Solar eclipse part 1 : Temperatures / Sonnenfinsternis Teil 1 : Temperaturen

On March 20th, the day of spring start, a solar eclipse took place in our latitudes. While it was a total one along a small zone in northern Europe (Faroer islands and the Spitzbergen archipelago), it was partial with a magnitude of some 0.6 at my home in southern Germany. So, 60% of the sun’s disk was hidden by the moon.
Since weather was close to perfect, we were able to see the whole show – and I took quite an amount of images and also some temperature data.
Due to the amount of material and the required post processing, I will split this article in a couple subsequent ones since I do not want to make my fellow readers waiting too long.

The first article will cover temperatures.

My wife Nicole reminded me that the clock I used to time the images also had a thermometer inside. So, I recorded the temperatures from about 20 minutes prior to the eclipse’s maximum until the end of the event.
Later, I learnt that Canon also has a built-in thermometer in its cameras, the data of which are logged in the EXIF data. With a freeware program, I was able to read out that data as well.
The results of the three measurement series (thermometer in the clock and two Canon cameras) are shown in the graph and are quite interesting.
Let us first have a look on the temperatures from the clock. I had never thought that a 0.6 magnitude solar eclipse would lead to a significant drop of temperature – but I soon knew better. At the beginning of the eclipse, at around 9:30 am local time, it was warm enough to stand outside without a coat, not freezing at all. However, temperature dropped quickly and at the eclipse’s maximum, it was 4°C (or 4 K) cooler than just a quarter of an hour before. After the maximum, temperature again rose and at noon the thermometer indicated some 30°C – mainly because it was exposed to direct sun light. The actual temperature, measured compliant to standards at the local meteorological station, was some 15°C (60 F). The curve in the graph is quite nice. Obviously, there are no interfering side effects. The only remarkable thing is that the minimum of the eclipse and the temperature minimum do not coincide. This is easy to understand when one considers the thermal inertia of the environment. The atmosphere needs some time to warm up – as well as the thermometer itself. However, thermal inertia of the thermometer is likely to be insignificant.

With a modified camera Canon EOS 1000D (actually, I bought this camera in the United States where it is called a Digital Rebel XS) I took overview images with the same exposure times, focal length, ISO sensitivity and aperture. Furthermore, I used it to create a series of images which I want to overlay as soon as time allows. The graph of the camera temperature is coarser since the increments in the camera are only 1°C (1 K) while the resolution of temperature from the clock’s thermometer is 0.5°C (0.5 K). The general behavior of the graph is identical to the one given by the clock’s thermometer. The offset is probably caused by the fact that there are a lot of metal parts surrounding the camera’s thermometer. Also, there is a five minute “delay” of the minimum compared to the one of the clock’s one. I am confident in saying that this is caused by the thermal inertia of the camera, which – in contrast to the clock – is higher.

Well, the most interesting – and strange – curve is the one given by the second camera’s (a Canon EOS 600D) temperature sensor which does not seem to care for any logical behavior. I attached the camera to a 102mm/1000mm refractor telescope, so it was in the shade throughout the whole event.
However, ambient temperatures dropped significantly, so why didn’t this camera cool down?
One has to understand the circumstances under which I took images with it. The first guess of most readers will probably be that the inside electronics heated up the camera. This would fit quite well to the fact that the temperature is 30°C higher than the one from the first camera. Well, that’s basically the answer to the problem. But the sudden drop of temperature looks odd, right?
OK, here’s the answer: The night before the eclipse, I aligned the mount of the telescope so I would not have to take care of tracking. My success in this was limited, however. It looked alright the night before but I quickly realized that I would have to bring back the sun into the field of view of the camera once a minute (which was the time sequence I chose). As I did not want to use a star diagonal, the view into the viewfinder was quite uncomfortable. I found the live view option (i.e. the use of the camera’s display as a viewfinder) way better. So, I had live view activated all the time – until the battery broke down shortly after the eclipse’s maximum...
I then deactivated live view and used the “manual” viewfinder. I also had to charge the battery every now and then. This explains gaps between the data points.
Of course, compared to the internal “heating”, the slight decrease of the outside temperature does not have a considerable effect. So, this curve cannot be used to find the eclipse’s maximum.
So, actually, the behavior of the camera’s temperature IS logical – you just need to know what happend...

To be fully honest, I am fascinated by the fact that one can see the temperature change due to the increasing eclipse in the first camera’s data. I had not guessed this would be possible.

There is more to come soon. Stay tuned!
 

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Am 20. März, dem Frühlingsanfang, fand in unseren Breiten eine Sonnenfinsternis statt. Während diese entlang einer kleinen Zone in Nordeuropa (Faröer-Inseln und das Spitzbergen-Archipel) total war, war sie an meinem Zuhause mit einer Größe von 0,6 partiell. Das bedeutet, daß 60% der Sonnenscheibe vom Mond bedeckt wurde.
Da das Wetter nahezu perfekt war, konnten wir die ganze Show verfolgen – und ich nahm eine reichliche Menge an Bildern auf und zusätzlich einige Temperaturen.
Aufgrund der Menge des Materiales und den benötigten Nacharbeiten, werde ich diesen Artikel in mehrere folgende Artikel aufsplitten da ich meine geschätzten Leser nicht zu lange warten lassen mag.

