Lucky under the circumstances / Glück im Unglück

95% of all times I observe from the backyard. The advantages are clear: Not having to pack and unpack the whole equipment into and out of the car, no necessity to drive, it is almost impossible to forget anything (and if so, it’s only a couple feet away), internet can be used – and I also appreciate the quick availability of a restroom the older I get.

However, I can only observe quite a limited fraction of the sky, spanning from the east to the south. The northern and western skies cannot be seen since houses and trees are blocking the view.

Last evening I wanted to pay the slowly but surely vaning Sagittarius a visit in order to observe some globular clusters. After a very short drive (the observing spot with an unblocked view to the southern-west is some 200 yards birds view from home) I set up the telescope and started observing. The sky was not really well and it was quite windy. After my first globular the wind freshened and it became uncomfortable. Nevertheless, I tried to capture a third globular on paper. I had to interrupt observation pretty often in order to hold the scope so it would not shift. In a supposed moment of still air I went to the music stand on which I finished the sketch of the last object. Suddenly, a strong wind gust came. The telescope, originally pointing close to horizon, erected as fast as a lightning up to zenith and eventually flipped over. My heart was in my mouth and I feared the worst. Solely the well-known sound of cracking glass was missing. When the telescope lay in the fields (in the other direction, there was way harder asphalt), I ran to it and had a look at the primary mirror. In this moment, some 15 drawing templates from the music stand vanished – who cares, the primary is more important.

When I built the Dobsonian back in 2002, I integrated two pins for the primary that do not touch it but prevent it from flipping. Up to now I had never really needed them and once they even introduced severe astigmatism when I pushed the primary against the pins while collimating. Well, they did a pretty good job now. The primary came off its cell but did not flip over but still hang in the sling and was touching the pins. Without those the mirror would have fallen upside down right onto the aluminium bars of the truss tube. I was quite lucky under the circumstances! That is all I can say.

After setting the scope upright again and securing it, I started catching the drawing templates. They were distributed among a small creek some 30 yards away. Back at the scope I had a look at the nice mess. The focuser, the primary and the secondary seemed undamaged, the rocker box and the secondary cage (after all, it fell down 85 inches) were not really hurt. Solely the fixture of the finder scope was completely dented. Here one could see the immense forces at work (altogether the scope weighs some 120 pounds!).

So I packed my stuff and went back home. There I inspected everything again and repaired the finder scope holder. Two new drill holes into the secondary cage (the old ones were torn out) – and the finder was back where it belongs.

Afterwards I observed for three more hours – protected from the wind by houses and trees…

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Ich beobachte zu ca. 95% von zu Hause aus. Die Vorteile liegen auf der Hand: Kein Ein- und Auspacken des gesamten Equipments in das und aus dem Fahrzeug, keine Notwendigkeit zu fahren, man kann praktisch nichts vergessen mitzunehmen (und wenn, dann sind es nur ein paar Schritte), Internet kann benutzt werden – und auch die schnelle Verfügbarkeit einer Toilette weiß ich mit zunehmendem Alter immer mehr zu schätzen.

Allerdings kann ich von zu Hause aus nur einen sehr begrenzten Himmelsausschnitt beobachten. Dieser erstreckt sich von Osten bis Süden. Nord- und Westhimmel sind nicht zu sehen, da dort Häuser und Bäume im Weg stehen.

Gestern Abend wollte ich aber dem langsam verschwindenden Schützen noch einen Besuch abstatten um ein paar Kugelsternhaufen zu beobachten. Nach sehr kurzer Fahrt (der Beobachtungsplatz mit freier Sicht auf den Südwesthimmel liegt ca. 200m Luftlinie von zu Hause entfernt) baute ich das Teleskop auf und fing die Beobachtung an. Der Himmel war nicht besonders gut und es war ein wenig windig. Nach dem ersten Kugelsternhaufen frischte der Wind auf und es wurde immer ungemütlicher. Trotzdem versuchte ich noch, einen dritten Kugelsternhaufen auf Papier zu bannen. Sehr oft musste ich aber die Beobachtung unterbrechen und das Teleskop festhalten, damit es sich durch den Wind nicht verstellt.

