Sicherheitshinweise
Die Beobachtung der Sonne, insbesondere mit einem Fernglas oder einem Teleskop, ist eine nicht ungefährliche Tätigkeit, die eine strikte Einhaltung von Sicherheitsvorkehrungen erfordert. Die Sonne hat einen einzigartigen Stellenwert unter den astronomischen Objekten, da sie so hell und ihr Licht sehr energiereich ist.
Der wichtigste Grundsatz für die Beobachtung der Sonne ist daher die eigene Sicherheit und die der Mitbeobachter. Das kann nicht genug betont werden, und sollten Sie bei einer der folgenden Ausrüstungs- und Sicherheitsempfehlungen unsicher sein, holen Sie sich bitte Hilfe ein, bevor Sie mit der Sonnenbeobachtung beginnen möchten.
Eine direkte, selbst nur Sekundenbruchteile andauernde, kurzzeitige, Sonnenbeobachtung durch ein Teleskop, ohne geeignete Filter, kann den Verlust des Augenlichts nach sich ziehen!
Die sicherste Methode, die Photosphäre der Sonne zu beobachten, ist die Projektion des ungefilterten Bildes mit Hilfe eines Refraktors. Das hohe Risiko, das die Sonnenbeobachtung durch ein Teleskop mit sich bringt, kann auf ein akzeptables Niveau reduziert werden, wenn ein geeigneter Sonnenfilter vor die Teleskopblende angebracht wird. Er verhindert, dass ein Großteil der ultravioletten, sichtbaren und infraroten Strahlung in das Teleskop fällt.
Sonnenfilter müssen stets fest an das Teleskop angebracht werden. Wenn Sie planen, die Sonne direkt zu beobachten, muss der Filter so an die Teleskopöffnung angebracht werden, dass er sie vollständig überdeckt. Es gibt verschiedene Materialien auf dem Markt, die den Zweck des Sonnenfilters erfüllen, wie etwa aluminiumbeschichtetes Mylar (Polyesterfilm), Nickel-Glas-Verbundstoffe und andere, extra für diesen Einsatz vorgesehene, Spezialfolien.
Zur sicheren Beobachtung mit einem Herschelkeil müssen stets die Herstellerhinweise beachtet werden. Keinesfalls sollten ältere Bauteile wie „Okularsonnenfilter“, Schweißerbrillen oder „rußgeschwärzte Glasplatten“ benutzt werden. Beachten Sie, dass durch die starke Wärmeeinwirkung der Sonne auch die Ausrüstung Schaden nehmen kann, wie zum Beispiel das Suchfernrohr oder Okulare mit verkitteten Elementen. Wenn Sie sich für die Projektionsmethode entscheiden, stelle Sie den Fokus weit von dem Punkt ein, den Sie zum direkten Beobachten wählen würden und fokussieren Sie langsam auf die Projektionsfläche. Es kann von Vorteil sein, Okulare älterer Bauart wie Ramsden oder Huygens zu verwenden, da diese – im Gegensatz zu neueren, mehrteiligen optischen Systemen – keine verkitteten Komponenten aufweisen. Der Sucher sollte entweder ebenfalls mit einer entsprechenden Filterfolie ausgestattet sein oder er ist mit der Schutzkappe abgedeckt oder man entfernt ihn gänzlich für die Beobachtung.
Instrumente zur Beobachtung
Es gibt verschiedene Methoden, die Sonnenoberfläche zu beobachten:
- Projektion des ungefilterten Bildes auf einen Schirm
- direkte Beobachtung durch ein Teleskop im Weißlicht (mit einem geeigneten Filter)
- direkte Beobachtung durch ein Teleskop im H-Alpha-Licht (mit geeigneten Filtern oder einem speziellen Teleskop)
- Indirekte Beobachtung mithilfe einer Kamera
Beobachtung im Weißlicht
Am weitesten verbreitet und am günstigsten ist die Beobachtung der Sonne mit einem Weißlichtfilter (als Folienfilter oder als Glasfilter). Ein solcher Filter schützt sowohl das Auge vor der intensiven ultravioletten, sichtbaren und infraroten Strahlung als auch das Teleskop vor starker Hitze. Durch den Filter wird das ankommende Licht so abgeschwächt, dass nur ein kleiner Bruchteil in das Teleskop gelangen kann. Dies geschieht, indem man den Filter direkt vor der Öffnung des Teleskopsfest anbringt.
Will man das Sonnenbild zeichnen oder es mit mehreren Personen gleichzeitig beobachten, so bietet sich die Projektion des Bildes auf einen Schirm an. Diese Methode ist nur mit Linsenteleskopen (Refraktoren) möglich! Idealerweise verwendet man dazu auch nur einfache, nicht verkittete Okulare, da diese Verkittungen durch die hohe Energie der Sonne einen Defekt (bis hin zur Zerstörung) erleiden können. Bei der Projektionsmethode richtet man das Teleskop direkt auf die Sonne aus.
