Måling og registrering av naturfenomener med intervallkamera Jan Aske Børresen, pensjonist Foredrag på årsmøte Norsk Geofysisk Forening, Oslo 2016 Prinsippet for intervallkamera "time-lapse kamera" er å forandre tidsskalaen til naturfenomene slik at det menneskelige øyet kan se de prosessene som foregår. Lokale skyer ble fotografert hvert 10. sekund i et speil som avbildet hele himmelen. Dette ble gjort i mange måneder. Posisjon for dannelse av cumulus skyer kunne deretter bestemmes helt nøyaktig. Tidevannet i en lokal fjord ble fotografert hvert minutt over én tidevannsperiode på 12 timer og 25 minutter. Hastigheten og tidspunktet når tidevannet snudde kunne deretter bestemmes helt nøyaktig. Utstyr og resultater vil bli diskutert. 1
Måling og registrering av naturfenomener med intervallkamera Jan Aske Børresen, pensjonist janaborresen@gmail.com 2016 Første del av foredraget vil gi eksempler på hvordan terrenget rundt Bergen medvirker til dannelse av cumulusskyer når de nødvendige betingelser ellers er tilstede. Oppgaven var en del av et større prosjekt som ble gjennomført i 1960-årene for å kartlegge Bergensdalens klima. Utstyret ser gammeldags ut i dag, men prinsippene for innsamling og bearbeiding av meteorologiske observasjonsdata med himmelspeil kan kanskje komme til nytte i andre sammenheng. Prinsippet for intervallkamera (time-lapse) er å forandre tidsskalaen til slik at det menneskelige øyet kan se de prosessene som foregår. Dette gjelder enten forandringene går for hurtig som en bilkollisjon, eller forandringene går for sakte, som opptrekk av en varmfront eller kaldfront. I andre del av fordraget vil jeg vise eksempel på hvordan intervallregistrering av naturfenomener kan gjøres med videokamera og moderne kontrollere og vil vise en film om tidevannet. Himmelspeil Vi skal først se på et himmelspeil som kan avbilde hele himmelen så uniformt som mulig. Dette i motsetning til en kuleflate som komprimerer bildet særlig i horisonten. Himmelspeil bygget av forfatteren Når strålen beveger seg uniformt fra horisonten til zenit, skal punktet på filmen bevege seg uniformt fra P til B. 2
Et standard Leica 35 mm kamera har fokus distanse a = 5 cm. Halve negativbredden er b = 1 cm. Oppgaven besto i å beregne koordinatene (x,y) på himmelspeilet slik at når lysstrålen beveger seg uniformt fra horisonten til zenit, skal punktet w på filmnegativet bevege seg uniformt fra P til B. På figuren ser man at det er mange likeformede trekanter. Sammenhengen mellom vinklene er ganske rett frem. Settes origo i fokus senteret O med y-aksen nedover og x-aksen til venstre, kan forandringen dy/dx uttrykkes med ligning (1). Vi innfører en ny variabel u = y/x. Vi skiller de variable og får ligning (2) som kan integrers ved help av Simpsons metode. Speilet ble delt inn i 10 deler. Jeg fulgte Deppermann (1949). Resultatet kan sees på figuren under. (1) (2) x 100 - y 17,89 1,6 15,62 3,156 14,34 3,9 13,26 4,45 11,54 5,3 10,23 5,8 9,19 6,2 8,3 6,5 6,5 7 5,09 7,3 3,2 7,6 1,9 7,7 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 0 5 10 15 20 Serie1 An Improved Mirror for Photography of the Whole Sky Rev. C. Deppermann S.J. Bull Am.Met. Soc Vol 30 Oct. 1949 3
Himmelspeil laget AL Metall Bergen etter forfatterens beregninger. En mal ble dreiet i tre, deretter ble en messingplate presset over malen og forniklet. Pris i 1964, kr 300,-. Dannelsestedet for skyene kunne leses av ved vinklene regnet fra nord og vinklene fra horisonten. Skyhøyden ble estimert fra en empirisk formel fra duggpunktstemperaturen ved bakken t d og tørrtemp h = (t t d ) x 125 m/c o Med kjent himmelvinkel og skyhøyde kunne posisjonen i terrenget bestemmes. 4
