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Jahreszeit und Sonnenstand – gleiche Uhrzeit heißt nicht gleicher Beleuchtungswinkel (Azimuth)

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chr
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Jahreszeit und Sonnenstand – gleiche Uhrzeit heißt nicht gleicher Beleuchtungswinkel (Azimuth)

Beitrag von chr » 23. August 2022 03:15

Guten Abend,

zu später Stunde* noch ein paar Gedanken zum Sonnenlicht und wie dieses stärker von dem Datum abhängt, als allein die Sonnenhöhe zu erwarten ließe. Wer die gesamten Gedankengang nicht lesen will, kann auch gleich zum letzten Plot springen, welcher sich auf das Licht an der Abendposition am GAT bezieht.

Tl;dr: Die Jahreszeit hat nicht nur Einfluss auf die Höhe der Sonne über dem Horizont (Elevation), sondern auch darauf, zu welcher Uhrzeit die Sonne aus welcher Himmelsrichtung (Azimuth) scheint. Bei der Ausrichtung der Runway von STR und fällt mit den langen Tagen in Juni gleichzeitig eine vorteilhafte, nördlichere Position der Sonne in den Abendstunden zusammen.

* ich will das ganze jetzt noch fertig schreiben, ich hoffe, es ist verständlich, falls nicht, freue ich mich natürlich stets über Nachfragen. Ich bin kein ausgewiesener Astronomieexperte (habe mich aber schon genug mit Zeitzonenkonversionen beschäftigen dürfen), wenn es begriffliche Ungenauigkeiten gibt, bitte ich, diese zu entschuldigen.


Ausrichtung der Bahnen
Aber jetzt ganz von Beginn. Ursprünglich fragte ich mich - ab welcher Uhrzeit lohnt es sich aktuell, in FRA bei 07 Betrieb mit dem Spotting zu beginnen.
Vergleicht man die Bahnen von STR und FRA, so fällt auf, dass sie, trotz gleichem Designator, leicht unterschiedlich ausgerichtet sind (Tabelle 1). FRA´s 07 sind ca. 4.5° weiter in nördlicher Richtung als in STR. Das führt schonmal dazu, dass das Morgenlicht in FRA etwas früher über die Runway wandert bzw. zu gleicher Uhrzeit in FRA schon mehr Seitenlicht vorhanden ist. Die abgeschätzten Zeiten [2] in der Tabelle verdeutlichen das.


Tabelle 1. Ausrichtung der Bahnen in Frankfurt (EDDF) und Stuttgart (EDDS) sowie Zeiten, an denen die Sonne aus der Richtung der Runways scheint (Ortszeit).
0_tabelle1.PNG
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Da ich schon die Varianz des wahren Mittags im Hinterkopf hatte, habe ich auch gleich die Zeiten für den Sonnenstand parallel zur Runway für verschiedene Daten ermittelt - das Ergebnis überrascht wegen der extremen Varianz, die Zahlen habe ich aber nochmal überprüft und müssten stimmen. Um diese starke Schwankung zu erklären, schauen wir uns erstmal den wahren Mittag an.

Bekannt ist wahrscheinlich, dass der wahre Mittag (solar noon), also der Zeitpunkt, an dem die Sonne den Meridian überquert (=== genau im Süden steht, entspricht bei uns auch fast genau ihrer höchsten Position am Himmel), nicht an jedem Ort um 12:00 Uhr ist, sondern wegen den sich über viele Längengrade erstreckenden Zeitzonen nur an sehr wenigen Orten genau um 12:00 ist. Aktuell ist der wahre Mittag bei uns um 13:25. Diese Uhrzeit ist aber nicht konstant, der Zeitpunkt des wahren Mittags schwankt auch für jeden Ort:
1_true_noon_edds.png
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Abbildung 1. Zeitpunkt des wahren Mittags am Stuttgarter Flughafen, Zeiten in UTC. Alles eigene Plots, berechnet mit [4]


Ab jetzt gebe ich die Zeiten nur noch in UTC an (spart mir die Umrechnung sowie einen Versatz im Plot bei der Zeitumstellung), für unsere Sommerzeit sind 2 Stunden zu addieren, für die Winterzeit 1. Eine guter Erklärungsansatz für diese Schwankung findet sich hier https://physics.stackexchange.com/quest ... -every-day in der Antwort, ich möchte daher nicht weiter darauf eingehen und verweise bei Interesse darauf.

Diese sich aus Bahnneigung und Erdorbit ergebende Schwankung ist jedoch größer, wenn wir nicht den solar noon betrachten, sondern z.B. die Position* der Sonne um 16:00 UTC (=== 18:00 MESZ / Sommerzeit; 17:00 MEZ / Winterzeit):
* hier interessiert mich als Position jetzt nur der Azimut (im Deutschen ohne h, Engl. azimuth), also die Himmelsrichtung, in welcher die Sonne steht, da sie bei niedrigem Sonnenstand maßgeblich ist, wie viel Licht der Flieger von der Seite abbekommt.

2_azimuth_at_16utc.png
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Abbildung 2. Position (Azimut) der Sonne um 16:00 UTC. Man sieht, die Richtung, aus welcher die Sonne scheint, schwankt um diese Uhrzeit im Jahresverlauf um etwas mehr als 30° - bei 360°/24h = 15°/h entspricht das ganzen 2 h.


