Sonnenfinsternis 2021: Der Mond vor der Sonne und andere Schattenspiele
Am Donnerstag hat sich die Sonne verdunkelt – ein wenig. Doch die kosmische Finsternisforschung hat weit mehr zu bieten. Einstein etwa machte sie zum Superstar.
Am Donnerstag war über Deutschland eine partielle Sonnenfinsternis zu sehen. Das Wetter spielte, außer ganz im Süden, meist mit.
Zu hoffen ist, dass niemand sich beim Versuch, sie ungeschützt zu beobachten, die Netzhaut verbrannt hat.
Wir haben Fachleuten zu solchen und anderen kosmischen Schattenereignissen ein paar Fragen gestellt. Sie konnten fast alle beantworten.
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Hat die jetzige Sonnenfinsternis etwas mit dem Supermond vor zwei Wochen zu tun?
Der Vollmond am 26. Mai war als großer „Supermond“ sichtbar. Er durchlief die erdnächsten Abschnitte seiner Ellipsenbahn. Überdies liegt die Bahn des Mondes um die Erde etwas schräg im Vergleich zur Bahn der Erde um die Sonne. Just am Tag des Supermondes, aber vollkommen unabhängig davon, durchkreuzte der Vollmond die Ebene der Umlaufbahn der Erde um die Sonne. Einen kurzen Moment lang befanden sich Sonne, Erde und Mond exakt auf einer Linie.
[Weitere Informationen zu den Eckdaten der Sonnenfinsternis am 10. Juni 2021 - und mit welcher Methode man das Ereignis indirekt beobachten kann, wenn man keine spezielle Schutzbrille hat, finden sie in diesem Beitrag]
Genau zwischen Sonne und Mond stehend stellt die Erde dann ihren Trabanten in den Schatten. Immerhin wird noch ein bisschen vornehmlich rötliches Sonnenlicht, das nahe an der Erde vorbei durch ihre Atmosphäre fliegt, durch die atmosphärische Lichtstreuung und Lichtbrechung auf den Mond gelenkt.
Bei einer „totalen Mondfinsternis“, wie diese Situation genannt wird, sehen wir deshalb den Mond dann tatsächlich noch schwach rötlich. Es sei allerdings bislang unmöglich, gut vorherzusagen, wie - zwischen dunkelrot und eher orange - der Mond bei einer Mondfinsternis aussehen werde, sagt die Astrophysikerin Carolin Liefke vom Heidelberger Max-Planck-Institut für Astronomie.
Einen entscheidenden Einfluss habe Vulkanasche in der Atmosphäre. Die „Totale Mondfinsternis“ des 26. Mai ereignete sich um unsere Mittagszeit herum. Die Sonne stand bei uns also hoch am Firmament. Der ihr im Himmel gegenüberstehende und von der Erde „verfinsterte“ Vollmond war also nur von der anderen Erdhälfte aus zu sehen. Rund zwei Wochen nach dem 26. Mai, am 10. Juni, hatte der Mond die Hälfte seiner Umlaufbahn durchlaufen. Er durchkreuzte also wieder die Ebene der Erdbahn. Erneut standen dabei Sonne, Erde und Mond exakt auf einer Linie. Doch dieses Mal befand sich der Mond zwischen Sonne und Erde. Das bedeutet: Sonnenfinsternis.
Warum wird die Sonne diesmal nicht komplett verdunkelt?
Zwei Wochen nach dem erdnahen Supermond durchläuft der Mond die erdfernsten Abschnitte seiner Ellipsenbahn. Er deckt deshalb weniger Himmelfläche ab, sieht kleiner aus. In dieser großen Entfernung kann er die Sonnenscheibe nicht vollständig verdecken. Wer an diesem Tag zur richtigen Zeit am richtigen Ort auf der Erdoberfläche stand, am Nordpol etwa, konnte ein eindrückliches Himmelsschauspiel erleben: Der vor der Sonne stehende Mond ließ rings um sie herum einen dünnen Ring der Sonnenscheibe sichtbar. Die Astronomen nennen es eine „Ringförmige Sonnenfinsternis“.
