English textvon Dr. Wolfgang Strickling
Rechts:
Kontrastverstärkter und bildbearbeitete Standbildauszug
aus dem Hi8-Video 18 Sekunden vor dem zweiten Kontakt, gefilmt
von Dr. Andreas Dahm. Zeit = UT +2h
Ein höher aufgelöstes Bild ist durch Anklicken des Bildes
rechts zu sehen.
Links eine GIF-Animation in schwarzweiß.
Wir haben zur Beobachtung und Aufnahme der Fliegenden Schatten
ein 1,4 x 2,4 m großes Tischtuch ausgebreitet und während der
zentralen 10 Minuten mit einer feststehenden Videokamera
gefilmt. Nähere Details, kurze Videos und Standbilder können von
meinem
Beobachtungsbericht vom 21.06.2001 und vom 29.03.2006 (detaillierter) abgerufen
werden.
Leider existierten bislang
weltweit nur relativ wenige Fotos der Fliegenden Schatten. So
musste selbst in vielen internationalen Publikationen nach wie vor
eine Lithografie der Fliegenden Schatten der Finsternis vom
22.12.1870 aus Gela/Sizilien (damals Terranova) von Demetrio
Emilio Diamilla Müller als Bildbeispiel herhalten, die lange nach
der Finsternis aus dem Gedächtnis heraus aufgezeichnet worden ist
(s. Abb. links, aus: G.F. Chambers: The Story of Eclipses,
1900, Dank an Michael Zeiler. Aufs Bild klicken für größere
Version).
Die Beobachtungsberichte und bisherigen Bilder zeigen übrigens, dass die englische Bezeichnung "shadow bands" = Schattenbänder eigentlich viel treffender als die etwas mystische deutsche Bezeichnung "Fliegende Schatten" ist.
Die wohl schlüssigste Theorie zur Entstehung der Fliegenden Schatten wurde von Codona 1986 publiziert [3] und wird mittlerweile von den Wissenschaftlern allgemein akzeptiert. Codonas Szintillationstheorie vermag auch subtile photoelektrische Beobachtungen gut zu erklären.
Nach Codona entstehen die Schattenmuster am Boden durch Interferenz von Lichtstrahlen, die bei ihrer Durchquerung der Turbulenzen und Dichtevariationen in der Atmosphäre einen etwas unterschiedlichen Weg genommen haben.
Die besten Beobachtungsbedingungen für solche Interferenzen können bei Punktlichtquellen erwartet werden. Je flächenhafter dagegen die Lichtquelle ist, um so unwahrscheinlicher wird das wahrnehmbare Auftreten solcher Interferenzen. Dennoch kann man an sehr heißen Tagen mitunter die sogenannten "Hitzewellen" auf homogen strukturierten Flächen beobachten, die prinzipiell nichts anderes als die Fliegenden Schatten sind. Bei einer Sonnenfinsternis allerdings ähnelt die schmaler und schmaler werdende Sonnensichel mehr und mehr einem Schlitz und nicht mehr einer flächenhaften Lichtquelle. Während eine Punktlichtquelle ein fleckiges Interferenzmuster erzeugen würde, wird das Muster, das die schlitzförmige Sonnensichel erzeugt, zu Bändern verschmiert.
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Oben: Fotos der Fliegenden Schatten 45 s, 25 s und 10 s vor dem 2. Kontakt, nach Bildbearbeitungen aus dem Video.
Der
Abstand der Schattenbänder verringert sich zum zweiten Kontakt und
vergrößert sich nach dem dritten Kontakt wieder. Meine Beobachtungen am 29.03.2006 können
diesen Zusammenhang sehr gut wiedergeben.
