Sonnenfinsternis: Ursachen, Verlauf, Beobachtung und wissenschaftliche Bedeutung

Sonnenfinsternis: Ursachen, Verlauf, Beobachtung und wissenschaftliche Bedeutung

 

Was ist so besonders an einer Sonnenfinsternis? Warum gab es am 11. 8. 1999 in Süddeutschland den vermutlich längsten Verkehrsstau in der Geschichte der Bundesrepublik Deutschland? Die einfachste Antwort lautet: »Wer so eine Finsternis beobachtet hat, wird dieses Erlebnis nie mehr vergessen« — doch was liegt dieser so vielfach empfundenen Faszination eigentlich zugrunde? Um dies zu klären, lohnt es sich, die Sonne selbst und das Zustandekommen und den Ablauf ihrer Verfinsterung zu betrachten. Ein Blick in die historische und astronomische Vergangenheit zeigt zudem, dass totale Finsternisse sogar kosmisch gesehen etwas wirklich Besonderes sind!

 

 Die Sonne

 

Der Zentralstern unseres Planetensystems, die Sonne, hat einen Durchmesser von 1,4 Millionen Kilometern (etwas mehr als das Dreieinhalbfache der Strecke Erde —Mond). Sie besteht im Wesentlichen aus außerordentlich heißen Gasen, Elektronen und Atomkernen. Im Innern der Sonne werden Atomkerne miteinander verschmolzen, ähnlich wie bei der Explosion einer Wasserstoffbombe. Dabei werden gewaltige Energien freigesetzt und es entstehen Temperaturen von mehreren Millionen Grad; selbst in den äußeren Schichten am Sonnenrand ist es noch 5 700 Grad Celsius heiß. Da die Sonne gasförmig ist, ist ihr »Rand« keine feste Oberfläche wie bei Erde oder Mond, sondern eine gelblich leuchtende Gasschicht, Photosphäre genannt. Dieser Gasschicht verdanken wir unser Sonnenlicht. Aber auch jenseits der Photosphäre ist die Sonne noch nicht »zu Ende«: Heiße Gaswolken erstrecken sich in der Chromosphäre und der Korona in den Weltraum, manchmal schießen Protuberanzen noch weit darüber hinaus. Protuberanzen sind gewaltige Eruptionen heißen Gases, welches entlang der verschlungenen Feldlinien des Sonnenmagnetfeldes wieder auf die Sonne zurückfällt. Auch Korona und Protuberanzen leuchten, doch werden sie von der viel helleren Photosphäre überstrahlt. Nur wenn diese verdeckt wird, können wir die Strahlen der Korona sehen — und genau dies ist bei einer Sonnenfinsternis der Fall.

 

 Was ist eine Sonnenfinsternis?

 

Eine Sonnenfinsternis oder Eklipse (von griechisch ekleípein: verschwinden) ist die Verdeckung der leuchtenden, von der Photosphäre gebildeten Sonnenscheibe am Himmel durch den Mond. Dass der Mond, von der Erde aus betrachtet, fast genauso groß erscheint wie die Sonnenscheibe, ist reiner Zufall: Die Sonne hat einen 400-mal größeren Radius als der Mond, ist aber auch 400-mal weiter von der Erde entfernt. Wenn bei Neumond der Mond genau zwischen Erde und Sonne steht, kann er daher die strahlende Photosphäre überdecken, nicht jedoch die deutlich größere Korona, die somit während der Verfinsterung sichtbar wird.

 

