Die Jahreszeiten

Die vier Jahreszeiten Frühling, Sommer, Herbst und Winter kennt jeder. Sie bestimmen unser Leben. Wir können die Jahreszeiten an verschiedenen Naturerscheinungen beobachten und nach verfolgen. So spüren wir die kalten Winter und die warmen Sommer. Mit einhergehend mit den Jahreszeiten beobachten wir die unterschiedliche Länge von Tag und Nacht. Doch wie entstehen die Jahreszeiten eigentlich, warum ist es im Sommer warm und im Winter kalt und warum sind die Tage und Nächte unterschiedlich lang? Eine Fragen die immer wieder gestellt wird und die ich hier beantworten will.

Ein Baum im Wechsel der Jahreszeiten

Die Jahreszeiten und die Erdbahn

Eine immer wieder aufgestellte Vermutung ist, dass die Jahreszeiten durch den sich ändernden Abstand der Erde zur Sonne zusammenhängt. Tatsächlich ist die Entfernung der Erde zur Sonne nicht gleich, sondern ändert sich im Laufe eines Umlaufs um die Sonne. Der mittlere Abstand der Erde zur Sonne beträgt 149,6 Millionen Kilometer. Diese Entfernung wird auch als Astronomischen Einheit bezeichnet. Die Umlaufbahn der Erde ist keine Kreisbahn, sondern eine Ellipse. Wenn die Erde der Sonne am nächsten steht, ist sie 147,1 Millionen Kilometer von unserem Zentralgestirn entfernt. Diesen sonnennächsten Punkt nennt man Perihel. Als Aphel wird der sonnfernste Punkt bezeichnet, dann ist die Erde 152,1 Millionen Kilometer von der Sonne weg. Die Schwankung der Erddistanz zur Sonne im Laufe eines Erdjahres beträgt etwa 5 Millionen Kilometer, das sind gerade 3 Prozent des mittleren Abstands Erde-Sonne. Man könnte jetzt erwarten, dass es auf der Erde am wärmsten wird, wenn die Erde im Perihel, also im sonnennächsten Punkt der Erdbahn steht. Dann hätten wir Sommer. Im sonnenfernsten Bahnpunkt, dem Aphel wird es dann am kühlsten und wir haben Winter. Zwei Dinge übersehen wir dabei. Zum einen sind die Jahreszeiten auf der Nord- und der Südhalbkugel um ein halbes Jahr verschoben, also wenn wir auf der Nordhalbkugel Sommer haben, ist auf der Südhalbkugel Winter usw. Zum anderen durchläuft die Erde den sonnennächsten Bahnpunkt Anfang Januar wenn auf der Nordhalbkugel Winter ist.

Würden die Jahreszeiten von der Entfernung der Erde zur Sonne zusammenhängen, dann sollten wir Sommer haben wenn die Erde den Aphel ihrer Bahn durchläuft und das auf beiden Erdhemisphären.

Geneigte Erdachse

Die Entstehung der Jahreszeiten hat also nichts mit der sich beständig ändernden Entfernung zwischen der Erde und der Sonne zu tun. Will man den Grund für die Jahreszeiten finden, dann muß man der Frage nachgehen warum die Jahreszeiten auf der Nordhalbkugel und auf der Südhalbkugel um ein halbes Jahr verschoben sind. Wenn auf der Nordhalbkugel Winter herrscht, ist auf der Südhalbkugel Sommer. Ist auf der Nordhalbkugel Frühling, hat die Südhemisphäre Herbst usw. Das kann man nur verstehen, wenn man sich vor Augen hält, dass die Drehachse der Erde, also die Achse um die sie ihre tägliche Drehung volführt nicht senkrecht auf ihrer Umlaufbahn steht, sondern geneigt ist. Tatsächlich ist die Erdachse um ca. 23,5° aus der Senkrechten geneigt. Nun kommt noch dazu, daß die Rotationsachse (Drehachse) der Erde immer gleich ausgerichtet ist. So zeigt die Erdachse an der nördlichen Himmelsphäre etwa immer auf den Polarstern.

