Při pozorováních sluneční fotosféry, při kterých využíváme promítnutého obrazu Slunce na projekční ploše připojené k dalekohledu, máme k dispozici i druhou metodu, tzv. přímé pozorování. V tomto případě je oko pozorovatele namířeno přímo na Slunce a pokud nemá dojít k poškození zraku vysokou intenzitou slunečního světla a tepla, musíme vyřešit problém, jak zeslabit proud světelné a tepelné energie. Touto otázkou se budeme zabývat v následujících řádcích, přičemž budeme vycházet z možností a potřeb astronoma-amatéra.
Pozor! Přímé pozorování Slunce může vážně a nevratně poškodit zrak. Pokud s pozorováním Slunce nemáte dostatečné zkušenosti, raději se o to sami vůbec nepokoušejte a vyhledejte odborníky v některé z hvězdáren a astronomických společností.
Metoda pozorování Slunce promítáním je bezpečná a nenáročná po technické stránce, ale její nevýhodou je to, že zobrazení útvarů sluneční fotosféry není dostatečně ostré a hlavně u menších dalekohledů nedovoluje pozorovat menší skvrny a jiné jemnější struktury. To je hlavním důvodem toho, že saháme často k použití zařízení pro přímé pozorování Slunce.
Na tomto místě je potřebné upozornit na nebezpečí, které hrozí našemu zraku při pohledu na Slunce nechráněným okem. Protože v takovém případě může být zrak ohrožen, ale i nenapravitelně poškozen. Je tedy nutné vyhnout se takovýmto situacím. Dalekohled soustřeďuje sluneční světlo, a proto se zde uvedené nebezpečí ještě znásobuje. Při použití metody přímého pozorování Slunce dalekohledem, proto nezapomínejte ještě před prvním pohledem do přístroje dobře zkontrolovat, zda jsou všechny součásti (filtr, helioskopický okulár) na svých místech a zda správně fungují.
To, co jsme říkali o oku, platí do určité míry i o okuláru dalekohledu. Sluneční světlo soustředěné objektivem do úzkého svazku, který prochází okulárem, zahřeje při delším pozorování optické součásti tak, že se nejen roztopí kanadský balzám, kterým jsou spojené některé čočky, ale často popraská i jejich sklo. Proto zde platí, že netlumené sluneční světlo by se nemělo dostat nejen do oka pozorovatele, ale ani do okuláru dalekohledu.
Teplota v ohniskové rovině dalekohledu rychle stoupá s průměrem objektivu, který je namířený na Slunce. Když si uvědomíme, že průměr slunečního disku zobrazeného objektivem narůstá přibližně o 10 mm na každý metr ohniskové vzdálenosti, z poměru ploch objektivu a ohniskového obrazu Slunce vyplývá, že při průměru objektivu 100 mm (f = 1 000 mm) je v ohnisku soustředěné v obraze Slunce 100 x více sluneční energie ve formě světla a tepla, než kolik připadá na stejnou plochu objektivu. Při průměru objektivu 300 mm a f = 3 000 mm je tato koncentrace už 300násobná (nepočítáme se ztrátami).
Snižováním průměru objektivu můžeme samozřejmě regulovat množství světla, které vstupuje do dalekohledu. Není však možné zredukovat tímto způsobem jeho intenzitu tak, aby zrak už nebyl ohrožen, protože dalekohled s malým průměrem objektivu (při relativně velké ohniskové vzdálenosti) dává nekvalitní obraz. Tento způsob někdy používáme v případech, kdy pozorujeme s tmavým filtrem umístěným za okulárem dalekohledu. Objektiv v tomto případě zakryjeme kruhovou clonou s otvorem uprostřed. Průměr tohoto otvoru nám určuje průměr středové části objektivu, která se podílí na vytváření obrazu. Nevýhodou zacloněného objektivu je snížení jeho rozlišovací schopnosti, a tedy i možnosti pozorovat jemné útvary ve fotosféře.
Pozor! Součástí některých menších dalekohledů pro amatéry jsou i sluneční filtry, které šroubují na okulár. Jejich použití však v žádném případě nelze doporučit. Hrozí jejich překřítí a prasknutí!