Als ich in einem vermeintlichen Moment der Windstille das Teleskop verließ um zum Notenständer zu gehen, auf welchem ich meine Zeichnung des letzten Objektes fertig machte, kam eine starke Windböe. Das Teleskop richtete sich von fast Horizontstellung zunächst blitzschnell auf, um anschließend im Zenit angekommen komplett nach hinten zu kippen. Mir sackte das Herz in die Hose und ich befürchtete das Schlimmste. Einzig das gutbekannte Geräusch von berstendem Glas blieb aus. Nachdem das Teleskop auf der Wiese lag (in der anderen Richtung wäre deutlich härterer Asphalt gewesen), schnellte ich zu diesem hin und schaute mir den Hauptspiegel an. In diesem Moment verflüchtigten sich ca. 15 Zeichenblätter vom Notenständer in Richtung Acker – egal, der Spiegel ist wichtiger.

Als ich das Teleskop 2002 gebaut hatte, integrierte ich zwei „Rückhalter“ für den Hauptspiegel. Bisher habe ich sie noch nie benötigt und einmal haben sie mir sogar einen starken Astigmatismus erzeugt, da ich den Hauptspiegel beim Kollimieren gegen diese Rückhalter gedrückt habe. Tja, nun haben sie einen ziemlich guten Job getan. Der Spiegel ist aus der Zelle gesprungen, aber ist nicht übergekippt, sondern hing noch ein wenig in der Schlinge und lag am Rückhalter an. Ohne diesen wäre er nun kopfüber auf die Aluminiumstangen des Tubus gefallen. Glück im Unglück! Mehr kann ich dazu nicht sagen.

Nachdem ich das Teleskop wieder aufgerichtet und gesichert hatte, machte ich mich auf die Suche nach den Zeichenblättern. Diese lagen schön verteilt in einem kleinen Bach, ca. 30m vom Teleskop entfernt. Wieder zurück am Teleskop schaute ich mir die Bescherung genauer an. Okularauszug, Haupt- und Fangspiegel schienen unversehrt, auch die Rockerbox und der Hut (immerhin aus einer Höhe von 2,2m zu Boden gestürzt) haben nicht wirklich viel abbekommen. Einzig die Halterung des Sucherfernrohres war deutlich eingedrückt. Hier sieht man, welche Kräfte am Werk waren (dass Teleskop wiegt zusammen immerhin an die 60 kg!).

Ich packte also wieder ein und fuhr nach Hause. Dort konnte ich noch mal alles inspizieren und den Halter für den Sucher reparieren. Zwei neue Löcher im Hut (die alten waren ausgerissen) – und der Sucher hing wieder da, wo er hingehört.

Anschließend habe ich von zu Hause aus noch 3 Stunden beobachten können – windgeschützt durch Häuser und Bäume…

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 Dented finder scope holder

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 Verbogener Sucherfernrohrhalter.

Hochgrat full moon ride / Vollmondfahrt auf den Hochgrat

One of the benefits of living in the mountains is to go up a mountain every now and then in order to enjoy the stunning scenery. There are a couple of summits we visit on a more or less regular basis. One of those is the Hochgrat, an 1834 m (6017 ft) high mountain which we can see from our backyard.

There is a mountain railway going up to an elevation of 1708 m (5603 ft) and one can crest the very summit if desired. Every four weeks, on the full moon date, they offer a special trip, the so-called full moon ride which compared to similar offers at other mountains is quite affordable.

Since we were having quite an unusually well summer with plenty of sun, hot temperatures and clear skies, we were witnessing the last three full moon rises from the Hochgrat.

Even though we made pictures from all three events, I will only present images from the last full moon, dated August 29^th, 2015. This is because the SD-card which we used for the first event unfortunately broke a couple days later (we are still wondering whether or not paying hundreds of euros for a data recovery) and because there were thick clouds hiding the eastern horizon at the second event.

