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Die Astronomie-Seiten von Mario Weigand

Himmelsqualität: Seeing, Transparenz & Lichtverschmutzung

Klare Nacht ist nicht gleich klare Nacht. Hat man einige Beobachtungsnächte erlebt, dann weiß man, wie unterschiedlich die Qualität des Himmels sein kann. Dabei spielen verschiedene Faktoren mit, die hier beleuchtet werden.

Seeing
Illustration zur Auswirkung von Luftturbulenzen.

Ein bekannter Anblick: in einer sternklaren Nacht funkeln die Sterne manchmal sehr deutlich. Vor allem die hellen Sterne des Winterhimmels mit Sirius fallen auf. Was schön aussieht ist für den Beobachter leider nicht gut: Bei hohen Vergrößerungen ist das Bild unscharf, die Objekte werden verzerrt. Flackernde Sterne sind ein Anzeichen für schlechtes Seeing.

Die Ursache für dieses Wabern sind die unterschiedlichen Temperaturen in den Luftschichten über uns. Von der Temperatur hängt jedoch die Dicht und daher auch der Brechungsindex der Luft ab. Beim Durchlaufen verschieden dichter Bereiche ändert sich minimal die Richtung des Lichts. Vermischen sich die verschieden warmen Luftmassen kommt es zu Turbulenzen. So entsteht das Flackern der Sterne. Man kennt den Effekt auch von flimmernder Luft über einer heißen Straße im Sommer. Hier können die Unterschiede in Temperatur und Brechungsindex so stark sein, dass es sogar zu Luftspiegelungen kommt (Fata Morgana).

Strichspur des blinkenden Sirius.
Bei genauerer Betrachtung des Flackern der Sterne wird deutlich, dass horizontnahe Sterne stärker blinken und zenitnahe in der Regel fast gar nicht. Je tiefer ein Objekt steht, desto länger ist der Weg des Lichts durch die Luftmassen. Der Fachbegriff dafür lautet Air mass und gibt an, das wievielfache der Luftmasse in Zenitrichtung vom Licht durchquert werden muss. Im Zenit gilt also Air mass = 1. Für Objekte in etwa 70° Höhe ist der Wert mit 1,06 nur unwesentlich höher. Bei 20° Höhe liegt er hingegen bei 2,92 – fast drei Atmosphären muss das Licht passieren! Das ganze ist hier auch noch für alle Höhen grafisch dargestellt.


Oberhalb von 45° ist die Air mass nahe 1, doch darunter steigt der Faktor rasant an und das Seeing wird im Durchschnitt immer schlechter. Daher sind Planetenopposition im Winter, wenn die Ekliptik hoch am Himmel steht, besser für Detailbeobachtungen geeignet.

Geduld – Seeing verändert sich!

Grundsätzlich gilt: man sollte Geduld mit dem Himmel haben. Denn in der Regel ist das Seeing über den Verlauf einer Nacht (oder Tag für Sonnenbeobachter) nicht konstant. Manchmal gilt es die besten Momente abzuwarten. Insbesondere an der Sonne läuft das Livebild bei mir nicht selten über 1 bis 2 Stunden. Immer wenn sich eine temporäre Beruhigung erkennen lässt, wird ein Video aufgenommen.

Langsames und schnelles Seeing

Je nach Größe und Geschwindigkeit der Luftzellen in den Atmosphärenschichten kann sich schlechtes Seeing unterschiedlich auswirken, wobei die Unterscheidung im Wesentlichen für die Planetenfotografie von Interesse ist.

Seeing & Öffnungsdurchmesser des Teleskops

Mit der Teleskopöffnung steigt das Auflösungsvermögen und damit auch die Anforderungen an den Himmel. Zum Einen werden die Seeing-Störungen besser aufgelöst. Zum Anderen schneidet man auch einen größeren Abschnitt der verzerrten Wellenfront aus. Die Unterschiede über die Teleskopöffnung hinweg werden größer. Daher ist oft die Aussage Große Teleskope sind empfindlicher auf Seeing zu lesen. Dies wird besonders deutlich, wenn man sich den Aufwand anschaut, mit denen die professionelle Astronomie dem Problem begegnet – Stichwort adaptive Optik.

