Dr. Frank Leiter (please see his German blog), a friend of mine, had the idea to try to measure the ambient light change during the solar eclipse. He lives some 600mi (1000km) further to the north and had an eclipse magnitude of some 80%, i.e. 20% more than I had. He wondered whether or not we could find a difference in brightness change during the eclipse from his residence and from mine.
The idea is quite simple: During the eclipse images were taken with the same exposure time, ISO sensitivity, focal length, and aperture. This way, all frames can be compared to each other. In my case that was: 1/2000 s, f/8, ISO 100 and around 34mm of focal length. I took images all 5 minutes from the beginning of the eclipse during its end.
Afterwards, I used GIMP 2.6.11 to get the histogram information (thank you Frank for this hint) and entered the data into a spreadsheet software. I only used parts of the sky in the pictures to get comparable data.
The histogram limits are 0 on one side and 255 on the other (i.e. 8 bit because I created jpgs from the raw-files) and I took extra care before the eclipse started to get a histogram which is not saturated at all. So, the images showing the ambient light are underexposed and exaggerate the visual impression.
Please have a look on the graphs below. It is quite evident, that the ambient light decreased significantly. Before and after the eclipse the histogram value was around 200 (i.e. 55 before saturation, if one may think of it as a brightness value), while it reduced to 105 at the maximum. Mathematically, the reduction in ambient light was 48%, so it was almost “half as bright” at the mid of the eclipse. This is quite an interesting value, which does not correspond to the magnitude of the eclipse at my home (some 60%). Actually, I had guessed that the decrease in brightness would exceed the eclipse’s magnitude since the sun’s rim is a little less bright than the center. So far, I do not really have an idea why there is a 10% difference.
One thing I can say is, that the difference probably does not originate in the sun’s movement over the sky. Below you can find three images of the same scenery. The first one is made shortly before the eclipse started, the second one at the maximum and the last one after the end of the eclipse. Since I used an astromodified camera, the images appear very red. In order not to confuse the reader, I desaturated the images.
So, what can be seen in the pictures? A real eyecatcher is the decrease in brightness. As said before, I underexposed in order not to have any saturated pixels in the image. This would influence the accuracy of the measurements. Then, one can see the sun’s movement, even though the sun is not on the image at all. The first image appears brighter to the left (i.e. the sun is outside the upper left of this image. The second one has the sun standing outside the center and the last one is brighter to the right, meaning that the sun is standing outside the upper right of the image.
Let us return to the graphs. The average curve and the median one are almost identical. This is a good sign, showing that there are no interfering effects such as black pixels or saturated ones. If that would have been the case, there should be a significant difference between those two curves. Then, the standard deviation is on a more or less constant level. This is also positive, meaning that there are no huge gradients in the used portion of the images. The standard deviation increases slightly towards the eclipse’s end, so the later frames have a bigger difference between bright and dark pixels (the image excerpts have more brighter and/or darker pixels than the frames before).
In contrast to the thermal curves (see my first post on the solar eclipse for details), there is no time shift between the solar eclipse’s maximum and the brightness minimum – which totally makes sense. While the atmosphere has a thermal inertia, it does not have any “brightness” inertia (neglecting effects of sudden fog or clouds).
One more interesting thing can be seen in the graph: The “brightness” value after the eclipse does not return to or exceed the value before the eclipse when the sun’s altitude in the sky was a lot lower. I do not really have an explanation for that other than that the sky’s transparency must have decreased a little around noon. I am confident in saying that it is not due to the movement of the sun around the outside of the images since I measured different regions in the images without seeing a considerable difference. However, it is known that the atmosphere’s capacity to “store” water increases with increasing temperature. Since it became warmer at the end and after the end of the eclipse, I suppose that there was more water in the air, hence a reduction of transparency occurred. However, if you have any other idea of why the brightness after the eclipse is lower than before, please do let me know. Thank you!
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Dr. Frank Leiter (bitte beachten Sie seinen Blog), ein Freund von mir, hatte die Idee zu versuchen, die Änderung der Umgebungshelligkeit während der Sonnenfinsternis zu messen. Er lebt etwa 1000km weiter im Norden und hatte einen Bedeckungsgrad von etwa 80%, das bedeutet etwa 20% mehr als ich hatte. Er fragte sich, ob wir einen Unterschied des Helligkeitswechsel von seinem und meinem Zuhause würden sehen können oder nicht.
Die Idee ist recht einfach: Während der Finsternis wurden Bilder mit der selben Belichtungszeit, ISO-Empfindlichkeit, Brennweite und Blende aufgenommen. Auf diese Weise können alle einzelnen Aufnahmen miteinander verglichen werden. In meinem Fall waren das: 1/2000 s, f/8, ISO 100 und etwa 34mm Brennweite. Ich habe vom Anfang der Finsternis bis zu ihrem Ende alle 5 Minuten eine Aufnahme erstellt.
Anschließend nutzte ich GIMP 2.6.11, um die Histogramminformationen auszulesen (Danke Frank für diesen Hinweis) und gab die Daten in ein Tabellenkalkulationsprogramm ein. Ich habe nur einen Teil des Himmels in den Bildern verwendet, um vergleichbare Daten zu bekommen.
Die Histogrammlimiten sind 0 auf einer Seite und 255 auf der anderen (es sind 8 bit, da ich von den raw-Files jpgs kreiert habe) und ich habe vor dem Beginn der Finsternis besonders darauf geachtet, dass ich kein Histogramm bekomme, welches gesättigt ist. Daher sind die Bilder, welche die Umgebungshelligkeit anzeigen, unterbelichtet und übertreiben den visuellen Eindruck.
