlichkeitsverlusten erforderlich.
3. Großflächige elektronische Detektoren registrieren eine Informationsmenge, deren (serielle) Auslese meist eine längere Zeit beansprucht. Kameras mit einem elektrischen Filmtransport erreichen dagegen eine Frame Rate von bis zu 10 Bildern pro Sekunde. Damit ergeben sich große Vorteile bei der Beobachtung hochdynamischer Vorgänge wie etwa der Registration des Flashspektrums.
4. Die mit photographischen Filmen erreichbaren räumlichen Auflösungen sind teilweise höher als die der CCDs (z.B. TP 2415 mit 4-5 Mikron Kornabstand rms). Die geringe Empfindlichkeit derartiger Emulsionen ist bei Sonnenfinsternissen in der Regel kein Problem. Man beachte jedoch, dass die Strukturen an der Auflösungsgrenze durch die Filmkörnung stark deformiert werden. Zudem kann das Scannen photographischer Bilder, d.h. ihre Übertragung in digitale Form, mit einem beträchtlichen Auflösungsverlust verbunden sein.
5. Die Sensitivität von CCD-Kameras der Amateurklasse im blauen und ultravioletten Spektralbereich ist häufig relativ gering. In diesen Wellenlängenbereichen sind photographische Filme manchmal empfindlicher.

Ein Nachteil der photographischen Beobachtung ist die in heißen Klimaten unvermeidliche Aufheizung der Kameras, welche zu Beschädigungen des eingelegten Filmmaterials führen kann; in der Kälte

ist andererseits ein Reißen des dann brüchigen Films möglich [5].

Für astronomische Beobachtungen werden normalerweise Spiegelreflexkameras bevorzugt, da sie ein präziseres Anvisieren des Beobachtungsobjekts und ein genaueres Einstellen des Instrumenten-Fokus erlauben. Trägt eine Montierung jedoch mehrere Instrumente, die achsenparallel zueinander ausgerichtet sind, reicht eine einzelne Spiegelreflexkamera zur Kontrolle der Nachführung aus. Alle übrigen dort verwendeten Kameras können reine Sucherkameras sein, sofern bei ihnen der `direkte' Blick durch die Aufnahmeoptik nicht für andere Zwecke benötigt wird (z.B. Fokussierung).

In der Regel reicht eine einmalige Einstellung des Fokus aus. Die thermische Aufheizung der Instrumente durch die starke Sonneneinstrahlung kann jedoch unter Umständen eine Verschiebung der Bildebene bewirken, welche dann eine entsprechende Korrektur der Fokuseinstellung erfordert. Spiegeloptiken sind diesbezüglich besonders anfällig; zudem können bei ihnen so Veränderungen der Spiegelformen auftreten, welche durch Nachfokussieren nicht mehr kompensierbar sind.

Der beim Auslösen einer Kamera ablaufende mechanische Vorgang bedingt eine gewisse Erschütterung; deshalb muss nach jeder Aufnahme eine bestimmte Zeit gewartet werden [4], bis die entstandenen Vibrationen wieder abgeklungen sind. Diese Zeit ist um so kürzer, je stabiler das verwendete Instrumentarium montiert ist. Eine einfache Punkt-Befestigung kann nur für Optiken mit kurzer Brennweite empfohlen werden, selbst wenn der Ansatzpunkt genau im Schwerpunkt des Instruments liegt und der Beobachtungsstandort besonders windgeschützt ist [5]. Zur Begrenzung der beim Auslösevorgang erzeugten Erschütterungen sollte man von der Option einer Spiegelvorauslösung trotz ihrer meist umständlichen Bedienung Gebrauch machen. Gleichwertige Alternativen sind zum einen die Verwendung des Selbstauslösers, wenn die Auslösung des Verschlusses am Ende der eingestellten Vorlaufzeit erfolgt, der Spiegel aber sofort zurückklappt, zum anderen die Fixierung des Kameraspiegels in der hochgeklappten Position [4]. Eine derartige Vorgehensweise ist in kalten Klimaten ohnehin ratsam, weil dann die kamerainternen Maßnahmen zur Dämpfung der vom Verschluss verursachten Vibrationen meist deutlich beeinträchtigt sind. Ist ein gewisser Lichtverlust akzeptabel, sind auch Kameras mit einem feststehenden teildurchlässigen Spiegel wie die Canon EOS 1-N RS und Canon RT verwendbar. Die kleinere Anzahl bewegter Teile macht sich darüber hinaus in einer geringeren Störungsanfälligkeit und einer höheren Frame Rate bemerkbar. Schließlich können bei längeren Belichtungszeiten die besonders schwingungsanfälligen Momente des Aufnahmebeginns und des -endes mit Hilfe einer kurzzeitig vor die Öffnung der Optik gehaltenen Abdeckung überbrückt werden. Um diese Technik leichter zu nutzen, lässt sich die erforderliche Belichtungszeit durch Wahl eines wenig empfindlichen Filmmaterials und einer kleinen Blendekünstlich verlängern.

