...Einmaleins der Astronomie - Erdrotation, Ekliptik und was es damit auf sich hat.
Ich weiss doch bereits, dass sich die Erde in einem Jahr vollständig um die Sonne dreht und in einem Tag auch um sich selbst. Das lernt man in der Schule! Dies ist in der Tat Allgemeinwissen. Trotzdem lohnt es sich für naturinteressierte Leute bei diesem Thema genauer hinzuschauen, denn der Erdorbit und die Erd-Eigenrotation bestimmen nicht nur den Tag-/Nachtrythmus und die Jahreszeiten, sondern dessen Verständnis ist auch die Grundlage um das Bewegungsmuster der Sterne und des Mondes am Nachthimmel zu verstehen, es ist also quasi das Einmaleins der Astronomie.
Hast du zum Beispiel gewusst, dass sich die Erde nicht nach Westen, sondern nach Osten um sich selbst dreht? Oder dass eine vollständige Eigenrotation der Erde etwas weniger als 24 Stunden dauert und deshalb je nach Jahreszeit ein anderer Ausschnitt des Sternenhimmels in der Nacht sichtbar ist? Dass sich auch die Sterne am Nachthimmel «scheinbar» bewegen?
In diesem Artikel zeige ich dir diese Grundlagen des Systems von Erde und Sonne, so dass du das nötige Werkzeug hast, um tiefer in die Themen Sternenhimmel, Sternkoordinatensystem, Mondbewegungen und -phasen, Bewegung der Planeten am Nachthimmel, usw. einzusteigen. Sei dies aus reinem Interesse oder um dich als Bushcrafter/-in ohne technische Hilfsmittel an Sonne, Sterne und Mond orientieren zu können.
Erdorbit
Die Erde dreht also in einem Jahr vollständig um die Sonne, dies ist Allgemeinwissen. Doch in welche Richtung genau dreht die Erde um die Sonne? im Uhrzeigersinn oder im Gegenuhrzeigersinn?
Die Antwort: Es ist eine Frage der Perspektive!
In der Grafik unten schauen wir quasi schräg von Norden auf das Sonnensystem hinein (Nordrichtung zeigt nach «oben»). Aus dieser Perspektive betrachtet kreist die Erde, wie auch alle anderen Planeten in unserem Sonnensystem, im Gegenuhrzeigersinn um die Sonne. Es ist die Hauptrotationsrichtung unseres Sonnensystems.
die Hauptdrehrichtung im Sonnensystem verläuft aus der Perspektive «von Norden» im Gegenuhrzeigersinn
(Quelle: bearbeitet aus © Siberian Art - stock.adobe.com)
Im Blickwinkel aus Norden dreht die Erde im Gegenuhrzeigersinn um die Sonne!
Für eine vollständige Umdrehung braucht die Erde ein Jahr, genauer gesagt 365,256 Tage. Die Ebene der Umlaufbahn der Erde um die Sonne wird «Ekliptik» genannt.
Ekliptik = Ebene der Umlaufbahn der Erde um die Sonne
Nur um die Dimensionen zu verdeutlichen ein paar Zahlen dazu: Die Erde weist einen Eigenradius von ca. 6'370 Kilometer auf und kreist auf einer leicht elliptischen (nahezu runden) Umlaufbahn mit einem mittleren Radius von ca. 150 Mio. Kilometer um die Sonne (was ungefähr dem 23’000-fache des Eigenradius entspricht). Die Sonne selbst hat einen Radius von ca. 696'000 Kilometer (also in etwa das 110-fache des Erdradius). Die Dimensionen lassen es erahnen, dass man Sonne und Erde auf dem Papier, bzw. dem Bildschirm, nur schematisch darstellen kann, so wie in folgender Grafik, wo wir wiederum von Norden auf die Ekliptik-Ebene schauen:
schematisches, stark vereinfachtes Modell von Sonne und Erde mit Ekliptik und Erdorbit
Das schematische Modell in Stichpunkten:
Sonne in der Mitte
Die Erde kreist um die Sonne
Der Umlauf der Erde erfolgt im Gegenuhrzeigersinn (sofern man von Norden auf die Umlaufbahn blickt)
Die Ebene der Umlaufbahn nennt man «Ekliptik»
Eine vollständige Umrundung der Sonne dauert ein Jahr
Fragen:
Was denkst du, um wie viel um wie viel Grad ungefähr kreist die Erde um die Sonne pro Tag?