Sonnenfilter, der fest auf dem Teleskop angebracht ist.
Projektionsmethode zur Sonnenbeobachtung
Hinter dem Okular entsteht dann das Bild der Sonne, das man z.B. auf einer Leinwand bzw. einem Schirm abbildet (vgl. nebenstehende Zeichnung). Der große Karton dient zur Abschattung. Mit dieser Methode kann man z.B. die Sonne gut zeichnen. Bei der Projektionsmethode richtet man das Teleskop direkt auf die Sonne aus. Hinter dem Okular entsteht dann das Bild der Sonne, das man z.B. auf einer Leinwand bzw. einem Schirm abbildet (vgl. nebenstehende Zeichnung). Der große Karton dient zur Abschattung. Mit dieser Methode kann man z.B. die Sonne gut zeichnen.
Warnung: Die Benutzung eines Teleskops ohne Filter erfordert besondere Vorsicht, da das projizierte Bild niemals unbeabsichtigt ins eigene Blickfeld oder das der Mitbeobachter geraten darf. Auch andere Bereiche des Körpers wie etwa die Hände dürfen niemals direkt in den Strahlengang geraten, da Verbrennungen die Folge sein können. Okularsonnenfilter sollten niemals verwendet werden! Sie wurden früher oft als Zubehör zu kostengünstigeren Teleskopen beigelegt und sind teilweise immer noch im Umlauf. Ihre Nutzung ist sehr gefährlich, da das fokussierte, intensive Sonnenlicht den Filter zerstören kann. Okularsonnenfilter sollten umgehend entsorgt werden, damit sie nicht von einem möglicherweise unerfahrenen Nutzer aus Versehen verwendet werden.
Eine weitere Möglichkeit ist die Nutzung eines Herschelkeils (auch Herschel-Prisma genannt). Das Funktionsprinzip stammt von dem deutsch-englischen Astronomen John Herschel. Die Konstruktion beruht auf der teilweisen Reflexion von Licht an einer Grenzfläche zweier Materialien mit (leicht) unterschiedlichem Brechungsindex, sowie dem Reflexionsgesetz und zwei nicht parallelen Längsflächen (Einfalls- und Austrittsfläche), was dem Prisma eine keilförmige Form gibt. Die Einfallsfläche ist gegenüber der optischen Längsachse des einfallenden Strahls um 45° gedreht, so dass gemäß dem Reflexionsgesetz der genutzte bzw. betrachtete Strahl um 90° gedreht ist (vgl. Zenitprisma).
Aufbau eines Herschelkeils (Quelle: Baader Planetarium)
Da die Flächen nicht verspiegelt sind, wird gemäß den nur ein geringer Teil des Lichtes zum Okular reflektiert und der Rest in die Lichtfalle des Prismas gebrochen (vgl. nebenstehende Abbildung). Selbst die 4,6% Restlicht wären für die Augen schädlich. Daher wird zur Beobachtung dann nochmal ein Neutraldichtefilter gebracht, der die Intensität des Lichts nochmal auf 1/1000 reduziert. Für fotografische Zwecke nimmt man häufig Dichtefilter, die das Restlich nur auf 1/100 reduzieren (um kürzere Belichtungszeiten zu ermöglichen, sodass die Bewegungsunschärfe durch die Erdrotation und die Luftunruhe „eingefroren“ werden kann). Wichtig: Auch Herschelprismen können ausschließlich nur an Refraktoren verwendet werden.
Vorbereitung für die Beobachtung
Die Öffnung des Teleskops sollte immer von der Sonne wegzeigen, wenn der Staubschutz entfernt und der Sonnenfilter angebracht wird. Der Filter muss vor jedem Gebrauch und noch vor dem Anbringen an das Teleskop auf Schäden untersucht werden. Anschließend wird ein Ablauf in drei Schritten empfohlen:
- Optische Untersuchung des Filters auf Risse oder kleine Löcher (bei Folienfiltern) bzw. Sprünge oder Abplatzer im Metallüberzug (bei Glasfiltern)
- Den Filter gegen das Sonnenlicht halten und hindurch blicken. Wenn Sonnenlicht den Filter durch Schadstellen passiert, die größer als ein sehr feiner Nadelstich sind, sollte der Filter sofort entsorgt werden. Kleinere defekte Stellen können möglicherweise repariert werden (hierzu unbedingt Fachleute um Rat fragen – niemals selbst versuchen).
- Wenn der Filter angebracht ist, wird das Teleskop auf die Sonne ausgerichtet.