Jakýmsi kompromisem, který nám dovoluje snížit aktivní plochu objektivu a zachovat při tom dobrou rozlišovací schopnost je použití tzv. sektorové clony. Objektiv je zakryt dvěma trojúhelníkovitými segmenty postavenými vrcholy proti sobě. Uprostřed jsou spojené a vytvářejí jeden celek. Druhá stejná clona je umístěna za první pevnou clonou a je otáčena okolo osy, která je uprostřed. Otáčením pohyblivé clony můžeme průběžně měnit plochu objektivu tím, že ho zakrýváme, nebo odkrýváme.
Uvedené problémy s nadbytkem světelné a tepelné energie odpadají v případě, že použijeme vhodný filtr, který umístíme před objektiv, nebo některý typ helioskopického hranolového zařízení (tzv. helioskopický okulár). Tyto prostředky nám umožňují bezpečné pozorování při využití plné rozlišovací schopnosti objektivu.
Filtry
Filtry pro pozorování Slunce jsou nejčastěji skleněné destičky obsahující ve skleněném materiálu různé příměsi, které způsobují jejich zabarvení. Pro naše účely jsou nejvhodnější tzv. neutrální filtry sivé barvy, které rovnoměrně zeslabují světlo ve všech vlnových délkách. Není však vyloučeno ani použití barevných filtrů, pokud jsou dostatečně husté. Nevhodný je červený filtr, protože propouští tepelnou složku záření, kterou právě potřebujeme co nejvíce omezit.
Připomeňme si nejprve jednoduché filtry, které si můžeme snadno zhotovit.
Pozor! Filty lze s maximální opatrností použít POUZE PRO POZOROVÁNÍ OKEM!!! V žádném případě je NEUPEVŇUJTE na dalekohled!!! (pozn. red.)
Sazový filtr si vyrobíme tak, že skleněnou destičku začadíme z jedné strany nad plamenem petrolejové lampy nebo svíčky. Vytvářející se vrstvu občas vyzkoušíme tak, že se přes tento filtr opatrně podíváme na Slunce (díváme se pouze pouhým okem). Když je jeho světlo dostatečně ztlumené, filtr je hotový. Protože při jeho používání by se vrstva sazí pravděpodobně poškodila, zakryjeme ji druhou stejně velkou destičkou. Mezi obě skleněné destičky umístíme po obvodu úzký rámeček z tenčí lepenky a obě skla oblepíme zvenku po obvodu lepící páskou (podobně jako skleněný diapozitiv). Rozměr filtru zvolíme podle toho, jak ho chceme využít. Pokud chceme chránit obě oči, použijeme obdélníkový filtr.
Pozor! Pozorování Slunce s pomocí sazového filtru se z důvodu možnosti nesprávného a nedostatečného začazení nedoporučuje. Filty lze s maximální opatrností použít POUZE PRO POZOROVÁNÍ OKEM!!! V žádném případě je NEUPEVŇUJTE na dalekohled!!! (pozn. red.)
Celou škálu různě hustých neutrálních filtrů si můžeme zhotovit z fotografického filmového materiálu. Film, který osvětlíme rozptýleným světlem a potom ho vyvoláme a ustálíme, můžeme použít namísto tmavého filtru. Jeho hustotu je možné regulovat jednak délkou a intenzitou osvětlení, jednak vyvoláváním (delší vyvolávání dává tmavší, hustší vrstvu). Protože intenzita slunečního světla se mění s výškou Slunce nad obzorem i s čistotou atmosféry, je vhodné mít k dispozici několik filmových filtrů různé hustoty, které můžeme případně i navzájem spolu kombinovat. Pro první pokusy stačí odstranit tmavý (osvětlený) začátek jakéhokoli filmového pásu. Barevné filmy poskytují filtr s různými barevnými odstíny, které však nejsou při pozorování Slunce většinou na závadu.
Pozor! Při pozorování dbejte na bezpečnost. Filtr musí být dostatečně tmavý. Film se často velmi “kroutí”, dbejte proto i na jeho pevné uchopení. Filty lze s maximální opatrností použít POUZE PRO POZOROVÁNÍ OKEM!!! V žádném případě je NEUPEVŇUJTE na dalekohled!!! Filtr nezadržuje IR složku záření, proto nelze doporučit delší pozorování. (pozn. red.)
Pokud chceme získat větší filtr tohoto typu, musíme použít plochý film (např. pro rentgenové snímky) nebo skleněné fotoplátno.