Sollen zahlreiche Instrumente gleichzeitig eingesetzt werden, ist eine zumindest teilweise Automatisierung des Beobachtungsprogramms erforderlich. Eine solche lässt sich auf verschiedene Weise erreichen.

Die Wahl der Belichtungszeit sollte bei Aufnahmen der Sonnenscheibe/-korona nur in Ausnahmefällen automatisch erfolgen, da der Belichtungsmesser abhängig von seiner Bauweise durch die speziellen Lichtverhältnisse bei einer Sonnenfinsternis getäuscht werden kann. Außerdem ist so keine photometrische Filmkalibration möglich. Greift man dennoch auf die Belichtungsautomatik zurück, sollte die Belichtungsmessung zumindest durch das Objektiv erfolgen und Sonne bzw. Mond den Großteil des Bildfeldes ausfüllen. Ist eine Wahlmöglichkeit zwischen Matrix-, Mittelwert- und Punktbelichtung gegeben, wähle man für die partiellen Phasen die Punktbelichtung und für die Totalität die Matrix- oder Mittelwertbelichtung [3]. Vorteilhaft lässt sich die Automatik bei (Weitwinkel)Aufnahmen des Himmels einsetzen. Mit einer entsprechenden Datenrückwand lässt sich die von der Kamera jeweils gewählte Belichtungszeit in die Aufnahmen einbelichten. Da sich das Bild bei derartigen Aufnahmen zwar im großen Maßstab, aber in aller Regel nicht lokal ändert, sind die Schriftzüge meist nicht weiter störend.

Bei vielen Kameras ist ein sogenanntes Bracketing möglich, d.h. eine Bildserie von 3 oder mehr Aufnahmen mit systematisch variierter Belichtungszeit. Erfolgen die Aufnahmen der Bildserie unmittelbar hintereinander, muss die verwendete Optik entweder besonders schwingungsresistent sein oder eine verhältnismäßig kleine Brennweite besitzen. Kurze Belichtungsreihen sind insbesondere für Aufnahmen des Gesamthimmels, des herannahenden Mondschattens und der partiellen Phasen der Finsternis geeignet. Die Sonnenkorona zeigt dagegen feine Helligkeitsvariationen über ein derart breites Intensitätsintervall, dass für dieses Objekt mehr als nur 3 verschiedene Belichtungszeiten zu empfehlen sind. Zwar kann man zur Reduzierung der Anzahl der erforderlichen Aufnahmen ein Filter mit radial zunehmender Transmission verwenden, welches den durchschnittlichen Helligkeitsabfall in der Korona mit wachsendem Abstand zum Sonnenrand kompensiert, doch bereitet neben der photometrischen Kalibration seine genaue Zentrierung bezüglich des Sonnenbildes beträchtliche Probleme.