Lokales Seeing & Standort

Schlechtes Seeing kann auch lokale Ursachen haben. Es ist z.B. auf Quellen warmer Luft, wie Schornsteine und offene Fenster zu achten. Durch das offene Fenster eines Hauses zu beobachten ist keine gute Idee. Grundsätzlich sind auch Flächen, die sich tagsüber stark aufheizen zumindest zu Beginn der Nacht zu meiden.
Der Standort für eine Beobachtung sollte also gut gewählt werden. Es ist aufgrund der vielen möglichen Quellen für aufsteigende Warmluft ratsam, nicht aus einer Stadt heraus zu beobachten. Ich fotografiere immerhin vom Südrand der Stadt aus, sodass ich die meisten Wärmequellen im Rücken habe.
Berge können eine gute Wahl sein, da man so einen Teil der Luftschichten unter sich lassen kann und die Air mass etwas verringert. Je nach Windrichtung kann es jedoch fatal sein, sich auf der Leeseite des Berghangs zu befinden, da es hier verstärkt zu Turbulenzen kommen kann.

Teleskop- & Beobachter-Seeing
Teleskop-Seeing.

Das Teleskop selbst ist oft auch eine Ursache für unscharfe Bilder. Solange Tubus und Optik nicht an die Umgebungstemperatur angepasst sind, erwärmt sich an diesen Elementen Luft und es kommt auch hier zu Konvektion.
Hat man die Möglichkeit, seine Instrumente vor der Beobachtung schon zum Auskühlen raus zu stellen, sollte dies unbedingt genutzt werden. Je nach Teleskop kann die Anpassung auch gerne länger als eine Stunde dauern! Manche Teleskope sind mit Lüftern ausgestattet, um die Anpassung der Temperatur zu beschleunigen. Als Test eignet sich ein Blick auf einen stark unscharf gestellten hellen Stern. Ist die Optik nicht richtig ausgekühlt sind die Luftströmungen sichtbar.

Beobachter-Seeing.

Bei sehr hohen Vergrößerungen werden auch kleinere Störungen sichtbar. So kann beispielsweise auch der warme Atem des Beobachters stören. Dies ist insbesondere bei Newton-Teleskopen ein Problem, da der Einblick sehr nah an der Teleskopöffnung liegt.

Seeing-Vorhersage
GFS-Modellkarten für das 300-mbar-Level. Link: Unisys

Das Seeing hat viele lokale Ursachen. Zum Teil lässt sich aber einschätzen, ob es eine eher gute oder schlechte Nacht für hohe Vergrößerungen wird. Strömungskarten für die höheren Schichten (≅ 10 km Höhe / 300 mbar) von Wettermodellen wie GFS sind ein guter Indikator dafür. Hier sind Windgeschwindigkeiten im Allgemeinen und der Verlauf des Jetstreams zu sehen. Dabei handelt es sich um einen Starkwindkanal (200 bis 500 km/h). Verläuft er über Deutschland ist mit sehr schlechtem Seeing zu rechnen. Sind die Windgeschwindigkeiten gering gibt es Chancen für gute Bedingungen.
Die Daten sind in 12-Stunden-Abständen für die nächsten 10 Tage verfügbar und erlauben so eine Einschätzung des Trends und manchmal auch der Entwicklung in der Nacht.

Beliebt ist auch die Vorhersage von meteoblue. Hier wird das zu erwartende Seeing direkt in Bogensekunden angegeben. In der Praxis trifft die Vorhersage jedoch nicht immer zu.

Seeing angeben / bewerten

Es gibt verschiedene Arten das Seeing während einer Beobachtungsnacht anzugeben. Zu nennen wären die Skalen von Antoniadi und Pickering. In beiden Fällen wird das Seeing anhand einer Skala bewertet. Nach Antoniadi nutzt man die römischen Ziffern von I bis V, wobei letzteres den besten Wert darstellt. Die Bewertung erfolgt direkt am Objekt, wobei die Skala selbsterklärend ist:

StufeBedeutung
VBild ohne geringste Unruhen.
IVLange (> 1 s) ruhige Phasen mit wenigen Unterbrechungen.
IIIMittelmäßiges Seeing, häufiges Wabern.
IIStändiges Wabern des Bildes.
ISelbst gröbste Einzelheiten nicht erkennbar.

Die Pickering-Skala leistet dasselbe, nur in feineren Schritten von 1 für sehr schlecht bis 10 für sehr gut. Die Bewertung des Seeings geschieht hier aber durch Beobachtung eines Sterns bei hoher Vergrößerung, sodass die Beugungsringe gut sichtbar werden. Für die genauere Bedeutung der Stufen empfehle ich einen Blick auf Wikipedia.
Solange die Bewertung allerdings rein visuell geschieht, halte ich die Antoniadi-Skala für angemessener, da die Einschätzung subjektiv und ungenau ist. Insbesondere hängt sie ohnehin auch vom verwendeten Teleskop ab. Ein Beobachter mit einem großen Teleskop wird eine schlechtere Meinung vom Seeing an seinem Standort haben, als jemand mit einem kleinen Teleskop – siehe weiter oben...