Wenn du aus südlicher Richtung in die die Ekliptikebene schaust, in welche Richtung dreht dann die Erde um die Sonne?
Antwort: 1° bzw. Uhrzeigersinn
Eigenrotation
Die Erd-Eigenrotation verläuft ebenfalls in Richtung der Hauptrotation, also im Gegenuhrzeigersinn (von Norden aus betrachtet). Oben gezeigtes schematisches Modell kann erweitert werden:
schematisches, stark vereinfachtes Modell von Sonne und Erde mit Erdorbit und Erdrotation
Bekanntlich ist es auf der Seite, welche der Sonne zugewandt ist, Tag. Auf der davon abgewandten Seite ist es Nacht:
schematisches, stark vereinfachtes Modell von Sonne und Erde mit Sonnenlicht und Lage von Tag und Nacht
Wo befinden sich die Himmelsrichtungen West und Ost an den beiden roten Punkten in den Grafik oben? Welche Uhrzeit ist dort gerade? Und wo auf der Erde findet gerade der Sonnenaufgang, wo findet der Sonnenuntergang statt?
Die Antwort findet ihr in der Grafik unten:
schematisches, stark vereinfachtes Modell von Sonne und Erde. Die Erde dreht um seine eigene Achse immer in Richtung Osten. Dort wo der Beobachtungspunkt auf der Erde das erste Mal auf das Sonnenlicht trifft, ist gerade Sonnenaufgang, bzw. dort er das Sonnenlicht verlässt gerade Sonnenuntergang
Die Erde dreht zwar in östlicher Richtung um sich selbst, für uns als Beobachter/-in auf der Erde erscheint es jedoch umgekehrt: Die Sonne wandert am Erdhimmel «scheinbar» in die westliche Richtung.
Die Erde dreht in östlicher Richtung um sich selbst, was am Erdhimmel zu einer scheinbaren Bewegung der Sonne nach Westen führt
Für uns als Beobachter/in auf der Erde geht die Sonne also am Morgen im Osten auf und am Abend im Westen unter, bewegt sich also von Osten nach Westen. Die bogenförmige Bewegung entsteht durch die Ausrichtung des Horizontes bezüglich der Ekliptik (wird später im Artikel ausführlich beschrieben).
Blick von der Erde mit schematischer Darstellung der Himmelsrichtungen und dem Verlauf der Sonne während des Tages (tatsächliche Himmelsrichtungen am Ort der Panoramaaufnahme weichen davon ab)
Betrachten wir die unteren zwei Grafiken: Kannst du die verschiedenen Positionen des Beobachtungspunktes während der Erdrotation dem jeweiligen Sonnenstand zuordnen? (Tipp: Betrachte die Himmelsrichtungen)
Antwort:
Der Winkel «a» zwischen der Sonneneinstrahlung und der westlichen Richtung im Schema Erde-Sonne lässt sich auf die Erdperspektive grob folgendermassen übertragen:
Winkel zwischen Sonneneinstrahlung und West-Richtung am Beobachtungspunkt (rot) aus der Aussenperspektive (links) und der Erdperspektive (rechts) (grob vereinfachte Betrachtung)
Die Kunst der verschiedenen Perspektiven
Die bisherigen Grafiken in diesem Artikel haben sich immer auf die zwei verschiedenen Perspektiven «von aussen aufs Sonnensystem» (Aussenperspektive) und «Erdhimmel» (Erdperspektive) bezogen.
Das Switchen zwischen diesen zwei Perspektiven ist die beste Übung um echtes «Verständnis» der Materie zu entwickeln (jenseits von «Auswendiglernen»). Mit «switchen» meine ich die Fähigkeit ableiten zu können was eine Position oder Bewegung X in der Perspektive A für einen Effekt in der Perspektive B hat und umgekehrt. Beispiel: Eigenrotation der Erde ostwärts, aus der Perspektive «von aussen», äussert sich in der Perspektive "Erdhimmel" als scheinbare Rotation der Sonne nach Westen.
