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Grundwissen

Sonnenfinsternis

Das Wichtigste auf einen Blick

  • Bei einer Sonnenfinsternis befindet sich der Mond zwischen Sonne und Erde
  • Man unterscheidet meist zwischen totaler und partieller Sonnenfinsternis
  • Im Kernschatten des Mondes befindet sich immer nur ein kleiner Teil der Erdoberfläche
Aufgaben Aufgaben
Joachim Herz Stiftung
Abb. 1 Skizze zur Sonnenfinsternis (nicht maßstabsgetreu).

Eine irdische Sonnenfinsternis oder Eklipse (griechisch: ἔκλειψις ékleipsis „Überlagerung, Verdeckung, Auslöschung“) ist ein astronomisches Ereignis, bei dem die Sonne von der Erde aus gesehen durch den Mond ganz (totale Sonnenfinsternis) oder teilweise (partielle Sonnenfinsternis) verdeckt wird.

Eine Sonnenfinsternis kann nur dann Auftreten, wenn sich der Mond in der Neumondphase befindet und sich an einem Schnittpunkt mit der Ekliptikebene von Sonne und Erde befindet.

Ablauf einer totalen Sonnenfinsternis

Abb. 2 Blick auf die Sonne bei einer totalen Sonnenfinsternis

In der Animation in Abb. 2 kannst du zusammengefasst sehen, wie die Sonnenfinsternis vom 21. August 2017von der Erde aus zu sehen war. Insbesondere die Phase, in der das direkte Sonnenlicht verschwunden ist und nicht mehr alles überstrahlt ist interessant, da dann Leuchterscheinungen zu sehen sind, die sonst vom Strahlungslicht der Sonne überstrahlt werden und nicht sichtbar sind.

Abb. 3 Die virtuelle Kamera fliegt von der Nachtseite der Erde und des Mondes zur Tagseite und zeigt den Weg des Mondschattens während der totalen Sonnenfinsternis am 8. April 2024.

Die Animation in Abb. 3 zeigt, wie die Sonnenfinsternis von außen zu sehen wäre. Du kannst sowohl den Kernschatten als kleinen schwarzen Punkt als auch den Halbschatten während des Weges über die Erdoberfläche beobachten.

Beobachter im kleinen Kernschatten beobachten hierbei eine totale Sonnenfinsternis, da der Mond die Sonne vollständig verdeckt. Beobachter im Halbschatten erleben hingegen eine partielle Sonnenfinsternis, da nur ein Teil der Sonne vom Mond verdeckt ist.

Veranschaulichung in einer Simulation

Abb. 4 Simulation von Sonnenfinsternissen

Das Haus der Astronomie bietet hier die in Abb. 4 gezeigte Simulation zur Veranschaulichung von Sonnenfinsternissen. Darin können verschiedenen Sonnenfinsternisse als Ereignis ausgewählt werden. Im Zentrum wird der Verlauf des Mondschattens über der Erde sichtbar gemacht. Rechts wird der Blick auf die Sonne von einem Beliebige Ort auf der Erde zum gewählten Zeitpunkt dargestellt, sodass der Ablauf der Sonnenfinsternis einfach verfolgt werden kann.

Aufgabe

Gib an, in welcher Mondphase Sonnenfinsternisse zu beobachten sind. Begründe deine Entscheidung.

Lösung

Sonnenfinsternisse finden nur bei Neumond statt. Bei Neumond befindet sich der Mond am Himmel auf der selben Seite wie die Sonne. Dies ist genau die Voraussetzung dafür, dass sich die Erde (teilweise) im Schatten des Mondes befindet.

Gib an, ob man eine Sonnenfinsternis überall auf der Erde gleichzeitig sehen kann, und erkläre deine Aussage.

Lösung

Sonnenfinsternisse sind immer nur in einem kleinen Gebiet auf der Erde zu sehen. Der Grund hierfür ist, dass der Bereich des Kernschattens des Mondes auf der Erde nur sehr klein ist.

Erläutere, warum nicht bei jedem Neumond Sonnenfinsternis ist.

Lösung

Abb. 4 Die Skizze zeigt grün die Ekliptik und violett die Mondbahn.

Eine Sonnenfinsternis kann nur eintreten, wenn der Mond auf seiner Bahn durch die Erdbahnebene (Ekliptik) läuft und gleichzeitig exakte Neumondstellung ist. Die Mondbahnebene ist um etwa \(5^\circ \) gegen die Erdbahnebene (Ekliptik) geneigt. Der Mond bewegt sich auf seiner Bahn so, dass er sein Schatten bei Neumond bis über \(37000\,{\rm{km}}\) oberhalb oder unterhalb der Verbindungslinie Erde - Sonne vorbeizieht. Deshalb verfehlt der der Kernschatten des Neumondes meistens die Erdoberfläche. Nur wenn sich der Mond auf der Schnittlinie der Erbahnebene mit der Mondbahnebene, der so genannten Knotenlinie befindet, bewegt er seinen Kernschatten direkt vor der Erde.

