Neigung der Erdachse sorgt für Jahreszeiten
Die Erde kreist in einer Ebene um die Sonne. Wäre die Rotationsachse der Erde, um welche sie sich in 24 Stunden einmal dreht, senkrecht zur Erdbahnebene, so wäre der Winkel, unter dem die Sonne auf einen Punkt der Erdoberfläche einstrahlt, das ganze Jahr über gleich. Tatsächlich ist aber die feststehende Rotationsache der Erde um \(66{,}5^\circ \) gegenüber Ebene in der die Erde um die Sonne läuft (Ekliptik) geneigt. Dies heißt, dass der Winkel zwischen der Erdachse und einem Lot auf die Ekliptik-Ebene \(90^\circ - 66{,}5^\circ = 23{,}5^\circ \) beträgt. Diese Neigung der Erdachse ist die Ursache für die Jahreszeiten.
Die folgende Animation in Abb. 1 zeigt vereinfacht die Verhältnisse auf der Nordhalbkugel. Die Größenverhältnisse sind nicht real. Die rote Linie an der Erdkugel markiert den Äquator, die grüne Linie an der Erdkugel den Breitenkreis für München (\(48{,}1^\circ \) geographische Breite).
22. Dezember (Winteranfang): Auf der Nordhalbkugel fällt das Licht sehr flach (unter einem kleinen Winkel) und nur relativ kurz auf die Erdoberfläche. Dies ist der kürzeste Tag und die längste Nacht des Jahres.
22. Dezember - 21. März (Winter): Auf der Nordhalbkugel fällt das Licht langsam steiler und länger auf die Erdoberfläche. Die Tage werden länger, die Nächte kürzer.
21. März (Frühlingsanfang): Die Lichteinstrahlung auf Nord- und Südhalbkugel ist gleich groß. Der Tag ist genau so lang wie die Nacht.
21. März - 21. Juni (Frühling): Auf der Nordhalbkugel fällt das Licht immer steiler und länger auf die Erdoberfläche. Die Tage werden immer länger, die Nächte kürzer.
21. Juni (Sommeranfang): Auf der Nordhalbkugel fällt das Licht sehr steil (unter einem großen Winkel) und sehr lang auf die Erdoberfläche. Dies ist der längste Tag und die kürzeste Nacht des Jahres.
21. Juni - 23. September (Sommer): Auf der Nordhalbkugel fällt das Licht langsam flacher und kürzer auf die Erdoberfläche. Die Tage werden kürzer, die Nächte länger.
23. September (Herbstanfang): Die Lichteinstrahlung auf Nord- und Südhalbkugel ist gleich groß; der Tag ist genau so lang wie die Nacht.
23. September - 22. Dezember (Herbst): Auf der Nordhalbkugel fällt das Licht immer flacher und kürzer auf die Erdoberfläche. Die Tage werden immer kürzer, die Nächte länger.
Hinweis: Das Haus der Astronomie Heidelberg bietet hier eine ähnliche, gute Simulation zur Entstehung der Jahreszeiten durch die Neigung der Erdachse.
Nicht der Abstand Sonne-Erde ist Ursache
Die Bahn der Erde um die Sonne ist keine reine Kreisbahn sondern eine Ellipse ("deformierter Kreis"). Dabei befindet sich die Sonne in einem der beiden Ellipsenbrennpunkte. Oft wird fälschlicherweise angenommen, dass die Jahreszeiten dadurch zustande kommen, dass sich die Erde im Sommer näher an der Sonne befindet als im Winter. Man kann sich leicht überlegen, dass dies nicht stimmen kann, da ja zu der Zeit, in der wir auf der Nordhalbkugel Sommer haben, auf der Südhalbkugel Winter herrscht. Wie du aus der Animation in Abb. 1 ersehen kannst, ist die Erde im Winterhalbjahr (der Nordhalbkugel) sogar etwas näher an der Sonne als im Sommerhalbjahr.
Einfallswinkel des Sonnenlichtes
Hinweis: Die obige Animation verdeutlicht auf der rechten Seite, das der Einfall des Sonnenlichts auf den Erdboden im Winter schräger als im Sommer ist und deshalb die Erde weniger stark erwärmt wird. Leider fällt in der Animation auf die gleiche Fläche Erdboden zwar im Winter ein schmäleres Lichtbündel (zwischen den beiden äußeren Lichtstrahlen), aber die gleiche Anzahl an Lichtstrahlen wie im Sommer. Obwohl Lichtstrahlen nur modellhaft sind und hier lediglich die Richtung des Lichteinfalls verdeutlichen sollen, könnte die Darstellung verwirrend sein und den richtigen Sachverhalt verdecken. Wir bitten deshalb darum, diese kleine Ungenauigkeit zu entschuldigen, bis die Animation verbessert ist.
Unterschiedlicher Einstrahlwinkel beeinflusst die Erwärmung
Der verschieden steile Einfall des Lichtes und die unterschiedliche Tageslänge haben einen wesentlichen Einfluss auf die durchschnittlichen Temperaturen zu den verschiedenen Jahreszeiten.
Dass der steilere Lichteinfall eine stärkere Erwärmung der Erdkruste bedingt, wird durch die Skizze in Abb. 3 veranschaulicht. Flach einfallendes Licht (Winter) verteilt den gleichen Energiebetrag auf eine relativ große Fläche \({A_2}\). Daher ist die Erwärmung der Erdkruste nicht so stark wie bei steil einfallendem Licht im Sommer.
Unterschiedliche Tageslänge
In München (Ortszeit) wurden an den ausgezeichneten Daten folgende Zeiten für Sonnenauf- und Sonnenuntergang registriert:
| 20.03.2014: Frühlingsanfang | 21.06.2014: Sommeranfang | 23.09.2014: Herbstanfang | 22.12.2014: Winteranfang | |
|---|---|---|---|---|
| Sonnenaufgang | 6:15 Uhr | 5.13 Uhr | 7.02 Uhr | 8.01 Uhr |
| Sonnenuntergang |
18:26 Uhr
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21.17 Uhr
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19.09 Uhr
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16.23 Uhr
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| Tageslänge |
12 h 11 min
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16 h 4 min
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12 h 11 min
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8 h 21 min
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Aufgabe
Dauer von Sommer- und Winterhalbjahr
Berechne aus den obigen Angaben, wie viele Tage das Winter- bzw. Sommerhalbjahr dauert.
Gib eine plausible Erklärung dafür, warum das Sommerhalbjahr länger als das Winterhalbjahr ist.
Sonnenbahn für Beobachter auf der Nordhalbkugel
Für einen Beobachter auf der Nordhalbkugel sieht der Lauf der Sonne wie in Abb. 4 dargestellt aus. Beachte, dass die Auf- und Untergangspunkte im Laufe eines Jahrs wandern. Die Sonne geht nicht immer genau im Osten auf und im Westen unter. Die Kreisbögen, die die Sonne am Himmel beschreibt sind parallel.