Die beste Übung um das System Erde-Sonne zu verstehen, ist zwischen den verschiedenen zwei Perspektiven «von aussem aufs Sonnensystem» und «Erdhimmel» zu «switchen»
Sterntag und Sonnentag
Erd-Eigenrotation und Erdumlauf um die Sonne sind zwei verschiedene Bewegungen, die immer parallel ablaufen. Aus diesem Grund ist die Erde in der Zeit, in der Sie eine komplette 360° Eigenrotation absolviert hat, gleichzeitig auch ein Stück weiter um die Sonne gekreist.
Wenn die Erde in etwa einem Tag eine komplette Eigenrotation um 360° macht, um etwa wie viel Grad hat sie sich gleichzeitig um die Sonne gedreht?
Antwort: 1°
Bei uns auf der Nordhemisphäre ist es astronomisch Mittag wenn die Sonne am Tageshöchststand im Süden steht. Die über das ganze Jahr gemittelte Zeitdauer zwischen zwei Tageshöchstständen ist der «Sonnentag». Der Sonnentag ist das, was wir im Alltag als «Tag» verstehen und hat eine Dauer von 24:00:00 Stunden.
Der Sonnentag, also die Dauer zwischen den zwei Tageshöchstständen, dauert 24:00:00 Stunden
Im Gegensatz dazu ist ein «Sterntag» die Zeitdauer, welche die Erde für eine komplette 360°-Eigenrotation benötigt. Die Dauer eines Sterntages beträgt 23 Stunden, 56 Minuten und 4 Sekunden. Ein Sterntag ist also ca. 4 Minuten kürzer als ein Sonnentag. Oder anders gesagt: Da die Erde in einem Tag auch ein Stück weiter um die Sonne gekreist ist, muss die Erde ca. 4 Minuten «weiter um sich selbst drehen» um wieder den Tageshöchststand zu erreichen (siehe untere Grafiken).
Der Sterntag ist die Zeitdauer einer kompletten 360°-Eigenrotation der Erde und beträgt ca. 23:56h. Nach einem Sterntag muss die Erde ca. 4 Minuten «nachdrehen» damit derselbe Sonnenstand wie am Tag zuvor erreicht wird
Warum ist diese Unterscheidung so wichtig? Der Name «Sterntag» lässt es bereits erahnen, es hat mit dem Sternenhimmel zu tun. Die Differenz zwischen Sterntag und Sonnentag ist der Grund, warum die Sterne, bzw. Sternbilder jede Nacht um die gleiche Uhrzeit ein Stück weiter nach Westen wandern. Ein Stern leuchtet «von aussen» betrachtet immer aus der gleichen Richtung. Betrachten wir in Mitteleuropa den südlichen Sternenhimmel zu einer fixen Uhrzeit (z.B. Mitternacht 00:00): Jeden Tag verschiebt sich die Position der Sterne (hier als Winkel β dargestellt) um ca. 4 Minuten, also der Zeit, welche die Erde benötigt um «nachzudrehen». Der gleiche Stern ist ein Tag später zur gleichen Uhrzeit «4 Minuten» weiter im Westen bzw. an der gleichen Position 4 Minuten früher.
Die Differenz zwischen Sterntag und Sonnentag von ca. 4 Minuten ist der Grund, warum ein Stern jede Nacht um die gleiche Uhrzeit ein Stück weiter im Westen liegt
Nach einer vollständigen Eigenrotation (Zeitspanne = 1 Sterntag = 23:56:04 Stunden) muss die Erde, wegen dem gleichzeigten Orbit um die Sonne, noch ca. 4 Minuten «nachdrehen» um den gleichen Sonnenstand des Vortages (Zeitspanne = 1 Sonnentag = 24:00:00) zu erreichen.
