Sonnenfinsternis

Die koordinierte Beobachtung der totalen Sonnenfinsternis am 11.8.99

J. Draeger

Teil IV: Erdatmosphärische Messungen

1. Allgemeines

Die Teile 1 bis 3 der Dokumentation über die koordinierte Beobachtung der totalen Sonnenfinsternis am 11.8.99 waren hauptsächlich den organisatorischen Aspekten dieses Projekts gewidmet. In dem hier vorliegenden Teil 4 sollen nun die ersten Resultate der Beobachtungen präsentiert und diskutiert werden, wobei mit den nichtsolaren Erscheinungen begonnen wird. Hier wurden von W. Strickling und von J.-L. Dighaye und G. Tomezzoli wesentliche Beiträge geliefert. Die Messungen des Autors wurden von Herrn Dr. Woehl, dem Institut für Radiochemie der TU München, dem Deutschen Wetterdienst in Hamburg, dem Meteorologischen Institut der Ludwig-Maximilians Universität und dem Bundesamt für Strahlenschutz auf verschiedene Weise unterstützt, wofür diesen Personen und Organisationen sehr herzlich gedankt sei. Die Datenauswertung erfolgte unter Verwendung von MIDAS.

2. Meteorologische Untersuchungen

2.1. Bedeutung meteorologischer Untersuchungen

Weil das irdische Wetter von der Energie angetrieben wird [1], welche mit der solaren Strahlung einfällt, treten bei Sonnenfinsternissen häufig besondere meteorologische Erscheinungen auf. Diese liefern eine nahezu ideale Umgebung zum Studium bodennaher Luftschichten. Bedeckungen der Sonne durch Wolken erfüllen die Anforderungen an Überschaubarkeit weit weniger gut, weil die dann vorhandenen komplexen Streuungs- und Reflektionsverhältnisse leider nur sehr unsaubere Daten liefern.

Mehrere Beobachtungsgruppen führten daher meteorologische Messungen innerhalb und außerhalb der Totalitätszone durch. Die Auswertung der dabei gewonnenen Resultate erfolgt hier mehr oder weniger rein qualitativ; für weitergehende Untersuchungen wurden die Daten jedoch an J. Kuiper weitergeleitet, der entsprechende Messungen entlang des gesamten Finsternispfades sammelt und zur Erstellung eines großräumigen Bildes der durch die Finsternis induzierten Wettervorgänge nutzen will [7]. Die vorhandene Bewölkung erschwert die Auswertung beträchtlich.

2.2. Garching

2.2.1. Messkampagne

Die meteorologischen Daten aus Garching bei München -- geographische Länge 11.65 Grad O, geographische Breite 48.23 Grad N -- umfassen die Lufttemperatur in 2m Höhe, die relative Feuchte in 2m Höhe, die Stärke und Richtung des Windes in 10m Höhe, den Luftdruck und die Globalstrahlung. Komplette Datensätze wurden jede Minute von 10:01 Uhr bis 14:60 Uhr MESZ aufgezeichnet; im folgenden werden Zeitangaben immer in den seit 0 Uhr des Finsternistages verstrichenen Sekunden gemacht. Für die Kontaktzeiten gilt

Zeit (MESZ) Pw Nord Pw Zenit
1. Kontakt 11:11:54 entsprechend t=40314s 284 317
2. Kontakt 12:37:12 entsprechend t=45432s 130 143
3. Kontakt 12:39:20 entsprechend t=45560s 263 275
4. Kontakt 14:01:26 entsprechend t=50486s 107 95

2.2.2. Globalstrahlung

Die globale Strahlung gibt an, welche Energie lokal in die Atmosphäre deponiert wird. Ihre Werte in Garching (siehe Abbildung 1 oben) bei München spiegeln den typischen Wetterverlauf in Deutschland am Tag der Finsternis wieder. Vor der Finsternis wechseln sich unregelmäßig wolkenarme Zonen und Perioden starker Bewölkung ab, nach der Finsternis ist das Wetter zumindest vorübergehend deutlich freundlicher.

2.2.3. Luftdruck

Die Schwankungen des Luftdrucks während einer totalen Sonnenfinsternis sind nur klein. Gewöhnlich überschreiten die vorhandenen Schwankungen den Bereich 0.5-1hPa nicht. Es war daher nachteilig, dass der herrschende Luftdruck nur mit einer sehr begrenzten Genauigkeit registriert werden konnte (siehe Abbildung 1 unten). Dennoch sind einige interessante Details erkennbar. So erreicht der Luftdruck etwa 15m nach der Totalität bei etwa t=46000s ein deutlich ausgeprägtes Minimum. Da jedoch offensichtlich der Einfluss der meteorologischen Störungen weit größer ist als der der Finsterniseffekte -- man beachte die starken Minima bei etwa t=50000s und bei etwa t=53000s -- wird auf eine detailliertere Analyse verzichtet.

Abbildung 1: Die in Garching bei München am 11.8.99 registrierten Messwerte der Globalstrahlung (oben) und des Luftdrucks (unten).

2.2.4. Temperatur

Mit Hilfe einer Temperaturmessung lässt sich die Überwachung der Globalstrahlung ergänzen, da so zusätzlich die Auswirkung der Luftströmungen -- d.h. die nichtlokalen Einflüsse -- auf die Situation am Beobachtungsstandort erfasst werden. Charakteristisch ist eine gewisse Absenkung der Temperatur während der Finsternis infolge der Strahlungsreduktion. Tatsächlich spiegelt der Temperaturverlauf in Garching (siehe Abbildung 2 oben) einen signifikanten Abfall von etwa 4 Grad Celsius für die fragliche Zeitperiode wieder. Dieser Wert ist angesichts sowohl der herrschenden Wetterverhältnisse als auch der relativ großen Höhe des Messwertes von 2m über dem Boden -- normalerweise führt dies zu einer deutlichen Dämpfung der Variationen im Temperaturverlauf -- beachtlich. Er liegt nahe dem erfahrungsgemäß maximal zu erwartenden Abfall von etwa 5 Grad. Als Voraussetzung für das Erreichen eines solchen Extremwertes gelten üblicherweise trockene Luft und ein klarer, wolkenfreier Himmel; wie man jedoch an den Daten der Globalstrahlung (Abbildung 1 oben) und der Luftfeuchtigkeit (Abbildung 2 unten) sehen kann, sind beide Voraussetzungen nicht einmal annäherungsweise erfüllt gewesen. Möglicherweise lieferte hier eine Kaltluftströmung einen gewissen Beitrag. Die folgenden Punkte erscheinen ebenfalls beachtenswert.