Well, all good things come by threes. So, here are some of the pictures Nicole and I took at the latest full moon ride. Enjoy!

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Einer der Vorteile wenn man in den Bergen wohnt ist es, ab und zu auf einen Berg zu gehen und das herausragende Panorama zu genießen. Es gibt ein paar Bergspitzen, die wir mehr oder weniger regelmäßig besuchen. Einer von diesen ist der 1834 m hohe Hochgrat, welchen wir von unserem Garten aus sehen können.

Es gibt dort eine Seilbahn, die einen auf 1708 m hochfährt und man kann den Gipfel zu Fuß erklimmen, wenn man denn möchte. Alle vier Wochen, am Tag des Vollmondes, bietet man eine spezielle Fahrt an, die sogenannte Vollmondfahrt, welche verglichen mit ähnlichen Angeboten auf anderen Bergen recht erschwinglich ist.

Da wir einen ziemlich ungewöhnlichen Sommer mit viel Sonnenschein, heißen Temperaturen und klarem Himmel hatten, haben wir die letzten drei Vollmondaufgänge vom Hochgrat aus erlebt. Obwohl wir von jedem einzelnen Ereignis Bilder gemacht haben, präsentiere ich nur welche vom letzten Vollmond am 29.8.2015. Dies liegt daran, dass die SD-Karte, welche wir für das erste Ereignis verwendet hatten, leider ein paar Tage später defekt war (wir sind immer noch am überlegen, ob wir für die Datenrettung mehrere hundert Euros bezahlen sollen oder nicht) und daran, dass beim zweiten Mal dicke Wolken die freie Sicht zum Osthimmel verwehrt haben.

Nun, aller guten Dinge sind drei. Daher folgen nun ein paar Bilder, die Nicole und ich von der letzten Vollmondfahrt aufgenommen haben. Viel Spaß!

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Pictures from top to bottom:

(1) Close to sunset, the sun is overexposed, the reflection under the sun originates from the Lake of Constance, a bordering lake between Germany, Austria and Switzerland. If you look closely, you can actually see a sun dog to the sun's right side

(2) Sunset over Lake of Constance

(3) Moonrise over the Alps

(4) + (5) Full moon picture taken with a 102mm/1000mm refractor telescope

(6) Breathtaking view down the mountain

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Bilder von oben nach unten:

(1) Kurz vor Sonnenuntergang, die Sonne ist überbelichtet, die Reflektion unterhalb der Sonne stammt vom Bodensee, ein Grenzsee zwischen Deutschland, Österreich und der Schweiz. Wenn man genau hinschaut, sieht man eine Nebensonne rechts der Sonne.

(2) Sonnenuntergang über dem Bodensee

(3) Mondaufgang über den Alpen

(4) + (5) Vollmondbild aufgenommen durch ein 102mm/1000mm Refraktorteleskop

(6) Atemraubender Anblick vom Berg herunter

A diamond-shaped asterism / Ein diamantförmiger Asterismus

Last night, while in the process of starhopping to the galaxy NGC 5557 in Boötes, I stumbled across a nice asterism that caught my attention. Its location is R.A. 14h22m51s and Dec 36°14’42’’. At first sight, using 94x, it looked like a letter “V” made up of five stars. But looking it over, I saw a fainter sixth star at the open side of the “V” and it then quickly reminded me of a diamond, with the faint star at its tip. The whole size of this asterism is some 5’ x 3’.
When looking this asterism up in SIMBAD, I also found a faint galaxy to be located at edge of this asterism (between the “tip” star and the northern end of the “V”). However, I doubt that I can see it with my 18” Dobsonian since the way brighter galaxies NGC 5544 and NGC 5545 (well worth an inspection when being more awake) do not appear overly bright in my scope.
I do not know if this asterism is already a known one – but I certainly do not want to miss the chance of recommending this “object” for the gentle observers.

And, I also learnt something new to me: The constellation Boötes (in German we write Bootes) does not have an umlaut but an indicator (a so-called diaeresis) to show that the two “o”s in the name are pronounced seperately (meaning that I have been mispronouncing this constellation for more that 20 years...).