Das gleiche nochmal für 6:00 UTC (=== 8:00 MESZ / Sommerzeit; 7:00 MEZ / Winterzeit):
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Abbildung 3. Position (Azimut) der Sonne um 6:00 UTC.



Jetzt ändern wir nochmal die Grafiken und zeigen nicht den Azimut zu einer gegebenen Uhrzeit, sondern die Uhrzeit, wann die Sonne aus einer bestimmten Richtung scheint - nämlich die der Runway Ausrichtungen:
4_time_runway_or_07.png
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Abbildung 4. Uhrzeit (in UTC), wann die Sonne genau aus der Richtung, in welche die Runways ausgerichtet sind, scheint.


Wir können hier sehen, zu welcher Uhrzeit die Flieger auf der Runway sowie im An- und Abflug genaues Frontlicht haben. Außerdem bestätigt sich nochmal die hohe Varianz aus Tabelle 1.
Z.B. kann man ablesen, dass um den 1.7. in STR die Sonne um ca. 7:25 die Runway überquert - bis dahin ein denkbar schlechter Zeitpunkt für Fotos vom Stauseehügel, und auch noch kurz danach (da, wenn wir von 25 ops ausgehen, dann Licht von hinten). Am 1.9. quert die Sonne die Bahn von STR aber schon um ca. 6:30 - daraus folgt, dass z.B. im Anflug 07 um ca 8 Uhr die Seite des Fliegers schon mehr Licht abbekommt, als das am 1.7. der Fall wäre.



Das gleiche nochmal für die nachmittägliche Runwayquerung:
5_time_runway_or_25.png
5_time_runway_or_25.png (75.67 KiB) 2914 mal betrachtet
Abbildung 5. Uhrzeit (in UTC), wann die Sonne genau aus der Richtung, in welche die Runways ausgerichtet sind, scheint.


Die Sonne wandert im Sommer also früher über die Runway, als das im Frühjahr/Herbst und erst recht Winter der Fall ist. Interessanterweise spielt das uns ganz gut in die Karten - im Sommer, wenn wir lange Licht haben, also die Sonne auch spät noch über einer gewissen Höhe steht, sind nördliche Positionen gut brauchbar, während im Winter die südlichen Positionen einen Vorteil haben. - rein von dem Azimuth her betrachtet, die Höhe kommt ja noch dazu.

Jetzt der letzte und in meinen Augen interessanteste Plot:
Ähnlich wie Abb. 5 ist die Uhrzeit gezeigt, in welcher die Sonne aus Richtung aus 254° scheint, also der Zeitpunkt, wann sie nachmittags die Bahn in STR überquert. Zusätzlich noch die Zeiten, in denen sie 10/20/30/45° weiter nach Norden gewandert ist, also Flugzeuge vom Autobahnhügel oder GAT aus gesehen schön Licht auf der Seite haben. Wie gesagt, das ganze bezieht sich nur auf die Himmelsrichtung (Azimut), die Höhe ist unberücksichtigt. Die Zeiten sind nur für die Tage, an denen die Sonne zu dieser Uhrzeit noch nicht untegegangen ist, geplottet.

6_ori_25_with_deg_str.png
6_ori_25_with_deg_str.png (79.13 KiB) 2914 mal betrachtet
Abbildung 6. Uhrzeit (in UTC), wann die Sonne genau aus der Richtung der RWY 27 in STR scheint (0°), sowie wann sie bereits 10/20/30/45° weiter nördlich ist.


Das für mich Erstaunliche, was ich auch gerne teilen möchte, ist, dass Mitte Juni die Sonne also - bie gleicher Uhrzeit, ca. 30° bzw. 2 Stunden günstiger steht, als in den Grenzbereichen, wo nördliche Positionen gerade noch so gehen. Es ist also nicht nur der höhere Sonnenstand Mitte Juni, der GAT+Autobahnhügel attraktiv macht, sondern auch eine nördlichere Richtung, aus welcher (bei gleicher Zeit) die Sonne scheint. Oder anders ausgedrückt: im Hochsommer geht GAT/Autobahnhügel schon früher, als das im Frühjahr und Herbst der Fall ist. Zeiten mit vergleichbarem Sonnenstand kann man aus der Grafik ablesen.


Ich hoffe, ich habe euch hier nichts Altbekanntes erzählt. Für mich war es interresant, das Gefühl, dass Autobahnhügel und GAT im Juni besser als im September sind, mit Zahlen unterfüttern zu können, und zu sehen, dass es nicht nur an der Höhe der Sonne, sondern auch an der Richtung liegt.

Beste Grüße
Christian



Tools:
[1] Google Earth für genaue Vermessung der Runways und Position der Flughäfen
[2] https://www.timeanddate.de/sonne/@50.03 ... 70?month=8 timeanddate zur Berechnung des Sonnenstands
[3] https://physics.stackexchange.com/quest ... -every-day Anstoß auf Stackexchange
[4] https://astral.readthedocs.io/en/latest/ Astral 2.2 für Python für Sonnenstandsberechnungen (sowie matplotlib für Plots, datetime und numpy für Helper)


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