K náhradám tohoto druhu patří i tenké hliníkové fólie, které jsou navrstvené na celofánu nebo na plastové fólii. Jejich propustnost je však obyčejně dost vysoká, takže musíme použít 2 až 3 na sebe položené vrstvy. Vhodný materiál najdeme mezi obaly používanými v potravinářství a v květinářství (balení kytic). Samotná hliníková fólie (alobal) je příliš hrubá a světlo nepropouští. Aby nám filtr zhotovený z filmové, nebo hliníkové fólie déle vydržel, uložíme ho mezi dvě skleněné destičky podobně jako sazový filtr.
Pozor! V nabídce některých specializovaných firem je speciální sluneční fólie, která svým vzezřením připomíná obyčejný alobal. Zatímco sluneční folii lze použít pro pozorování Slunce s pomocí dalekohledu, ostatní hliníkové fólie s dalekohledem kombinovat nelze!!! Dbejte na to, aby nedošlo k záměně speciální sluneční fólia a olobalu! Filty lze s maximální opatrností použít POUZE PRO POZOROVÁNÍ OKEM!!! V žádném případě je NEUPEVŇUJTE na dalekohled!!! (pozn. red.)
Skleněné filtry tovární výroby mají před výše uvedenými improvizacemi především tu přednost, že jde o broušené a leštěné destičky s přesně rovnoběžnými (planparalelními) plochami. Tato jejich vlastnost spolu s homogenitou skla zabezpečuje, že nám filtr vložený do cesty paprsků v optickém systému dalekohledu neznehodnotí vytvářený obraz. (Profesionálně vyráběné filtry již lze použít pro kombinaci s dalekohledy, pozn. red.)
Pro naše účely nejvýhodnější neutrální sivé filtry musí být dostatečně husté, aby v potřebné míře tlumili sluneční světlo. Požaduje se, aby propouštěli jen 10-4 až 10-6 původní intenzity světla. Takové speciální filtry vyrábí některé optické závody pro astronomické účely. Patří sem např. filtry s propustností 0,011% a 0,36% na 1 mm síly. Tyto výrobky jsou však pro amatéra hůře dostupné.
Proto si uvedeme některá náhradní řešení. Především musíme vzpomenout skla do svářečských brýlí, které jsou dostatečně husté a proto i použitelné pro naše účely. Jejich zbarvení bývá různé, není celkem neutrální. Jejich nevýhodou je to, že použité skleněné desky nejsou broušené a sklo nebývá vždy homogenní. Je možné je využít pro zeslabení světla za okulárem, kde se nejméně projeví negativní vliv jejich kvality na pozorovaný obraz. Je potřebné si uvědomit, že okulár je v tomto případě silně zahřívaný a může být teplem poškozen. Při přehřátí může prasknout i samotný filtr. Filtr za okulárem můžeme proto použít jen u přístrojů s malým průměrem objektivu (do 50 mm), větší objektiv zacloníme.
Pozor! Svářečská skla lze pro pozorování okem použít bez větších obav. V žádném případě však svářečské filtry neupevňujte na větší typy dalekohledů. Nelze však příliš doporučit ani použití u menších dalekohledů. (pozn. red.)
Sivé neutrální filtry se používají i v běžné fotografické praxi a bývají proto k dostání v obchodech s fotopotřebami. Kvalita tohoto materiálu je velmi dobrá z hlediska našich záměrů je na závadu jejich nízká hustota. Pro nás je určitým východiskem použití celé sady filtrů tohoto typu, které samozřejmě představují (případně i s jejich objímkami) dost vysoký stolec. Tím je vyloučeno jejich použití za okulárem (oko by bylo příliš daleko od oční čočky okuláru). Jejich kvalita dovoluje zařadit celou sérii těchto filtrů před okulár dalekohledu. Z vlastní zkušenosti můžeme konstatovat, že jsme získali kvalitní obraz v dalekohledu f = 1 400 mm s průměrem objektivu 100 mm po umístění 6ti fotofiltrů N 2 /propustnost jednoho filtru je 25%) před okulárem přístroje. Dosáhlo se takto snížení intenzity světla na 0,06% původní hodnoty. Protože absorpce tepla se uplatňuje postupně v jednotlivých členech celé soustavy filtru, nejsou příliš tepelně zatíženy. Jako ve všech případech, kdy se v částech optiky v uzavřeném tubusu dalekohledu kumuluje teplo, i při uvedené aplikaci filtrů při delším pozorování v tubusu víří zahřátý vzduch a kvalita obrazu po určité době klesá. Proto pozorujeme Slunce vždy jen kratší dobu a pozorování střídáme s přestávkami, při kterých dalekohled vychýlíme tak, aby nebyl namířený na sluneční disk. Přístroj se ochladí a je schopný podávat zanedlouho opět kvalitní obraz.