Für mathematisch Fortgeschrittene: Der Kernschatten der Erde hat die Form eines geraden Kreiskegels mit der Erdkreisscheibe als Grundfläche. Bekannt sind die folgenden Daten:

Tab. 1 bekannte Messdaten aus der astronomischen Beobachtungen

  real verkleinert
Sonnendurchmesser \({d_{\rm{S}}}\) \(1392\cdot10^6\,\rm{m}\) \(1{,}4\,\rm{m}\)
Erddurchmesser \({d_{\rm{E}}}\) \(12{,}7\cdot10^6\,\rm{m}\) \(1{,}3\,\rm{cm}\)
Monddurchmesser \({d_{\rm{M}}}\) \(3{,}48\cdot10^6\,\rm{m}\) \(3{,}5\,\rm{mm}\)
Entfernung Erde - Sonne \({d_{\rm{ES}}}\) \(149600\cdot10^6\,\rm{m}\pm2500\cdot10^6\,\rm{m}\) \(150\,\rm{m}\)
Mittelpunktsentfernung Erde - Mond \({d_{\rm{EM}}}\) \(384\cdot10^6\,\rm{m}\pm21\cdot10^6\,\rm{m}\) \(38\,\rm{cm}\)

Zeige mit Hilfe der obenstehenden Daten durch Rechnung, dass die Länge des Kernschattens \(1378 \cdot {10^6}\,{\rm{m}} \pm 23 \cdot {10^6}\,{\rm{m}}\) beträgt.

Lösung

 

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Abb. 5 Lösungsskizze

Nach dem Strahlensatz gilt
\[\frac{{{d_{\rm{S}}}}}{{{d_{{\rm{ES}}}} + s}} = \frac{{{d_{\rm{E}}}}}{s}\]
wobei \(s\) die Kernschattenlänge ist. Daraus folgt
\[\begin{eqnarray}
s \cdot {d_{\rm{S}}} &=& {d_{\rm{E}}} \cdot {d_{{\rm{ES}}}} + {d_{\rm{E}}} \cdot s \\
s \cdot {d_{\rm{S}}} - {d_{\rm{E}}} \cdot s &=& {d_{\rm{E}}} \cdot {d_{{\rm{ES}}}} \\
s \cdot ({d_{\rm{S}}} - {d_{\rm{E}}}) &=& {d_{\rm{E}}} \cdot {d_{{\rm{ES}}}} \\
s &=& \frac{{{d_{\rm{E}}} \cdot {d_{{\rm{ES}}}}}}{{{d_{\rm{S}}} - {d_{\rm{E}}}}}
\end{eqnarray}\]
Mit den Zahlenwerten aus der Tabelle ergibt sich
\[s = \frac{{12,7 \cdot {{10}^6}\,{\rm{m}} \cdot \left( {149600 \cdot {{10}^6}\,{\rm{m}} \pm 2500 \cdot {{10}^6}\,{\rm{m}}} \right)}}{{1392 \cdot {{10}^6}\,{\rm{m}} - 12,7 \cdot {{10}^6}\,{\rm{m}}}} = 1378 \cdot {10^6}\,{\rm{m}} \pm 23 \cdot {10^6}\,{\rm{m}}\]

ie Kernschattenlänge schwankt also zwischen \(369 \cdot {10^6}\,{\rm{m}}\) (wenn die Sonne nah da ist) und \(381 \cdot {10^6}\,{\rm{m}}\) (wenn die Sonne weit weg ist). Der Kernschatten des Mondes endet also etwa in Erdnähe, wobei die dem Mond zugewandten Oberfläche der Erde zum Mond einen Abstand zwischen \(357 \cdot {10^6}\,{\rm{m}}\) und \(395 \cdot {10^6}\,{\rm{m}}\) hat. Der Kernschatten des Mondes erreicht also nicht immer die Eroberfläche und kann auf der Erdoberfläche höchstens eine Kreisfläche von \(220\,\rm{km}\) Durchmesser bedecken. Dies ist nur dann möglich, wenn die Erde am weitesten von der Sonne und gleichzeitig der Mond der Erde am nächsten ist. Erreicht der Kernschatten des Mondes die Erdoberfläche nicht, kann man auf der Erde eine Ringfinsternis beobachten, bei der der Sonnenrand außen am Mondrand vorbei schaut.