Sonnenfinsternis beobachten ohne Brille

 

Inhalt:

 

Hier erstmal ein Kommentar zum Umgang mit der Sonnenfinsternis.

Dann eine Untersuchung zu selbstgebauten Schutzbrillen nach DIN*.

Eine einfachste Lochkamera und unsere Experimente folgen darunter.

 

 

*Kurz gefasst:

Die DIN EN 12312-2 errechnet für einen Filter,

der doppelt so viel Licht durchlässt wie

durch eine doppelt gelegte Rettungsdecke

eine Beobachtungszeit der Sonne über 17 Minuten !

 

 

Lehrer sperren Schüler ein: Was lernen wir gesellschaftlich?

DooFi satt SoFi

Я: Partielle Besonnenfinsternis, 2015

  

Den Umgang mit der Sonnenfinsternis finde ich in weiten Teilen bestürzend symptomatisch:

Wird vorher allseits beklagt, Kinder bezögen ihre Erfahrungen über die Welt nur noch aus zweiter Hand, nicht real, sondern virtuell, und warnen Sonntagsredner allenthalben über einen Mangel an Ingenieuren und Naturwissenschaftlern, so schließen Pädagogen während des wirklich spektakulären, elementaren Naturereignisses der partiellen Sonnenfinsterns allerorten ihre Klasse während der Schulpause ein und ziehen gar noch die Vorhänge vor, um ihren Schülerinnen und Schülern den Anblick ängstlich zu verwehren (10). Welch eminente Vergeudung von Faszination und Motivationspotential!

 

Dabei ist der direkte Anblick der teilverdeckten Sonnenscheibe nur das geringere der be­eindruckenden Erlebnisse, er unterscheidet sich nicht allzusehr von den Bildern aus der Presse, vom in der Tat wichtigen unmittelbaren, persönlichen Zeugnis des Ereignisses abgesehen. Die deutlich sichtbare Verdunkelung bei strahlend blauem Himmel, die unwirklichen, harten Schatten, die merkliche Abkühlung als Folge der verringerten Strahlung, die Reaktionen der Natur, auch das Gruppenerlebnis der Betrachter, all das muss man erleben und insbesondere erleben dürfen! (11)

 

Ja, es gab am Ende zu wenig Schutzbrilllen für jeden Einzelnen zu kaufen. Dass sich mit all den Phänomenen auch ohne Brille eine Reihe interessanter Experimente durchführen lässt, konnte man aber ersurfen. Beispielsweise kursierten Anleitungen für verschiedene Typen von Lochkameras; das für über ein Jahrzehnt einzigartige Ereignis musste des Suchens lediglich für Wert befunden werden. Das aber ist, als Stellenwert der Naturwissenschaften, in der Konsequenz eine gesellschaftliche Frage.

 

Natürlich haben nicht alle Lehrerinnen oder Lehrer eine spezialisierte physikalische Ausbildung genossen, dafür sind die Anforderungen in ihrem Beruf zu vielfältig; es gibt eine Fülle von Vertiefungs­angeboten im Studium, unter denen zu wählen ist und die sie im Alltagsgeschäft ebenso beherrschen müssen. Wo waren jedoch die Instanzen, die Lehrern ansonsten so schlaue Ratschläge geben zu müssen scheinen? Vielleicht sogar unsere Schulobrigkeit? Meiner Wahrnehmung nach erschöpften sie sich in undifferenzierten Gefahrenwarnungen und geradezu hysterischen Hinweisen, die von Beobachtungsaktionen selbst mit Schutzbrille „dringend abraten“. Und jetzt kommen wir zum Kern der Geschichte:

 

Die Sonne durch eine Rettungsdecke zu betrachten ist in Wirklichkeit gar nicht gefährlich (12), sofern man dabei das Hirn einschaltet: Nach einer halben Sekunde erkennen Sie, dass es noch zu hell ist. Dann nehmen Sie die Rettungsdecke doppelt. Im Bewusstsein der Gefahr schauen Sie fünf Sekunden lang hoch. Wenn Sie dies jede Minute wiederholen, werden Sie bald merken, dass es - bar wahrzunehmender Veränderung - langweilig wird, und die Sache ist gut. (Detailliertere Berechnungen folgen unten.)

