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Luftmasse Astronomie Die Luftmasse englisch Air mass kurz AM ist in der Astronomie ein relatives Maß für die Länge des W

Luftmasse (Astronomie)

Die Luftmasse (englisch Air mass, kurz AM) ist in der Astronomie ein relatives Maß für die Länge des Weges, den das Licht eines Himmelskörpers durch die Erdatmosphäre bis zum Erdboden bzw. zur beobachtenden Sternwarte zurücklegt. Dieser Lichtweg beeinflusst die Streuung und Absorption des Sternenlichts und auch seine spektrale Zusammensetzung.

In der Meteorologie wird der Begriff Luftmasse davon abweichend zur Beschreibung homogener Großräume der Troposphäre verwendet.

Geometrie Bearbeiten

Die Luftmasse ist definiert als Verhältnis der jeweiligen Weglänge bezogen auf die minimale Länge bei senkrechtem Lichteinfall:

Bei einem Zenitwinkel ζ von 0 fällt das Licht senkrecht auf die Erdoberfläche, und der Weg durch die Atmosphäre ist am kürzesten; das Licht passiert genau eine Luftmasse:

Luftmasse in Abhängigkeit vom Zenitwinkel

Zur Abschätzung der winkelabhängigen Luftmasse rechnet man mit einer Atmosphäre konstanter Dichte; für die Erde hat diese Ersatz-Atmosphäre eine Schichtdicke (Skalenhöhe) von H = 8,5 km. Dann ist mit dem Erdradius R:

Für Zenitwinkel ζ < 60° gilt die Näherung:

mit sec für den Sekans.

Abkürzungen:

  • AM0: Strahlung ohne Schwächung durch Atmosphäre, d. h. ohne Luft im Lichtweg
  • AM1: Senkrechter Einfall auf die Erdoberfläche
  • AM1,5: Einfallswinkel 48° bezogen auf die Senkrechte.

Bei 60° Zenitwinkel durchquert das Licht 2 AM, bei 80° fast 6 AM, bei 90° verlängert sich der Weg geometrisch auf fast 40 AM.

Definiert man die Luftmasse alternativ über den Höhenwinkel (Winkel der einfallenden Strahlung zur Horizontalen am Beobachtungsort), so ergibt sich für Höhenwinkel > 30°:

mit csc für den Kosekans.

Auswirkungen Bearbeiten

Die Luftmasse ist in der beobachtenden Astronomie ein Maß für die Wirkung des Zenitwinkels und erlaubt eine schnelle Einschätzung der erzielbaren Beobachtungsqualität: bei Luftmassen größer als zwei wird im Allgemeinen nur selten beobachtet; die meisten Großteleskope haben Sicherheitsschaltungen, die Beobachtungen bei Werten über 2,5 bis 3 verhindern. Hierbei spielt die Abschwächung (Extinktion) des Lichtes eine geringere Rolle als die zunehmende Atmosphärische Dispersion zwischen blauem und rotem Licht: in Horizontnähe wird ein weißer Stern zu einem Farbfleck, der oben blau und unten rot ist.

Mit der Luftmasse nimmt auch die Luftunruhe merklich zu – sowohl die Helligkeitsschwankung (Szintillation) als auch die Bildschärfe (Seeing). Bei Zenitwinkeln über 80° (d. h. bei Höhenwinkeln unter 10°) verlängert die Astronomische Refraktion den optischen Weg zusätzlich, weil der Lichtstrahl in der Atmosphäre stärker gekrümmt ist.

Weiter erfolgt eine geringe Rötung des Sternenlichts, wenn die Luft viel Aerosol enthält: an den Staubteilchen wird blaues Licht stärker gestreut als rotes – eine dem Abendrot ähnliche Wirkung.

Solarphysik Bearbeiten

Das Spektrum der Solarstrahlung ist abhängig von der Weglänge, die das Lichts durch die Atmosphäre überwinden muss. Den Längenmaßen sind entsprechende Spektren und Strahlungsleistungen zugeordnet. Ein schrägerer Einfall des Sonnenlichts bedeutet eine Abschwächung der Strahlungsleistung und eine Änderung des Spektrums. Vor allem die kurzwelligen Strahlen (UV und blau) werden zunehmend gestreut und absorbiert.