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Letzte Nacht stolperte ich beim Starhopping zur Galaxie NGC5557 im Bootes über einen netten Asterismus, der meine Aufmerksamkeit erhaschte. Die Position ist R.A. 14h22m51s und Dec 36°14’42’’. Auf den ersten Blick sah es bei 94x wie der Buchstabe „V“ aus, welcher aus 5 Sternen besteht. Aber bei genauerem Hinsehen sah ich einen schwächeren sechsten Stern auf der offenen Seite des „V“ und nun erinnerte es mich an einen Diamanten mit einem schwachen Stern auf seiner Spitze. Die Größe dieses Asterismus liegt bei ca. 5’ x 3’.
Als ich den Asterismus in SIMBAD nachgeschaut habe, fand ich auch eine schwache Galaxie, die sich an einer Kante dieses Asterismus befindet (zwischen der „Spitze“ und dem nördlichen Ende des „V“).
Ich bezweifle allerdings, daß ich diese mit meinem 18“ Dobson sehen kann, da die deutlich helleren Galaxien NGC 5544 und NGC 5545 (muß ich mir nochmal genau anschauen, wenn ich wacher bin) in meinem Teleskop nicht übermäßig hell erscheinen.
Ich weiß nicht, ob dieser Asterismus bereits bekannt ist – aber ich mag keinesfalls die Gelegenheit verpassen, dieses „Objekt“ für die geneigten Beobachter zu empfehlen.

Und ich habe auch etwas Neues gelernt: Das Sternbild Bootes (im Englischen schreibt es sich Boötes) wird Bo-otes ausgesprochen, beide „o“s werden also separat betont (was bedeutet, daß ich dieses Sternbild seit über 20 Jahren falsch ausspreche...).

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Pictures from top to bottom:

(1) Overview of the region, SIMBAD
(2) Closeup of the diamond asterism, north up, east to the left, SIMBAD
(3) Closeup of the diamond asterism with elucidations, rotated, SIMBAD + manual rework with GIMP
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Bilder von oben nach unten:

(1) Überblick über die Region, SIMBAD
(2) Nahaufnahme des Diamant-Asterismus, Norden oben, Osten links, SIMBAD
(3) Nahaufnahme des Diamant-Asterismus mit Verdeutlichung, rotiert, SIMBAD + manuelle Nacharbeit in GIMP

Solar eclipse part 4: Sequence / Sonnenfinsternis Teil 4: Reihenaufnahme

As mentioned in an earlier blogpost, I used a second camera to take photos of both, the ambient light and some wide-angle images of the eclipse in order to create a sequence.

Today I had enough time to compile such a sequence.

For imaging, I used the same focal length as for the ambient light images, so I have had some 34mm of focal length. Since I did not want to change the aperture between the frequent photographs, I had to use a neutral density filter for imaging the sun. Otherwise, the images would have been extremely overexposed – even at 1/4000 s. In lack of an OD 4 filter I took an OD 5 one (i.e. 1/100.000 of the light passes that filter). Therefore, I had to expose 1/250 s.

The single images nicely show the progress of the solar eclipse. Since I used a rather unsteady tripod, the sun’s disk wiggles around a little. In order not to confuse, I shifted the solar images manually. I used GIMP for overlaying all single images.

Beside the solar eclipse at different times (the separation between the single shots are 5 minutes in time), another interesting optical “feature” can be seen if one looks closely.

The images to the left have a red fringe to the left side and a blue one to the right. The opposite is the case at the sun’s images to the right of the sequence. In the center, the sun looks “normal”, without any colored fringes at all.

Well, this is an optical effect (actually it would be considered a flaw of the optics) called chromatic aberration. There are two types of chromatic aberrations: Lateral and axial chromatic aberration. In this case, we have a lateral chromatic aberration, meaning that the magnification for different wavelengths (i.e. the color) are slightly different. Therefore, each color has its own location in the image plane. Lateral chromatic aberration gets worse to the outside of an image, in its center it is zero. This is why the sun looks close to perfect (in the sense of color impression) at the image’s center.