 

Hätte allerdings jemand vorher diese Anweisung gegeben, so hätte sicher irgendwo irgendein Trottel eine halbe Stunde durch die Rettungsdecke fixiert und sich einen Schaden zugezogen. Wie wäre es nun hier in Deutschland weitergegangen? Es braucht immer einen, der Schuld ist, aber jedenfalls nicht der Trottel. Es wäre bei weitem nicht das erste Mal, dass der Rechtsprechung die lebensnahe Bildung unserer Jugend zugunsten einer formalen geopfert wird. Ganz ehrlich: Trotz der Mehrheit lernbereiter, wohlerzogener Schülerinnen und Schüler, die jeden Einsatz wert sind, wird doch der Anteil disziplinloser, selbstbezogener Individuen so groß, dass auch ich mich dem Risiko nicht aussetzen wollte.

 

Doch das kennen wir aus anderen Bereichen ebenfalls: Wer ist schuld, wenn es im Winter glatt ist? Der Schnee oder die Stadtverwaltung? Wer ist schuld an der Energieverschwendung? Immer die anderen, aber nicht der, der am Lichtschalter vorbeigeht! Der lebensrettende Rautekgriff durfte in Erste-Hilfe-Kursen nicht mehr geübt werden, weil vor Jahren dabei jemand gestolpert ist. Sie ahnen es: Es war prozessierfreudiger Jurist. Ein kurioser Zufall zum Schluss: Ein Jahrzehnt lang hatte ich im Gang unserer Schule in vielen Schülerprojekten eine Fülle von Mitmachexperimenten eingebaut (13). Wissen Sie, wann ich mitgeteilt bekommen habe, dass diese nach den neuen Brandschutzbestimmungen auf den Müll wandern müssen? Skurrilerweise zwei Stunden, nachdem wir an der Uni Würzburg dafür einen Preis gewonnen hatten, einen der vielen.

 

Der Leitspruch der Aufklärung scheint unbe-Kant: Habe Mut, dich deines eigenen Verstandes zu bedienen!

 


Marie Marcks: Der Schmetterling im Unterricht, 1980

„Das Erstaunen ist der Beginn der Naturwissenschaft.“

Aristoteles, -350

Normen: DIN, EN, ISO

Entscheidend für die Beurteilung der Qualität von Filtern und für die Zulassung ist die Norm DIN EN 1836 bzw. 12312-2. Sie enthält Grenzwerte, informative Erläuterungen, konkrete Warnungen und konkrete Entwarnungen (14):

- „Tatsächlich wurden viele Wissenschaftler ... von einer totalen Sonnenfinsternis dazu inspiriert, Naturwissenschaften zu studieren.

- Die DIN analysiert, dass ein Schüler, der die Sonnenfinsternis wegen der Gefahrenwarnungen nicht beobachten  konnte, obwohl es für andere doch ging, sich um die Erfahrung betrogen fühlt. Sie fragt, wie er sich nach dieser Lehre wohl später bei Ratschlägen der Autoritäten zu Drogen, AIDS oder dem Rauchen verhalten wird.

- „Eines der am einfachsten erhältlichen Filter für die sichere Beobachtung der Sonne ist ein Schweißerschutzfilter mit Schutzstufe 14“. An anderer Stelle steht, bereits „Filter mit der Schutzstufe W12 sollten ausreichend sein, um das Auge zu schützen, aber die Sonne kann durch diese Filter noch unangenehm hell erscheinen.“ (Sie erinnern sich: Auch Schweißerbrillen hat die Presse in Bausch und Bogen verdammt. Schülern wurden sie infolgedessen konfisziert.)

