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Die Erfassung des Sonnenscheins

Die beiden Hochdruckgebiete NORBERT und ONNI sorgten in den letzten Tagen bundesweit für ausgiebigen Sonnenschein und sommerliche Temperaturen. An den Wetterstationen des Deutschen Wetterdienstes wurde häufig die maximal erreichbare tägliche Sonnenscheindauer aufgezeichnet. Die Sonnenscheindauer gehört zwar nicht zu den wichtigsten meteorologischen Basisgrößen, sie wird aber zumindest in Deutschland flächendeckend erhoben.



Vom Ende des 19. Jahrhunderts bis etwa zur Jahrtausendwende verwendeten die meteorologischen Institute zur Messung der Sonnenscheindauer häufig den sogenannten Sonnenscheinautographen nach Campbell-Stokes (auch als Thermograph bekannt). Dessen Konstrukteur, John Francis Campbell (1821-1885, geboren in Edinburgh, gestorben in Cannes), war ein schottischer Forscher, der sich mit Fragestellungen aus vielen verschiedenen wissenschaftlichen Disziplinen auseinandersetzte. Sein Herzblut investierte er aber besonders in die Untersuchung keltischer Bräuche und Lebensweisen.



Davon abgesehen konstruierte er im Jahre 1853, getrieben durch bereits in seinen Jugendjahren entwickelten Forscherdrang, das erste Messgerät zur Aufzeichnung des Sonnenscheins. Kurz darauf stieg das wissenschaftliche Interesse an Campbells Erfindung deutlich an, da unter anderem er selbst vermutete, dass der Choleraausbruch in London um 1854 mit den damals herrschenden meteorologischen Bedingungen zusammenhängen hätte können. Um eine solche Abhängigkeit untersuchen zu können, wurden die meteorologischen Observationen ausgebaut und erstmals auch systematisch die Sonnenscheindauer aufgezeichnet.



Der zweite Namensgeber der Erfindung, der herausragende Mathematiker und Physiker Sir George Gabriel Stokes (1819-1903), führte bis zum Jahre 1880 Modifizierungen an der ursprünglichen Apparatur durch. Neben dieser Ingenieurarbeit erwarb sich der Ire große Verdienste unter anderem in der Fluiddynamik, deren mathematischen und physikalischen Zusammenhänge stark in die theoretische Meteorologie hineinwirkt. Jedem Studierenden der Meteorologie dürften die Gleichungen nach Navier-Stokes ein Begriff sein. Der seit dieser Zeit nur leicht veränderte Sonnenscheinautograph besteht aus einer Glaskugel, die mit einer variabel einstellbaren Neigung in Richtung Sonnenbahn ausgerichtet ist (auf der Nordhalbkugel in Richtung Süden). Die Kugel ist umgeben von einer konzentrischen Kugelschale, in der ein Registrierstreifen aus Spezialpapier eingeschoben wird. Dieser Streifen, der zur besseren Auswertung mit einer Zeitskala bedruckt ist, befindet sich dabei genau im Brennpunkt der Glaskugel. Folgerichtig hinterlassen die gebündelten Sonnenstrahlen eine Brennspur auf dem Papier (Brennglaseffekt).



Allerdings gibt es besonders in den mittleren und höheren Breiten das Problem, dass sich der Sonnenstand sowie die Zugbahn der Sonne im Jahresverlauf stark ändert. Daher werden zur Aufzeichnung der Brennspur verschieden gekrümmte Papierstreifen verwendet, die zudem in unterschiedlichen Positionen auf der Kugelschale angebracht sind. Insgesamt ergeben sich drei unterschiedliche Papierformate: eines für niedere Sonnenbahnen (Winter), ein zweites für den Sommer sowie ein drittes für die Übergangsjahreszeiten. Genau um diese Anpassungen hat sich George Gabriel Stokes verdient gemacht. [Literatur: Sanchez-Lorenzo, A. et. al. (2013): New insights into the history of the Campbell-Stokes sunshine recorder; in: Weather-December 2013, RMetS]



Diese im Grunde sehr robuste Messtechnik weist allerdings auch ein paar Schwächen auf. Tau- oder Reifablagerungen auf der Glaskugel können zu Ungenauigkeiten führen, auch durch nasses Papier oder Schnee werden Fehlaufzeichnungen verursacht. Zudem ist das personalintensive tägliche Austauschen des Registrierstreifens sowie die händische Auswertung ein größerer Nachteil. Zudem förderten in den letzten Jahrzehnten die neuen technischen Möglichkeiten die Einführung automatischer Messsysteme mittels lichtempfindlicher Photoelementen. Außerdem gerät die Sonnenscheindauer zunehmend in den wissenschaftlichen Hintergrund, da die einzelnen Komponenten der Strahlungsbilanz mittlerweile exakt gemessen werden können.



Doch zurück zur meteorologischen Gegenwart. Wie geht es nun mit dem Sonnenschein weiter? Der Hochdruckeinfluss schwächt sich zunehmend ab, damit können Ausläufer des Tiefs MADELEINE auf Mitteleuropa übergreifen. In Deutschland machen sich diese zunächst im Nordwesten mit ein paar Wolkenfeldern bemerkbar. Zudem entstehen Haufenwolken, mit denen am Nachmittag und Abend von Westen her sowie im Bergland Schauer und Gewitter einhergehen können. Im Süden und Osten darf der Sonnenschein hingegen bis zum Abend genossen werden. Zu Wochenbeginn zeigt sich die Sonne überall seltener und vor allem in der Mitte und im Süden stehen Schauer und Gewitter auf der Tagesordnung. Sowohl heute, als auch am Montag, kann die Schwelle zum Unwetter durch Starkregen und Hagel örtlich überschritten werden.

Mag.rer.nat. Florian Bilgeri Deutscher Wetterdienst Vorhersage- und Beratungszentrale Offenbach, den 22.04.2018

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