• Der Temperaturverlauf vor und nach der Totalität weicht merklich voneinander ab. Vor der Totalität sind deutliche Fluktuationen festzustellen, welche vermutlich auf vorüberziehende Wolkenbänder und der durch sie verursachten Modulation der Globalstrahlung zurückzuführen sind. Aufgrund der Wolkenauflockerung nach der Totalität (vergleiche die Werte der Globalstrahlung in Abbildung 1 oben) ist die Modulation in dem entsprechenden Zeitintervall deutlich abgeschwächt. Zudem verläuft die Abkühlung unter anderem bedingt durch die vorhandene Bewölkung langsamer und weniger ausgeprägt als die spätere erneute Erwärmung. Beachte dazu die spätere Diskussion der Temperaturentwicklung in Abschnitt 2.7.4
• Für den drastischen Temperatursturz kurz nach Ende des vierten Kontakts scheint aufgrund seiner Steilheit die Wirkung eines selbstverstärkenden Prozesses möglich. Diese Vermutung wird von den Daten der Globalstrahlung unterstützt. Anscheinend zog zu diesem Zeitpunkt ein besonders breites Wolkenband vorbei. Die Folge war ein deutlicher Temperaturabfall, welcher die Feuchtigkeitskapazität der Luft reduzierte und dadurch mit einem Anstieg der Luftfeuchtigkeit verbunden war. Als die Feuchtigkeit innerhalb kurzer Zeit nahezu 100% erreichte, kondensierten neue Wolken aus, welche die Phase der Aufheiterung nach der Finsternis endgültig beendeten. Dieser Mechanismus ist möglicherweise auch um etwa t=45000s wirksam geworden, als eine länger andauernde Bedeckung der Sonne durch Wolken einen Temperaturabfall und einen Feuchtigkeitsanstieg einleiteten; die erneute strahlungsbedingte Erwärmung konnte den beginnenden Wolkenbildungsprozess zu diesem Zeitpunkt jedoch noch einmal aufhalten. Möglicherweise sind auch andere Temperatureinbrüche vor der Finsternis auf einen solchen Mechanismus zurückzuführen.
• In Abbildung 4 oben ist die Korrelationen der Temperatur mit der Globalstrahlung wiedergegeben. Die asymmetrische Verteilung der Messpunkte wird hier so interpretiert, dass ein gewisser Wert der Globalstrahlung zwar immer eine gewisse Mindestaufheizung der Atmosphäre bedingt, infolge eines Wärme- oder Kälteeintrags etwa durch Luftströmungen aber für einen bestimmten Wert der Globalstrahlung in der Regel ein ganzes Temperaturintervall auftritt. Deren Ausdehnung erstreckt sich im Falle der hier diskutierten Resultate praktisch ausschließlich in die höheren Temperaturbereiche, was sich vermutlich auf den ,,Nachholbedarf`` der Temperatur bezüglich der täglichen Wärmekurve mit ihrem Maximum am Nachmittag zurückführen lässt. Die vorhandene Korrelation zwischen Globalstrahlung und Temperatur ist auch am Kurvenverlauf der Ausgangswerte zu erkennen (siehe Abbildung 1 oben und 2 oben). Genau dort, wo die Globalstrahlung ein Maximum hat, besitzt auch die Temperatur eines. Typischerweise sind die Maxima in der Temperaturkurve aufgrund der Reaktionsträgheit der Atmosphäre breiter ausgebildet.

Abbildung 2: Die in Garching bei München am 11.8.99 registrierte Lufttemperatur (oben) und Luftfeuchtigkeit (unten).

2.2.5. Luftfeuchtigkeit

In Garching waren deutliche Fluktuationen der relativen Luftfeuchte (siehe Abbildung 2 unten) festzustellen. Der typischerweise zu erwartende momentane Anstieg während der Finsternis konnte tendenziell bestätigt werden. Aufgrund der sehr guten (Anti)Korrelation der Luftfeuchtigkeit mit der Lufttemperatur (siehe Abbildung 4 unten) sind jedoch keine eigenständigen Effekte erkennbar; ein Maximum der Temperatur entspricht einem Minimum der relativen Feuchte und umgekehrt. Verursacht wird die Modulation der relativen Luftfeuchte durch die Schwankungen der Temperatur in Verbindung mit der Temperaturabhängigkeit der Feuchtigkeitskapazität der Luft. Der absolute Wasserdampfanteil bleibt während der gesamten Messperiode mehr oder weniger konstant.

Abbildung 3: Der Wind in Garching am 11.8.99 unterlag sowohl hinsichtlich der Richtung (oben) als auch der Stärke (unten) kurzfristigen Schwankungen. Um die Datenanalyse zu erleichtern, wurden die Rohdaten der Windstärke daher über 11 Datenpunkte gemittelt (Dicke durchgezogene Kurve).

2.2.6. Wind

Der im Laufe der Verfinsterung eintretende Temperaturabfall bewirkt eine Kontraktion der Luftmassen in der Zone der Totalität, womit letztlich eine Reduzierung des Luftdrucks verbunden ist. Zum Ausgleich strömt von anderen Gebieten Luft nach. Dieser Mechanismus ist verantwortlich für die Entstehung des sogenannten Finsterniswindes, der üblicherweise kurz vor der Totalität einsetzt und mehrere Minuten lang anhält. In Garching lieferte der Finsterniswind vermutlich zumindest einen gewissen Teilbeitrag zu der deutlich auffrischenden Windstärke bei etwa t=44000s (siehe Abbildung 3 unten), wenn man die ab etwa t=37000s anhaltende tendenzielle Abnahme dieses Messwertes berücksichtigt. Im Gegenzug ist unmittelbar nach der Totalität ein etwa 30 Minuten langer Zeitraum der Näherungsweisen Windstille festzustellen, welche wahrscheinlich auf die annähernde Symmetrie des solaren Strahlungseinfalls während dieser Zeitperiode zurückzuführen ist; somit ist auch keine Ausgleichsbewegung durch bewegte Luftmassen zu erwarten. Die zeitliche Verzögerung gegenüber dem Finsternisablauf -- die Totalität fand bei etwa t=45000s statt -- kann vermutlich durch atmosphärische Trägheit erklärt werden. Bei t=49000-50000s schließlich ist erneut ein stärkerer Wind festzustellen, welchen man unter Umständen als Finsterniswind der benachbarten Totalitätsregion interpretieren kann. Unterstützt wird diese Deutung durch die Messungen der Windrichtung (siehe Abbildung 3 oben). Im Laufe aller drei Phasen -- Finsterniswind, Windstille, Finsterniswind -- bleibt die Windrichtung jeweils näherungsweise gleich, wechselt beim Übergang zwischen ihnen aber durchaus. Sie dreht während der Finsternis von 10 Grad (vorübergehend 40 Grad) über 0 Grad nach 260 Grad. Dieses Verhalten resultiert aus einer Überlagerung mehrerer Komponenten:

1. Die Luftströmung der großskaligen Wetterlage (?)
2. Die durch die Aufheiterungen insbesondere im Münchner Süden induzierte Luftströmung (Föhneinfluss der Alpen?)
3. Die auf den Finsternisablauf zurückzuführenden Luftströmungen

Eine große Rolle spielt vermutlich die zweite Komponente, da der Wind sowohl bei etwa t=43000s als auch nach dem Ende der Finsternis zumindest vorübergehend nach Norden auf etwa 10 Grad dreht. Der allmähliche Wechsel auf 260 Grad -- dieser Wert wird bei etwa t=48000s erreicht -- lässt sich als wachsender Beitrag des Finsterniswindes interpretieren, der durch die atmosphärische Kontraktion im Finsternispfad in westlicher bzw. westnordwestlicher Richtung zustande kam; man beachte dabei, dass die Totalitätszone von West nach Ost wanderte und somit schon vor dem Zeitpunkt der Totalität in Garching bei etwa t=45000s im Westen eine starke finsternisbedingte Abkühlung verursacht hatte. Unklar bleibt jedoch, warum der bei t=49000-50000s einsetzende Finsterniswind für die östliche Nachbarregion des Finsternispfades eine Richtung um 300 Grad besitzt und nicht unter 260 Grad. Möglicherweise wanderte die Zone der Aufheiterung nach Osten, wodurch die oben genannte zweite Luftströmungskomponente eine stärker nordwestliche orientierte Richtung erhielt und somit den zu diesem Zeitpunkt östlich gerichteten Anteil des Finsterniswindes überkompensierte. In Übereinstimmung mit dieser Interpretation ist bei etwa t=49000s eine deutliche Aufheiterung festzustellen (erkennbar an den erhöhten Werten der Globalstrahlung, des Luftdrucks und der Lufttemperatur), welche den Einfluss der Komponente zwei wahrscheinlich nochmals verstärkte.

Abbildung 4: Die Korrelation der in Garching am 11.8.99 gemessenen Temperatur sowohl mit der Globalstrahlung (oben) als auch der Luftfeuchte (unten) erlaubt einige interessante Beobachtungen (siehe Text).

2.3. Hamburg

Eine totale Sonnenfinsternis führt zu einer lokal begrenzten Abkühlung der Atmosphäre. Die damit verbundenen Temperatur- und Druckänderungen erzeugen manchmal transversal oszillierende Wellen. Zum Nachweis solcher g-Wellen [4] erfasste der Deutsche Wetterdienst in Hamburg-Sasel am Tag der Finsternis mit eigens dafür aufgestellten Instrumenten sowohl die globale Strahlung als auch die Luftdruckschwankungen. Die vorhandenen Daten überdecken den gesamten Zeitraum von 2 Uhr MESZ morgens bis 20 Uhr 12m 10s MESZ abends in 10 Sekunden Intervallen. Die Kontakte erfolgten um

Zeit (MESZ) Pw Nord Pw Zenit
1. Kontakt 11:17:28 entsprechend t=40648s 277 303
4. Kontakt 13:53:26 entsprechend t=50006s 107 51

Abbildung 5: Oben: Die Rohdaten über den Luftdruck in Hamburg-Sasel zeigten eine deutlich erkennbare Gesamttendenz, welche kleinere Datenvariationen überlagerte. Unten: Anhand der Daten über die Globalstrahlung in Hamburg-Sasel ist erkennbar, dass auch an diesem Standort die vorhandene dichte Wolkendecke immer wieder kurze Aufheiterungen zeigte. Der Rückgang der Globalstrahlung aufgrund der Bedeckung der Sonnenscheibe durch den Mond wird in seiner maximalen Phase durch den tiefen Einschnitt bei etwa t=45000s Tageslänge entsprechend 12 Uhr 30m repräsentiert. Die vermutlich durch die Sonnenfinsternis initiierte Wetterbesserung erkennt man an der im Mittel stärkeren Globalstrahlung nach der maximalen Phase im Vergleich zu den Verhältnissen davor; parallel dazu stiegen auch die Minimal- und Maximalwerte an.

Gewöhnlich basiert die Identifikation von g-Wellen auf der Abtrennung der durch solare Strahlung und Wärmetransport induzierten Druckänderungen. Die Modulation der solaren Strahlung selbst setzt sich wieder aus dem Anteil, der durch die Bewölkung verursacht wird, und dem auf die Finsternis zurückgehenden Anteil zusammen. Eine vollständige Datenreduktion ist somit sehr aufwendig. Angesichts der beschränkten Informationen -- Angaben über die großräumige Wetterentwicklung liegen dem Autor beispielsweise nicht vor -- und dem beträchtlichen Störeinfluss der starken Bewölkung wird hier eine vereinfachte Vorgehensweise praktiziert, die sich auf rein lokale Beobachtungen stützt. Für die Abtrennung der wetterbedingten Luftdruckentwicklung scheint dieser Ansatz ohne weiteres brauchbar zu sein. Eine visuelle Inspektion der Luftdruckdaten (siehe Abbildung 5 oben) ergibt, dass die vorhandene Grundtendenz gut durch eine lineare Funktion approximiert werden kann. Die gefittete Regressionsgerade wird subtrahiert und die resultierende Funktion normiert. Man erhält so den in Abbildung 6 oben gezeigten Druckverlauf. Auf eine weiterführende Datenreduktion unter Ausnutzung der Daten über die Globalstrahlung (siehe Abbildung 5 unten) wurde verzichtet; eine gewisse Korrelation zwischen beiden Parametern ist zwar erkennbar (siehe Abbildung 6 unten), aber vermutlich durch den nichtlokalen Energieeintrag infolge der vorhandenen großräumigen Luftströmungen signifikant verfälscht. Statt dessen erfolgte eine unmittelbare Zeitreihenanalyse.