Pozor! Při použití fotografických filtrů své záměry konzultujte s prodejcem a dbejte jeho doporučení!!! (pozn. red.)
Pro pozorovatele, kteří používají filtr za okulárem se vyrábí tato pomůcka v podobě trojbokého hranolu s obdélníkovou základnou z tmavého skla. K němu bývá přiložený stejný hranol z čirého skla, který má zvýšit mechanickou odolnost tohoto filtru. Obě části jsou uloženy v kovovém rámečku, kterým je možno posouvat do stran tak, že světlo z dalekohledu přechází nejprve přes silnější a jindy přes tenčí vrstvu tmavého skla, a tak tato pomůcka funguje jako filtr s proměnlivou absorpcí světla. Když se díváme přes vrcholovou část hranolu, kde je vrstva barevného skla tenká, světlo se méně absorbuje. Při základně hranolu v silnější vrstvě skla je absorpce vysoká.
Když máme k dispozici vhodný filtr potřebného průměru, jehož kvalita zabezpečuje, že obraz nebude znehodnocen ještě před vstupem do teleskopu ho můžeme umístit i před objektiv. V takovém případě není potom nutné zmenšovat průměr objektivu clonou, takže rozlišovací schopnost zůstane nezměněná. Vnitřek tubusu se nepřehřívá, protože tepelná a světelná energie Slunce se zachytí na filtr před objektivem. Filtr je přitom zahříván jen rozptýleným slunečním světlem tak, jako ostatní okolní předměty.
K nevýhodnějším filtrům pro sluneční pozorování patří skleněné disky s tenkou kovovou vrstvou na jedné straně jejich povrchu (resp. několik vrstev pokovení). Přesně stanovené množství kovu (nejčastěji niklu a chrómu) se na sklo nanáší ve vakuu, kde se na sklo usazuje po odpaření z rozžhavené elektrody. Sluneční disk má po odfiltrování touto vrstvou žlutooranžovou až červenooranžovou barvu.
Hranolové helioskopické systémy
Tato zařízení, která označujeme často jednoduše jako helioskopické okuláry představují druhou skupinu pomůcek, které nám umožňují zvládnout nadbytek slunečního světla a tepla při pozorování fotosféry. Jsou založeny na principu odrazu světla na skleněných hranolech, případně na skleněných destičkách. Využívá se zde skutečnost, že světlo dopadající na rovinnou skleněnou plochu pod úhlem 45° se odráží pod stejným úhlem, ale jeho intenzita klesá na 4 až 5 % původní hodnoty. Přibližně 95% světla přitom přechází do skla a potom z něho zase vystupuje po střetnutí se stěnou hranolu nebo destičky, která se nachází ve směru jeho postupu. Po vstupu do skla mění světlo svůj směr, láme se. Při přechodu ze vzduchu do skla (tedy z řidšího do hustšího prostředí) se světelný paprsek láme směrem ke kolmici dopadu,při výstupu (t. j. při přechodu z prostředí hustšího do řidšího) se paprsek láme směrem od kolmice dopadu. Místo hranolu se může použít i skleněná destička (nejlepší s vybroušenou a vyleštěnou plochou), ale její nevýhodou je nebezpečí vzniku dvojitého obrazu a rušivého rozptýleného světla. Vystupující paprsek se totiž částečně odráží zpět přibližně ve směru vstupu a spolu se světlem odraženým na povrchu destičky postupuje směrem do okuláru přístroje. Protože stěny hranolu nejsou rovnoběžné, tento jev je potlačen.