Ohne entsprechende Ausrüstung, also speziell verdunkelte Glasscheiben oder Brillen, ist der direkte Blick zur Sonne dann allerdings nicht nur gefährlich für die Netzhaut. Dem Auge bleibe das Schauspiel, sagt Liefke, dann auch bei riskantem Blick nach oben fast komplett verborgen, weil der verbleibende helle Ring den Schatten überstrahlen würde. In Deutschland gab es noch mehr Grund, die Augen zu schützen, denn der Mond verdeckte hier nur einen kleinen Teil der Sonnenscheibe. Von Berlin aus waren es maximal 13,5 Prozent.
Warum erscheinen Mond und Sonne so Finsternis-passgenau von der Erde aus etwa gleich groß?
„Es ist Zufall, dass unser Mond 4,5 Milliarden Jahre nach seiner Entstehung mit seinem Durchmesser von knapp 3500 Kilometern in Abständen zwischen 360.000 und 408.000 Kilometern die Erde umkreist und deshalb eben scheinbar den gleichen Durchmesser am Himmel hat wie die 150 Millionen Kilometer entfernte, mit einem Durchmesser von 1,4 Millionen Kilometern viel größere Sonne” sagt Ulrich Köhler, Planetengeologe am Deutschen Zentrum für Luft und Raumfahrt (DLR) in Berlin.
[Die Stiftung Planetarium Berlin plant gemeinsam mit der Gesellschaft Deutschsprachiger Planetarien einen Livestream mit Schaltungen zu verschiedenen Beobachtungsorten, Zusatzinformationen und Interviews - hier geht es zum Stream]
Der Durchmesser der Sonne ist rund 400mal größer als der Durchmesser des Mondes. Doch weil die Sonne etwa 400mal weiter entfernt ist als der Mond, sehen die Scheibchen von Sonne und Mond ungefähr gleich groß aus. „Beide Himmelskörper haben einen scheinbaren Durchmesser von etwa 0,52 Grad – je nach aktuellem Abstand des Mondes oder der Sonne”, sagt Köhler. Ist er in Erdnähe, kann der Mond die Sonne gerade so komplett verdecken. Diesmal dagegen – er ist fast maximal weit weg von der Erde - bleibt ein dünner Sonnenring sichtbar. Bei einer totalen Sonnenfinsternis lässt der Mond aber immerhin den Blick frei auf die leuchtende Gashülle der Sonne, die sogenannte Corona, sowie auf die Protuberanzen der Sonne, die von ihrer Oberfläche hochschießen. Bei der Erforschung der Sonne haben solche Finsternisse deshalb lange Zeit sehr geholfen.
Wie häufig sind Sonnenfinsternisse?
In jedem Jahr kann man von der Erde aus mindestens zwei und höchstens fünf – totale oder auch nur partielle - Sonnenfinsternisse beobachten. Die Regionen, von denen aus das möglich ist, verlaufen jedoch jeweils nur als schmale Streifen über die Erdoberfläche. Deshalb vergehen für einen Ort zwischen zwei aufeinander folgenden totalen Sonnenfinsternissen manchmal hunderte von Jahren. Wer von Deutschland aus noch einmal eine solche erleben will, sollte sich sehr gesund ernähren, viel Sport machen und Stress vermeiden. Denn erst am 3. September 2081 ist es wieder soweit – und auch nur, wenn das Wetter mitspielt.
Wie stark kühlt der Mondschatten die Erdoberfläche ab?
Von einem Objekt, das auch „Trabant“ heißt, sollte man keine Hilfe im Kampf gegen die Folgen des Klimawandels erwarten. Zwar kommt an einem Tag mit Sonnenfinsternis weniger erwärmende Strahlung auf der Erde an als an anderen Tagen, doch der globale Kühleffekt ist minimal, kaum zu messen und nur schwer zu berechnen. An Orten mit Totalität allerdings wird ein Temperaturabfall von im Mittel etwa neun Grad Celsius beobachtet, sagt Juan Cabrera vom DLR- Institut für Planetenforschung in Berlin. Sein Mitarbeiter Lee Grenfell ergänzt, diese Beobachtung bestätige, was sich mit einer Formel, in die etwa der mittlere Grad der Abdunkelung eingehe, errechnen lasse.