Abbildung 6: Oben: Nach Abtrennung der meteorologischen Einflüsse besitzen die Luftdruckdaten eine für Zeitreihenanalysen geeignete Form. Die Plausibilität des angewandten Verfahrens ergibt sich aus der weitgehenden Konstanz der reduzierten Druckdaten in der Nachtperiode. Unten: Das hier gezeigte Diagramm beschreibt die Korrelation von Luftdruck und Globalstrahlung in Hamburg-Sasel am 11.8.1999.

Um einen Plausibilitätsscheck der Ergebnisse zu erlauben, wurden die vorhandenen Daten in einen Bereich kurz nach der maximalen Bedeckung (t=46000s) und den Bereich davor aufgeteilt. Zur Sicherstellung einer guten Auflösung auch noch bei sehr langen Perioden wurde als Basisfrequenz der Zeitreihenanalyse 0.00001Hz entsprechend einer Periode von 10000s angesetzt. Nur so ist eine verlässliche Unterscheidung zwischen numerischen Singularitäten und echten Signalen bei langen Perioden möglich. Kürzere Perioden als 50s sind nicht geprüft worden, weil dort erfahrungsgemäß keine Signaturen von g-Wellen zu erwarten sind. Man erhält so die in Abbildung 7 wiedergegebenen Scargle-Periodogramme für die Verhältnisse vor und nach der Finsternis. Die Hauptfrequenz bei 0.00002Hz bzw. 0.00003Hz entsprechend einer Periode von etwa 14 bzw. 9 Stunden und damit in etwa der Länge des Datensatzes wird als numerische Singularität betrachtet. Sie lässt sich mit Hilfe einer gefitteten Fourierreihe eliminieren. Es resultieren die in Abbildung 8 dargestellten Periodogramme mit nun sehr viel stärker akzentuierten Signaturen.

[
Abbildung 7: Oben: Scargle-Periodogram für die Schwankungen des Luftdrucks in Hamburg-Sasel am 11.8.1999 bis kurz nach Ende der Totalität. Unten: Scargle-Periodogram für die Schwankungen des Luftdrucks in Hamburg-Sasel am 11.8.1999 nach Ende der Totalität.

Abbildung 8: Oben: Scargle-Periodogram für die Schwankungen des Luftdrucks in Hamburg-Sasel am 11.8.1999 bis kurz nach Ende der Totalität nach Eliminierung der numerischen Singularität bei 0.00002Hz. Unten: Scargle-Periodogram für die Schwankungen des Luftdrucks in Hamburg-Sasel am 11.8.1999 nach Ende der Totalität nach Eliminierung der numerischen Singularität bei 0.00003Hz.

Es ist zu klären, ob einige dieser Signaturen g-Wellen zugeordnet werden können. Die etwa 110km breite Finsterniszone liefert eine Grundschwingung mit einer Periode von 1/(1234.8km/h / 110km) = 0.09621h = 346s entsprechend einer Frequenz von 0.00289Hz; der Wert 1234.8km/h bezeichnet dabei die Schallgeschwindigkeit. Die beobachtete Periode unterscheidet sich von diesem theoretischen Wert um den Vorfaktor 1+v/1234 km/h mit v als Schattengeschwindigkeit [4]. Wegen v = 2400km/h gemäß [2] würde die zu beobachtende Grundfrequenz damit 1038s betragen entsprechend einer Frequenz von 0.00096Hz mit Oberschwingungen für die 2-fache und 4-fache Frequenz bei 0.00192Hz und 0.00384Hz. Tatsächlich tritt nach der Finsternis eine vorher nicht existente Signatur bei 0.00088Hz auf, deren Frequenz nur wenig von dem vorhergesagten Wert von 0.00096Hz abweicht. Da es jedoch auch vor der Finsternis einige Signale ohne Entsprechung zu späteren Zeiten gibt, fällt eine Entscheidung über die Natur des 0.00088Hz Signals schwer. Bemerkenswert ist, dass korrespondierende Signale bei 0.00176Hz und 0.00352Hz auftreten. Dies würde genau einer Schwingungsfamilie mit der 1fachen Grundfrequenz und den 2fachen sowie 4-fachen Harmonischen entsprechen. Um die Korrelation eventueller Grundfrequenzen mit einer solchen Potenzfolge von Harmonischen prüfen zu können, wurden die Intensitäten der Signalsignaturen von 0.00001Hz bis 0.0025Hz jeweils mit den Signalen bei der 2fachen und 4fachen Frequenz multiplikativ verrechnet (siehe Abbildung 9). Das Resultat scheint die vorangegangenen Überlegungen zu bestätigen; in der Tat existiert ein leichter Peak bei 0.00088Hz. Es wird daher vom erfolgreichen Nachweis einer g-Welle bei 0.00088Hz ausgegangen. Möglicherweise existieren g-Wellen auch noch bei anderen Frequenzen; die vorhandenen Signaturen lassen sich unter Umständen durch konstruktive und destruktive Interferenz von Wellenphänomenen unterschiedlicher Art aus verschiedenen Bereichen des Finsternispfades erklären.

Abbildung 9: Korrelationstest für Signalgruppen bestehend aus einer Grundfrequenz und der 2- und 4fachen (oben) bzw. 2-, 4- und 8fachen (unten) Harmonischen. Auf der Nulllinie sind die Resultate für die Verhältnisse bis kurz nach Ende der Totalität wiedergegeben, während 100000 Einheiten nach oben verschoben die Ergebnisse für die Verhältnisse ab dem Totalitätsende repräsentiert werden.

