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Die Sonne

Inhalt
1. Probleme bei der Bildqualität 6. Sonnenfotografie mit ruhender Kamera
2. Filme/Empfindlichkeiten 7. Sonnenfotografie mit Nachführung
3. Belichtungszeiten 8. Webcams
4. Filter 9. Spezielle Sonnenteleskope
5. Umgang mit Sonnenfiltern

Empfohlene Vorkenntnisse: Grundlagen, Fokussierung, Optiken, Teleskope, Montierungen

Die Sonne ist für Astrofotografen eines der abwechselungsreichsten Motive überhaupt. Die Strukturen wie Sonnenflecken und Fackeln ändern ihre Position und ihr Aussehen täglich, in Einzelfällen sogar schon nach einigen Stunden. Es ist wegen der Erblindungsgefahr unbedingt darauf zu achten, dass die Fotografie durch die gleichen Filter erfolgt, wie sie auch für die visuelle Beobachtung verwendet werden (siehe "Filter" weiter unten im Artikel).

Hat man keinen geeigneten Filter zur Verfügung, kann man auch das von einem Teleskop auf einen Schirm projizierte Sonnenbild abfotografieren. Hierfür hält man eine Kamera neben das Okular und fotografiert den Projektionsschirm mit Sonnenbild unter Verwendung der Vollautomatik ab. Hierbei erzielt man jedoch nicht die gleiche Auflösung, als wenn man die Kamera direkt an das Fernrohr ansetzt. Der Kontrast lässt sich hierbei deutlich steigern, wenn man am Fernrohr eine Pappblende so anbringt, dass der Projektionsschirm im Schatten liegt. Allerdings hat man nicht die gleiche Detailauflösung und Kontrast wie bei der Fokalfotografie. Die folgende Skizze zeigt den Aufbau:

Sonnenprojektion

Probleme mit der Bildqualität

Bei der Sonnenfotografie kommt es in erster Linie auf die Auflösung möglichst feiner Strukturen der Oberfläche an. Auf diesem Gebiet sind Linsenteleskope (Refraktoren) einem Spiegelteleskop gleicher Öffnung überlegen. Durch die wegfallende Abschattung von Fangspiegeln gelangt das Licht ungehindert auf den Film bzw. Sensor. Dies resultiert in verminderten Beugungseffekten und einem schärferen, kontrastreicheren Bild. Maksutov-Cassegrains sind ebenfalls gut geeignet. Lichtschwache Optiken mit Öffnungsverhältnissen von 1:10 bis 1:15 sind besonders gut für die Sonnenfotografie geeignet, da die Sonne trotz Filter nur sehr kurz belichtet werden muss. Mit lichtstarken Optiken wird die Sonne schnell überbelichtet.

Da wir mit dem Teleskop direkt in die Wärmequelle blicken, wirken sich die Luftturbulenzen, das sog. "Seeing", viel gravierender aus als bei jedem anderen astronomischen Motiv. Es bilden sich Turbulenzen, da die Luft stark erhitzt wird. Bei der visuellen Sonnenbeobachtung kann man deshalb selten stärker als 100-fach vergrößern. Das hat Konsequenzen für die Fotografie der Sonne, auf die später eingegangen wird.

Hinzu kommen die tubusinternen Luftturbulenzen, das sog. Tubus-Seeing. Sie fallen bei der Sonnenfotografie aufgrund der Erwärmung des Tubus im Gegensatz zu Nachtaufnahmen besonders besonders stark aus. Dunkle Fernrohrtuben sind hierbei benachteiligt, da sie die Wärme speichern und das Gerät verstärkt aufheizen. Folglich verstärkt sich das Tubus-Seeing. Helle, im Idealfall weisse Tuben, strahlen die auftreffende Wärme zurück, das Tubus-Seeing verringert sich. Bei der Fotografie der Sonne wirkt sich die Farbe des Gerätes also direkt auf die Bildqualität aus. Es ist deshalb bei der Fotografie der Sonne besonders wichtig, dass sich das Teleskop an die Umgebungstemperatur anpassen kann.

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Filme/Empfindlichkeiten

In Anbetracht der feinen Strukturen auf der Sonnenoberfläche empfielt sich die Verwendung geringempfindlicher und somit feinkörniger Filme mit ISO-Werten von 50 bis 100. Digitalkameras sollten auf einen ähnlichen ISO-Wert eingestellt werden, die Obergrenze liegt hier für die Sonne bei etwa 400 ISO.