I used a simple Fraunhofer achromatic telescope, consisting of two lenses with a small air gap between the lenses. The first lens is a positive crown glass element (“collecting light”), the second one a negative flint glass lens (“diverging light”). In this combination, no full color correction can be achieved. The “separation” of the wavelengths is due to glasses having a higher refractive index at shorter wavelengths, so blue is refracted stronger than red light.

There are good solutions to achieve close to perfect images up to the image’s edges, two of which are the apochromatic telescope and the super-apochromatic telescope. However, those instruments are awfully expensive.

When it comes to color fidelity, mirrors are best – but mirror telescopes introduce new aberrations to images…

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Wie schon in einem früheren Blogeintrag erwähnt, habe ich eine zweite Kamera verwendet, um sowohl Umgebungslichtfotos als auch Weitwinkelbilder der Sonnenfinsternis aufzunehmen, um diese zu einer Reihenaufnahme zusammenzufügen.

Für die Aufnahmen habe ich die gleiche Brennweite verwendet wie für die Umgebungslichtbilder, also etwa 34mm Brennweite. Da ich nicht gewillt war, die Blende zwischen den häufigen Aufnahmen zu ändern, musste ich einen Neutraldichtefilter verwenden, um die Sonne aufzunehmen. Anderenfalls wären die Bilder extrem überbelichtet gewesen – auch bei 1/4000 s. In Ermangelung eines OD 4-Filters nutzte ich einen OD 5 (d.h. 1/100.000 des Lichtes geht durch den Filter). Daher musste ich 1/250 s belichten.

Die einzelnen Bilder zeigen sehr schön den Fortschritt der Sonnenfinsternis. Da ich ein eher wackeliges Stativ verwendet habe, taumelt die Sonnenscheibe etwas umher. Um nicht zu verwirren, habe ich die Sonnenbilder manuell verschoben. Ich habe GIMP verwendet, um alle einzelnen Bilder übereinander zu legen.

Neben der Sonnenfinsternis zu unterschiedlichen Zeiten (der Abstand zwischen den einzelnen Aufnahmen ist 5 Zeitminuten) gibt es ein weiteres optisches „Merkmal“ zu sehen, wenn man genau hinschaut. Die Bilder auf der linken Seite haben einen roten Rand auf der linken Seite und einen blauen auf der rechten. Das Gegenteil ist der Fall bei den Sonnenbildern auf der rechten Seite der Reihenaufnahme. Im Zentrum hingegen sieht die Sonne „normal“ aus, ohne jeglichen farbigen Ring.

Nun, dies ist ein optischer Effekt (tatsächlich würde man es als einen Mangel der Abbildungsoptik bezeichnen), der als chromatische Aberration bezeichnet wird. Es gibt zwei Arten der chromatischen Aberration: Farbquer- und Farblängsfehler. Im vorliegenden Falle haben wir einen Farbquerfehler, was bedeutet, dass die Vergrößerung für verschiedene Wellenlängen (also Farben) geringfügig unterschiedlich ist. Daher hat jede Farbe ihren eigenen Platz auf der Bildebene. Der Farbquerfehler wird im Bild schlimmer nach außen hin und ist in der Bildmitte gleich null. Das ist der Grund, wieso die Sonne in der Bildmitte nahezu perfekt abgebildet wird (hinsichtlich des Farbeindruckes).

Ich habe einen einfachen Fraunhofer-Achromaten verwendet, welcher aus zwei Linsen mit einem kleinen Luftspalt dazwischen besteht. Die erste Linse ist eine sammelnde Kronglaslinse, die zweite eine Zerstreuungslinse aus Flintglas. In dieser Kombination kann keine vollkommene Farbkorrektur erzielt werden. Die „Teilung“ der Wellenlängen entsteht dadurch, dass Gläser bei kürzeren Wellenlängen eine höhere Brechzahl aufweisen, daher wird blaues Licht stärker gebrochen als rotes.