Links: Die Schattenbänder verlaufen parallel zum projizierten Bild der Sonnensichel. Ihre Bewegungsrichtung wird stets rechtwinklig zu ihrem Verlauf wahrgenommen und resultiert aus der Windrichtung in den auslösenden Luftschichten. (nach B. W. Jones)
Rechts: Funktion der Wellenlänge der Schattenbänder von der Zeit
Die Orientierung der resultierenden
Interferenzbänder verläuft demzufolge parallel zu einem
projizierten Abbild der Sonnensichel auf dem Boden bzw. der
Projektionsfläche. Die Schattenbänder verlaufen deshalb direkt vor
bzw. nach der Totalität parallel zum Rand des Mondschattens. Im
größerem zeitlichen Abstand von der Totalität stehen sie
rechtwinklig zur Zentrallinie. Ein interessantes Experiment wäre
die Aufnahme eines Videofilms, der solch ein projiziertes
Sonnenbild mit den Fliegenden Schatten gleichzeitig zeigen würde!
Man sollte eine Ausrichtung der Schattenbänder
auf einer horizontalen Ebene gemäß folgender Formel erwarten:
Ab = As -90° + ArcTan (Tan (Pa) / Sin (e))
mit
Ab als Azimut der Schattenbänder
As als Azimut der Sonne
Pa der Mitte der Sonnensichel bzw. des 2. oder 3. Kontakts bezogen auf den Zenit und
e der Elevation der Sonne über dem Horizont
Nach dieser Formel berechnet mein AstroWin und EclipseDroid die Orientierung der
Schattenbänder. Hier oder auf
die Grafik rechts klicken für die Herleitung der Formel. Für
eigene Berechnungen an horizontalen oder vertikalen Flächen können
Sie hier eine
Exceldatei herunterladen.
Die Höhe, in der die auslösenden Turbulenzzellen in der Atmosphäre wahrnehmbare Effekte auslösen können, hängt von der Winkelausdehnung der Lichtquelle ab. Die erwähnten "Hitzewellen" können nur von Konvektionszellen wenige Meter über dem Boden erzeugt werden. Höher liegende Zellen mitteln sich gegenseitig weg, da die Sonne eben keine Punktquelle ist. Je schmaler dagegen die Lichtquelle ist, um so höher können die verursachenden Zellen liegen. So haben die für die Fliegende Schatten hauptsächlich verantwortlichen Konvektionszellen Höhen zwischen einigen hundert Metern zu Beginn der Sichtbarkeit bis zu wenigen Kilometern direkt vor dem zweiten bzw. unmittelbar nach dem dritten Kontakt.
Die Bewegung der Schattenbänder kommt durch Winde der verschiedenen Höhenschichten zustande. Die Bewegungsrichtung erscheint stets senkrecht zur Verlaufsrichtung der Schattenbänder, da man mit dem Auge Parallelverschiebungen der Bänder nicht wahrnehmen kann. Die Bewegungsgeschwindigkeit der Schattenbänder ist deshalb von der Windgeschwindigkeit abhängig! Bei Windstille werden sie sich kaum bewegen und deshalb nicht auffallen. Bei sehr starkem Wind ist die Bewegung so rasch, dass das Auge den kontrastarmen Strukturen nicht mehr folgen kann und deshalb auch nichts mehr zu sehen ist, obwohl Fliegende Schatten auch dann noch mit schnellen Photometern gut nachweisbar sind [4]. Optimal zur Beobachtung sind Windgeschwindigkeiten im Bereich von einem bis wenigen Metern pro Sekunde.