Die m.E. beste Methode das Seeing quantitativ zu bestimmen führt über die Fotografie von Sternen mit einer CCD-Kamera. Im Laufe von mehreren Sekunden Belichtungszeit oder mehr werden die Sterne durch das Seeing verschmiert. Die Breite der Verschmierung wird genutzt, um bei bekanntem Abbildungsmaßstab ("/Pixel) das Seeing in Bogensekunden anzugeben. Durch das Seeing werden die Beugungsbilder der Sterne gaußförmig verschmiert. Als Breite dient der Durchmesser auf halber Höhe des Profils (FWHM).


Viele CCD-Programme sind in der Lage Sternformen entsprechend auszuwerten (z.B. MaximDL). In Deutschland liegen die Seeing-Werte meistens um 2" FWHM. Da bereits ein 6-Zoll-Teleskop ein Auflösungsvermögen von etwa 0,8" besitzt wird klar, wie schwierig ist, solch ein Gerät in Deutschland bei Langzeitbelichtungen auszureizen. In der Regel ist dies nur bei den kurzen Belichtungszeiten der Planetenfotografie möglich. Zum Vergleich: die besten Standorte der Welt wie der Paranal in Chile können mit typischen Werten von 0,8" oder etwas besser aufwarten.

Transparenz
Dunst über Frankfurt.

Neben dem Seeing ist die Transparenz der zweite wichtige Faktor und betrifft die Klarheit der Luft. An ihren Bestandteilen kommt es nämlich auch zur Lichtstreuung. Je stärker die Streuung ist, desto heller wird der Himmel und der Kontrast zu Objekten verringert sich. Die Streuung hängt entscheidend vom aktuellen Zustand der Luft ab, genauer vom Gehalt an Staub und Wasserdampf.

Hohe Transparenz über New Mexico.
Eine geringe Luftfeuchtigkeit ist demnach vorteilhaft. Im Laufe einer längeren Phase mit gutem, trockenem Wetter beobachtet man jedoch oft eine über mehrere Tage schlechter werdende Transparenz, da der Staubgehalt ohne Regen langsam zunimmt. Folglich ist die Transparenz kurz nach einer vorüber gezogenen Regenfront relativ gut.
Es gibt weiterhin auch die Möglichkeit, mit der Wahl des Beobachtungsplatzes eine bessere Transparenz zu erwischen. Staub und auch Dunst konzentrieren sich in Tieflagen, weswegen die Beobachtung auf Bergen oft sehr lohnenswert ist.

Die Einschätzung der Transparenz kann anhand der visuellen Grenzgröße mit bloßem Auge erfolgen. An den besten Orten in Europa erreicht man um 7 mag, während in Innenstädte keine Sterne schwächer als 4 mag erkennbar sind. An und für sich ist die Angabe der Grenzmagnitude völlig ausreichend, aber der Vollständigkeit wegen sei hier noch die Bortle-Skala erwähnt, siehe Wikipedia für mehr Information.
Anmerkung: Die Verschlechterung der Grenzgröße durch Dunst und Staub ist natürlich nicht von der Verschlechterung durch Lichtverschmutzung trennbar, die im nächsten Abschnitt beschrieben wird.

Himmelshelligkeit & Lichtverschmutzung
Lichtverschmutzung in dunstiger Nacht.

Die Himmelshelligkeit ist natürlich entscheidend für die Beobachtung sehr lichtschwacher Objekte. Neben den natürlichen Störenfrieden, Dämmerung (v.a. im Sommer) und Mond, spielt hier natürlich die Beleuchtung in Städten eine Rolle, weswegen ein guter Beobachtungsplatz möglichst weit von größeren Städten entfernt liegt.
Weiterhin ist hier die Transparenz noch einmal wichtig, denn an Dunst und Staub wird auch das Licht der Städte gestreut. Bei schlechter Transparenz wirkt sich die Lichtverschmutzung daher umso dramatischer aus.

Für die Suche eines guten Beobachtungsplatzes empfehle ich einen Blick auf eine detaillierte Lichtemissionskarte (Lichtverschmutzungskarte), wie zum Beispiel diese hier: lightpollutionmap.info (auf VIIRS 2017 oder neuer schalten!).

Himmelshelligkeit messen

Die Qualität des Himmels lässt sich durch die Bestimmung der visuellen Grenzgröße mit bloßem Auge bestimmen, sieh dazu auch den Abschnitt zur Transparenz.
Es ist auch möglich, die Himmelshelligkeit zu messen und so mit anderen Nächten oder Orten zu vergleichen. Auch bei den teilweise sehr langen Pausen durch schlechtes Wetter fällt die Einordnung so leichter. Ich nutze dafür ein Sky Quality Meter (SQM-L).



[27.01.2018]