Der erste Artikel behandelt die Temperaturen

Meine Frau Nicole hat mich daran erinnert, daß die Uhr, welche ich nutzte um die Bilder zu timen, über ein eingebautes Thermometer verfügt. Ich notierte also die Temperaturen von etwa 20 Minuten vor der maximalen Bedeckung bis zum Ende des Ereignisses.
Später erfuhr ich, daß Canon auch über eingebaute Thermometer in ihren Kameras verfügt, welche in den EXIF-Daten abgespeichert werden. Mit einem kostenlosen Programm konnte ich diese Daten ebenfalls auslesen.
Die Ergebnisse der drei Messreihen (Thermometer in der Uhr und zwei Canon Kameras) sind im Graphen gezeigt und sehr interessant.
Man schaue zunächst auf die Temperaturen der Uhr. Ich hätte nie geglaubt, daß eine Sonnenfinsternis der Größe 0,6 zu einer erheblichen Temperaturabnahme führen würde – aber ich wurde schnell eines Besseren belehrt. Zu Beginn der Finsternis, um etwa 9:30 Uhr Ortszeit, war es warm genug, um ohne Jacke draußen zu stehen und dabei überhaupt nicht zu frieren. Die Temperatur fiel aber schnell und zum Maximum der Finsternis war es 4°C (oder 4 K) kälter als noch eine Viertelstunde zuvor. Nach dem Maximum stieg die Temperatur wieder an und gegen Mittag zeigte das Thermometer ca. 30°C an – hauptsächlich, weil es sich in direktem Sonnenlicht befand. Die tatsächliche Temperatur, normkonform gemessen an der örtlichen Wetterstation, war etwa 15°C. Die Kurve im Graphen ist richtig schön. Offensichtlich gibt es keine überlagernden Effekte. Die einzige bemerkenswerte Sache ist die, daß Bedeckungsmaximum und Temperaturminimum nicht zusammenfallen. Das lässt sich einfach verstehen, wenn man die thermische Trägheit der Umgebung mit berücksichtigt. Die Atmosphäre benötigt etwas Zeit, um sich wieder aufzuwärmen – genauso wie auch das Thermometer. Allerdings ist die thermische Trägheit des Thermometers wahrscheinlich unbedeutend.

Mit einer modifizierten Kamera Canon EOS 1000D (genau genommen habe ich diese Kamera in den Vereinigten Staaten gekauft, wo sie als Digital Rebel XS bekannt ist) nahm ich Übersichtsaufnahmen mit gleichen Belichtungszeiten, Brennweite, ISO-Empfindlichkeit und Blende auf. Weiterhin nutzte ich sie um eine Belichtungsreihe aufzunehmen, die ich übereinanderlegen werde, sobald es die Zeit erlaubt. Die Kurve der Kameratemperatur ist gröber, da die Schrittweite in der Kamera nur 1°C (1 K) beträgt, während die Auflösung des Uhrthermometers 0.5°C (0.5 K) ist. Das grundsätzliche Verhalten der Kurve ist identisch zu derjenigen des Thermometers der Uhr. Der Offset wird vermutlich dadurch verursacht, daß das Thermometer in der Kamera von vielen Metallteilen umgeben ist. Zusätzlich gibt es eine „Verzögerung“ von ca. 5 Minuten des Minimums im Vergleich zum Thermometer der Uhr. Ich bin mir Recht sicher, daß dies durch die thermische Trägheit der Kamera verursacht wird, welche – im Gegensatz zur Uhr – höher ist.

Nun, die interessanteste – und eigenartigste – Kurve ist diejenige des Temperatursensors der zweiten Kamera (eine Canon EOS 600D), welche sich nicht um logisches Verhalten zu kümmern scheint. Ich habe die Kamera an ein 102mm/1000mm-Refraktorteleskop angebracht, daher war sie während des gesamten Ereignisses im Schatten. Die Umgebungstemperatur fiel jedoch merklich, wieso hat sich also die Kamera nicht abgekühlt?
Man muß die Umstände verstehen, unter welchen ich die Bilder aufgenommen habe. Die erste Vermutung der meisten Leser wird vermutlich sein, daß sich die Elektronik in der Kamera aufgeheizt hat. Das würde auch gut mit der Tatsache zusammenpassen, daß die Temperatur 30°C wärmer ist als diejenige der ersten Kamera. Nun, das ist grundsätzlich die richtige Antwort auf die Frage. Aber der plötzliche Abfall der Temperatur schaut schon seltsam aus, oder?
OK, hier ist die Antwort: In der Nacht vor der Sonnenfinsternis habe ich die Montierung des Teleskopes ausgerichtet, damit ich mich nicht um die Nachführung kümmern muß. Mein Erfolg darin war allerdings beschränkt. Es sah in der Nacht zuvor in Ordnung aus, aber ich habe schnell festgestellt, daß ich die Sonne einmal in der Minute (das war die von mir gewählte Zeitsequenz) zurück in das Bildfeld werde bringen müssen. Da ich keinen Zenitspiegel verwenden wollte, war der Einblick in den Sucher sehr unkomfortabel. Mir gefiel die Liev View-Option (das ist die Benutzung des Kamerabildschirmes als Sucher) deutlich besser. Daher hatte ich Live View die ganze Zeit aktiviert – bis der Akku kurz nach der Finsternismitte zusammenbrach...
Ich habe dann Live View deaktiviert und nutzte den „manuellen“ Sucher. Ich mußte gelegentlich auch den Akku wieder aufladen. Das erklärt die Lücken zwischen den Datenpunkten.
Verglichen mit der internen „Heizung“ hat der leichte Temperaturrückgang natürlich keinen bedeutenden Effekt. Daher kann diese Kurve auch nicht dazu verwendet werden, das Finsternismaximum ausfindig zu machen.
Das Verhalten des kamerainternen Temperatursensors IST also tatsächlich logisch – man muß nur wissen, was passiert ist...

Um ganz ehrlich zu sein bin ich fasziniert davon, daß man den Temperaturwechsel infolge der zunehmenden Bedeckung in den Daten der ersten Kamera sehen kann. Ich hätte nicht geglaubt, daß dies möglich sein würde.

Es kommt noch mehr. Bleiben Sie dran!



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