Intervall kamera I året 1888 lanserte oppfinneren Thomas Edison og hans assistent et filmkamera og et fremviserstudio som kunne vise bevegelige bilder. Ideene kom fra Frankrike og fra England Viser man bilder med frekvens på 16 bilder i sekundet eller mer blander øyet og hjernen bildene sammen slik at man ser bevegelige bilder (movies). Edison selv sa at man må opp i en frekvens på 46 bilder i sekundet skal det bli en perfekt bevegelse. Men standarden var lenge filmopptak på 24 bilder i sekundet så 27 bilder i sekundet. Man kunne lure øyet ved å vise samme bildet to eller tre ganger ved avspilling. Til prosjektet ble det innkjøpt et Bolex filmkamera, det beste kamera som var å skaffe på den tiden. Etter litt prøving og feiling ble det montert en synkronmotor direkte på filmfremtrekket. Blenderen ble justert manuelt til en liten sprekk. Hastigheten på motoren bestemte intervallet. Det ble valgt en hastighet slik at i de første 9 sekunder ble filmen trukket på plass mens blenderen var lukket. Så det siste sekundet gikk blenderåpningen over filmen. Sprekken på blenderåpningen var justert manuelt til en eksponeringstid på 1/5 sekund. Bolex 16 mm kamera påmontert egenutviklet synkronmotor system. Ett bilde ble tatt hvert 10 sekund med blender 1/5 sekund. Sektorblenderen var satt manuelt til 6 grader. Kameraet fotograferte i et hjelpespeil som i sin tur avbildet himmelspeilet. 5
Resultater Ved liten eller ingen drift i skyene ble cumulus skyene dannet over toppene på begge sider av Bergen by. Maksima lå over områder med sterk kontrast i terrenget. Kartet viser dannelsessteder for cumulusskyer rundt Bergensdalen i løpet av en dag 6
For skydriften så det ikke ut som terrengdetaljer hadde innvirkning på skybanene. Kartet viser drift av cumulusskyer fra dannelsessted til oppløsning i løpet av en dag 7
På grunnlag av de få tilfellene som ble undersøkt så det ut som skyene drev i retning av den vertikale shear retning. Kartet viser drift av cumulusskyer fra dannelsessted til oppløsning i løpet av en dag 8
Intervallfotografering med moderne metoder Tidevann En fjordarm ved innløp til Barmfjorden på Dolmøy i Sør-Trøndelag hvor observasjonene ble gjort. Vi er ved en fjord ved kysten av Sør-Trøndelag. Vi glemmer det av og til, men månen virker på hver eneste vanndråpe fra overflaten og helt ned til havbunnen. I vannsøylen setter tidevannet opp også en horisontal strøm. Problemstillingen var: Når er denne tidevannstrømmen på sitt sterkeste? Når er det helt stille perioder, og hvor lenge varer de stille periodene? Hvor lang tid er det mellom hvert tidevann? Vi skal første se på instrumentoppstillingen. Et videokamera ble montert ved fjorden og tidevannet ble fotografert hvert minutt. Dette var et privat prosjekt og alle instrumenter ble anskaffet for egne midler. Et standard digitalt video amatørkamera av type JVC JY-VS200 var innkjøpt uten tanke på intervallfotografering. Det viste seg at kameraet var utstyrt med infrarød fjernkontroll der man kunne utføre alle funksjoner i kameraets meny. 9
Etter råd fra eksperter ble det anskaffet en programmerbar enhet som kunne styre alle mediaenheter med infrarøde IR- inngang, analoge- og digitale innganger. Typen var CUE Assistant S til en pris av $ 150,- ca 1000 kr. Denne enheten åpnet nye muligheter siden enheten kunne styre alle funksjonene i videokameraet. JVC videokamera med IR-kabelen liggende nederst 10
Neste utfordring var batterikapasiteten til videokameraet. Det var nødvendig å fotografere en hel tidevannsperiode som er på 12 timer og 25 minutter. Svaret kom i form av en Mascot det gamle radiomerket, hadde erfaring i å omforme 12 V til 220 V 50 Hz. Med 220 V tilgjengelig ute i terrenget kunne både videokameraet som vist på skissen under og kontrollenheten Assistant S kjøres i flere dager. Med en Mascot omformer fra 12 V til 230 V 50 Hzer man uavhengig av strømnettet ute i naturen Med strømkilde på 220V tilgjengelig kunne videokameraet drives med fabrikantens utstyr. Videokamera kr 3000 4000,- Kontrollutstyr kr 2000,- Man får et intervallkamera og en helt generell programmeringsenhet til ca kr 6000,- 11