Warum aber ist nicht jeden Monat bei Neumond eine Sonnenfinsternis? Das liegt daran, dass die Mondbahn gegen die Erdbahn räumlich geneigt ist: Dies bedeutet, dass der Mond am Himmel mal oberhalb und mal unterhalb an der Sonne vorbeizieht — nur wenn die scheinbare Bahn des Mondes am Himmel die der Sonne gerade zu Neumond kreuzt, kommt es zu einer Sonnenfinsternis. Dies geschieht meist ein- bis zweimal im Jahr. Das bedeutet aber nicht, dass man genauso oft an jedem Punkt der Erdoberfläche eine Sonnenfinsternis beobachten kann. Denn der Mondschatten wandert bei jeder Finsternis über ein anderes Gebiet der Erde — je nachdem, wie Mond- und Erdbahn gerade zueinander orientiert sind und auf welchen Kontinenten während der Finsternis gerade Tag ist. Aber auch damit ist es noch nicht genug: Weil die Sonne vom Mond nur so gerade eben verdeckt wird, ist der Bereich auf der Erdoberfläche, der vom Kernschatten des Mondes (also dem Bereich, in dem die Sonne vollständig verdeckt erscheint) getroffen wird, nur maximal 270 Kilometer breit, manchmal keine 100 Kilometer. Der Mond verhält sich wie ein winziger Sonnenschirm, der nur einem kleinen Fleckchen auf dem »Bauch« der Erde Schatten spendet! Dieser Schattenfleck rast mit gut 2 000 Kilometern pro Stunde über die Erde, und zwar immer aus einer westlichen Richtung (beispielsweise Nordnordwest) nach Osten (z. B. Südsüdost) — abhängig davon, wie Mond- und Erdbahn gerade zueinander stehen. Die hohe Geschwindigkeit ergibt sich aus der Kombination der Mondbewegung um die Erde und der Drehung der Erde um sich selbst. Dadurch entsteht ein mehrere Tausend Kilometer langer Kernschattenstreifen. Nur dort kann die totale Sonnenfinsternis beobachtet werden, an einem bestimmten Ort innerhalb des Streifens aber immer nur für jeweils einige Minuten.

 

Partiell, ringförmig oder total?

 

Alles, was bisher über Sonnenfinsternisse gesagt wurde, galt für totale Finsternisse, bei denen die gesamte leuchtende Sonnenscheibe bedeckt ist. Häufiger bedeckt der Mond aber nur einen Teil der Sonne, das nennt man eine partielle Sonnenfinsternis. Ursache ist, dass einerseits jede totale Sonnenfinsternis außerhalb der Kernschattenzone in einem immerhin gut 3 000 Kilometer breiten Streifen noch als partielle Verfinsterung zu sehen ist (beispielsweise am 11. 8. 1999 in Norddeutschland, aber auch noch in Skandinavien, Nord- und Ostafrika und sogar in Westchina). Dieser Streifen ist der vom Halbschatten des Mondes überstrichene Bereich der Erdoberfläche. Andererseits sieht man auch dann eine partielle Sonnenfinsternis, wenn der Kernschatten des Mondes die Erde überhaupt nicht trifft, sie aber vom Halbschatten noch erreicht wird. Eine Sonderstellung nehmen schließlich ringförmige Sonnenfinsternisse ein: Dabei trifft zwar der Kernschatten des Mondes die Erde, der Mond erscheint aber am Himmel zu klein, um die Sonne ganz abzudecken. Wie kann es dazu kommen? Die Ursache hierfür liegt in einer weiteren Eigenart der Mondbahn: Sie ist nicht kreisrund, sondern elliptisch, daher schwankt die Entfernung Erde —Mond innerhalb eines Monats zwischen rund 350 000 und 400 000 Kilometern. Ebenso variiert im Laufe eines Jahres auch der Abstand der Erde von der Sonne (zwischen etwa 147 000 und 152 000 Kilometern); beides zusammen bewirkt, dass die scheinbaren Größen von Sonne und Mond am Himmel periodisch schwanken. Und nur, wenn bei einer Finsternis die Mondscheibe gerade größer als die Sonnenscheibe ist, ist die Verfinsterung total, andernfalls ist sie ringförmig.

 

 Der Ablauf einer totalen Sonnenfinsternis und was es zu beobachten gibt

 

Eine Sonnenfinsternis beginnt mit dem ersten Kontakt. Dies ist der Moment, in dem der Beobachtungsort in den Halbschatten der Sonne eintritt; die Mondscheibe erscheint am Rand der Sonne. Man kann den ersten Kontakt nur bemerken, wenn man zum richtigen Zeitpunkt mit der richtigen Ausrüstung (Filter und Folien) die Sonne direkt beobachtet — die Helligkeit der Sonne bleibt davon zunächst völlig unbeeinflusst. Langsam schiebt sich danach der Mond immer weiter vor die Sonne, die immer sichelförmiger erscheint, bis schließlich beim zweiten Kontakt die Sonne völlig verdeckt wird und die totale Phase der Finsternis beginnt. Während zwischen erstem und zweitem Kontakt eineinhalb Stunden vergehen, währt die totale Phase nur einige Minuten; bei optimalen Bedingungen sind es 7 Minuten und 31 Sekunden. Am 11. 8. 1999 betrug die weltweit längste Dauer der Totalitätsphase 2 Minuten und 23 Sekunden (nahe Bukarest, Rumänien); in Deutschland währte die totale Verfinsterung etwa 17 Sekunden. Den Abschluss der totalen Phase bildet der dritte Kontakt, bei dem erstmals wieder ein Strahl des photosphärischen Sonnenlichts sichtbar wird. Danach gibt der Mond die Sonne wieder langsam frei und verlässt sie schließlich beim vierten Kontakt ganz.