Um Feinstrukturen der Sonnenoberfläche aufzunehmen, ist ein hoher Kontrast wichtig. Deshalb sind Aufnahmen in Schwarz/Weiss sehr empfehlenswert. Diese haben erfahrungsgemäß einen höheren Kontrast als Farbaufnahmen. Kombiniert man Schwarz/Weiss-Filme mit einem Gelbfilter, lässt sich der Kontrast sogar noch erhöhen. Der Filter verlängert jedoch die Belichtungszeiten.

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Belichtungszeiten

Die Belichtungszeiten gelten für Teleobjektive und Teleskope gleichermaßen.

Für die Sonnenfotografie benötigt man sehr kurze Belichtungszeiten von höchstens 1/250 Sekunde. Diese Tatsache erzwingt den Einsatz lichtschwacher Opotiken. Die Lichtstärke sollte höchstens 1:8, besser noch 1:10 oder 1:15 betragen.

Für detailreiche Sonnenfotos muss man sehr knapp belichten. Bei kurzen Belichtungszeiten treten interessante Feinstrukturen, zum Beispiel die Penumbra der Sonnenflecken, Lichtbrücken und ggf. die Granulation der Sonnenoberfläche, viel deutlicher hervor. Die Fackeln am Sonnenrand treten nur durch die Randverdunkelung der Sonne in Erscheinung. Bei zu langen Belichtungszeiten wird diese überbelichtet und die Feinstrukturen gehen verloren.

Die Belichtungszeiten hängen auch von den Optiken ab. Siehe hierfür auch Filmmaterial für die Astrofotografie, Optiken und Belichtungszeiten in der Astrofotografie.

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Filter

Bei der Sonnenfotografie muss das Sonnenlicht extrem abgeschwächt werden, damit man irreparable Augenschäden beim Blick durch den Sucher vermeidet und die Sonne überhaupt fotografieren kann. Hierfür gibt es Objektiv- und Okularsonnenfilter, die in das Okular bzw. den Fokaladapter geschraubt werden. Ausserdem kann die Kamera beschädigt werden, wenn das Sonnenlicht ungedämpft auf die Mechanik und Elektronik fällt.

Okularsonnenfilter dürfen keinesfalls verwendet werden!!!!! Sie befinden sich in unmittelbarer Nähe des Brennpunktes der Optik. Deshalb heizt sich der Filter so stark auf, dass er ohne Vorwarnung platzen kann. Schaut man im Moment des Platzens durch den Sucher, wird die Netzhaut des Auges in Sekundenbruchteilen irreparabel verbrannt. Das geht schneller, als der instinktive Reflex das Auge vom Sucher entfernen kann.

Bei Objektivsonnenfiltern hat man die Wahl zwischen Glas- und Folienfiltern. Glasfilter sind relativ resistent gegen Kratzer. Folienfilter sind hier anfälliger, andererseits nehmen sie keinen Schaden, wenn sie zu Boden fallen. Ein Objektivsonnenfilter kann schnell aus der Hand rutschen, wenn man ihn vom Teleskop nimmt, da er fest und stramm sitzen muss. Es gibt farbneutrale Sonnenfilter und solche, die die Sonne in einem Orange- bis Goldton zeigen. Bei der Farbfotografie ist das Geschmackssache, im Falle der Schwarz/Weiss-Fotografie ist ein farbneutrales Sonnenbild geeigneter.

Glassonnenfilter sind viel teurer als Folienfilter. Sonnenfilterfolie kann man als DIN A4 oder A3-Bögen kaufen und daraus ein Filter selbst basteln. Entsprechende Bauanleitungen liegen der Folie bei. Glassonnenfilter sind wesentlich teurer, allerdings wird ihnen auch eine bessere Abbildungsqualität nachgesagt. Glassonnenfilter werden direkt auf den Tubusdurchmesser angepasst hergestellt.

Das Foto zeigt einen Objektivsonnenfilter aus Folie:

Sonnenfilter

Foto mit freundlicher Genehmigung von Arnold Barmettler (www.calsky.de)

Es gibt visuelle und fotografische Sonnenfilter. Visuelle Filter dämpfen das Sonnenlicht um den Faktor 100.000 (in Worten: Einhunderttausend). Sie sind für die visuelle Beobachtung mit dem Auge konzipiert. Mit ihnen kann man auch die Sonne fotografieren. Allerdings ist die Gefahr sehr groß, dass das Bild durch die Luftunruhe, die gerade in Richtung Sonne extrem ist, unscharf wird. Für diesen Zweck gibt es fotografische Sonnenfilter. Sie lassen zehnmal mehr Licht durch als visuelle Filter. Sie dürfen deshalb zur visuellen Beobachtung nur in Verbindung mit Neutralgraufiltern (im Handel oft als "Mondfilter" bezeichnet) verwendet werden, die das grelle Licht dämpfen. Der Blick durch den Sucher zur Fokussierung ist meines Wissens nach unbedenklich. (Angabe ohne Gewähr!)