2.4. Haltern

2.4.1. Messkampagne

Die Ortschaft Haltern befindet sich auf einer geographischen Länge von 7.18 Grad O und einer geographischen Breite von 51.75 Grad N. Sie unterlag somit keiner Totalität, sondern lediglich einer 94%igen Verfinsterung (93.2% Fläche) um 11:30:38 MESZ mit

Zeit (MESZ) Pw Nord Pw Zenit
1. Kontakt 11:12:24 entsprechend t=40344s 280 310
4. Kontakt 13:51:06 entsprechend t=49866s 111 107

Von W. Strickling wurden dort Messwerte für die Himmelshelligkeit und Temperatur erfasst [5]. Dies geschah mit Hilfe einer fest montierten Wetterstation, die auf Basis der C-Control-Unit von Conrad-Electronic arbeitete. Am Tag der Finsternis herrschte eine lockere Cumulusbewölkung vor. Leider war die Sonne während der Phase der größten Finsternis durch Wolken verdeckt.

Abbildung 10: Die Himmelshelligkeit in Haltern am Tag der Finsternis.

Abbildung 11: Der Temperaturverlauf in Haltern am 11.8.99 (oben) und seine Korrelation mit der Himmelshelligkeit (unten).

2.4.2. Helligkeit

Die Himmelshelligkeit ist im gewissen Sinn vergleichbar mit der Globalstrahlung. Beide Parameter geben an, welche Energie lokal in die Atmosphäre deponiert wird. Während jedoch die Himmelshelligkeit nur die visuelle Spektralregion erfasst, wird im Falle der Globalstrahlung auch der infrarote Anteil berücksichtigt. Als Sensor diente der Chip TSL230 von Texas Instruments, welcher die Lichtintensität mit einer Genauigkeit von etwa 20% in eine Frequenz umsetzt. Er ist unter einer Lichtstreukuppel montiert und kann in seiner Empfindlichkeit durch Veränderung der Chipfläche um den Faktor 10 und 100 angepasst werden. Zusätzlich kann die Ausgangsfrequenz durch 2, 10 und 100 geteilt werden. So ergibt sich eine hohe Dynamik des Sensors. Er liefert einen TTL-Ausgangspegel, so dass er direkt am Parallelport eines PC bzw. am Frequenzeingang der C-Control-Unit betrieben werden kann.

Die gemessenen Daten sind in Abbildung 10 wieder gegeben. Wie man leicht sehen kann, war die Bewölkung außergewöhnlich stark. Dennoch fand zumindest kurz nach der maximalen Verfinsterung bei etwa t=45000s -- erkennbar an dem starken Helligkeitseinbruch -- eine momentane Auflockerung statt. Es ist jedoch fraglich, inwieweit diese auf die ablaufende Bedeckung zurückzuführen ist, da vergleichbare Effekte bereits vor dem 1. Kontakt feststellbar sind.

2.4.3. Temperatur

Das Ausgangssignal des zur Temperaturmessung verwendeten Chips KTY 87-205 wurde mit Hilfe einer C-Control Einheit protokolliert. Die erhaltenen Messwerte sind auf etwa 0.9 Grad Celsius genau. Der Sensor befand sich zum Zeitpunkt der Messungen auf einem etwa 10m hohen Dach eines Gebäudes in der Stadt. Nach Ansicht von W. Strickling ist dies eine mögliche Erklärung für die registrierten starken Temperaturschwankungen (siehe Abbildung 11 oben). Sie korrelieren bemerkenswert gut mit der Himmelshelligkeit (siehe Abbildung 11 unten). Dies wurde vermutlich durch den relativ geringen Bewölkungsgrad während der maximalen Phase der Bedeckung bewirkt. Infolgedessen konnte sich der wechselnde Strahlungseinfall voll auf die Temperatur auswirken.

2.5. Metz

2.5.1. Messkampagne

In Metz, das auf einer geographischen Länge von 6.197 Grad O und einer geographischen Breite von 49.222 Grad N liegt, fanden durch W. Strickling Messungen der Himmelshelligkeit, der Temperatur und der Windgeschwindigkeit statt [5]. Die Datenaufzeichnung erfolgte mit Hilfe eines Notebooks. Aus den gemessenen Daten sind infolge der vorhandenen Bewölkung jedoch nur begrenzte Rückschlüsse möglich. Tendenziell nahm die Bewölkung noch vor dem ersten Kontakt zu, um dann zwischen dritten und vierten Kontakt etwas aufzulockern. Die Kontaktzeiten lauten

Zeit (MESZ) Pw Nord Pw Zenit
1. Kontakt 11:09:18 entsprechend t=40158s 284 318
2. Kontakt 12:27:55 entsprechend t=44875s 104 123
3. Kontakt 12:30:13 entsprechend t=45019s 287 307
4. Kontakt 13:51:33 entsprechend t=49893s 107 103

Abbildung 12: Die Messwerte der Himmelshelligkeit in Metz am 11.8.99.

2.5.2. Helligkeit

Die visuellen Beobachtungen des Wetterverlaufs werden durch den Verlauf der Himmelshelligkeit bestätigt (siehe Abbildung 12). Die Messwerte zeigen, dass die Wolkendecke zunächst weitgehend geschlossen blieb; erst nach der Totalität setzte eine gewisse Auflockerung ein. Die Himmelshelligkeit sank von 6.8 Lux beim zweiten Kontakt am Höhepunkt der Verfinsterung auf 2.3 Lux ab. Dies entspricht nach W. Strickling etwa der 10fachen Helligkeit einer Vollmondnacht bzw. der Helligkeit in der Dämmerung bei einem Sonnenstand von etwa 6 Grad unter dem Horizont.

Abbildung 13: Der Temperaturverlauf in Metz am 11.8.99 (oben) und seine Korrelation mit der Himmelshelligkeit.