 

Die schwarze Sonne

 

Was gibt es nun bei einer Sonnenfinsternis zwischen erstem und viertem Kontakt zu sehen? Am auffälligsten ist die schlagartige Verfinsterung bei Eintritt des Beobachtungspunkts in den Kernschatten, also beim zweiten Kontakt. Der Himmel wird dunkel wie in einer Vollmondnacht, helle Sterne und Planeten werden sichtbar. Gleichzeitig ist der Horizont von einer schwachen Helligkeit erfüllt, die vom Rand der Kernschattenzone herrührt. Die schwarze Sonnenscheibe ist vom Strahlenkranz der Korona umgeben, mit etwas Glück bricht während der Finsternis eine Protuberanz aus. Während der totalen Phase ist es deutlich kühler (bis zu fünf Grad Celsius), damit einher geht der Finsterniswind. Denn das Temperaturgefälle zwischen Kernschatten und Halbschatten bewirkt ein Luftdruckgefälle, zu dessen Ausgleich eine Luftströmung, also Wind, entsteht. Mit der plötzlichen Dunkelheit und dem Wetterumschwung gehen oft weitere Veränderungen in der belebten Natur einher: Manche Tiere suchen ihren Bau auf, Vögel verstummen, Blumenkelche schließen sich. Allerdings ist es sehr schwer, hierüber wissenschaftlich fundierte Aussagen zu erhalten: Man kann diese Erscheinungen ja nur jeweils für wenige Minuten untersuchen. Bei Experimenten am 11. 8. 1999 konnte nur bei wenigen Blumen und Tieren eine eindeutige Reaktion beobachtet werden. Die Tiere in der Stuttgarter Wilhelma (dem Stuttgarter Zoo) interessierten sich dagegen offenbar mehr für die sie anstarrenden Besuchermassen als für die plötzliche Dunkelheit. Optimale Beobachtungsmöglichkeiten bestehen in freier Natur, nicht in der Stadt.

 

Perlen, Diamanten und fliegende Schatten: weitere Highlights einer Finsternis

 

Ein bis zwei Minuten vor und nach der Totalität lassen sich bei klarem Wetter und ohne künstliches Licht aus der Umgebung die fliegenden Schatten beobachten: wabernde Schattenmuster, die von Turbulenzen in der oberen Atmosphäre hervorgerufen werden (ähnlich den Mustern am Boden eines Schwimmbeckens). Von einer Bergkuppe oder einem Flugzeug aus kann man ein ganz besonderes Schauspiel beobachten: 10 bis 20 Sekunden vor der Totalität sieht man eine finstere Wand heranfliegen. Dies ist der Rand des mit 2 000 Kilometer pro Stunde oder mehr über die Erde rasenden Kernschattens; manche Menschen halten dies für den eindrücklichsten Moment der ganzen Finsternis. Wichtig ist, dass man vor der Totalität nach Westen blickt (nach der Totalität rast der Schatten Richtung Osten davon).

 

Spektakulär sind auch der Perlschnur- und der Diamantringeffekt; sie beruhen auf der Tatsache, dass der Mond keine perfekte Kugel ist, sondern wie die Erde Berge und Täler besitzt. Dies führt dazu, dass wenige Sekunden vor und nach der Totalität die Gipfel der Mondberge bereits den Sonnenrand verdecken, die Mondtäler jedoch noch oder bereits wieder Sonnenlicht durchlassen. Die Sonne scheint von einer Schnur aus leuchtenden Perlen umgeben — dieser Perlschnureffekt wurde zuerst von dem britischen Astronomen und Börsenmakler Sir Francis Baily (1774—1844) beschrieben. Wenn das Sonnenlicht nur noch oder erneut durch einen einzigen Krater scheint, blitzt ein gleißend heller Strahl am Sonnenrand auf. Dieser Diamantringeffekt ist vor allem am Ende der totalen Verfinsterung beeindruckend.