Es dürfen nur speziell für diese Zwecke produzierte Sonnenfilter verwendet werden. Andere Eigenbau-Lösungen, wie z. B. Rettungsfolie oder Röntgenbilder, CDs, berußte Glasscheiben, überbelichtete fotografische Filme etc dämpfen zwar das Licht ausreichend, die für das Auge schädliche UV- und Infrarotstrahlung passiert diese "Filter" jedoch weitgehend ungehindert.

Farbfilter werden bei der Sonnenfotografie zur Kontraststeigerung in Kombination mit Schwarz/Weiss-Fotos angewendet. Es werden fast immer Gelbfilter benutzt. Sie arbeiten Details in der Penumbra (der hellere Hof um einen dunklen Sonnenfleck) von Sonnenflecken und die Granulation der Sonnenoberfläche (Photosphäre) deutlich heraus. Verwendet man fotografische Sonnenfilter, liegen die benötigten Belichtungszeiten trotz der lichtdämpfenden Wirkung des Filters in Bereichen, in denen man keine Bildstörungen durch Luftunruhe ("Seeing") zu befürchten hat. Dennoch fallen durch das Seeing manche Fotos besser als andere aus, da die Luftunruhe den Sonnenrand und die Details verschmieren. Man sollte die Sonne durch den Sucher oder besser ein Leitfernrohr beobachten und Momente abwarten, in denen das Sonnenbild nicht "wabert". Mit einem Farbfilter hat man mit fotografischen Filtern auch die benötigte Lichtdämpfung zur Fokussierung.

Der Filter wird in den Fokaladapter geschraubt und verändert deshalb die Fokuslage. Man muss den Filter also einschrauben, bevor die Sonne fokussiert wird.

Die meisten Farbfilter verlängern die Belichtungszeit um den Faktor zwei bis vier gegenüber der benötigten Belichtungszeit ohne Filter.

Es sollte beim Kauf darauf geachtet werden, dass Farb- bzw. Neutralgraufilter in der Schmelze gefärbt und nicht farbbeschichtet sind. Eine Vergütung ist wichtig, um störende Reflexionen ("Geisterbilder") zu vermeiden.

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Umgang mit Sonnenfiltern

Um eine sichere Filterung des Sonnenlichtes zu gewährleisten, sind beim Umgang mit Sonnenfiltern einige Regeln zu beachten:

Ein sicherer Sonnenfilter muss frei von selbst kleinsten Kratzern und Löchern sein. Es ist deshalb jeder Kontakt mit spitzen oder scharfen Gegenständen zu vermeiden. Zur Aufbewahrung in einem Karton wickelt man den Filter zweckmässigerweise in eine Plastiktüte.

Um die filternden Schichten bei Glassonnenfiltern nicht zu beschädigen, sind zur Reinigung strikt die Anweisungen des Herstellers zu beachten. Er wird ausserdem idealerweise staubdicht aufbewahrt, um Verunreinigungen von vornherein zu vermeiden.

Ein Sonnenfilter muss einerseites stramm sitzen, damit er durch Wind nicht von der Optik geblasen wird, andererseits muss er sich auch problemlos entfernen lassen. Es hat sich bewährt, innen in der Fassung Polster aus etwas festerem Schaumstoff zu befestigen, die beim Aufsetzen des Filters nachgeben und sich eng an das Gerät schmiegen. So ist ein sicherer Halt gewährleistet, aber auch die Entfernung ist problemlos möglich. Sofern der Filter nicht während der Beobachtung entfernt werden soll oder muss (zum Beispiel bei einer Sonnenfinsternis), kann er zusätzlich mit Klebeband gesichert werden.

Sonnenfilter sind vor jedem Gebrauch auf etwaige Schäden zu prüfen. Dies gelingt am besten, wenn man ihn in Richtung Sonne hält und mit bloßem Auge hindurchblickt. Durch Abfahren der Sonne mit der gesamten Filterfläche kann so der ganze Filter geprüft werden. Bereits kleine Löcher erkennt man sofort an einem gleißenden Lichtschein.

Defekte Sonnenfilter dürfen nicht verwendet werden.

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Sonnenfotografie mit ruhender Kamera

Die folgenden Angaben gelten für Analog-Spiegelreflexkameras bzw. Vollformat-Sensoren. Bei gleicher Brennweite zeigen die meisten digitalen Spiegelreflexkameras ein um etwa den Faktor 1,6 (kameraspezifisch, im Handbuch nachlesen) größeres Sonnenbild und entsprechend mehr Details.