Die Neigung der Erdachse gegenüber der Erdbahn und ihre immer gleiche Ausrichtung zum Polarstern führt dazu, dass sich während eines Umlaufs der Erde um die Sonne die Neigung der Erdpole gegenüber der Sonne verändert. Wenn wir uns vorstellen wir könnten die Erde vom Weltraum aus betrachten würden wir sehen wie sich die Tag- und Nachtgrenze, der sogenannte Terminator auf der Erde im Laufe eines Jahres verschiebt. Von der Sonne aus betrachtet sieht das etwa wie folgt aus: beginnen wir am Tag des Frühlingsanfangs auf der Nordhalbkugel. An diesem Tag sehen wir von der Sonne aus beide Pole der Erde. Die Tag- und Nachtgrenze verläuft über beide Pole. In der Folgezeit neigt sich der iridsche Nordpol der Sonne entgegen, während der Südpol immer mehr von der Sonne wegkippt. Sobald der Nordpol 23,5° gegenüber der Senkrechten zur Erdumlaufbahn in Richtung zur Sonne geneigt ist, haben wir Sommeranfang. Jetzt verläuft der Terminator hinter dem Nordpol. Während am Nordpol Polartag herrscht, ist am Südpol Polarnacht. Danach verschiebt sich die Tag- und Nachtgrenze auf der Erde wieder soweit, bis beide Pole wieder gleich beleuchtet sind. Es ist Herbstanfang auf der Nordhalbkugel und Frühlingsanfang südlich des Erdäquators. Jetzt wandert der Norpol von der Sonne weg und der Südpol zur Sonne hin. Solange bis auch der Südpol 23,5° aus der Senkrechten zur Sonne hin zeigt. Auf der Südhalbkugel ist Sommer, während im Norden Winter ist.

Frühling                                                                       Sommer

Herbst                                                                         Winter

Die Neigung der Drehachse und der Sonnenlauf

Jetzt wollen wir mal sehen, wie sich die Neigung der Drehachse der Erde für uns bemerkbar macht, bzw. was wir beobachten können. Das die Erdachse gegenüber der Erdbahn geneigt ist, können wir auf dreierlei Art festellen, die einander bedingen. Zum einen ist es die sich über das Jahr ändernde Länge von lichtem Tag und dunkler Nacht. Jedem dürfte bekannt sein, dass die Sommertage erhebliche länger sind als die Wintertage und die Nächte im Sommer viel kürzer sind als die Winternächte. Wer sich den täglichen Sonnenlauf genauer ansieht, dem wird auffallen, dass sich der Auf- und Untergangspunkt über das Jahr verändert. Zudem läßt sich beobachten dass die Mittagshöhe der Sonne über das Jahr stark schwankt.

Die Bewegung der Erde sehen wir als Bewegung der Sonne am Sternhimmel. Genauer sehen wir dies am sich ändernden Anblick des jahreszeitlichen Nachthimmels. Die Sonne zieht scheinbar ihre Bahn durch die Sternbilder des Tierkreises, in denen wir auch den Mond und die Planeten sehen können. Diese scheinbare Sonnenbahn wird auch als Ekliptik bezeichnet. Die Neigung der Erdachse führt nun auch dazu, dass die Ekliptik gegenüber dem Himmelspolen und dem Himmelsäquator geneigt ist. So ist die Ekliptik gegenüber dem Himmelsäquator, der nichts anderes als die Projektion das Erdäquators an den Himmel ist, um 23,5° geneigt. Das entspricht genau der Neigung der Erdachse aus der Senkrechten gegenüber der Erdbahn. Ekliptik und Himmelsäquator schneiden sich an zwei Punkten, die im Laufe das Jahres die Sonne durchwandert. Die Punkte werden als Frühlingspunkt und als Herbstpunkt bezeichnet, da die Sonne dort am Frühlingsanfang, bzw. am Herbstanfang steht.

Doch schauen wir uns das mal genauer an. Wir starten wieder am Tag des Frühjahrsbeginn (20. od. 21.03). Wie oben bereits beschrieben, verläuft an diesem Tag die Tag- und Nachtgrenze über beide Erdpole. Wir können an diesem Tag folgende Beobachtungen machen. Die Sonne durchläuft an diesem Tag den Frühlingspunkt und steht also auf dem Himmelsäquator. Sie geht am Morgen genau in Ostrichtung auf und versinkt am Abend genau in Westrichtung. Da die Sonne auf dem Himmelsäquator steht, bewegt sie sich mit diesem über den Himmel. Zur Mittagszeit hat sie ihren höchsten Punkt in Südrichtung über dem Horizont erreicht. Von Frankfurt aus hat sie dann etwa eine Höhe von 40° über dem Südpunkt. Wenn wir mit einer Uhr die Zeit von Sonnenaufgang bis Sonnenuntergang messen erhalten wir ein Zeit von 12 Stunden für den lichten Tag. Die Nacht ist nochmal genauso lang. Da Tag und Nacht gleichlang sind nennen wir diesen Tag auch einfach Tag- und Nachtgleiche (TNG). Es sei hier schonmal vorweg genommen, dass wir am Tag des Herbstanfangs genau die gleiche Beobachtung machen können.