Ved fotograferingen av tidevannet ble det ikke benyttet time-lapse teknikk ved å ta ett og ett enkdeltbilde. Kameraet ble programmert i styreenheten til å ta opp standard film med 25 bilder per sekund i en varighet på 6 skunder. Dette ble gjort hvert minutt. Resultatet ble en sammenhengende film uten hakking i bevegelsene. Dette blir kalt her intervallfotografering i motsetning til time-lapse. La oss se på resultatet. Første lavvann starter klokken 9:00 Første høyvann kommer klokken 15:04 Neste lavvann kommer klokken 21:22 Filmen slutter klokken 21:34 Vi er ved innløpet til en større fjord som heter Barmfjorden. Ja en barm vet vi jo hva er. Det er vanligvis det opphøyde parti hos kvinner. Barmfjorden betyr den opphøyede fjord fordi i enkelte tider av tidevannet må man seile i oppover for å komme inn i Barmfjorden. I første del av filmen løper vannet fra havet og fyller opp fjorden. I den siste del av filmen renner vannet utover og tømmer fjorden. 12
Hva er tiden mellom to tidevann Tidevannsstrømmen var sterkest midt mellom lavvann og høyvann Høyvann Det var ingen stille periode. Tidevannsstrømmen snudde umiddelbart. Det har gått 6 timer og 4 min. fra lavvann til høyvann Lavvann Det har gått 6 timer og 26 min. fra høyvann til lavvann Det er usymmetri mellom innstrømming (fra lavvann til høyvann) og tømming ( fra høyvann til lavvann) Kanskje fordi ved innstrømming så presser hele storhavet på, mens ved utstrømming er det mindre trykk. 13
Tidevannet kommer ca 1 time senere hver dag, Vi vet at månen bruker 29,5 døgn på å gå rundt jorden. Når månen står i sør er den nærmest vårt sted og månen trekker da sterkest på tidevannet ; det blir høyvann. For at månen skal være i sør også neste dag på samme sted må jorden rotere 360 o /29,5 = 12,2 o ekstra. I middel regner man med 24 timer og 51 minutter. Hvordan er det i virkeligheten? Undersøker vi nøyaktig hvor lang tid det går mellom hvert annet tidevann finner vi ikke noen enkel sammenheng. I løpet av en 14 døgns periode kan havnetiden variere så meget som 1 time. Tidsforskjellene mellom døgnlig tidevann varierer fra 24 timer og 30 minutter til 25 timer og 41 minutter. Dette er avhengig hvor i banen månen befinner seg, synlig som månefaser Det sikreste er å holde seg til tidevannstabellene fra Statens kartverk Sjødivisjon. Jorden og Månen roterer om et felles tyngdepunkt. I tillegg roterer de rundt seg selv mens de går i bane rundt Solen. Figuren viser omtrentlige dimensjoner på Jord / Måne tvillingplanetene og deres baner rundt Solen Kilde Wikipedia 14
Hvilke krefter virker på tidevannet Sol og Måne trekker på hvert sitt tidevann Fullmåne Halvmåne Halvmåne Sol og Måne trekker på samme tidevann Nymåne 15
Tidevannets høyde og dybde Figuren viser tidevannet med høyvann og lavvann over en periode på 42 dager. De til dels store forskjeller mellom høyde på høyvann og dybde på lavvann henger nøye sammen med månefasene. Vi har ordene nippflo og springflo. På Springflo trekker Solen og Månen sammen på tidevannet. Størst forskjell er det ved nymåne. Da er Sol og Måne på samme side av Jorden. Siden det er to tidevann hver dag blir det også større forskjell når solen trekker på det ene tidevannet og månen trekker på det motsatte tidevann. Ved halvmåne trekker Sol og Måne med 90 graders vinkel i forhold til hverandre og motvirker hverandre. En måneklokke viser månefasen den dagen filmen ble spilt inn. Høyeste tidevann har man gjerne 2 dager etter nymåne. Dette har med et fenomen som heter havnetid. Det tar litt tid fra månen er i sør til effekten virker inne i en fjord eller havn. Norsk Geofysisk forening 2016-e 16
Formålet med foredraget var å vise intervallfotograferingens muligheter. Ved å forandre tidsskalaen til naturfenomene kan det menneskelige øyet og hjerne forstå de prosessene som foregår. 17