Teleobjektive

Der Autofokus von modernen Kameras ist empfindlich genug, um die Sonne durch ein Filter zu erkennen und zu fokussieren, vorausgesetzt, es wird ein Messsensor direkt über der Sonne platziert und ein AF-Objektiv verwendet.

Da die meisten Details, von einigen seltenen sehr großen Sonnenfleckengruppen abgesehen, relativ klein sind, lohnt sich die Fotografie mit Teleobjektiven nicht. Diese Objektive sind nur bei partiellen oder ringförmigen Sonnenfinsternissen interessant, wenn man auf ein relativ leichtes Gepäck angewiesen ist. Lediglich mit digitalen Spiegelreflexkameras kann man ab etwa 500 Millimeter Brennweite ernsthafte Versuche unternehmen, detailreiche Aufnahmen zu gewinnen. Die Sonne erscheint von der Erde aus betrachtet etwa so groß wie der Mond. Deshalb erscheinen Sonnenflecken bei Brennweiten unter 1000 Millimeter lediglich als kleine Punkte mit einem helleren Rand, der Penumbra.

Teleskope

Fotografien mit einem Teleskop müssen aufgrund der langen Brennweiten exakt fokussiert werden. Hierfür eignet sich die Scheinerblende sehr gut, die ich hier in einem separaten Artikel ausführlich beschreibe. Den Fokus beurteilt man am besten am Sonnenrand. Bei exakter Fokussierung erscheint er nahezu messerscharf, jedoch geringfügig diffuser als der Mondrand. Da sich der Fokus aufgrund der temperaturbedingten Ausdehnung der Optik, wenn sie auf die Sonne gerichtet wird, geringfügig ändern kann, muss man alle paar Minuten den Fokus überprüfen und ggf. nachfokussieren.

Die Fokussierung durch einfaches Betrachten durch den Sucher führt bei Teleskopen nur in Ausnahmefällen zu einem einwandfreien Foto, aber es ist zumindest bei Fokalaufnahmen, bei denen die Kamera anstelle des Okulars ans Teleskop gesetzt wird, nicht unmöglich. Bei kleinen Reiseteleskopen bis etwa 500 Millimeter Brennweite kann man mit etwas Übung auch ohne Fokussierhilfe arbeiten.

Für Sonnenaufnahmen empfehle ich eine Mindestbrennweite von 800 Millimeter, aber wirklich eindrucksvolle Fotos gelingen erst bei längeren Brennweiten ab etwa 1000 Millimeter. Bei dieser Brennweite kann man schon deutlich Sonnenflecken und andeutungsweise deren Struktur erkennen, auch Fackeln treten etwas hervor. Die Sonne nimmt knapp die halbe Bildhöhe ein.

Bei 2000 Millimetern Brennweite wird die Sonne fast formatfüllend. Auch kleinere Sonnenflecken zeigen jetzt deutlich Strukturen. Die theoretische Grenze für Sonnenfotos, bei denen die gesamte Sonne auf dem Film bzw. Sensor erfasst wird, liegt bei der visuellen Auflösung eines Teleskops mit 60 Millimeter Objektivöffnung, also zwei Bogensekunden.

Die Sonne

Das Foto zeigt die Sonne durch einen Glassonnenfilter mit 2000 Millimeter Brennweite. Man erkennt deutlich die Unterteilung der Sonnenflecken in Umbra und Penumbra und die Randverdunkelung. Es sind fünf Gruppen und 25 Flecken sichtbar, die Relativzahl beträgt also 5*10 + 25 = 75 (siehe unten).

Mit solchen Fotos lässt sich auch die für Aktivitätsvorhersagen wichtige Sonnenfleckenrelativzahl ermitteln: Man zählt die Einzelflecken und Gruppen, wobei ein isolierter, einzelner Sonnenfleck als eigene Gruppe gezählt wird. Die Sonnenfleckenrelativzahl berechnet sich dann nach der Formel Fleckengruppen mal zehn plus die Anzahl der Sonnenflecken.

Bis hierher kann man ohne elektrische Nachführung arbeiten.