2.5.3. Temperatur

Die Temperaturregistrierung in Metz erfolgte mit Hilfe des Chips LM 75 von National Semiconductors mit einer Auflösung von einem halben Grad Celsius. Das Ausgangssignal wurde über die parallele Schnittstelle in einen PC eingelesen. Die registrierten Daten (siehe Abbildung 13 oben) deuten denselben Wetterverlauf an wie die Messwerte der Himmelshelligkeit. Während bis zum Eintreten der Totalität der Temperaturabfall lediglich 2.5 Grad C betrug -- diese geringe Differenz ist vermutlich auf einen Dämpfungseffekt der Bewölkung zurückzuführen -- stieg die Temperatur nach dem drittem Kontakt von 15.5 Grad C auf 19.5 Grad C. Die transparenter werdende Bewölkung dürfte für einen nennenswerten Teil dieses Anstiegs verantwortlich sein. Nach dem Beobachtungsbericht von W. Strickling wurde subjektiv der Temperaturabfall bis zum 2. Kontakt deutlich stärker empfunden als es den objektiven Messungen entsprach.

Abbildung 14: Die in Metz am 11.8.99 gemessene Windstärke unterlag aufgrund ständiger Böen beträchtlichen Schwankungen. Um überhaupt Aussagen über eine etwaige Tendenz dieses Parameters machen zu können, wurden anstelle der Rohwerte von vornherein die über 11 Minuten gemittelten Werte verwendet.

2.5.4. Wind

Als Anemometer kam ein dreiflügeliges Windrad mit horizontalen Schaufeln zum Einsatz. Die Drehgeschwindigkeit wurde über eine Lichtschranke mit dem PC gemessen. Die Genauigkeit betrug etwa 20%; das Ansprechen des Windrades erforderte eine minimale Windgeschwindigkeit von etwa 2 m/s. Die damit gemessene Windstärke (siehe Abbildung 14 ) zeigt nach dem ersten und vor dem vierten Kontakt bei etwa t=41200s und bei etwa t=47200s jeweils einen kurzen, steilen Einbruch. Zwischen diesen beiden Einbrüchen liegt ein langgezogener Bereich, in dem die Windstärke tendenziell abnimmt. Die Windrichtung in Bodennähe blieb von den Ereignissen weitgehend unbeeinflusst und wehte anfangs aus NW, nach dem ersten Kontakt dann aus NNO. In großen Höhen war jedoch ein anderes Verhalten als in Bodennähe beobachtbar. Die Zugrichtung der Wolken kehrte sich von zunächst NNW nach der Totalität auf S bis SW um. Weil vor der Totalität überwiegend niedrige und mittelhohe Stratus und Altostratus zu sehen waren, nachher jedoch überwiegend mittelhohe Altostratus, kann diese Veränderung aber auch von indirekter Natur gewesen sein; die sich von Anfang an in südliche Richtung bewegenden mittelhohen Wolken wären dann zunächst von den nach NNW ziehenden niedrigen Wolken verdeckt gewesen.

2.6. München

In München (geographische Länge 11.58 Grad O, geographische Breite 48.13 Grad N) wurden durch J.-L. Dighaye und G. Tomezzoli thermische und hygrometrische Daten während der Finsternis gesammelt. Hinsichtlich der Kontaktzeiten gelten die bereits für Garching gemachten Angaben. Die eingesetzte Hardware war ein Lambrecht Thermo-Hygrograph 252 Ua. Leider zeigte dieses Gerät bei einem thermischen Schocktest eine Zeitkonstante von etwa 10 Minuten und somit eine beträchtliche Trägheit; genaue Angaben beispielsweise über das tatsächliche Ausmaß der Abkühlung während der Totalität sind somit nicht zu erwarten. Andererseits wurden von der verantwortlichen Beobachtungsgruppe für je zwei Tage vor und nach der Finsternis Vergleichsmessungen durchgeführt, welche etwaige Abweichungen der Wetterentwicklung recht gut absichern. In der folgenden Tabelle sind die Resultate der Messungen in Viertelstunden-Abständen zusammengefasst; eine höhere zeitliche Auflösung erschien infolge der festgestellten Trägheit des Instruments sinnlos.

Vergleichstage 11.8.99 Effekt

Die Messungen an den vier Vergleichstagen 9.8, 10.8, 12.8 und 13.8 wurden gemittelt. Die erhaltenen Durchschnittsdaten sind in den Spalten zwei und drei der obigen Tabelle wieder gegeben, bezogen jeweils auf den Messwert um 11 Uhr MESZ. Sie repräsentieren damit gewissermaßen ein Normklima, mit dem sich die Messdaten am Tag der Finsternis in den Spalten vier und fünf -- aufgeführt als Absolutwerte -- vergleichen lassen; die Resultate eines solchen Vergleichs sind in Form von Absolutwertdifferenzen in den letzten beiden Spalten aufgeführt, erneut bezogen auf die Werte um 11 Uhr MESZ. Der gemessene Temperaturabfall betrug etwa 3 Grad Celsius. Die Luftfeuchtigkeit nahm während der Finsternis um bis zu 18% zu.

2.7. Schlussbemerkung

2.7.1. Allgemeines

Einer der Ziele bei der Durchführung meteorologischer Beobachtungen an verschiedenen Standorten war der Vergleich der Wetterentwicklung während der Finsternis aufgrund der Modulation der solaren Strahlung durch den Bedeckungsvorgang. Die deutschlandweite starke Bewölkung führte jedoch dazu, dass an allen hier aufgeführten Beobachtungsstandorten die Störeinflüsse bei weitem überwogen (siehe Abbildung 1, 5, 10 und 12). Detaillierte quantitative Vergleiche besitzen daher nur geringe Aussagekraft. Einige Anmerkungen qualitativer Natur sind jedoch durchaus gerechtfertigt.

2.7.2. Helligkeit

Temperatur und Himmelshelligkeit sind in Metz (siehe Abbildung 13 unten) ähnlich zueinander korreliert wie in Haltern (siehe Abbildung 11 unten). Bemerkenswerterweise variiert die Temperatur in Haltern stärker als in Metz, obwohl die Finsternis in Haltern im Gegensatz zu Metz lediglich partiell war. Ursache ist aller Wahrscheinlichkeit nach die unterschiedlich starke Bewölkung. Während Metz unter einer mehr oder weniger geschlossenen Wolkendecke verblieb, fanden in Haltern einige Aufheiterungen statt.