Codonas Szintillationstheorie erklärt auch einige der uns zunächst rätselhaften Beobachtungen von 2001:
Die Richtungsänderung der Fliegenden Schatten entstand deshalb, weil unser Camp am 21.06.2001 nicht exakt auf der Zentrallinie, sondern ein gutes Stück südlich davon lag (Koordinaten 31° 01,45' Ost, 16° 24,90' Süd, 487 m ü. NN). Die Sonnensichel lag beim zweiten Kontakt annähernd parallel zum Horizont, nach dem dritten Kontakt dagegen war sie um 43° zum Horizont geneigt. Die Fliegenden Schatten verliefen demzufolge vor der Totalität etwa senkrecht zur Sonnenrichtung, danach waren sie gegen die Senkrechte um ca. 50° geneigt. Die Schattenbänder verlaufen vor und nach der Totalität nur dann in der gleichen Richtung, wenn der Beobachter sich exakt auf der Zentrallinie befindet. Entlang der Zone der "streifenden Finsternis" am Rand der Totalitätszone ist demzufolge eine Drehung zu erwarten. Vor allem die "streifenden Beobachter" sollten deshalb eine zusätzliche Kamera für diesen Effekt einplanen! 2006 in Libyen habe ich direkt auf der Zentrallinie beobachtet, deshalb war dort auch keine Richtungsänderung zu registrieren.
Die beobachtete Kontraststeigerung zur Totalität hin wird von der Theorie ebenso vorhergesagt wie die Verkürzung der Bandabstände von anfangs 30 cm auf ca. 10 cm kurz vor der Totalität.
Codonas Theorie erklärt auch die Voraussetzungen, die für eine optimale Sichtbarkeit der Fliegenden Schatten sorgen:
Abb.: Simulation von Finsternissen in den
letzten fünf Minuten vor der Totalität b) lange 7-minütige Finsternis: die
Sichel ist eher schlitzförmig
Eine absolut ruhige Luft ist ungünstig, da
keine Turbulenzzellen entstehen. Faustregel: "schlechtes
Seeing ist gut für Fliegende Schatten". Deshalb sind tief
liegende Beobachtungsplätze auch günstiger als ein hoher
Standort.
Moderate Windgeschwindigkeiten bis in
mittlere Höhen lassen die Fliegende Schatten gut sichtbar
werden. Sehr starker Wind sorgt für so schnelle Bewegungen,
dass das Auge nicht mehr folgen kann. Bei Windstille sind die
Schatten weitgehend unbewegt und deshalb wenig auffällig.
Ein niedriger Sonnenstand über dem Horizont
erzeugt stärkere Kontraste als Finsternisse in Zenitnähe.
Die Schatten sind maximal in den zwei Minuten vor und nach der Totalität bis zur Totalität sichtbar. Die meisten Beobachter sehen die Fliegenden Schatten jedoch nicht so lange, sondern am besten etwa 20 Sekunden vor und nach der Totalität. Während der totalen Verfinsterung sind keine Fliegenden Schatten zu erwarten.
Es sind auch einige Beobachtungsberichte überliefert, wo fliegende Schatten bei Sonnenauf- und Untergängen an Berg- oder Wolkenkanten beobachtet wurden. Die Geometrie ist dabei recht ähnlich wie die schmale Sonnensichel bei einer Sonnenfinsternis. Entscheidend scheint dabei eine gute Lufttransparenz und das Vorhandensein entsprechender Turbulenzen zu sein; die Entfernung der Schattenkante oder die Höhe über dem Horizont scheint weniger bedeutsam zu sein.
Da die Turbulenzzellen in der Atmosphäre unterschiedliche Dichte haben, kommt es zur Brechung des Sonnenlichtes. Teile der Turbulenzzellen können so als Sammellinsen wirken und auf dem Boden ein reelles Bild erzeugen. Normalerweise, außerhalb einer Sonnenfinsternis, sind die Sonnenbilder so groß, dass sich die vielen Bilder, die von jeder einzelnen "Linse" erzeugt werden, zu stark überlagern und deshalb unsichtbar bleiben. Erst wenn die Sichel schmal genug ist und die Breite der erzeugten Sichelbilder in der Größenordnung der Turbulenzzellen liegen, kommt es am Boden zu Bildern mit wahrnehmbarem Kontrast. Auch hierbei überlagern sich die vielen Abbildungen so, dass die einzelnen Sichelbilder längs der Sichel zu Bändern verschmiert werden. Aus anderen Untersuchungen (die Codona auch für seine Arbeit verwendet) weiß man, dass die Turbulenzzellen, die für das Seeing verantwortlich sind, eine Größe von ca. 10 bis 20 cm haben. Aus diese Weise wird auch anschaulich, warum der Kontrast der Fliegenden Schatten mit schmaler werdender Sichel zunimmt und warum der Abstand der Schattenbänder mit kleiner werdender Sichel sinkt. Andererseits werden die Bänder nicht wesentlich schmaler als die Turbulenzzellen groß sind, weil mit schmaler werdender Sichel immer höhere Luftschichten Sichelbilder mit ca. 10 - 20 cm Breite produzieren können.