Schiefe Erdachse
Die bisherigen schematischen Skizzen in diesem Artikel haben den Anschein erweckt, dass die Erdachse senkrecht zur Ekliptik ausgerichtet ist, doch dem ist nicht so: Die Erdachse ist gegenüber der Senkrechten der Ekliptik um 23,4367° geneigt! Dieser Fakt führt dazu, dass wir das Ganze nicht mehr im 2D-Modell visualisieren können und uns einem (leider verkomplizierendem) 3D-Modell bedienen müssen:
Erdumlaufbahn um die Sonne entlang der Ekliptikebene (Periode 1 Jahr) und Eigenrotation der Erde um die Erdachse (Periode 1 Sterntag - 23:56 h) im 3D-Modell
Die Erdachse ist gegenüber der Senkrechten der Ekliptik um 23,4367 Grad geneigt, was zu den Jahreszeiten führt
Dadurch entstehen die Jahreszeiten. Ist die Nordhemisphäre zur Sonne zugeneigt ist auf der Nordhemisphäre Sommer, weil die Sonne hoch am Horizont steht. Je steiler die Sonnenstrahlen auf die Erdoberfläche treffen, desto höher ist die Energiemenge an Sonnenlicht, die pro Quadratmeter die Erdoberfläche erreicht und desto eher kann sich der Boden oder das Meer aufheizen.
Ein halbes Jahr später ist die Nordhemisphäre der Sonne abgeneigt, mit dementsprechend flacher Sonneneinstrahlung: Die Sonne steht tief am Horizont, es ist Winter. Im Frühling und Herbst hingegen ist keine der beiden Hemisphären der Sonne zugeneigt.
Die Steilheit der Sonne über dem Horizont nennt man Azimut:
Das Azimut ist der Winkel der Steilheit der Sonne aus der Erdperspektive
Von aussen betrachtet ist das, was wir als Horizont wahrnehmen, die Tangente am Beobachtungspunkt (siehe Grafik unten). Für uns auf der Erde scheint der Horizont immer derselbe zu sein, obwohl er sich in Tat und Wahrheit ständig dreht. Die Richtung der Sonnenstrahlung ist immer parallel zur Ekliptik-Ebene. Aus der Überlagerung der Ekliptik-Ebene und der Drehung des Horizontes am Beobachtungspunkt (Drehung parallel zum Erdäquator) ergibt sich die bogenförmige («scheinbare») Bewegung der Sonne am Erdhimmel.
Das Azimut der Sonne mittags, aus der Aussenperspektive betrachtet
Betrachten wir nun die Erde zu verschiedenen Jahreszeiten. Der rote Punkt zeigt die ungefähre Position in Mitteleuropa um 12:00, die braunen Linien wiederum den Horizont am Beobachtungspunkt:
Das Azimut der Sonne mittags zu verschiedenen Jahreszeiten
Die Überlagerung der Ekliptik-Ebene mit der Drehung des Horizontes am Beobachtungspunkt führt zur bogenförmigen Bewegung der Sonne am Erdhimmel
An den Grafiken sieht man, dass die Lage des Horizontes bezüglich der Ekliptik-Ebene nicht nur vom Breitengrad und der Tageszeit, sondern auch von der Jahreszeit abhängt.
Die Änderung der Horizont-Ausrichtung mit der Jahreszeit (abhängig vom Breitengrad), zeigt sich in der Erdperspektive folgendes Verhalten der Sonnen-Zugbahn:
modellhafter Tagesverlauf der Sonne zu verschiedenen Jahreszeiten mit dem Azimut mittags
Im Sommer ist nicht nur die Steilheit der Sonne (Azimut) höher, sondern auch ihre gesamte Zugbahn. Dadurch geht die Sonne im Nordosten auf und im Nordwesten unter, mit entsprechend langen Tagen. An der Tag- und Nachtgleiche geht die Sonne exakt im Osten auf und exakt im Westen unter. Im Winter ist die Zugbahn tief, die Tage sind kurz und die Nächte lang. Warum das so ist, das müssen an einer 3D-Grafik des «Himmelsgewölbes» genauer betrachten:
Zugbahnen der Sonne zu verschiedenen Jahreszeiten am Himmelsgewölbe
Wir Menschen nehmen den Himmel als Halbkugel wahr, man spricht vom sogenannten «Himmelsgewölbe». Wie man an der Grafik oben erkennen kann, folgt die Sonnen-Zugbahn im Himmelsgewölbe immer einer Ebene parallel zum Erdäquator. Denn die Bewegung der Sonne am Erdhimmel kommt ja schlussendlich auch durch die Eigen-Rotation der Erde parallel zum Äquator zustande. Abhängig von der Jahreszeit ist die Ebene höher (Sommer) oder tiefer (Winter). Im Frühling / Herbst schneidet die Zugbahn der Sonne den Horizont in der Ost-West-Richtung: An den Tag- und Nachtgleichen geht die Sonne exakt im Osten auf und exakt im Westen unter, mit einer Tageslänge von 12h. Im Sommer wenn die Zugbahn der Sonne höher ist, schneidet sie den Horizont weiter hinten, d.h. ungefähr NO-NW, mit entsprechender Lage von Sonnenaufgang- und Untergang bzw. Tageslänge von mehr als 12 h. Im Winter ist alles analog SO-SW mit einer Tageslänge, die kürzer als 12h ist.