2.7.3. Wind

Messungen der Windstärke fanden nur in Garching und in Metz statt. Trotz der großen Entfernung beider Orte voneinander ist die qualitative Übereinstimmung der Messungen zwischen t=38000s und t=50000s überraschend. Die Einbeziehung eines umfassenderen Zeitintervalls wurde vermieden, um den Einfluss statistischer bzw. numerischer Artefakte an den beiden Enden der Messwertsequenz zu begrenzen. Folgende gemeinsame Merkmale können identifiziert werden:

Etwa t=38000s Lokales Minimum
Etwa t=40000s Lokales Maximum
Etwa t=42000s Globales Maximum für die Zeit vor der Totalität
Etwa t=44000s Lokales Maximum

Das in Garching sehr deutlich ausgeprägte globale Minimum bei etwa t=43000s besitzt keine Entsprechung in Metz. Ab etwa t=43500s ist bis etwa t=45000s an beiden Orten eine abnehmende Tendenz der Windstärke festzustellen; danach lässt sich bis etwa t=47500s ein näherungsweises konstantes Verhalten beobachten. Bei etwa t=49000s schließlich existiert ein weiteres gemeinsames lokales Maximum. Obwohl jedoch mehrere Gemeinsamkeiten vorhanden sind, ist deren Rückführbarkeit auf die Finsternis fraglich. Möglicherweise stellen sie lediglich Artefakte der allgemeinen Wetterlage dar.

2.7.4. Temperatur

Generell erreicht die Lufttemperatur nach der Finsternis höhere Werte als vorher. Diese Erscheinung ist eventuell ein Beleg für eine finsternisinduzierte Wetterbesserung. Immerhin war auch in Haltern die maximale Temperatur nach der Finsternis höher als vorher; die gegenüber Garching und Metz relativ geringe Ausprägung dieses Anstiegs scheint angesichts der Lage von Haltern außerhalb der Totalitätszone verständlich. Möglicherweise ist die erhöhte Temperatur nach der Finsternis aber auch allein auf den zu diesem Zeitpunkt höheren Sonnenstand zurückführbar. Einige Kontroll-Beobachtungen von W. Strickling machen eine solche Deutung letztlich am wahrscheinlichsten. In Haltern beispielweise wird das Temperaturmaximum im August in der Regel erst gegen 16 Uhr MEZ erreicht.

2.7.5. Luftdruck

Einige Charakteristika der Luftdruckkurven sind wahrscheinlich auf die allgemeine Wetterlage zurückzuführen und haben somit nichts mit der eigentlichen Finsternis zu tun. Das Maximum bei etwa t=38000s und die Minima bei etwa t=50000s sowie t=53000s in den Garchinger Daten sind anders kaum erklärbar. Bemerkenswerterweise wird das Druckminimum etwa 15-30 Minuten später eingenommen als das Minimum der Globalstrahlung bzw. Himmelshelligkeit. Die Ursache für diese Verzögerung dürfte die Trägheit der Atmosphäre sein. Diese Deutung wird durch den Verlauf der Windstärke bestätigt. In Garching erreicht die Windstärke erst etwa 5 Minuten nach dem Minimum der Globalstrahlung ebenfalls einen Tiefstwert; es sind also auch noch nach Ende der Totalität Luftströmungen vorhanden. Unklar ist, ob das weitere Absinken des Luftdrucks innerhalb der nächsten 10 Minuten ein im wesentlichen lokaler Effekt ist oder Ausgleichsbewegungen eine entscheidende Rolle spielen.

3. Nichtmeteorologische Untersuchungen

Ergänzend zu den meteorologischen Beobachtungen wurden noch einige andere Untersuchungen durchgeführt, welche die Messung der elektrischen Ladung des Mondes, die Überwachung der irdischen Ionosphäre und einige Feststellungen im biologischen Bereich zum Ziel hatten. Infolge unzureichender Kenntnisse des Autors auf den genannten Gebieten wird die Auswertung dieser Beobachtungen jedoch anderen Arbeitsgruppen überlassen. Konkrete Ergebnisse liegen noch nicht vor.

3.1. Elektrische Ladung des Mondes

Der Mond ist der kurzwelligen UV- und X-Strahlung der Sonne ausgesetzt, ohne durch eine Atmosphäre geschützt zu sein. Eventuell kann so auf seiner Oberfläche eine geringfügige elektrische Nettoladung induziert werden. Der Mond wirkt dann bei seinem Vorübergang vor der Sonne als elektrostatische Linse, welche die geladenen Teilchen des Sonnenwindes ablenkt, und ändert so den Anteil des Sonnenwinds, der auf die Erde trifft. Infolge der Reaktionen der Sonnenwindteilchen mit der irdischen Atmosphäre kann man diesen Einfluss des Mondes über die Intensität der an der Erdoberfläche vorhandenen Hintergrundstrahlung mit Hilfe von Geiger-Müller Indikatoren messen.

Der Effekt, um den es hier geht, ist leider nicht leicht zu erfassen. Lediglich 13% der Hintergrundstrahlung sind nichtirdischen Ursprungs; und von den 13% ist wieder nur ein geringer Anteil auf den Sonnenwind zurückzuführen. Selbst wenn der Mond eine geringfügige elektrische Ladung besitzen sollte, was nicht unbedingt der Fall sein muss, sind die zu registrierenden Variationen also sehr gering. Die Angabe einer Untergrenze der Variationsamplitude ist nicht ohne weiteres möglich, da eine Abschätzung der zu erwartenden Stärke der elektrischen Ladung des Mondes aufgrund fehlender theoretischer Modelle scheitert. Um die Resultate gegen statistische Fehler abzusichern, ist daher eine möglichst große Anzahl von Messstellen wünschenswert; diese Messstellen können durchaus auf ein weites Umfeld des Finsternispfades verteilt sein. Eine solche weiträumige Verteilung ist möglich, da sich die Elektro-Optik einer Sonnenfinsternis, die bei dem hier vorgestellten Projekt eine Rolle spielt, von der bei der Festlegung der Totalitätszone interessierenden reinen Strahlungsoptik beträchtlich unterscheidet.