Für die Sonnenkorona empfiehlt sich eine Serie von Aufnahmen, deren Belichtungszeit typischerweise um jeweils etwa den 4 anwächst und von 1/2000s bis etwa 30s reicht. Abhängig von Filmempfindlichkeit, Brennweite und Öffnungsverhältnis machen stellenweise auch noch extremere Belichtungszeit-Intervalle Sinn. Moderne elektrische Kameras sind oft bereits standardmäßig für derartige Aufnahmeparameter ausgelegt. So beträgt die derzeit kürzestmögliche einstellbare Belichtungszeit überhaupt lediglich 12000s (Minolta Dynax 9), während manche Datenrückwände für Kameras der Firma Nikon praktisch beliebig lange Belichtungszeiten erlauben.

Bei Verwendung einer Rechneransteuerung lassen sich die Spitzenmodelle von Nikon und Canon wie die Nikon F-5 und die Canon EOS 1-V zur automatischen Ausführung kompletter Bildserien mit individuellen Aufnahmeparametern für jedes Einzelbild verwenden. Dadurch können auch komplexe Beobachtungsprogramme effizient durchgeführt werden. Allerdings ist es ein Fehler zu glauben, dass man dann die wenigen verbleibenden manuellen Aktionen nicht mehr zu üben braucht; intensives Training des Beobachtungsprogramms ist nach wie vor erforderlich.

Dem umfassenden Einsatz von Kameras mit kommerzieller Rechneransteuerung steht der hohe Anschaffungspreis der benötigten Komponenten entgegen. Außerdem ist die zugehörige Software nach Kenntnisstand des Autors nicht auf eine simultane Ansteuerung mehrerer Kameras ausgelegt. Eine Fernsteuerung der wichtigsten Funktionen einer elektrisch betriebenen Kamera, welche die genannten Probleme umgeht, kann man jedoch leicht selbst konstruieren. Dazu werden die beiden Anschlüsse des Auslösers zur Außenseite des Kameragehäuses geführt --- gewöhnlich ist bereits ein entsprechendes Kontaktpaar für die elektrische Fernauslösung vorhanden --- und an einen externen Zeitgeber angeschlossen, welcher die Kontakte für eine gewisse Zeit kurzschließt und so die Kamera auslöst. Die Belichtungszeit entspricht dabei dem auf dem Kameragehäuse eingestellten Wert; ist der B-Mode gewählt, wird die Belichtungszeit durch die Dauer der Auslösung bestimmt. Als Zeitgeber sind einfache Monoflops ebenso verwendbar wie Timer-ICs oder eine Rechnersteuerung. Man beachte allerdings, dass die kürzeste so erreichbare Belichtungszeit abhängig von dem Kameratyp streng limitiert ist. Als Untergrenze sind Werte um 1/125s typisch, doch kann sie bei machen Kameramodellen auch 1/2s erreichen. Selbst wenn dadurch das prinzipiell zur Verfügung stehende Belichtungszeit-Intervall der Kamera nicht vollständig genutzt werden kann, ist der geschilderte Ansatz in Bezug auf eine weitgehende Automatisierung der Beobachtungen dennoch ein wesentlicher Fortschritt.

Um auch die kürzeren Belichtungszeiten zugänglich zu machen, nutzt man die Anschlüsse der entsprechenden Bedieneinheit(en). Für den beabsichtigten Zweck besonders gut geeignet ist die Canon T-70, da die Belichtungszeit bei diesem Modell über zwei (elektrische) Drucktasten verstellt wird. Es reicht aus, die zugehörigen Kontakte nach außen zu führen und in der gewünschten Weise anzusteuern. Ein weiterer Vorteil der Canon T-70 ist die Verwendbarkeit von NiCd-Batterien, welche auch bei mäßigen Minusgraden eine sichere Stromversorgung gewährleisten. Die Anfälligkeit der Stromversorgung gegen Kälte wird darüber hinaus durch Verwendung von Batterien der Größenklasse AA statt AAA reduziert. Man beachte jedoch, dass NiCd-Zellen einen sehr geringen inneren Widerstand besitzen; dies führt zu hohen Kurzschlussströmen, welche die Kameraelektronik zerstören können. Eine denkbare Alternative ist die Benutzung von externen Blei-Akkumulatoren, welche ebenfalls eine hohe Kälteresistenz aufweisen [5].