 

 Folien und Filter: Wie beobachtet man eine Sonnenfinsternis?

 

Die wichtigste Regel zur Finsternisbeobachtung, die nicht oft genug wiederholt werden kann, ist: niemals ungeschützt in die sich verfinsternde Sonne blicken! Nur während der Totalität darf man ohne Schutzbrille die Sonne betrachten. Noch gefährlicher als der ungeschützte Blick in die Sonne ist es, die Sonne durch ein unzureichend präpariertes optisches Gerät (Fotoapparat, Feldstecher, Fernrohr) zu beobachten (dies gilt immer, nicht nur während einer Finsternis). In solchen Geräten verwendbare astronomische Sonnenfilter müssen übrigens nicht nur extrem lichtundurchlässig sein (sie lassen höchstens 0,01% des einfallenden Lichts passieren), sondern auch sehr wärmebeständig, da durch die fokussierende Wirkung der Linsen eine enorme Hitze am Filter entsteht. Wer häufig die Sonne beobachten will, sollte sich für sein Fernrohr besser ein spezielles Sonnenokular zulegen. Wesentlich sicherer ist es, das vom Fernrohr erzeugte Bild auf einen Schirm zu projizieren; solche Sonnenprojektionsschirme sind im Fachhandel erhältlich. Eine andere Möglichkeit ist die Camera obscura: eine Papp- oder Holzbox mit Lochblende, wie schon im Altertum bekannt.

 

 Die »Jahrhundertfinsternis« vom 11. 8. 1999

 

Die totale Sonnenfinsternis vom 11. 8. 1999, bei welcher der Kernschatten der Sonne Deutschland etwa in einer Linie Saarbrücken —Karlsruhe —Stuttgart —Augsburg —München —Salzburg überquerte, war sicherlich eines der herausragendsten Ereignisse des Jahres. Sie war seit 1887 die erste totale Sonnenfinsternis in Deutschland, erst am 3. 9. 2081 wird es wieder eine in der Schweiz, am 7. 10. 2135 eine in Norddeutschland geben. Der Ausdruck »Jahrhundertfinsternis« ist allerdings, global gesehen, doch etwas übertrieben: Immerhin werden in den nächsten 20 Jahren zehn totale Sonnenfinsternisse in Amerika, Afrika, Asien oder Australien zu sehen sein. Die nächste totale Finsternis kann man bereits am 21. 6. 2001 im südlichen Afrika erleben. Die Bilanz der Finsternis vom 11. 8. war in Deutschland etwas ernüchternd: Vielerorts versperrten Wolken und Regen die Sicht, nur in wenigen Orten wie beispielsweise Karlsruhe gab es freie Sicht auf das Naturschauspiel.

 

 Die alten Griechen und Kolumbus — was lernen wir aus historischen Finsternissen?

 

Die Vorausberechenbarkeit von Sonnen- und Mondfinsternissen war schon im Altertum bekannt. Es gibt verschiedene Legenden, nach denen griechische Heerführer Schlachten auf den Zeitpunkt einer Verfinsterung legten, um Überraschung und Schrecken der astronomisch ungebildeten Feinde auszunutzen. Ebenso soll Christoph Kolumbus auf seiner vierten Reise am 1. 3. 1504 in Jamaika einen Indianerstamm mit einer von ihm vermeintlich »herbeigezauberten« Mondfinsternis so beeindruckt haben, dass diese sich ihm anschließend bedingungslos unterworfen haben. Berichte von Finsternissen tauchen in jahrtausendealten Schriftzeugnissen, beispielsweise aus China, Babylon, Altägypten, dem klassischen Griechenland oder dem mittelalterlichen Arabien auf. Bei diesen fällt auf, dass die angegebenen Zeitpunkte der Finsternisse zwar exakt (bis auf 15 Minuten!) mit heutigen Berechnungen übereinstimmen, jedoch an den angegebenen Orten nicht hätten beobachtet werden können. Stattdessen berechnete man Finsternisse für Orte, die um etwa ein Viertel des Erdumfangs entfernt lagen. Die Erklärung ist, dass sich die Erdrotation unmerklich, um etwa eine tausendstel Sekunde pro Jahrhundert, verlangsamt. Aufgrund der früher schnelleren Erdrotation lagen daher die erwähnten Orte im Kernschatten: Die Erde hatte sich weiter gedreht als zunächst berechnet. Bei Berücksichtigung dieses Effekts können die gefundenen Angaben bestätigt werden. Solche Quellen bieten die genaueste und oft einzige Möglichkeit, Schwankungen in der Zunahme der Tageslänge in den letzten 3 000 Jahren nachzuweisen.