Wenn man aus dem Bandabstand die "Brennweite" der "Linsen" berechnet, dann kommt übrigens man wie Codona auf Werte um einige hundert m bis 1 km.
Andere Theorien versuchten die Fliegenden Schatten durch Beugung des Lichtes am Mondrand zu erklären. Obwohl so ein Phänomen theoretisch zu erwarten ist und bei Sternbedeckungen auch schon nachgewiesen werden konnte, ist die Beugung des Lichtes (Fresnelbeugung) an der Entstehung der Fliegenden Schatten wohl nicht maßgeblich beteiligt. Der Abstand der zu erwartenden Beugungsringe liegt zwar auch im Bereich von Zentimetern bis Metern, aber das Muster würde sich mit dem Mondschatten bewegen, also extrem schnell mit etwa 1 km/s. Außerdem sollte es im Gegensatz zu den Beobachtungen zur Totalität hin breiter werden. Man kann auch nur ganz kurz (max. 1 - 2 Sekunden) vor und nach dem 2. und 3. Kontakt solche Beugungsmuster erwarten. Ich vermute auch, dass der Kontrast extrem schwach wäre, noch deutlich schwächer als die gemessenen 2-4 % bei den Fliegenden Schatten. Immerhin würde die Ausrichtung der Beugungsstreifen genau so wie nach Codonas Theorie verlaufen...
Da das Phänomen der Fliegenden Schatten auch mit
Amateurmitteln gut zu beobachten und aufzuzeichnen ist und auch
von wissenschaftlichem Interesse ist, sollten sich
Finsternisreisende stärker damit befassen und entsprechendes
Equipment mit sich führen [4]. Bei der Fotografie sind
Belichtungszeiten von höchstens 1/100 Sekunde anzustreben, um auch
hochfrequente Variationen der Schatten nachzuweisen.
Voraussetzungen sind eine lichtstarke Optik, eine sehr
empfindliche und möglichst rauscharme Kamera, denn die Helligkeit
um die Totalität herum beträgt mit ca 10 - max 100 Lux nur
ca. 1/1000 - 1/10000 der Mittagshelligkeit. Gut für Test von
Equipment und zur Auswahl einer geeigneten Kamera im Vorfeld der
Beobachtung eignet sich die fortgeschrittene Dämmerung etwa gegen
Ende der bürgerlichen Dämmerung. Dann ist die Umgebungshelligkeit
vergleichbar mit der bei einer totalen Sonnenfinsternis.
Wegen der schnellen Änderung der
Helligkeit um die Totalität sollte man unbedingt eine automatische
Belichtungsregelung wählen und den Autofokus abschalten! Vor der
Finsternis sollte man die Uhr der Kamera möglichst genau
einstellen, am Besten nach einer Funkuhr oder nach GPS. Um die
Aufnahmen später gut auswerten zu können, ist es ratsam, einen
möglichst glatten und gleichmäßigen Untergrund von mindestens 1 x
1 m Größe, besser mehr, zu haben. Am einfachsten fixiert man ein
Tuch mit Steinen. Sehr gut geeignet sind Aufhellschirme, die für
wenig Geld im Fotohandel erhältlich sind. Zur besseren Auswertung
empfiehlt es sich, die Steine in einem Rasterabstand von genau 50
cm zu platzieren. Zur Not können als Projektionsfläche
Straßenoberflächen oder glatte Gebäudewände benutzt werden. Von
Vorteil sind solche Beobachtungsaufbauten, die rechtzeitig vor der
Totalität in Betrieb gesetzt werden können. Sonst besteht die
Gefahr, dass der Beobachter im Trubel der Ereignisse die Messungen
vergisst oder die Finsternis nicht mehr visuell genießen kann.