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Sonnenfotografie mit elektrischer Nachführung

Noch feinere Strukturen der Sonnenoberfläche lassen sich mit der Okularprojektion erfassen. Hier wird anstelle des Okulars ein Projektionsadapter am Okularauszug befestigt, in den das Okular eingesetzt wird. Dieser Adapter wird mit Hilfe eines T2-Ringes an der Kamera befestigt. Die Befestigung am Okularauszug muss so stabil sein, dass die Kamera nicht im geringsten abkippt, da das Foto sonst stellenweise unscharf wird. Die Abbildungsgröße auf dem Sensor hängt von der Teleskop- und Okularbrennweite sowie vom Abstand Okularlinse/Sensorebene ab. Diese Technik hat einen immensen Lichtverlust zur Folge.

Skizze des Strahlenganges bei der Okularprojektion:

Okularprojektion

Als ISO-Empfindlichkeit empfielt sich 200 bis 400.

Die Fokussierung erfolgt idealerweise mit der Scheinerblende.

Die Belichtungszeiten betragen hier bis zu einige Zehntel Sekunden, abhängig von der Größe des projizierten Ausschnitts ("Äquivalentbrennweite"). Man gelangt hier bereits in Bereiche, in denen eine elektrische Nachführung der Optik notwendig ist. Die Vorgehensweise beschreibe ich unter Nachführung.

Mit exakter Fokussierung und viel Übung kann man bei guter Luftruhe sogar die Granulation der Sonnenoberfläche und die faserige Struktur der hellen Ränder von Sonnenflecken, der sog. Penumbra, dokumentieren. Hierfür muss man sehr viele Aufnahmen anfertigen, da durch das Seeing gerade bei hohen Vergrößerungen sehr viele Sonnenfotos unscharf werden.

Im Artikel Grundlagen beschreibe ich die Okularprojektion ausführlich.

Vergleichbare Ergebnisse können mit der afokalen Fotografie erreicht werden. Hierbei wird eine Digicam mit einer Halterung so befestigt, dass die Linse der Kamera kurz über dem Okular positioniert wird, die Okularlinse jedoch nicht berührt. Die Digicam sollte über einen Selbstauslöser verfügen, damit Schwingungen, die bei dem Auslösevorgang entstehen, vermieden werden können. Die Kamera muss genau senkrecht ins Okular schauen, da das Foto sonst stellenweise unscharf wird. Mit dieser Methode kann man natürlich auch Gesamtaufnahmen der Sonne anfertigen, dann ist keine Nachführung erforderlich.

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Webcams

In der Sonnenfotografie setzen sich Webcams mehr und mehr gegen andere Aufnahmesysteme durch. Eine Webcam ist eine einfache Videokamera mit einem kleinen CCD-Sensor, wie er auch in einigen Digitalkameras eingebaut ist. Eine Webcam nimmt anstelle eines einzelnen Fotos einen Film des Objektes auf. Dieser Film kann aus mehreren 1000 (!) Einzelbildern ("Frames") bestehen.

Für die Weiterverarbeitung benötigt man eine Software zur Bearbeitung von Webcam-Filmen. Hierfür gibt es spezielle Software für astronomische Anwendungen. Diese Software zerlegt zunächst das Video ein seine Einzelbilder, analysiert die Einzelbilder und fügt die technisch besten Fotos zu einem Einzelnen Foto zusammen. Die Qualität ist so gut, dass sie das theoretische Leistungsvermögen des verwendeten Teleskops ausnutzt.

Aus vielen solcher Einzelbilder lassen sich auch Mosaike der gesamten Sonne erstellen. Hierbei erhält man eine Schärfe und Auflösung, wie sie mit einer einzelnen Gesamtaufnahme mit Film- oder Digitalkamera nie erreicht werden kann.

Für die Webcam-Fotografie braucht man keine exakte Nachführung, da die Software Details auf den Einzelbildern erkennt und die Frames entsprechend überlagert.

Einen ausführlichen Artikel über Webcams und ihre Anwendung finden Sie hier.

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Spezielle Sonnenteleskope

Wer sich intensiv mit der Sonne befassen möchte, kann sich spezielle Teleskope besorgen, die die Chromosphäre und Protuberanzen der Sonne im sog. H-alpha-Licht zeigen. Die Fotografie erfolgt hierbei ebenfalls afokal oder im unteren Beispiel bei einem hochwertigeren Modell direkt über die gewohnten 1 1/4 Zoll-Steckhülsen.

Solche Teleskope sind jedoch relativ teuer und sind deshalb nur für Beobachter empfehlenswert, die schwerpunktmäßig Sonnenbeobachtung betreiben. Preiswerte Modelle ermöglichen nur die Fotorafie mit Webcams.

Das Foto zeigt ein hochwertiges H-alpha-Teleskop:

Sonnenteleskop

Foto mit freundlicher Genehmigung von Arnold Barmettler (www.calsky.de)

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Weiterführender Artikel: Nachführung