Nejjednodušší hranolové helioskopické zařízení (helioskopický okulár) zkonstruoval už W. Herschel. Jeho hlavní součástí je skleněný hranol trojúhelníkovitého průřezu s obdélníkovou základnou a s ostrým vrcholovým úhlem. Přední odrazová plocha je orientovaná k optické ose dalekohledu pod úhlem 45°. Přibližně 5% světla z celkového množství, které na hranol dopadlo se odráží pod úhlem 90° do okuláru. Zbylých 95% se mírně láme a postupuje k protilehlé stěně hranolu. Vrcholový úhel hranolu se volí tak, aby tento vystupující paprsek dopadal na stěnu, kterou vychází, pod úhlem 90°, čímž se zabrání odrazu světla zpět do zorného pole okuláru. Vystupující svazek paprsků je velmi horký a proto na místě výstupu musí být pouzdro hranolu otevřené. Zvenku se zde přidává ještě často další odrazové zrcátko (většinou kovové), které vystupující paprsky zachytí a odchýlí vhodným směrem.
Světlo vstupující od hranolu do okuláru je však ještě příliš intenzivní a proto použijeme tmavé sklo, umístěné mezi oční čočkou okuláru a okem, které musí světlo přibližně 100 x zeslabit. Podstatná část energie však uniká přes hranol, a tak nehrozí nebezpečí, že by tmavé sklo nebo čočky okuláru praskali následkem přehřátí, a to ani při použití objektivu většího průměru.
Při amatérské konstrukci tohoto typu helioskopického okuláru bude asi nevětším problémem získání vhodného hranolu. Ten nemusí přesně odpovídat popsanému hranolu podle Herschela.
Když si za odrazovou plochu zvolíme odvěsnu hranolu, kterou orientujeme pod úhlem 45° proti optické ose dalekohledu, přiblížíme se nejvíc principu Herschelova zařízení. Máme však možnost orientovat hranol i tak, že odraz nastane na přeponě. Tento způsob je výhodný tím, že montáž hranolu je jednodušší. Konečně máme ještě možnost použít namísto hranolu broušenou skleněnou destičku. Rozptýlené světlo, případně druhotný obraz Slunce, které se při těchto improvizacích můžou objevit, obvykle dostatečně zredukuje tmavé sklo za okulárem, které je v těchto případech nutno použít.
Pro amatérskou konstrukci je vhodný helioskopický hranolový systém podle Brandta, který využívá dvojnásobný odraz na přeponách dvou pravoúhlých hranolů. Původní intenzita slunečního světla se tím zredukuje na 0,0025 % až 0,0016 % původní hodnoty. Podmínkou je, aby hranoly byly umístěné způsobem, který zabezpečí paralelnost a souosost jejich odrazových ploch. Tuto podmínku snadno splníme při montáži hranolů do pouzdra (např. i dřevěného), jehož délka bude odpovídat trojnásobku délky odvěsny hranolu, výška a šířka budou stejné jako výška šířka použitých hranolů.
Zhotovíme nejprve jakýsi rámeček ze silnějších destiček (nebo kovových desticek), do kterého upevníme oba hranoly. Výhodné je, jak jsou hranoly stejných rozměrů, není to však podmínkou, jinak musíme druhý hranol orientovat tak, aby jeho přepona ležela v ose přecházejícího paprsku. Potom si připravíme dvě stejné desky, které přišroubujeme k rámečku. V jedné bude otvor s pouzdrem pro zasunutí okuláru, v druhé trubka pro zasunutí do tubusu dalekohledu. Je nutné dbát na to, aby osy obou těchto části mířili přesně do středu přepon jednotlivých hranolů a aby se tak zachoval směr optické osy celého zařízení. Podle vlastních zkušeností můžeme tento typ helioskopického okuláru amatérům doporučit. I v tomto případě však musíme počítat s neutrálním filtrem, který vložíme před, nebo za okulár.
Pro pozorování Slunce se používá i zařízení s pentagonálním hranolem, který v tomto případě musí mít 4 čisté (nepokovované) odrazové plochy. Pokud získáme hranol tohoto typu, který má tyto plochy pokryté vrstvou kovu a laku, organickým rozpouštědlem odstraníme nejprve vrstvu laku a potom kyselinou dusičnou i vrstvičku kovu.