Speziell bei Videoaufzeichnungen ist das problemlos möglich. Ich
z. B. habe meine Kameras 5 Minuten vor dem zweiten Kontakt
gestartet und dann einfach "laufen gelassen". Es ist ratsam, die
Projektionsfläche so zu platzieren, dass man es bei der
Finsternisbeobachtung direkt im Blickfeld hat. Dann braucht man
sich nicht nach hinten oder zur Seite umzusehen und hat größere
Chancen, die Fliegenden Schatten "zwischendurch" auch visuell
wahrzunehmen. Viele Leute haben einfach deshalb keine Fliegenden
Schatten gesehen, da sie von dem himmlischen Geschehen zu sehr
abgelenkt waren, um auf den Boden zu schauen!Man sollte allerdings
darauf achten dass keine Besucher zwischen Kamera und
Projektionsfläche durchlaufen und so die Aufnahmen stören.
Interessante Standorte sind besonders die Zonen der "Streifenden Finsternis" am Rand des Totalitätsstreifens, da sich dort die Sonnensichel dreht und deshalb auch eine Drehung der Orientierung der Schattenbänder zu erwarten ist.
Zu den Beobachtungen sollte der visuelle Eindruck und möglichst detailliert auch die Wetter- und Windbedingungen, speziell die Windrichtung und Zugrichtung der Wolken notiert werden. Neben den geografischen Koordinaten sollte die genaue Ausrichtung (wenn nicht eingenordet) und ggf. die Neigung der Projektionsfläche notiert werden. Bei der Aufnahme mit einer Videokamera sollte zu Beginn und Ende der Aufzeichnung eine genaue Uhr oder GPS-Uhr gefilmt werden. Das erleichtert die spätere Auswertung der Zeit.
Die Auswertung der Aufnahmen ist nicht ganz einfach, denn die fliegenden Schatten haben nur einen sehr geringen Kontrastumfang von einem bis wenigen Prozent und die niedrige Helligkeit um die Totalität verursacht Probleme bei der Auswertung. Außerdem enthält selbst das Bild einer homogenen Projektionsfläche Helligkeitsvariationen von einigen dutzend Prozent. Auf einfachen Standbilder aus dem Video sieht man deshalb meist keine Schattenmuster, diese sind häufig nur im bewegten Bild erkennbar. Um dennoch Fotos aus der Videosequenz erstellen zu können, ist deshalb einiges an Bild- und Videobearbeitung erforderlich.
Für Standbilder ist es am
einfachsten, die Einzelbilder einer etwa 1 Sekunden langen
Videosequenz aufzuaddieren (z. B. mit GIOTTO),
das
Resultat
als Negativ zu invertieren und mit 50% Transparenz einem der
Einzelbilder der Sequenz zu überlagern. Das entspricht einer
Subtraktion. Bewegte Strukturen mitteln sich dann zu einem mittleren
Grau weg, so dass nur die bewegten Strukturen wie die
Fliegenden Schatten oder begeistert umherspringende Mitbeobachter
sichtbar bleiben. Für die Subtraktion einer ganzen Videosequenz muss
man sich erst ein über den Zeitraum von etwa 1 Sekunde gemitteltes
Video erstellen (s. Screenshot links), das dann wie bei
Standbildern invertiert wird und mit 50% Transparenz der
Originalsequenz überlagert wird. Das Resultat kann anschließend gut
mit weiteren Videofiltern (Rauschfilter, Kontrastverstärkung etc.)
bearbeitet werden (Screenshot rechts). Zur Herstellung der
gemittelten Videosequenz überlagere ich mit einer Videosoftware (z.