Allerdings beobachte man je nach örtlichen Gegebenheiten - etwa Bewölkung, Vegetation und Luftfeuchtigkeit - teilweise stark von diesem Mittelwert abweichende Temperaturdifferenzen. Weil in der Totalität der Energieeintrag tatsächlich auf nahe null Watt fällt, sinkt die Temperatur an Orten, wo wenig Wärme gespeichert und lokal zurückgehalten wird - etwa in einer sehr trockenen Wüste unter klarem Himmel - besonders stark. Auch bei partiellen Sonnenfinsternissen wie diesmal wird lokal eine Abkühlung gemessen.
Es wird auf der Erde immer wieder totale Sonnenfinsternisse geben, oder?
Der Abstand von der Erde zum Mond war früher viel kleiner als heute. Und er wachse weiter stetig, sagt DLR-Forscher Köhler. Pro Jahr komme “etwa eine Daumenlänge - oder 3,8 Zentimeter” hinzu. In ein paar hundert Millionen Jahren „werden wir keine totalen Sonnenfinsternisse mehr haben, sondern nur noch ringförmige, die auch immer mehr Rand lassen werden.” Jene 3,8 Zentimeter pro Jahr sind keine Schätzung oder reine Berechnung, sondern können über die Laufzeit von Laserstrahlen von der Erde zu Spiegeln auf dem Mond und wieder zurück exakt gemessen werden. Die Spiegel wurden sowohl von Apollo-Astronauten als auch von sowjetischen Mondsonden auf den Mond gebracht.
Wie sehen Sonnenfinsternisse anderswo im Sonnensystem aus?
Außer Merkur und Venus besitzen alle anderen Planeten Monde. Und wenn von einem Planeten aus gesehen einer seiner Monde vor der Sonne vorbeiwandert, ergibt sich eine Sonnenfinsternis. Allerdings sind die meisten Monde zu klein oder fliegen in zu großer Entfernung um ihren Planeten, um die Sonne bei einer „Finsternis“ vollständig bedecken zu können. „Auf dem Mars bedeckt der kleine 30 Kilometer große Mond Phobos nur einen ganz kleinen Teil der Sonnenscheibe, auch wenn er nur 6000 Kilometer über der Oberfläche kreist, “sagt Köhler. “Wir haben den Kernschatten von Phobos, wie er über den Mars rast, mal mit unserer Berliner Marskamera fotografiert”.
Die vier größten Monde des Jupiters dagegen sind so groß und umrunden ihren Planeten auf so engen Bahnen, dass sie die ferne und deswegen kleine Sonnenscheibe bei einer Sonnenfinsternis verdecken können. Die großen Schatten, die sie dabei jeweils auf die gasförmige Oberfläche des Jupiter werfen, kann man dann von der Erde aus auch mit Fernrohren erkennen. Tilmann Denk von der FU Berlin sagt, bei den Saturnmonden sei “alle 14 bis 15 Jahre Finsternis-Saison, bei Uranus alle 42 Jahre”. Bei Neptun stockt er: “Interessante Frage: Hat jemals schon jemand den Triton-Schatten auf Neptun beobachtet?” Dass die Finsternisse so selten sind, hat mit der Neigung der Ebene der Umlaufbahn etwa des Saturn zu tun. Groß genug für eine “totale” sind von den 62 Saturnmonden nur sieben.
Können statt Monden auch Planeten Sonnenfinsternisse auslösen?