Für vergleichende Messungen wurden verschiedene Spektren und Strahlungsleistungen definiert:

  • AM = 0 ist definiert als das Spektrum außerhalb der Atmosphäre (extraterrestrisches Spektrum) im Weltraum, die Strahlungsleistung beträgt dort 1361 W/m2 (Solarkonstante).
  • AM = 1 ist das Spektrum der senkrecht auf die Erdoberfläche fallenden Sonnenstrahlen, d. h. die Sonne muss dafür genau im Zenit stehen; die Strahlen legen dann den kürzesten Weg auf die Erdoberfläche zurück.
  • Für AM = 1,5 ergibt sich ein Zenitwinkel von etwa 48,2°. Bei diesem Spektrum beträgt die globale Bestrahlungsstärke 1000 W/m²; aus diesem Grunde wurde AM = 1,5 als Standardwert für die Vermessung von Solarmodulen eingeführt (Photovoltaik). Das Spektrum AM = 1,5 ist in der Norm IEC 904-3 (1989) Teil III festgehalten. Geht man von einer typischen Sonnenscheindauer von 1000 Sonnenstunden pro Jahr aus, beträgt die mittlere Bestrahlungsstärke in Deutschland 115 W/m².

Für Berlin beträgt zur Wintersonnenwende mittags der Zenitwinkel 76°; und damit gilt hier AM = 4,13. Für die Sommersonnenwende und bei Sonnenhöchststand beträgt der Zenitwinkel ca. 29°, das entspricht AM = 1,14.