V pentagonálním hranolu se světlo dvakrát odráží, přičemž větší část světla vystupuje z hranolu přibližně ve směru postupu světelného paprsku. Protože po prvním odrazu vystupuje z hranolu přibližně 95% původního světla a tepla, musíme v tomto místě pouzdro hranolu otevřít, aby se vnitřek nepřehříval. I tento typ helioskopického okuláru má poměrně jednoduchou konstrukci a můžeme proto doporučit amatérům, aby se pokusili o jeho sestrojení. I v tomto případě je potřebné počítat s neutrálním zeslabujícím filtrem před nebo za okulárem.
Pro úplnost uvedeme ještě helioskopický okulár podle Colziho. Jeho první částí je Herschelův hranol.
Světlo od něho odražené potom přechází pravoúhlým hranolem, který má na ploše přepony umístěnou komoru s kapalinou (např. s vazelínovým olejem). Jeho index lomu je jen velmi málo odlišný od indexu lomu skla hranolu. Světelné paprsky, které dopadají na přeponu hranolu, kde by za běžných okolností došlo k totálnímu odrazu pod úhlem 45°, přechází téměř všechny dále do olejové komůrky a odtud potom vystupují z celého systému ven. Jen nepatrná část světla se odráží směrem do okuláru. Další zeslabení filtrem už není potřebné. Množství světla vstupujícího do okuláru můžeme regulovat výměnou kapaliny s různým indexem lomu v komůrce zařízení.
Protože v tomto systému je kromě toho také splněná podmínka pro částečnou polarizaci světla, je možné regulovat intenzitu vystupujícího svazku paprsků otáčením pouzdra pravoúhlého hranolu okolo osy svazku paprsků přicházejících od Herschelova hranolu.
Polarizační sluneční okulár
Když necháme dopadat světlo na skleněnou destičku pod úhlem 57° (měřená od kolmice dopadu) a potom použijeme ještě další odraz pod stejným úhlem, nastává polarizace světla. Když potom otáčíme druhým zrcadlem okolo osy, určené svazkem dopadajících paprsků, odražené světlo bude měnit svoji intenzitu.
Kombinaci dvou takovýchto systémů, které jsou vzájemně otočné okolo osy paprsku vystupujícího z první soustavy, získáme polarizační sluneční okulár dostatečně zeslabující sluneční světlo. Aby se zabránilo rozptylu světla a odrazu na zadních plochách skleněných destiček, používá se tmavé sklo s výjimkou prvního zrcadla, které je z čirého materiálu a má případně i trojúhelníkový průřez (podobně jako Herschelův hranol). Tam, kde vystupují paprsky, které přešli prvním zrcadlem je vhodné vypracovat otvor v pouzdře tohoto systému, aby se vnitřek nepřehříval.
Prodloužení ohniskové vzdálenosti
Zvláště u menších přístrojů bývá někdy problematické využití helioskopických okulárů, protože okulárový výtah je krátký, takže obraz v okuláru umístěném za tímto systémem není možné zaostřit. S helioskopickým zařízením bychom se potřebovali dostat blíže k objektivu. Když to není technicky možné, vložíme před celý helioskopický systém vhodnou rozptylnou (negativní) čočku a tím prodloužíme ohniskovou vzdálenost objektivu tak, jak je to potřebné.
Při všech konstrukcích buďte maximálně opatrní! Pozorování Slunce Vám zcela jistě velmi rádi zprostředkují na všech hvězdárnách. Při nákupu potřebného vybavení též doporučujeme konzultaci s odbornými prodejci. (pozn. red.)
Mnozí prodejci nabízejí speciální profesionální vybavení pro pozorování Slunce (sluneční filtry, fólie, okuláry a dalekohledy). Chcete-li se pozorováním Sluncem zabývat, doporučujeme prodejce kontaktovat.
původní článek byl publikován v Astronomické ročenke (SK) v roce 1996
úprava textu: Petra Váňová, Jihlavská astronomická společnost
—
Články ze seriálu TELESKOPIE byly v minulých letech postupně uveřejňovány v Astronomické ročenke vydávané Slovenskou ústrednou hvezdárňou v Hurbanove (www.suh.sk). Děkujeme vedení tohoto ústavu za souhlas se zveřejněním těchto aktualizovaných příspěvků na webu Jihlavské astronomické společnosti (www.jiast.cz) a České astronomické společnosti (www.astro.cz).