Bei Verwendung einer elektrischen Fernsteuerung teste man die elektromagnetische Verträglichkeit des gesamten elektrischen Systems. Als Aktuatoren dienende Elektromotoren können bei fehlender Funkentstörung Störungen verursachen, welche Kameras spontan auslösen. Insbesondere während der Totalität, bei der jede Aufnahme abgezählt ist, um Filmwechsel gänzlich einzusparen oder an genau festgelegten Zeitpunkten zu platzieren, wäre der unkontrollierte Verbrauch von Filmbildern jedoch fatal.

Elektrische Photokameras bieten zahlreiche Vorzüge. Neben der Fernsteuerbarkeit sei lediglich die hohe Frame-Rate von bis zu 10 Bildern pro Sekunde erwähnt sowie die bei der Nikon F5 vorhandene Selbstdiagnoseeinheit, welche die genaue Einhaltung der gewählten Belichtungszeit überwacht; bei Bedarf erfolgt eine automatische Nachjustierung.

Im Hinblick auf Robustheit gegenüber Umwelteinflüsse kann jedoch keine elektrische Kamera mit einem rein mechanischen System von Leica oder Contax konkurrieren. Zudem werden gewöhnliche Kohle/Zink-Batterien unterhalb des Gefrierpunkts nahezu funktionsunfähig; Alkali-Batterien verhalten sich nur wenig besser, während Nickel/Cadmium-Zellen immerhin bis zu -10 Grad Celsius einsetzbar sind [1]. Daher sollten bei Beobachtungen in extremen Klimaten mechanische Kameras vorgezogen werden [2]. Ein weiterer Nachteil elektrischer Kameras ist ihre Anfälligkeit gegenüber statischer Elektrizität an Teilen der Filmführung. Eventuelle elektrische Entladungen können auf schnellen oder infraroten Filmen helle Flecken verursachen [5].

Angesichts der kurzen Dauer der Totalität wird man Filmwechsel während dieses Zeitraums nach Möglichkeit vermeiden. Langfilmmagazine, welche die Verwendung von Meterware erlauben, sind daher oft hilfreich. Nach Kenntnisstand des Autors werden jedoch derartige Langfilmmagazine nur noch für die Nikon F3 und F4 produziert.

Die Wahl eines Objektivs wird im Falle von Sonnenfinsternissen durch folgende Aspekte beeinflusst.

• Refraktive Optiken besitzen in den Randbereichen eine stark ausgeprägte chromatische Aberration, was sie für schnelle Öffnungsverhältnisse ungeeignet macht.
• Eine Bildfeldkrümmung erfordert unterschiedliche Fokussierungen für die Bildmitte und für den Bildrand. Während man etwa bei der Sonnenscheibe in der Regel auf die Sonnenmitte fokussiert, sollte bei einer schmalen Sonnensichel oder der Sonnenkorona anders verfahren werden [3].
• Refraktive Optiken sind meist stärker anfällig für Geisterbilder als reflektive Optiken. Besonders problematisch sind Zoom-Objektive.
• Reine Spiegelsysteme ermöglichen Beobachtungen im nahen UV, wie sie etwa bei spektroskopischen Untersuchungen an Chromosphäre und Korona zweckmäßig sind.

Generell nicht zu empfehlen sind Modifikationen der Brennweite mit Hilfe von Barlow- oder Shapley-Linsen, da sich eine solche stets nachteilig auf die Bildqualität auswirkt; insbesondere Schärfe und Kontrast werden vermindert. Eine Barlow-Linse vervielfacht nicht nur die Brennweite, sondern auch das Öffnungsverhältnis um denselben Faktor; dies wirkt sich dementsprechend auf die Belichtungszeit aus. Bei Shapley-Linsen kommt eine Bildfeldvignettierung hinzu.