Warnung: Der Sucher sollte stets bedeckt oder entfernt werden, wenn das Teleskop auf die Sonne ausgerichtet wird, sowohl bei direkter als auch bei Projektionsbeobachtung.
Ausrichtung des Teleskops
Die Ausrichtung des Teleskops auf die Sonne kann verhältnismäßig einfach, z.B. durch Minimierung des Teleskopschattens auf dem Boden oder einer ebenen Fläche wie etwa einer Wand oder selbst der Hand, vorgenommen werden (vgl. nebenstehende Abbildungen). Man beginnt mit einer groben Orientierung des Teleskops in Richtung der Sonne (mit aufgesetztem Filter) und bewegt es in kleinen Schritten, bis der Schatten sein Minimum erreicht hat; wählt man die Projektionsmethode, so sollte das Bild auf der Projektionsfläche erscheinen, sobald das Teleskop korrekt ausgerichtet ist. Wird ein Sonnenfilter benutzt, kann man durch den Tubus (mit sicher aufgesetztem Filter), aber ohne eingesetztes Okular schauen und stellt das Bild so ein, dass es etwa mittig fokussiert ist. Das Bild der Sonne sollte dann grob im Sichtfeld eines Okulars mit niedriger Vergrößerung erscheinen. Manche Beobachter finden auch einen Sonnensucher in Form einer „Lochkamera“ sehr hilfreich.
1. Schritt: grober Sonnenschatten
2. Schritt: minimaler Schatten
Sonnenflecken, Granulation, Poren
Im Weißlicht können Sonnenflecken, die Granulation der Sonne und Poren beobachtet werden. Die Zahl der Sonnenflecken und das Gebiet auf der Sonne, in der sich die Flecken befinden ist ein Merkmal für die Aktivität der Sonne und wird auch wissenschaftlich dauerhaft bestimmt. Die Abbildung rechts zeigt mehrere Sonnenfleckengruppen mit Umbra und Penumbra (Aufnahme vom 16. Mai 2000), sowie große Sonnenfackeln rechts und unten.
Sonnenflecken sind Störerscheinungen in der Photosphäre der Sonne, die sich im Vergleich zur allgemeinen Granulation als dunkle Flecken von der Photosphäre abheben. Mit Ausnahme sehr kleiner Flecken bestehen Sonnenflecken aus einem dunklen Kern (Umbra), dessen Temperatur gegenüber der Photosphäre um etwa 1.000 – 2.000 K reduziert ist, und einer etwas weniger dunklen Umgebung (Penumbra), die eine radiale fadenförmige Struktur aufweist.
Die kleinsten Sonnenflecken (ohne Penumbra) haben einen Durchmesser von ca. 1.000 km (Poren), größere Sonnenflecken weisen Umbra-Durchmesser zwischen 5.000 und 20.000 km auf. Der Durchmesser einer Penumbra kann bei sehr großen Flecken sogar bis zu 200.000 km betragen. Solche Sonnenflecken lassen sich mit bloßem, geschütztem (!) Auge von der Erde aus beobachten. Sonnenflecken treten meist in bi- oder multipolaren Gruppen auf. 95 % aller Sonnenflecken haben eine „Lebensdauer“ von unter 11 Tagen, es gibt aber auch Fleckengruppen, die über mehrere Sonnenrotationen hin sichtbar sind und etwa 100 Tage alt werden können. In aller Regel wird man auch helle, schmale Einkerbungen in den Flecken sehen, die Penumbra und Umbra wie helle „Zungen“ durchschneiden. Diese Strukturen werden Lichtbrücken genannt.
Beobachtung der Sonne im H-Alpha-Licht
Auf der Sonne findet sehr viel Aktivität statt. Diese können wir aber bei der Weißlichtbeobachtung, nicht sehen, da wir mit einem Weißlichtfilter das gesamte Licht der Sonne (mit Ausnahme der schädlichen energiereichen Strahlung) empfangen. Das wenige Licht, das aus der Aktivität stammt, wird von dem Restlicht überstrahlt. Zur besseren Vorstellung: Wenn man auf einen Autoscheinwerfer einen roten Punkt malt, so können wir diesen bei eingeschaltetem Licht nicht sehen. Wir brauchen dazu einen Rotfilter, um diesen kleinen Punkt sehen zu können. Aufgrund bestimmter physikalischer Vorgänge wird vom heißen Wasserstoff, aus dem die Sonne zum größten Teil besteht, ein spezielles Licht ausgesendet (das dem eben erwähnten roten Punkt entspricht). Dieses Licht können wir mit einem sogenannten H-Alpha-Filter sichtbar machen und das Restlicht rausfiltern. Erst im H-Alpha-Licht erkennt man die Dynamik, die auf der Sonne stattfindet. Erst damit können die Erscheinungen der Chromosphäre erfasst werden, die über der Photosphäre liegt. Die auffälligsten Erscheinungen sind dabei Protuberanzen, Filamente, Plages und das chromosphärische Netzwerk.