- Es sei eine „thermisch verursachte Verletzung der Netzhaut normalerweise nicht möglich“ ... „Die Sonne bewirkt jedoch eine photochemische Gefährdung, nicht durch kurzfristigen Blick, aber durch anhaltendes Hinsehen für mehrere Minuten.“

- Als Grenzwert nimmt die DIN einen ungeschützten Blick in die Sonne von 0,6 Sekunden an, gibt drei Argumente, dass dieser Wert eigentlich zu kurz sei und resümiert: „Somit sind die in dieser Norm geforderten Transmissionsgrade der Filter viel niedriger, als sie nötig wären, um eine Verletzung der Netzhaut zu verhindern.“

- Es folgt eine „Berechnung der Sicherheit für die Netzhaut“, die die Helligkeit mit der Beobachtungszeit ins Verhältnis setzt: Wenn die Sonne mit bloßem Auge 0,6 Sekunden lang betrachtet werden kann, braucht man für 1670 mal so viel Zeit einen 1670-fach abschwächenden Filter (#). Das wäre ungefährlich, aber unangenehm. Die Norm wünscht daher einen 100 mal, an anderer Stelle 20 mal stärkeren Filter. 

 

Legen wir also los mit dem Beobachten, „ansonsten könnte es geschehen, dass wir zwar unser Augenlicht bewahren, aber trotzdem in der Finsternis landen“! (Formuliert S&W im Mai 2015)

 

Eigene Messungen am Spektrometer

Ich habe einfache und doppelt gelegte Rettungsdecken vermessen und, wie von der DIN gefordert, in den Bereichen UVB, UVA, Visuell und IR bewertet.
a) Welcher Filter ist für eine angenehme Beobachtung von unbegrenzter Dauer nötig?
b) Wie lange kann gefahrlos beobachtet werden?

Für a) setzt die DIN konservative Grenzwerte an, die von den gemessenen doppelt gelegten Rettungsdecken um das Drei- bis Elffache überschritten werden. Das heißt, angeblich erscheint eine solche Beobachtung subjektiv als eher hell. Eigene Tests bestätigen das nicht.

Für b) muss der folgende Graph über die vier genannten Bereiche gemittelt werden. Dann ergibt sich für die doppelt gelegte Rettungsdecke eine maximale Transmission von 0,035% (siehe Legende der folgenden Graphik). Gemäß dem vorigen Abschnitt würde für die Netzhaut folgen
             t = 0,6 s/0,00035 = 1714 s = 0,5 h.

Für 0,06%, also sogar höhere Transmission, rechnet die Norm in einem expliziten Beispiel 17 Minuten vor! Von einer derart langen Exposition rate ich trotzdem vorerst ab, auch weil ich noch nicht ausgeforscht habe, ob bei so langen Zeiten Beobachtungsdauer und Filterstärke noch als proportional angenommen werden können.

Im Vergleich mit einer zertifizierten Sonnenfinsternisbrille, bei der nach drei Minuten Beobachtungszeit eine kurze Pause empfohlen wird, lässt die untersuchte, doppelte Rettungsdecke fast die vierfache Helligkeit durch. Nach dem vorigen Abschnitt (#) würde daraus eine mögliche Beobachtungszeit von gut 45 Sekunden folgen!
    


Transmission einer doppelt gelegten Rettungsdecke silber/silber
 

Transmission der Sonnenfinsternisbrille von Astromedia
  

Die Zackenstruktur im Graphen ergibt sich aus der Interferenz der Lichtwellen an den dünnen Schichten. Das Maximum links von 350 nm kann durch ein normals Brillenglas ausgefiltert werden, denn bei hintereinandergelegten Filtern multiplizieren sich deren Werte. Andere Rettungsdecken (z.B. silber/gold) und andere Schutzbrillen (z.B. Polymere) haben andere Transmissiongrade.

Ich weise deutlich darauf hin, dass es gefährlich sein kann, die Sonne durch selbstgebastelte Filter zu beobachten. Deswegen darf diese Untersuchung nicht als Freibrief verstanden werden, die Sonne unüberlegt mit nicht zertifizierten Filtern zu beobachten. So gibt die visuelle Wahrnehmung (insbesondere bei belichteten Farbnegativen) keinen Anhaltspunkt für die UV-Belastung. Die Schädigung tritt erst Stunden später ein. Galilei, Entwickler des Fernrohrs und Entdecker der Sonnenflecken, war im Alter nahezu erblindet.