Alan C. Pickwick hatte es sich zur Aufgabe gesetzt, eine solche Sammlung der Daten des Strahlungshintergrunds von europaweit verteilten Messstellen durchzuführen und hinsichtlich einer etwaig vorhandenen elektrischen Ladung des Mondes auszuwerten. Von Seiten des Autors war geplant, dieses Vorhaben durch Weiterleitung der entsprechenden Daten des ODL-Messnetzes zur Überwachung der Umweltradioaktivität zu unterstützen. Dieses Messnetz des IMIS erfasst die ODL-Werte im Routinebetrieb im 2-Stunden Takt. Mit einer entsprechenden zeitlichen Auflösung werden zudem standortbezogene Daten zur Niederschlagsmenge über das Wetter-Radar des DWD erfasst, wobei diese Daten jedoch mit einem erheblichen Fehler behaftet sind und nur als grobe Abschätzung bezüglich der Niederschlags-Intensität genutzt werden können. Hilfreich ist eine Berücksichtigung des Luftdrucks in der Vergleichsberechnung, da die Gamma-ODL, die mit Hilfe von Geiger-Müller Zählrohren ermittelt wird, in der Größenordnung von 5nGy/h über die Abschirmung der Atmosphäre moduliert wird.

Während die Erfassung der Rohdaten ohne Schwierigkeiten erfolgte, konnte die Datenaufbereitung nicht erfolgreich abgeschlossen werden. Der Kontakt zu dem dafür zuständigen Mitarbeiter brach ab und konnte trotz wiederholter Versuche nicht wieder hergestellt werden.

3.2. Beobachtung der irdischen Ionosphäre

3.2.1. Allgemeines

Wissenschaftler des Rutherford Appleton Laboratory in Oxfordshire hatten die Öffentlichkeit bei der Beobachtung der irdischen Ionosphäre um Unterstützung gebeten. Wesentliche Daten lassen sich dabei bereits aus der Überwachung des Radioempfangs während des Ereignisses gewinnen. Eine der Zielsetzungen des Projekts sind Rückschlüsse auf den Energieausstoß der Sonne. Ermöglicht wird eine solche Analyse durch Vergleich mit analogen Messungen aus den dreißiger und vierziger Jahren. Eine detaillierte Beschreibung des Projekts und Vorschläge für geeignete Experimente finden sich unter [6].

3.2.2. Zielsetzung

Die Überwachung des MW Radioempfangs während der Sonnenfinsternis war zunächst nur für Standorte geplant, die sich innerhalb Großbritanniens befinden; später wurde die Messkampagne dann auf Deutschland ausgedehnt. Leider sind die Radiosender, die innerhalb Großbritanniens überwacht werden sollten, nicht für Messungen von Südostdeutschland aus geeignet. Unter diese Kategorie fielen auch die Spanische Station in La Coruna bei 639 kHz MW und die französische Station in Marseilles bei 675 kHz MW. Die notwendige Auswahl von ersatzweise verwendbaren Radiofrequenzen zur Ionosphärenbeobachtung basierend auf [3] lieferte die folgende Liste von Sendestationen.

kHz Station Land
648 Orford UK
666 Bodensee Germany
693 Mailand Italy
702 Sebaa Aiouns bzw. Umraniye Marokko bzw. Turkey
747 Lopik Netherlands
909 Brookman UK
972 Hamburg Germany
1008 Lopik Netherlands
1080 Kattowitz Poland
1089 Brookmans Park UK
1152 Cluj Romania
1188 Szolnok Hungary

Zur Kalibration der Instrumentensensitivität wurde das Fading des Signals im Laufe des Abends beobachtet.

3.2.3. 1152 kHz (Cluj, Rumänien)

Das allmähliche Hörbarwerden des Signals im Laufe des Abends wurde zu den Zeiten 19.15, 19.15, 19.50, 18.50 MESZ während der Tage vor der Finsternis registriert. Die Ursache für die besonders starke Abweichung am Ende der Sequenz konnte nicht identifiziert werden, doch lässt sich eine grossskalige Wetteränderung als Hauptursache vermuten. Hinzuzufügen ist, dass die Sensitivitätskalibration für den Sender bei 1152 kHz generell problematisch war. Das Signal wurde im Laufe des Abends nicht kontinuierlich stärker, sondern von sporadischen Perioden des Intensitätsabfalls unterbrochen. Die oben angegebenen Zeiten sind die Zeiten des ersten Signalempfangs nach dem letzten Intensitätseinbruch. Während der Finsternis wurde das Signal der Radiostation zum ersten Mal um 12.42 MESZ empfangen, der Empfang des Signals ging um 12.46 MESZ verloren. Diese Werte sind leider nicht hundertprozentig verlässlich, da der Zeitpunkt der Datenaufzeichnung lediglich indirekt nach dem Ereignis bestimmt werden konnte. Der Signalverlust am Ende der Totalität erfolgte schrittweise; daher ist der entsprechende Zeitpunkt lediglich eine Schätzung mit einer Unsicherheit von etwa 1 Minute.

3.2.4. 1188 kHz (Szolnok, Ungarn)

Die Sensitivitätskalibration für das 1188 kHz Signal war weit einfacher als bei der Station für das 1152 kHz Signal. Die Erfassung des Signals im Laufe des Abends erfolgte an den denselben Tagen wie dort zu den Zeiten 19.35, 19.25, 20.00, 19.10 MESZ. Während der Finsternis wurde das Signal um 12.46 MESZ erfasst und um 12.56 MESZ wieder verloren.

3.3. Biologie

Am Standort Teisendorf/Ufering (Deutschland, Südostbayern) konnten Schwalben beobachtet werden, die unmittelbar vor der Totalität extrem niedrig flogen. Viele Kühe auf freiem Feld legten sich während der Totalität nieder. Einige stechende und saugende Insekten zeigten sich am Beobachtungsstandort in Ungarn -- südöstlich des Plattensees -- nach der Totalität deutlich aktiver und aggressiver als vorher.

4. Literatur

1. W. Donn: Meteorology, McGraw-Hill 1975
2. F. Espenak, J. Anderson: NASA Reference Publication 1398, The Total Solar Eclipse of 1999 August 11
3. R. Schneider, W. Redlich: Sendertabelle, Franzis 1980
4. J.B. Zirker: Total eclipses of the sun, Princeton 1995
5. http://home.t-online.de/home/Dr.Strickling/sofi_obs.htm
6. http://www.wdc.rl.ac.uk/ionosondes/eclipse/outline.html
7. http://www.zon-eclips1999.solcon.nl/Toppage-E.htm

Joachim Draeger, e-mail: draeger@informatik.tu-muenchen.de

Letzte Änderung: 2000-11-29 14:08