Totale Sonnenfinsternisse, etwa auf den äußeren Planeten des Sonnensystems sind, ausgelöst selbst durch die größten Planeten wie etwa Saturn, unmöglich. Das sagt Tilman Denk, Weltraumtechnik-Ingenieur und Mitglied des Forschungsteams der Saturnsonde Cassini. Die Planeten seien schlicht “alle in jeder Konfiguration immer viel, viel, viel, viel, viel, viel, viel zu klein, als dass sie einen Vollschatten auf einen anderen Planeten werfen könnten.“ Partielle „Finsternisse“ allerdings gibt es. Von der Erde aus gesehen kommt es immer wieder vor, dass einer der beiden inneren Planeten des Sonnensystems, Merkur und Venus, auf seiner Umlaufbahn vor die Sonne gerät.
Mit Fernrohren kann man - wiederum nur mit geeigneter Ausrüstung - bei einem solchen „Transit“ beobachten, wie der Planet als schwarzes Pünktchen vor der Sonnenscheibe vorbeiwandert. Ein Venustransit im Jahr 1769 erlangte eine große Bedeutung in der Wissenschaftsgeschichte: In einem europäischen Gemeinschaftsprojekt waren Expeditionen über fast die ganze Erdkugel ausgeschwärmt, um das Ereignis von weit auseinanderliegenden Orten aus zu beobachten.
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Zu den Beobachtern zählte unter anderem James Cook, der den Venustransit während seiner ersten Weltumsegelung von Tahiti aus verfolgte. Aus der trigonometrischen Auswertung der Daten konnten die europäischen Wissenschaftler zum ersten Mal einigermaßen genau die Entfernung der Sonne berechnen. Gut, dass es geklappt hat, denn der nächste Venustransit kam erst 105 Jahre später. Ähnliche Berechnungen von Entfernungen und Umlaufbahnen, sagt Carolin Liefke, sind heute mit Asteroiden möglich, wenn sie Sterne verdunkeln. Unterschiede der Daten an verschiedenen Beobachtungspunkten erlaubten hier Rückschlüsse auf die Form der Himmelskörper.
Verursachen die Ringe der Ringplaneten auch Finsternisse?
Der Saturnexperte Tilmann Denk sagt, zumindest Sternenlicht könne der dichtere B-Ring des Saturns „komplett blocken“. Wissen er das nur, weil die Sonde Cassini es tatsächlich beobachtet hat. Durch den A-Ring dagegen, sagt Denk, “sah die Cassini-Sonde den Stern immer noch ein bisschen durchfunzeln, und auch das Funksignal etwa bei der Ankunft im Orbit kam teilweise durch den A-Ring durch, nicht jedoch durch den B-Ring.“
Ob auch die Sonne komplett „weg“ wäre, ist dagegen nicht bekannt. „Cassini konnte dies nie beobachten, weil die Kameras nicht in Richtung Sonne gedreht werden durften.“ Er könne sich dies aber „durchaus vorstellen“. Was Cassini aber durchaus gemessen hat, waren „Ionisierungs“-Schatten: Die Ringe blockten das ionisierende UV-Licht der Sonne. Aber es gibt auch gegenteilige Effekte: Sogar praktisch alle anderen Ringe – des Saturns, des Jupiters, des Uranus und des Neptuns „leuchten“, so Denk, aufgrund von Streueffekten “regelrecht auf, wenn sie unmittelbar neben der Sonne platziert sind.“
Gibt es „Sternfinsternisse“ durch Exoplaneten?
Während der vergangenen 25 Jahre wurden rund 4 000 extrasolare Planeten bei anderen Sternen entdeckt. Mehr als die Hälfte davon spürte das Weltraumteleskop „Kepler“ mit Hilfe von Stern-„Finsternissen“ auf: Wenn ein extrasolarer Planet von uns aus gesehen vor seinem Stern vorbeifliegt, verdeckt er dabei einen winzigen Teil. Dadurch sinkt die Helligkeit des Sterns zwar nur um einen winzigen Bruchteil. Trotzdem konnte das empfindliche Fotometer an Bord von „Kepler“ solche von Exoplaneten verursachten Minifinsternisse bei vielen Sternen nachweisen. Bei bereits entdeckten Exoplaneten sind solche Ereignisse weiterhin wichtig.