B. Blender) auf 25
Videospuren die Originalsequenz, jeweils um 1/25 Sec (1 Frame)
treppenartig versetzt. Die Transparenz der ersten Spur wird auf 0 %
gesetzt, die der zweiten Spur auf 50%, die der dritten Spur auf 67%
usw. Eine beliebige Spur i bekommt also 100% * (i-1)/i Transparenz
mit i = 1 .. 25. Ebenso sind mittlerweile gute fotoelektrische
Beobachtungen mit Amateurmitteln möglich. Hierbei sollten
Registrierfrequenzen bis 1 kHz angestrebt werden. Jones hat mit
professionellen Arrays aus Fotodioden auf diese Weise gute
Ergebnisse erzielen können [2]. Mit etwas weniger Aufwand kann man
auch das Video analysieren. Die Software LiMovie
ermöglicht die Helligkeitsmessung eines Punktes aus dem Video.
Von der erhaltenen Intensitätskurve kann man mit der Software SPECTROGRAM
eine grafische Zeit-Frequenz-Spektralanalyse erstellen (nach
Umwandlung der Messwerte von CSV in WAV-Dateien mit csv2wav).
In
den Grafiken oben von der Finsternis 29.03.2006 ist gut zu
sehen, dass sich die Fliegenden Schatten nicht kontinuierlich
entwickelten, sondern dass auf starke Aktivität durchaus einige
Sekunden mit nur geringer Aktivität folgen können. Beispielsweise
trat 30 s nach dem dritten Kontakt (C3, rechts) eine solche Pause
ein, bevor kurz darauf die Aktivität noch einmal deutlich zunahm.
In der Spektralanalyse ist der Beginn der Aktivität übrigens schon
3 - 3,5 Minuten vor dem zweiten Kontakt nachzuweisen, deutlich
eher als man es im Videobild erkennen kann.
Erfolgreiche Beobachtungen sollten möglichst auch im Internet publiziert werden!
Meine Videos von fliegenden Schatten auf YouTube:
SoFi 2001-06-21, 2. Kontakt, 3. Kontakt, Link zu meiner
Beobachtungsseite
SoFi 2006-03-29, 2. Kontakt, 25 Sekunden: kontrastverstärkt und nicht kontrastverstärkt, Link zu meiner Beobachtungsseite
SoFi 2016-03-09: 2. Kontakt, kontrastverstärkt, 3. Kontakt, kontrastverstärkt, 2. Kontakt nicht verstärkt, Link zu meiner Beobachtungsseite
Codona,
J, L: The scintillation theory of eclipse shadow bands.
Astronomy and Astrophysics 164, 415 - 427 (1986).
(Der "Originalartikel")
Codona, J. L.: The Enigma of Shadow Bands, Sky and Telescope, 81: 482, (1991)
Jones, Barrie W.:Shadow bands during the
total solar eclipse of 26 February 1998,
Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrical Physics 61,
965-974 (1999)
Mein Beobachtungsbericht der Sonnenfinsternis 2001 aus Simbabwe mit Videos und Messwerten zum Download
Mein Beobachtungsbericht der Sonnenfinsternis 2006 aus Libyen mit Analysen, Videos und Messwerten zum Download
Strickling, W.: Fliegende Schatten. Sterne und Weltraum (SuW) 42, 2/2002, S. 65-67
Shadow Bands Bibliography in der SENL (solar eclipse Newsletter) Dec. 1998
Weitere Filme und Fotos von Fliegenden Schatten:
© Dr. Wolfgang Strickling, Drususstr. 15, 45721 Haltern am See. Tel: (0 23 64) 16 76 91
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