 

 Ist eine Sonnenfinsternis heute noch für die Wissenschaft interessant?

 

Man sollte meinen, dass die Astronomie im Zeitalter von Computern und Raumfahrt nicht mehr auf eine Sonnenfinsternis angewiesen ist, um die äußeren Randbereiche der Sonne, wie die Korona, zu erforschen. Dies gilt aber nur bedingt, denn auch mit modernen Geräten, die durch künstliche Abschattungen und digitale Bildverarbeitung das Licht der Photosphäre von dem der Korona trennen, kann man nur die inneren Bereiche der Korona untersuchen. Die extrem lichtschwachen Randpartien können dagegen von der Erde aus immer noch am besten bei einer totalen Finsternis erforscht werden. Und die überaus hohen Temperaturen und bestimmte wellenförmige Strukturen in diesen Bereichen sind immer noch nicht wirklich verstanden — es besteht also noch Bedarf an der wissenschaftlichen Auswertung totaler Sonnenfinsternisse. Übrigens wurde auch Albert Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie erstmals anhand einer totalen Sonnenfinsternis bestätigt (im Jahre 1919); auch heute werden hierzu Präzisionsmessungen während totaler Sonnenfinsternisse durchgeführt.

 

 Sonnenfinsternisse — auch im kosmischen Maßstab etwas Besonderes

 

Natürlich ist eine totale Sonnenfinsternis für jeden, der sie beobachtet, ein besonderes und oft auch einmaliges Erlebnis. Aber wie sieht es im kosmischen Maßstab aus? Tatsächlich ist die Erde der einzige Punkt in unserem Sonnensystem, an dem eine totale Verfinsterung der Sonnenphotosphäre mit gleichzeitiger Sicht auf die äußeren Bereiche der Sonne möglich ist. Kein Planet hat einen Mond, bei dem Abstands- und Größenverhältnis zur Sonne auch nur annähernd so gut übereinstimmen. Und nicht nur das: Da sich Erde und Mond im Laufe der Jahrmillionen und -milliarden langsam immer weiter voneinander entfernen, gilt diese Übereinstimmung auch erst seit ein paar Millionen Jahren und wird nur noch wenige Millionen Jahre andauern. Verglichen mit dem Alter von Erde und Mond von vier bis fünf Milliarden Jahren ist dies nicht viel! Das bedeutet: Selbst wenn es im Weltall noch unzählige weitere Planetensysteme gibt, so wird nur ein kleiner Teil von ihnen einen Planeten wie die Erde haben, ein noch viel kleinerer Teil davon wird einen Mond der richtigen Größe besitzen — und von diesen befindet sich wohl nur ein kleiner Bruchteil gerade in der Phase des richtigen Abstandes zwischen Planet, Mond und Zentralgestirn! Unsere totale Sonnenfinsternis ist also wirklich ein Ereignis von kosmischer Einzigartigkeit.

 

Sonne. Der Stern in unserer Nähe.

 

Literatur:

 

Das Kosmos-Himmelsjahr. Sonne, Mond und Sterne im Jahreslauf. Stuttgart 1993 ff.; erscheint jährlich.

 

Die Sonne. Der Stern von dem wir leben. Spezial: Sonnenfinsternis 1999, Beiträge von Monika Budziat u. a. Stuttgart 1998; CD-ROM und Begleitheft.

 Marcus Chown:Der Schatten des Mondes bringt es an den Tag, in: Spektrum der Wissenschaft, Heft 8. Heidelberg 1999.

 Pierre Guillermier und Serge Koutchmy: Wenn der Tag zur Nacht wird, in: Spektrum der Wissenschaft, Heft 8. Heidelberg 1999.

 Rudolf Kippenhahn und Wolfram Knapp: Schwarze Sonne, roter Mond. Die Jahrhundertfinsternis. Stuttgart 1999; mit CD-ROM.