Die Zugbahn der Sonne am Himmelsgewölbe ist immer parallel zum Erd-Äquator, mit Schnittpunkten abhängig von der Jahreszeit mit entsprechender Richtung von Sonnenaufgang- / untergang und Tageslänge
Die Zugbahn der Sonne am Himmelsgewölbe darf nicht mit der Ekliptik-Ebene verwechselt werden. Die "Richtung der Sonnenstrahlung" ist zwar, wie im Artikel bereits erwähnt, immer parallel zur Ekliptik-Ebene ausgerichtet, doch die "Zugbahn der Sonnenstrahlung" (= Sonne) am Himmelsgewölbe ist immer parallel zum Erd-Äquator. Anders gesagt: Die Ausrichtung der Ekliptik von der Erdperspektive ist nicht konstant, sondern ändert sich im Tages- und Jahresverlauf. Im 2D-Querschnitt kann man die Zugbahnen der Sonne am Himmelsgewölbe (parallel zum Erdäquator), als auch die Ekliptik, abhängig der Jahreszeit jeweils Mittags, folgendermassen darstellen:
Zugbahnen der Sonne bezüglich dem Himmelsgewölbe (parallel zum Erd-Äquator) und Azimut der Sonne (parallel zur Ekliptik) zu verschiedenen Jahreszeiten mittags
Fazit
Dies wären also die wichtigsten Grundlagen um die Bewegungen der Sonne und Sterne am Erdhimmel zu verstehen. Natürlich gibt es bezüglich dem System Erde-Sonne noch weitere Punkte, wie die in Tatsache elliptische Form des Erdorbits oder die Zeitgleichung (Differenz Uhrzeit zu
wahrer Sonnenzeit). Dies sind Themen für Artikel, die hier auf dem erdflow-Blog noch folgen werden.
Das war jetzt sicher sehr viel Information auf einmal. Was muss ich nun tun um das Ganze wirklich zu verstehen? Ganz einfach visualisiere dir die Bewegungen von Erde und Sonne im Kopf, mache selbst Skizzen auf Papier, versuche (im Kopf oder auf Papier) zwischen den Perspektiven zu switchen. Mit der Zeit entwickelst du dabei ein Gespür für die Bewegung astronomischer Objekte. Du trainierst dabei sehr effektiv dein wichtigstes Werkzeug um als Naturinteressierte/r den Tages- und Nachthimmel zu verstehen!
In dem Zusammenhang ist es noch wichtig zu erwähnen, dass «Verstehen» nicht zu verwechseln ist mit «Auswendiglernen». Du kannst die Positionen und Bewegungen von Erde und Sonne zu verschiedenen Tages- und Jahreszeiten auswendig lernen und womöglich fehlerfrei wiedergeben können, aber damit hast du in Wahrheit nichts verstanden. Wenn du jedoch das grobe Modell von Erde und Sonne im Kopf visualisieren kannst und gedanklich zwischen der Aussenperspektive und der Erdperspektive switchen kannst, dann hast du es verstanden. Wenn du es verstanden hast dann kannst du alles was in diesem Artikel erwähnt wurde jederzeit selbst ableiten.
Also Bleib dran!
David
Quellen
Arnold Hanslmaier (2015) - Den Nachthimmel erleben, Sonne, Mond und Sterne - Praktische Astronomie zum Anfassen, ISBN 978-3-662-46031-3
Arnold Hanslmaier (2016) - Faszination Astronomie, Ein topaktueller Einstieg für alle naturwissenschaftlich Interessierten, 2. Auflage, ISBN 978-3-662-49036-5
W.E. Celnik und H.M. Hahn (2015) - Astronomie für Einsteiger, Schritt für Schritt zur erfolgreichen Himmelsbeobachtung, ISBN 978-3-440-14878-5