Quellen Bearbeiten

  1. NASA Earth Fact Sheet, Angabe "Scale height" im Abschnitt "Terrestrial Atmosphere"
  2. [1] NREL: Das AM1,5 Spektrum zum Download
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Die Luftmasse englisch Air mass kurz AM ist in der Astronomie ein relatives Mass fur die Lange des Weges den das Licht eines Himmelskorpers durch die Erdatmosphare bis zum Erdboden bzw zur beobachtenden Sternwarte zurucklegt Dieser Lichtweg beeinflusst die Streuung und Absorption des Sternenlichts und auch seine spektrale Zusammensetzung In der Meteorologie wird der Begriff Luftmasse davon abweichend zur Beschreibung homogener Grossraume der Troposphare verwendet Inhaltsverzeichnis 1 Geometrie 2 Auswirkungen 3 Solarphysik 4 QuellenGeometrie BearbeitenDie Luftmasse ist definiert als Verhaltnis der jeweiligen Weglange l displaystyle l nbsp bezogen auf die minimale Lange l 0 displaystyle l 0 nbsp bei senkrechtem Lichteinfall A M l l 0 1 displaystyle mathrm AM frac l l 0 geq 1 nbsp Bei einem Zenitwinkel z von 0 fallt das Licht senkrecht auf die Erdoberflache und der Weg durch die Atmosphare ist am kurzesten das Licht passiert genau eine Luftmasse l l 0 A M 1 displaystyle l l 0 Rightarrow mathrm AM 1 nbsp nbsp Luftmasse in Abhangigkeit vom ZenitwinkelZur Abschatzung der winkelabhangigen Luftmasse rechnet man mit einer Atmosphare konstanter Dichte fur die Erde hat diese Ersatz Atmosphare eine Schichtdicke Skalenhohe von H 8 5 km 1 Dann ist mit dem Erdradius R A M z R H 2 R sin z 2 R cos z H displaystyle mathrm AM zeta frac sqrt R H 2 R cdot sin zeta 2 R cdot cos zeta H nbsp Fur Zenitwinkel z lt 60 gilt die Naherung A M z lt 60 1 cos z sec z displaystyle mathrm AM zeta lt 60 circ approx frac 1 cos zeta sec zeta nbsp mit sec fur den Sekans Abkurzungen AM0 Strahlung ohne Schwachung durch Atmosphare d h ohne Luft im Lichtweg AM1 Senkrechter Einfall auf die Erdoberflache AM1 5 Einfallswinkel 48 bezogen auf die Senkrechte 2 Bei 60 Zenitwinkel durchquert das Licht 2 AM bei 80 fast 6 AM bei 90 verlangert sich der Weg geometrisch auf fast 40 AM Definiert man die Luftmasse alternativ uber den Hohenwinkel h 90 z displaystyle h 90 circ zeta nbsp Winkel der einfallenden Strahlung zur Horizontalen am Beobachtungsort so ergibt sich fur Hohenwinkel gt 30 A M h gt 30 1 sin h csc h displaystyle Leftrightarrow mathrm AM h gt 30 circ approx frac 1 sin h csc h nbsp mit csc fur den Kosekans Auswirkungen BearbeitenDie Luftmasse ist in der beobachtenden Astronomie ein Mass fur die Wirkung des Zenitwinkels und erlaubt eine schnelle Einschatzung der erzielbaren Beobachtungsqualitat bei Luftmassen grosser als zwei wird im Allgemeinen nur selten beobachtet die meisten Grossteleskope haben Sicherheitsschaltungen die Beobachtungen bei Werten uber 2 5 bis 3 verhindern Hierbei spielt die Abschwachung Extinktion des Lichtes eine geringere Rolle als die zunehmende Atmospharische Dispersion zwischen blauem und rotem Licht in Horizontnahe wird ein weisser Stern zu einem Farbfleck der oben blau und unten rot ist Mit der Luftmasse nimmt auch die Luftunruhe merklich zu sowohl die Helligkeitsschwankung Szintillation als auch die Bildscharfe Seeing Bei Zenitwinkeln uber 80 d h bei Hohenwinkeln unter 10 verlangert die Astronomische Refraktion den optischen Weg zusatzlich weil der Lichtstrahl in der Atmosphare starker gekrummt ist Weiter erfolgt eine geringe Rotung des Sternenlichts wenn die Luft viel Aerosol enthalt an den Staubteilchen wird blaues Licht starker gestreut als rotes eine dem Abendrot ahnliche Wirkung Solarphysik BearbeitenDas Spektrum der Solarstrahlung ist abhangig von der Weglange die das Lichts durch die Atmosphare uberwinden muss Den Langenmassen sind entsprechende Spektren und Strahlungsleistungen zugeordnet Ein schragerer Einfall des Sonnenlichts bedeutet eine Abschwachung der Strahlungsleistung und eine Anderung des Spektrums Vor allem die kurzwelligen Strahlen UV und blau werden zunehmend gestreut und absorbiert Fur vergleichende Messungen wurden verschiedene Spektren und Strahlungsleistungen definiert AM 0 ist definiert als das Spektrum ausserhalb der Atmosphare extraterrestrisches Spektrum im Weltraum die Strahlungsleistung betragt dort 1361 W m2 Solarkonstante AM 1 ist das Spektrum der senkrecht auf die Erdoberflache fallenden Sonnenstrahlen d h die Sonne muss dafur genau im Zenit stehen die Strahlen legen dann den kurzesten Weg auf die Erdoberflache zuruck Fur AM 1 5 ergibt sich ein Zenitwinkel von etwa 48 2 Bei diesem Spektrum betragt die globale Bestrahlungsstarke 1000 W m aus diesem Grunde wurde AM 1 5 als Standardwert fur die Vermessung von Solarmodulen eingefuhrt Photovoltaik Das Spektrum AM 1 5 ist in der Norm IEC 904 3 1989 Teil III festgehalten Geht man von einer typischen Sonnenscheindauer von 1000 Sonnenstunden pro Jahr aus betragt die mittlere Bestrahlungsstarke in Deutschland 115 W m Fur Berlin betragt zur Wintersonnenwende mittags der Zenitwinkel 76 und damit gilt hier AM 4 13 Fur die Sommersonnenwende und bei Sonnenhochststand betragt der Zenitwinkel ca 29 das entspricht AM 1 14 Quellen Bearbeiten NASA Earth Fact Sheet Angabe Scale height im Abschnitt Terrestrial Atmosphere 1 NREL Das AM1 5 Spektrum zum Download Abgerufen von https de wikipedia org w index php title Luftmasse Astronomie amp oldid 235531485