Es gibt gute Lösungen um eine nahezu perfekte Abbildung bis hin zu den Bildecken zu erzielen, zwei davon sind der Apochromat und der Super-Apochromat. Allerdings sind diese Instrumente unglaublich teuer.

Wenn es um Farbtreue geht sind Spiegel am besten – aber Spiegelteleskope bringen neue Abbildungsfehler ins Bild mit ein…

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Pictures from top to bottom:

(1) Sequence compiled of single images of the solar eclipse, 5 min time separation between the images, zoomed in

(2) Chromatic aberration, see text for details

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Bilder von oben nach unten:

(1) Reihenaufnahme, zusammengesetzt aus Einzelaufnahmen der Sonnenfinsternis, 5 Minuten Abstand zwischen den Bildern, Ausschnittsvergrößerung

(2) Chromatische Aberration, siehe Text für Details

  

Solar eclipse part 3: Ambient light / Sonnenfinsternis Teil 3: Umgebungshelligkeit

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

Solar eclipse part 2: Impressions / Sonnenfinsternis Teil 2: Impressionen

In this second article, I share some impressions of the partial solar eclipse from May 20th.

I took images through a 102mm/1000mm refractor telescope of mediocre quality. Focusing was hard due to the chromaticity of the Fraunhofer type telescope. The sun’s rim showed a confusing blue fringe. However, there was quite a nice sunspot with the help of which I was able to focus well enough. As the eclipse went by, the sunspot eventually was hidden by the moon. So, focusing was a harder task to accomplish.

Beside the telescope, I had a bunch of solar eclipse goggles and set up a so-called Solarscope projector for the kids and my wife. They also enjoyed the event very much. Later, I learnt that lots of schools and kindergardens forbid to go outside in order to prevent eye damages. Seems, they missed a great chance to teach some physics…

Nicole took some images with her smartphone – I am thrilled by the image quality of this small device.

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In diesem zweiten Artikel teile ich einige Impressionen der partiellen Sonnenfinsternis vom 20. März. Ich nahm Bilder durch ein 102mm/1000mm Refraktorteleskop von mittelmäßiger Qualität auf. Fokussieren war recht schwer aufgrund der Chromasie des Fraunhofer-Teleskopes. Der Rand der Sonne zeigte einen verwirrenden Blausaum. Allerdings gab es einen hübschen Sonnenfleck mit dessen Hilfe ich ganz gut fokussieren konnte. Mit fortschreitender Finsternis wurde der Fleck jedoch vom Mond verdeckt. Fokussieren wurde zu einer schwierigen Aufgabe.

Neben dem Teleskop hatte ich ein Bündel Sonnenfinsternisbrillen und einen sogenannten Solarscope Projektor für die Kinder und meine Frau aufgestellt. Sie haben das Ereignis ebefalls sehr genossen. Später habe ich erfahren, dass einige Schulen und Kindergärten verboten haben, nach draußen zu gehen, damit es zu keinen Augenschäden kommt. Mir scheint, man hat eine großartige Chance vertan, etwas Physik zu unterrichten…

Nicole hat mir ihrem Smartphone ein paar Bilder aufgenommen – Ich bin von der Qualität dieses kleinen Gerätes sehr angetan.

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Pictures from top to bottom:

(1) A couple minutes before the show begins

(2) Solar eclipse at 9:53 am local time

(3) Solar eclipse at 10:20 am local time

(4) Solar eclipse at 10:30 am local time

(5) Solar eclipse at 11:25 am local time

(6) Solar eclipse as seen by a smartphone taken through solar eclipse goggles

(7) Projected sun in the Solarscope projector

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Bilder von oben nach unten:

(1) Ein paar Minuten bevor die Show beginnt

(2) Sonnenfinsternis um 9:53 MEZ

(3) Sonnenfinsternis um 10:20 MEZ

(4) Sonnenfinsternis um 10:30 MEZ

(5) Sonnenfinsternis um 11:25 MEZ

(6) Sonnenfinsternis mit einem Smartphone aufgenommen durch eine SoFi-Brille

(7) Projizierte Sonne im Solarscope Projektor

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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