Vielen Dank an die Technische Hochschule Nürnberg für die Möglichkeit, am Spektrometer zu messen, und für die sehr freundliche Unterstützung dabei.

 

So weit erscheint die Untersuchung im Rahmen der DIN einfach. Es bleiben aber offene Fragen: Darf man tatsächlich eine umgekehrte Proportionalität zwischen Transmission und Expositionszeit annehmen? Ist jedes einzelne Quantenereignis entscheidend, kumulieren die Energieeinträge oder ist eine Reparaturzeit zu beachten? Wie korrelieren diese Erkenntnisse mit empirischen Befunden? Nach augenärztlicher Auskunft ist der Energieeintrag in das System aus Hornhaut und Linse, das im Gegensatz zu sichtbarem Licht nun UVA und UVB absorbiert, unproblematisch.

All dies in einen dem Dezimalsystem entspringenden Sicherheitsfaktor zu packen, sieht grob aus.

  

CJT-Sonnenkarte als Lochkamera

Direktes Betrachten der Sonne kann im Extremfall zu Augenschäden führen (12). Aber wie geht es dann ohne Brille? Wir beobachten eine Projektion der Sonne auf ein weißes Blatt Papier: Stechen Sie ein Loch von einem Millimeter Durchmesser mit einer Nadel in ein Stück Karton. Hier in der Abbildung trägt die Karte drei verschiedene mit dem Lasercutter geschnittene Löcher. (Zugang zum Lasercutter? Wir gründen aktuell ein FabLab im Nürnberger Land!)


Die Sonnenlochkarte im Scheckkartenformat: Rotes ist ausgeschnitten

  

Wenn Sie die Karte zu nahe an das Projektionspapier halten, hat der Schatten nur die Form der Löcher. In der folgenden Abbildung ist der mittlere noch eine Raute.


Karte nahe dem Schirm: Schatten in Form der Löcher

  

Wenn Sie weit genug vom Projektionspapier entfernt sind, vielleicht 50 cm, bekommen die Lichtflecken die Form der Sonne, also normalerweise kreisrund, wie auf dem nächsten Foto (4). Die Lichtflecken sind alle gleich groß, unabhängig vom Durchmesser der Löcher. Aber kleinere Löcher bilden dunkler und schärfer berandet ab, wie bei einer camera obscura.


Karte weiter entfernt vom Schirm: Schatten in Form der Sonne

  

Ohne die Sonnenlochkarte geht es übrigens genauso: Formen Sie ein kleines Loch, etwa zwischen Daumen, Ring- und Zeigefinger. Durch dieses Loch lassen Sie das Licht der Sonne in der oben beschriebenen Art auf eine einheitliche Fläche fallen. Probieren Sie es vorher mal aus; den Erfolg erkennen Sie daran, dass der Lichtfleck bei der richtigen Entfernung zum Papier nicht mehr die Form der Fingerkuppen hat, sondern kreisrund wird. Und zur (partiellen) Sonnenfinsternis wird er sichelförmig, wie die Sonne auch.


So schön scharf wird es nur mit einer Linse (7), nicht mit der Lochkamera.

  

Aber schauen Sie sich dann auch mal die anderen Schatten an, die die Gegenstände um Sie herum so werfen. Sie erscheinen fast etwas unwirklich: In einer Richtung ungewohnt scharf, senkrecht dazu wie gewohnt etwas diffus!

  

Zugegeben: Mit Sonnenfinsternisbrille, durch eine Projektion mit Linsen oder durch ein Teleskop (mit geeignetem Filter) oder eine aufwändigere camera obscura (5) ist der Eindruck schon viel besser als mit der Sonnenlochkarte - wir bauen Entsprechendes am 20. März zur 1. Pause im Schulhof auf.

