Wir schreiben heute den 21. Dezember, den dunkelsten, den in Sonnenstunden gemessen kürzesten Tag des Jahres. Warum haben die Tage unterschiedliche Längen, wieso gibt es Jahreszeiten und wann sind wir der Sonne eigentlich am nächsten? Fragen wie diese werden im heutigen Adventkalenderbeitrag beantwortet.
Schon in der Schule lernt man die Einteilung des Jahres in vier Jahreszeiten, Frühling, Sommer, Herbst und Winter und schon seit jeher hat sich die Natur und der Mensch diesem Jahresrhythmus angepasst. Seit Kopernikus [1] und Kepler [2] wissen wir auch in Europa, die Erde bewegt sich um die Sonne, und ihre Bahn, Neigung und Eigenrotation sind für diese so maßgeblichen Zeiten verantwortlich. Wie kann man sich das vorstellen? Die Sonne stellt als großer leuchtender Gasball das Zentrum unseres Sonnensystems dar und hat eine anziehende Wirkung (Gravitationskraft) auf alle Objekte, die sich in der Nähe befinden. So auch auf die Erde und sämtliche Planeten, sowie Gesteinsbrocken in unserer Umgebung. Diese erwähnten Objekte werden also von der Sonne angezogen, fallen aber dennoch nicht in sie hinein, denn sie bewegen sich auf Ellipsenbahnen um die Sonne.
Do it yourself: Ellipsen selbst konstruiert. Man nehme eine Korkplatte, lege ein Blatt Papier darüber und fixiere zwei Reißnadeln (die sogenannten Brennpunkte) auf der Korkplatte (in einem Abstand von etwa 10 cm). Daran knote man die beiden Enden eines ca 15 cm langen Fadens. Nun spanne man mit einem Stift den Faden und bewege den Stift bei gespannter Schnur um die Reißnadeln herum. Auf diese Weise sollte eine Ellipse entstehen (siehe Video…).
Dies ist ein fragiles Gleichgewicht, dass sich im Laufe der Jahrmilliarden so eingestellt hat. Setzt man zufällig Objekte rund um einen Stern mit zufälliger Anfangsgeschwindigkeit, so stoßen die meisten zusammen, oder stürzen in den Stern, wie das Video unten zeigt. Nur die wenigsten finden eine stabile Umlaufbahn, wie unsere Planeten und Monde.
Die Planeten kreisen also um die Sonne, weil sie sich in einer stabilen Umlaufbahn befinden. Dabei können sie sich auch noch um ihre eigene Achse drehen. Dadurch, dass sich die Erde um ihre eigene Achse dreht und einmal der Sonne zugewandt und wieder abgewandt ist, entsteht Tag und Nacht. Was ist jetzt ein Tag genau? Angenommen wir fixieren einen Punkt auf der Erde (zum Beispiel, den Ort, an dem wir uns gerade aufhalten) und beobachten die Sonne. Gegen Mittag wird die Sonne den höchsten Punkt am Himmel erreichen (wir sagen, die Sonne steht im Zenit). Die Dauer bis die Sonne wieder am höchsten Punkt steht definiert einen (Sonnen)tag, den wir in 24 Stunden und weiters in Minuten und Sekunden aufteilen. Dies ist jedoch nicht die Zeit, die die Erde braucht um eine vollständige Drehung um ihre Achse zu machen. Diese Zeit nennen wir Sternentag und sie beträgt nur 23 Stunden 56 Minuten und ca. 4 Sekunden und ist also um ca. 1/365 kürzer als der vorhin beschriebene Sonnentag. Die Erklärung für diesen Unterschied liegt darin, dass sich die Erde während sie sich um ihre eigene Achse dreht ja auch ein Stück weit um die Sonne dreht und dann noch 1/365 nachdrehen muss um wieder zur Sonne zu schauen.
Wir wissen jetzt schon, wieso es ein Jahr und einen Tag gibt, aber noch nicht, wie die Jahreszeiten entstehen und warum gerade heute der kürzeste Tag ist. Deshalb wollen wir uns die Erdrotation noch einmal genauer ansehen, die Achse um die sich die Erde dreht ist nämlich um 23,4° zur Bahnachse, die gedachte Achse um die sich die Erde um die Sonne dreht, gekippt (siehe Grafik).
Auf diese Weise werden bestimmte Bereich der Erde zu bestimmten Zeiten (den Jahreszeiten) mehr von der Sonne beschienen (weil sie dann gerade zur Sonne geneigt sind) und zu anderen Zeiten weniger. Heute ist der Tag, an dem die Nordhalbkugel am wenigsten Sonnenstrahlen abkommt. Deshalb sprechen wir heute vom dunkelsten Tag oder kürzesten Tag (in Villach 8:32 Stunden) des Jahres. Ab morgen nimmt die Tageslänge allerdings schon wieder langsam zu. Zu Silvester beträgt die Tageslänge schon vier Minuten mehr als heute.
Wie hängen die Jahreszeiten mit der Temperatur zusammen? Da die Erde im Winter weniger der Sonne zugewandt ist, erhält sie auch weniger Wärme von der Sonne und die Luft, die Meere und das Land kühlen nach und nach ab. Dabei ist es zu der Zeit, zu der wir am wenigsten Sonnenwärme erhalten noch gar nicht am kältesten. Im Schnitt ist der Jänner der kälteste Monat des Jahres. Das hängt damit zusammen, dass das Meer und das Land sehr viel Wärme speichert und es eine Zeit dauert bis die Temperatur tatsächlich fällt. Siehe auch die Satellitenaufnahmen der Erde über das Jahr 2004.
Ein wichtiger Punkt ist, dass die Jahreszeiten nicht vom Abstand der Erde zur Sonne abhängen, sondern davon, ob wir der Sonne mehr zu oder mehr abgeneigt (Neigung der Erdrotationsachse) sind. Tatsächlich sind wir der Sonne im Winter am nächsten. Da die Erde eine Ellipsenbahn um die Sonne als Umlaufbahn hat, gibt es einen Punkt (Perihel = 3. Jänner), an dem wir der Sonne am nächsten sind und einen Zeitpunkt (Aphel = 3. Juli), an dem wir am weitesten von der Sonne entfernt sind. Die Erde ist der Sonne im Winter um ganze 5.000.000 Kilometer näher als im Sommer. Das mag jetzt verwundern, aber wie gesagt, die Jahreszeiten hängen nicht direkt vom Abstand der Sonne zur Erde sondern von der Neigung der Erdachse zur Sonne ab.
Literatur:
[1] Copernicus, Nicolaus. “1543. De revolutionibus orbium coelestium.” Libri VI (1995). [2] Kepler, J. (1992). Astronomia nova (1609). Johannes Kepler Gesammelte Werke, 3, 156.
Über den Autor
Gerhard Dorn ist theoretischer Physiker und arbeitet als Universitätsassisten an der Technischen Universität Graz, wo er Quanteneffekte im elektrischen Transport durch Moleküle untersucht.