Chromosphärisches Netzwerk
Die ungestörte Chromosphäre ist vor allem während des Sonnenfleckenminimums gut zu beobachten. Sie ist durch ein relativ kontrastarmes Muster gekennzeichnet, das als chromosphärische Netzwerk bezeichnet wird. Dieses tritt jedoch deutlicher in Erscheinung, als die Granulation im Weißlicht und ist bereits in den kleinsten verfügbaren Instrumenten zur H-Alpha-Beobachtung sichtbar.
Spikulen
In H-Alpha erscheint der Sonnenrand nicht glatt, wie im Weißlicht. Bei Vergrößerungen ab 40- bis 50-fach werden tausende kleine schnelllebige Spitzen sichtbar, die Spikulen genannt werden.
Protuberanzen
Sehr deutlich und vor allem häufig sind am Sonnenrand Protuberanzen als helle Erscheinungen erkennbar. Es handelt sich um Wolken aus teilweisem ionisiertem Gas in der oberen Chromosphäre. Sie sind meist in solaren Magnetfeldern gefangen. Bricht ein solches Feld auf, kann es zu spektakulären Eruptionen kommen. In solchen eruptiven Protuberanzen sind Veränderungen auch mit kleinen Instrumenten häufig innerhalb weniger Minuten sichtbar. Protuberanzen erreichen nur selten eine Höhe von 100.000 km oder mehr. Damit wirken sie im Vergleich zum Sonnendurchmesser meist recht klein. Es kann aber auch so gewaltigen Protuberanzen kommen, die mehrere 100.000 km über die Sonne hinausragen.
Filamente
sind mit Protuberanzen physikalisch identisch, allerdings erscheinen Filamente vor der Sonnenscheibe dunkel. Protuberanzen erscheinen nur vor dem dunklen Hintergrund des Himmels hell, ein Effekt des Kontrasts. Tatsächlich ist die Helligkeit der Protuberanzen/Filamente geringer als die der Chromosphäre. Auf der Sonnenscheibe erscheinen Filamente als dunkle, mehr oder weniger fadenförmige Gebilde. Vor der Sonnenscheibe zeigt sich vor allem die Langlebigkeit der Filamente. Nicht selten können sie vom Erscheinen am Ostrand bis zum Verschwinden am Westrand der Sonne beobachtet werden, wenn sie durch die Sonnenrotation von der Erde aus sichtbar werden. Dann wird auch beobachtbar, dass ein solches Filament am Rand in eine Protuberanz übergeht. Protuberanzen und Filamente können auf der ganzen Sonnenscheibe auftreten. Besonders im Aktivitätsmaximum können Filamente manchmal erstaunliche Größen erreichen, Längen von mehreren 100.000 km sind dann keine Seltenheit.
Die Sonne im H-Alpha-Licht mit Plages, Protuberanzen und Filamenten
Große Protuberanz (mit Erde zum Größenvergleich)
Anfang September 2022 zeigte sich ein riesiges Filament auf der Sonnenoberfläche. Durch eine Bildbearbeitungstechnik erscheint das Filament hier hell und kontrastreich.
Übersicht der möglichen Erscheinungen im H-Alpha-Licht
Plages, Flares und Sonnenflecken
Helle Gebiete im H-Alpha-Licht werden Plages genannt. Sie ähneln den Fackeln im Weißlicht, können aber auf der gesamten Sonnenoberfläche im H-Alpha- und vor allem im Ca-II-Licht beobachtet werden. Die Bildung von Plages erfolgt manchmal an Stellen, an denen sich dann ein bis zwei Tage später Sonnenflecken bilden. Daher sind Plages vor allem im Bereich der Fleckenzonen zu finden, in aktiven Gebieten. Plages können oft über mehrere Tage bis Wochen hinweg beobachtet werden, ehe sie infolge der Sonnenrotation am Westrand der Sonne verschwinden oder sich langsam wieder auflösen.
In den Regionen mit hoher Aktivität, beispielsweise in größeren Sonnenfleckengruppen, können gelegentlich Flares auftreten. Das sind helle Strahlungsausbrüche, die sich in wenigen Minuten verändern und nur Lebensdauern von Minuten, bei sehr starken Flares, bis zu einer Stunde haben. Die große Helligkeit, schnelle Veränderungen und geringe Lebensdauer unterscheidet sie von den chromosphärischen Fackeln (Plages).
Wie im Weißlicht sind auch im H-Alpha-Licht Sonnenflecken sichtbar. Sie treten aber deutlich schwächer in Erscheinung, meist sind nur die Umbren der größeren Flecken zu sehen. Kleinere Flecken findet auch der aufmerksame Beobachter meistens nicht.