Anhand von dann registrierten Lichtspektren können Forscher, sagt Carolin Liefke, auf die Zusammensetzung einer möglichen Atmosphäre schließen. Dafür wichtig, gleichsam zur Kalibrierung, sind Beobachtungen in der Nähe der Erde. Etwa bei einem Venustransit lassen sich, weil man die Zusammensetzung der Atmosphäre dort gut kennt, gute Grundlagen gewinnen. Auch das veränderte Mondlicht von Mondfinsternissen ist dafür brauchbar, weil hier die Sonnenstrahlung durch die Erdatmosphäre muss. Eine durch den Mond ausgelöste Sonnenfinsternis wie die im Juni 2021 ist für derlei dagegen ziemlich ungeeignet – der fehlenden Mondatmosphäre wegen.
Beeinflusst die Aufreihung von Mond, Erde und Sonne die Gezeiten?
Bei einer Sonnenfinsternis stehen Mond und Sonne hintereinander in der gleichen Richtung am Himmel. Ihre Anziehungskräfte addieren sich also. Dies ist jedoch genauso der Fall, wenn ein „normaler“ Neumond knapp ober- oder unterhalb der Sonne vorbeizieht, ohne die Sonne zu verfinstern. Die Aufreihung und damit Addition der Gravitationskräfte bewirkt nur eine minimale Verstärkung der Tiden. Viel größer ist der Einfluss der lokalen Geographie auf die Höhe der Gezeiten. Sie erklärt auch, warum die Pegelunterscheide an verschiedenen Küsten der Ozeane so unterschiedlich sind. Dort wo sie sehr groß sind, werden aber auch die Zusatzeffekte der Aufreihung verstärkt, was etwa zu Springtiden beitragen kann.
Ist ein Vollmond wirklich ein Vollmond?
Wir meinen, dass etwa alle 29,5 Tage einmal Vollmond sei. Doch das stimmt nicht. Von der Erde aus ist ein Vollmond, zumindest ein normal beleuchteter Vollmond, tatsächlich genau genommen niemals zu beobachten. Denn die Sonnenstrahlen müssen an der Erde vorbei, um die Mondscheibe zu beleuchten. Und das geht nur, wenn Sonne, Erde und Mond nicht genau auf einer Linie stehen, sondern der „Voll“-Mond etwas oberhalb oder unterhalb der Linie Sonne-Erde steht.
Auch auf - vermeintlichen – Vollmondbildern lässt sich das erkennen, sagt Liefke. Schaue man sich solche Aufnahmen an, sehe man am Rand einzelne Krater von der Seite. „Dabei sind die hinteren Kraterränder beleuchtet, die vorderen hingegen werfen einen Schatten auf den dadurch dunklen Kraterboden und die Krater wirken dadurch plastisch.“ Würde die Sonne genau in unserem Rücken stehen, könne es aber keine Schatten geben „und alles was wir sehen, wäre beleuchtet“. Zumindest annähernd so in einer Linie, dass die Sonne dabei nicht auf diese Weise von ganz leicht seitlich kommt, stehen Sonne, Erde und Mond nur dann, wenn eben der Schatten der Erde komplett auf den Mond fällt - und eine totale Mondfinsternis auslöst.
Welches war die bedeutendste Sonnenfinsternis der Geschichte?
Während einer Totalen Sonnenfinsternis im Jahr 1919 bestimmten britische Wissenschaftler die Positionen einiger Sterne, die während der totalen Phase rings herum um die Sonne im dadurch dunklen Himmel sichtbar geworden waren. Ehe das Licht der fernen Sterne bei der Erde ankam, war es also nahe an der Sonne vorbeigekommen. Die starke Gravitation der Sonne hatte es, so zeigten es die Fotoplatten der Teams von Arthur Eddington und Andrew Crommelin, genauso abgelenkt, wie es Albert Einstein in seiner Allgemeinen Relativitätstheorie vorhergesagt hatte. Diese Bestätigung machte Einstein mit einem Schlag weltberühmt.