Bitte beachten Sie den Graphen unten. Es ist ziemlich offensichtlich, daß sich die Umgebungshelligkeit significant verringert hat. Vor und nach der Finsternis war der Histogrammwert um 200 (also 55 vor der Sättigung, wenn man es sich als Helligkeitswert vorstellen möchte), während es sich zum Maximum auf 105 reduzierte. Mathematisch gesehen betrug die Abnahme der Umgebungshelligkeit 48%, also war es fast nur noch „halb so hell“ zur Finsternismitte. Das ist ein sehr interessanter Wert, der nicht mit dem Bedeckungsgrad der Finsternis an meinem Zuhause (etwa 60%) korrespondiert. Um ehrlich zu sein hatte ich angenommen, daß die Abnahme der Helligkeit den Bedeckungsgrad der Finsternis übertreffen würde, da der Rand der Sonne etwas weniger als ihre Mitte ist. Bislang habe ich keine Idee, wo die 10%ige Abweichung herkommt.
Eine Sache, in welcher ich mir sicher bin, ist die, daß der Unterschied wohl nicht durch die Bewegung der Sonne über den Himmel herkommt. Unten kann man drei Bilder mit dem gleichen Motiv finden. Das erste wurde kurz vor dem Beginn der Sonnenfinsternis gemacht, das zweite während des Maximums und das letzte nach dem Ende der Bedeckung. Da ich eine astromodifizierte Kamera verwendet habe, erscheinen die Bilder sehr rotstichig. Um den Leser nicht zu verwirren, habe ich die Bilder entsättigt.
Was kann man nun also auf den Bildern sehen? Ein richtiger Hingucker ist die Abnahme der Helligkeit. Wie schon zuvor gesagt habe ich die Bilder unterbelichtet, damit ich keine gesättigten Pixel in den Bildern habe. Dies würde die Genauigkeit der Messungen beeinflussen. Dann kann man die Bewegung der Sonne sehen, auch wenn diese sich nicht in den Bildern befindet. Das erste Bild erscheint links heller (das bedeutet, die Sonne befindet sich außerhalb des oberen linken Randes des Bildes. Im zweiten steht die Sonne außerhalb des Zentrums und das letzte Bild ist rechts heller; was bedeutet, daß die Sonne sich außerhalb des oberen rechten Bildrandes befindet.
Lassen Sie uns zu den Graphen zurückkommen. Die Durchschnittskurve und der Median sind beinahe identisch. Das ist ein gutes Zeichen, bedeutet es doch, daß es keine überlagernden Effekte wie schwarze oder gesättigte Pixel vorhanden sind. Wenn das der Fall wäre, dann würde es einen bedeutenden Unterschied zwischen den beiden Kurven geben. Weiterhin befindet sich die Standardabweichung auf einem mehr oder weniger konstanten Level. Das ist ebenfalls vorteilhaft und bedeutet, daß es keine großen Gradienten in den benutzten Bildausschnitten gibt. Die Standardabweichung steigt gegen Finsternisende leicht an, das beduetet, daß später aufgenommene Bilder einen größeren Unterschied zwischen hellen und dunklen Pixeln aufweist (die Bildausschnitte haben mehr hellere und/oder dunklere Pixel als die Bilder zuvor).
Im Gegensatz zu den thermischen Kurven (siehe meinen ersten Post über die Sonnenfinsternis für Details) gibt es keine Zeitverschiebung zwischen dem Bedeckungsmaximum und dem Helligkeitsminimum – was auch komplett Sinn macht. Während die Atmosphäre über eine thermische Trägheit verfügt, so hat sie keine „Helligkeitsträgkeit“ (plötzlichen Nebel oder Wolken vernachlässigend).
Eine weitere interessante Sache kann man im Graphen sehen: Der „Helligkeitswert“ nach der Finsternis kehrt nicht zum ursprünglichen Wert vor der Finsternis, als die Höhe der Sonne am Himmel geringer war, zurück und übertrifft diesen auch nicht. Ich habe nicht wirklich eine Erklärung dafür außer diejenige, daß die Transparenz des Himmels um die Mittagszeit herum abgesunken sein muß. Ich bin mir sicher darin, daß es nicht an der Bewegung der Sonne um die Außenseite der Bilderliegt, da ich verschiedene Bereiche in den Bildern gemessen habe, ohne einen bedeutenden Unterschied zu sehen. Allerdings ist bekannt, daß die Kapazität der Atmosphäre, Wasser aufzunehmen, mit zunehmender Temperatur ansteigt. Da es gegen Ende und nach dem Ende der Sonnenfinsternis wärmer geworden ist, gehe ich davon aus, daß dann mehr Wasser in der Luft war, mit einer einhergehenden Reduzierung der Transparenz. Wie dem auch sei: Wenn Sie eine andere Idee haben, wieso die Helligkeit nach der Finsternis geringer ist als vorher, lassen Sie es mich bitte wissen.
Vielen Dank!
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Pictures from top to bottom:
(1+2) Graph showing the ambient light, see text for details
(3) Ambient light situation before the eclipse started
(4) Ambient light at the eclipse's maximum
(5) Ambient light after the eclipse
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Bilder von oben nach unten:
(1+2) Graphen, die die Umgebungshelligkeit zeigen, Details im Text
(3) Umgebungslichtsituation vor dem Start der Finsternis
(4) Umgebungslicht während dem Maximum
(5) Umgebungslicht nach der Finsternis
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