Bei vielen Gelegenheiten trifft man auf Hinweise, dass bestimmte photographische Filme schlicht ‚besser’ seien als andere. Die Eigenschaften eines Films werden jedoch durch viele unterschiedliche Parameter bestimmt; welche dieser Parameter nun für die Beurteilung eines Films entscheidend sind, hängt letztlich von der konkreten Anwendung ab. Insofern gibt es auf die häufig gestellte Frage, welche Filme für astronomische Beobachtungen wie etwa der Finsternisphotographie geeignet sind, keine allgemein gültige Antwort. Nachstehend sind die wichtigsten Unterschiede genannt.

Negativ- oder Diafilme:

S/W oder Farbe:

IR-Filme:

Filmgeschwindigkeit:

Linearität:

Kontrast:

Schärfe:

S/W-Filme:

Farbnegativ-Filme:

Farbdia-Filme:

Bei Sonnenfinsternissen lassen sich neben photographischen Kameras auch Videokameras einsetzen. Grundsätzlich sind derartige Geräte für alle Vorhaben geeignet, welche einerseits nur eine geringe bildliche Auflösung erfordern, andererseits aber auf eine gewisse Bildfrequenz aufgrund der ablaufenden Dynamik angewiesen sind. Die mit dem Einsatz von Videokameras verbundene Automatisierung stellt zudem eine willkommene Entlastung des Beobachters dar.

Die möglichen Einsatzzwecke hängen genau wie im Fall photographischer Kameras von der Bauart ab. Videokameras, welche herkömmliche Videokassetten zur Datenaufzeichnung benutzen, und selbst zahlreiche Camcorder sind relativ groß und schwer, so dass sie am besten fest aufgestellt werden. Geeignete Projekte sind hier etwa die Beobachtung des erdatmosphärischen Streulichts und die Registration der Schattenbänder. Beide Phänomene liefern zusätzliche Informationen, wenn die Beobachtung in Farbe, d.h. in mehreren Spektralregionen simultan erfolgt. Schwarz/Weiß-Videokameras sind zur Bestimmung der Kontaktzeiten, für spektroskopische Untersuchungen und für polarimetrischen Messungen des erdatmosphärischen Streulicht ausreichend. Geräte, deren Helligkeitsregelung grundsätzlich automatisch erfolgt, sind allerdings für Intensitätsmessungen ungeeignet; außerdem kann die Automatik durch die speziellen Lichtverhältnisse während einer Sonnenfinsternis getäuscht werden. Dagegen ist die Empfindlichkeit für viele Projekte wie Kontaktzeitenmessungen der Sonnenscheibe mit dem Mondrand oder einer Beobachtung des erdatmosphärischen Streulichts unkritisch. Allenfalls spektroskopische Untersuchungen können auf hohe Sensitivität angewiesen sein. Gesichtsfeld und Fokus sind mit dem üblicherweise eingebauten LCD-Monitor problemlos einstellbar.

CCD-Videokameras ohne eigenständige Datenaufzeichnung sind relativ leicht und können daher auch auf parallaktischen Montierungen zusammen mit anderen Instrumenten eingesetzt werden. Zu dieser Detektorenklasse gehören Web-Cams, welche von einem Computer gesteuert werden und diesen auch zur Datenaufzeichnung benutzen, und die sogenannten CCD-Kameramodule, welche man entweder an einen Video-Recorder oder über einen Frame-Grabber ebenfalls an einen Rechner anschließt. Die Verwendung eines Computers bietet den Vorteil, die aufgezeichneten Daten über den Bildschirm des Rechners online überwachen zu können; außerdem stellt der interne Timer bereits eine gewisse Zeitreferenz zur Verfügung. Fällt die Wahl dagegen auf einen Video-Recorder, können auch große Datenmengen ohne Schwierigkeiten erfasst werden. Nachteilig ist das beträchtliche Zusatzgewicht und die Notwendigkeit eines separaten Kontrollmonitors, für den sich die unter anderem bei Conrad erhältlichen LCD-Flachbildmonitore anbieten. Eine präzise Zeitreferenz ist durch Einblendung eines Zeitsignals in das Bild oder durch das Ablegen einer elektronisch erzeugten Information auf die Tonspur erhältlich.