Aber Vorsicht: Niemals durch eine Sammellinse direkt in die Sonne schauen, sie wirkt wie ein Brennglas! Schlimmster Fall: Jemand hält einen Filter vor das Auge und schaut damit durch ein Teleskop ohne Filter. Die gebündelte Energie zerstört den Filter und mit einem Schlag wird der fokussierte Brennstrahl auf die Netzhaut gebündelt - der Betrachter ist auf diesem Auge sofort blind. Deswegen müssen Filter vor dem Fernrohr verwendet werden, nicht hinter ihm.

 

Und was kam raus?

Hunderte von Schülerinnen und Schülern konnten dank des rollierenden Zeitplans und einer Stimmung des fröhlichen Teilens einen Blick durch die Schutzbrillen auf die Sonne werfen. Für die Interessierteren reichten die drei aufgebauten Teleskope, der gekaufte und die improvisierten Projektoren aus. Sehr viele experimentierten auf verschiedene Weisen mit dem Prinzip der Lochkamera. Vor allem aber war für alle der Effekt der verminderten Strahlungsleistung nicht nur optisch deutlich spürbar.

  


Die billigste Lochkamera verwendet kleine Zwischenräume zwischen verschränkten Fingern.
Auf dem Blatt erkennt man deutlich zwei Sonnensicheln, wie zu erwarten kopfstehend.
  

Die waagrecht liegende, längliche Sichel wirft senkrechte Schatten wie gewohnt unscharf,
waagrechte dagegen scharf.

Eine Brillenlinse (0,5 dpt) mit verkleinerter Pupille projiziert gerade in der richtigen Helligkeit.

Blick durch eines der Teleskope mit speziellem Objektivfilter
  

 

Und so war der Intensitätsverlauf der Sonneneinstrahlung bei uns (9):
Genau die vorausgesagte Delle auf 450 W/1700 W = 26% im vormittäglichen Anstieg.

(Benedikt Bisping mailte die Graphik noch am 20.3. und schrieb dazu:
"Auch dies ist ein Bild der SONNENFINSTERNIS:
Während ich mit Bürgermeister-KollegInnen tagte,
zeigt die eigene Photovoltaikanlage in Lauf dieses Bild.")

Wer noch mehr Interesse an der Astronomie hat, zum Beispiel an einer Führung durch den Nachthimmel, am Sonnenuhren bauen, an unserem Sonnensystem oder verschiedenen Sternen, schaue mal am Donnerstag in der 7. Stunde im Physiksaal 3 (bei Herrn Pausenberger, CJT-Gymnasium Lauf) vorbei. Nicht immer, aber meistens treffen wir uns dann zu den Wahlkursen Astronomie und Roboter bauen.

Nach Absprache beobachten wir bei gutem Wetter abends auf dem Sportplatz die Sterne.

  

  

Bis zur nächsten spektakulären Sonnenfinsternis 2026 in Nordspanien!

 

 

Literatur

(1)  Startseite: Erlebnisexperimente Astronomie (hands on)

(2)  Sonnenfinsternis vom 20. März 2015: Überblick bzw. ausführlichere Darstellung

(3)  Wetterbericht speziell für unser Gebiet Regnitz/Pegnitz

(4)  Theoretischer Hintergrund zur Sonnenlochkarte: Vignettierung

(5)  Bessere, aber aufwändigere Bauanleitungen für eine camera obscura

(6)  Weitere Zusammenstellung verschiedener Beobachtungsmöglichkeiten

(7)  Ein Sonnenprojektor mit Linsen aus dem Supermarkt und guten Ergebnissen

(8)  Unser Artikel vom 19.3.2015 in der Pegnitzzeitung

(9)  Karte der aktuellen Photovoltaikleistung in Deutschland

(10) Ein ähnlicher Artikel wie dieser, der die Panikmache der Schulämter kritisiert

(11) Martin Wagenschein: Rettet die Phänomene! (1975)

(12) Photochemische Retinaschädigung bei weniger als einer Minute direktem Blick in die Sonne

        nach ca. 24-stündiger Latenz (Uniklinik Freiburg)

(13) Gemeinsame Schulprojekte mit dem turmdersinne

(14) Das aufschlussreichste Dokument, die DIN EN 12312-2, ist leider öffentlich nicht zugänglich.