Nun schauen wir uns den Sonnenlauf in der folgenden Zeit bis zum Sommeranfang an. Hier wird uns auffallen, dass zum einen die Länge des lichten Tages zunimmt und die Nachtlänge abnimmt, zum anderen verschieben sich der Aufgangsort und der Untergangort der Sonne in nördliche Richtung und auch die Mittagshöhe der Sonne nimmt immer weiter zu, da der Winkelabstand zwischen Ekliptik und Himmelsäquator zunimmt. Am Tag des Sommeranfangs (20. od. 21.06.) geht die Sonne am frühen Morgen im Nordosten auf und am späten Abend im Nordwesten unter. Zur Mittagszeit erreicht sie eine maximale Höhe von 63,5° über dem Südhorizont. Die Tageslänge beträgt an diesem Tag gut 16 Stunden und die Nacht dauert nur 8 Stunden. Von diesem Tag an verschieben sich Aufgangs- und Untergangsort der Sonne wieder in südlicher Richtung, die Tageslänge nimmt wieder ab und die Mittagshöhe der Sonne verringert sich. Diesen Tag kennen wir auch als Tag der Sommersonnenwende (SSW).  Über den Tag des Herbstanfang (22.09. od.23.09.) hinaus geht diese Entwicklung weiter bis zum Winteranfang (21.12. od. 22.12.). Dieser Tag nennt man auch Tag der Wintersonnenwende (WSW). Die Sonne erscheint erst am späten Morgen in südöstlicher Richtung und geht am späten Nachmittag in südwestlicher Richtung unter. Die Mittagshöhe beträgt an diesem Tag gerade mal 16,5° über dem Südpunkt. Die Länge des lichten Tages und der dunklen Nacht hat sich zur Sommersonnenwende genau umgekehrt. Auf gerade mal 8 Stunden Tag folgen 16 Stunden Nacht. Von diesem Tag an wandern Auf- und Untergangspunkt wieder nach Norden und die Tageslänge wächst bis zur Sommersonnenwende.

Die tägliche Sonnenbahn im Laufe eines Jahres.
Die tägliche Sonnenbahn im Laufe eines Jahres.

Winter ist kalt, Sommer ist warm

Als letztes gehen wir der Frage nach, warum es im Winter kalt ist und ihm Sommer warm. Dies hat zum einen mit der Höhe der Sonne über dem Horizont und der Tageslänge zu tun. Von der Sonne erhält die Erde neben dem Licht noch verschiedene andere Arten von Strahlung, darunter auch UV- und vor allem Wärmestrahlung. Diese Strahlung erwärmt sowohl den Erdboden als auch das Wasser der Seen und Meere. Wie stark diese Erwärmung ist hängt zum einen vom Sonnenstand ab und zum anderen von der Tageslänge.

Wie genau funktioniert das?

Stellen wir uns dazu ein kleines Experiment vor, das jeder machen kann. Man nehme ein Bündel gleichlanger Stifte und halte sie senkrecht auf ein Blatt Papier. Die Stifte füllen eine bestimmte Fläche des Papiers aus, die wir markieren können. Jetzt beginnen wir das Bündel Stifte schräg zu halten aber so dass alle Stifte das Papier berühren. Je schräger wir die Stifte halten, desto mehr verteilen sich die Stifte über die zuvor markierte Fläche hinaus. Immer weniger Stifte berühren das Papier innerhalb der bezeichneten Fläche. Genauso ist das auch mit den Sonnenstrahlen. Bei hoch stehender Sonne erwärmen eine bestimmte Menge von Sonnenstrahlen eine bestimmte Fläche Erdboden. Je tiefer die Sonne steht, desto mehr verteilt sich die gleiche Menge Sonnenstrahlen über die Fläche Erdboden hinaus. Die gleiche Fläche wird also von weniger Sonnenstrahlen erwärmt und kann somit nicht so warm werden wie bei hoch stehender Sonne. Zwischen dem Sonnenhöchststand zur Sommersonnenwende und dem zur Wintersonnenwende beträgt der Unterschied stattliche 47° (63,5° Sommer, 16,5° Winter).

Noch deutlicher wird es, wenn wir eine grobe Abschätzung machen, um wieviel die Fläche größer wird über die sich die gleiche Menge Sonnenstrahlen bei dem niedrigen Sonnenstand im Winter verteilt. Wenn wir zur Mittagszeit am Tage des Sonnenanfangs ein bestimmtes Büdel Licht auf einen Quadratmeter Boden fallen lassen. Wenn wir nun das gleiche Büdel Licht Mittags am Tag der Wintersonnenwende auf den Boden fallen lassen, wir die beleuchtete Fläche größer. Mit der reziproken Sinusfunktion (1/sin(x)) kann man die Fläche abschätzen. Die beleuchtet Fläche Im Winter ist gut 3 Mal so groß wie im Sommer. Zusammen mit der stark verkürzten Tageslänge ist es kein Wunder, dass es im Winter kälter ist als im Sommer, zumal noch dazu kommt dass die Erde in den langen Winternächten stärker abkühlen kann als in den kurzen Sommernächten.   

Autor: Oliver Debus

Seit 1983 Amateurastronom und seit 1988 in der astronomischen Volksbildung tätig.

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