D – Alltagtagsastronomie: Sonne, Erde & Mond

Wir betrachten im Folgenden die drei für uns wichtigsten Himmelskörper: Sonne, Erde und Mond, ihre Eigenschaften, Bewegungen und Konstellationen zueinander. Durch die besonderen Konstellationen, (Dreh-)Bewegungen und Größenverhältnisse von Sonne, Erde und Mond kommt es zu astronomisch bedingten und alltagsbezogenen Phänomenen, die ganz entscheidend das Leben auf der Erde prägen. Wichtig dabei sind insbesondere:

      • Selbstleuchtende Sonne, nicht selbstleuchtende Erde und Mond
      • Drehung der Erde um ihre eigne, leicht schräge Achse, Drehung des Mondes um seine Achse
      • Umkreisen der Erde um die Sonne und des Monds um die Erde, Neigung der jeweiligen Ebenen zueinander
      • Größen und Entfernung der drei Himmelskörper

Mit ein wenig fachlichen Grundlagen können wir so zentrale alltagsastronomische Phänomene erklären.

Zunächst einige Fakten zu den drei Himmelskörpern (siehe Abbildungen D.1, D.2 und D.3):

Erde und Mond sind keine selbstleuchtenden Körper, sondern werden von der Sonne angeleuchtet. Die Erde umkreist die leuchtende Sonne und dreht sich zusätzlich um ihre Achse. Der Mond umkreist die Erde und somit ebenfalls die Sonne und dreht sich ebenfalls um seine eigene Achse – faszinierender Weise gerade so schnell, dass wir von der Erde aus immer nur seine gleiche Seite zu sehen bekommen.

Wir betrachten vier alltagsbezogene Phänomene, die sich aus diesen astronomischen Begebenheiten ergeben:

      1. Tag- und Nachtzeiten (nicht-selbstleuchtende Erde, Drehen um eigene Achse, schräge Erdachse)
      2. Jahreszeiten (schräge Erdachse, Drehung der Erde um Sonne)
      3. Mondphasen (Drehung des Monds um die Erde, Drehen der Erde um ihre Achse)
      4. Sonnen- und Mondfinsternisse (Drehen der Erde um die Sonne, Drehen des Monds um die Erde, schräge Erdachse, Neigung der Ebene des Mondumlaufs)

D.1 Tag- und Nachtzeiten

a. Da die Erde nicht selbst leuchtet, sondern von der Sonne beschienen wird, gibt es stets eine beleuchtete (Tag-) und eine nicht beleuchtete (Nacht-)Seite der Erde (siehe Abbildung4).

b. Zusätzlich dreht sich die Erde innerhalb von 24 Stunden einmal um ihre eigene Achse. Daher wechseln sich innerhalb von 24 Stunden helle und dunkle Beleuchtung auf der Erde ab (siehe Abbildung5).

c. Nehmen wir nun noch den Aspekt hinzu, dass sich die Erde nicht um eine zur Erde-Sonne-Achse senkrechte, sondern um eine hierzu leicht geneigte Achse dreht, ergibt sich auch, dass nicht an jedem Ort der Erde Tag und Nacht jeweils immer genau 12 Stunden andauern (mit Übergangszeiten der Dämmerung). Auf der der Sonne mit der Drehachse zugeneigten Seite dauert die Tageszeit mehr als 12 und die Nachtzeit entsprechend weniger als 12 Stunden an. In Abbildung6 betrifft das gerade die Südhalbkugel, die der Sonne zugeneigt ist und so mehr Tag- als Nachtstunden abbekommt. Da die Neigung der Erdachse um ca. 23,5o zur Senkrechten geneigt ist, lässt sich auf der Erde ein Breitengrad von ca. 66,5o ausmachen (der nördliche und der südliche Polarkreis), an dem jeweils einmal im Jahr zum Sommer-, bzw. Winteranfang die Sonne an einem Tag nicht unter- bzw. nicht aufgeht (23,5o + 66,5o = 90o). An Orten, die noch näher zu den Polen als die Polarkreise liegen, geht die Sonne noch länger nicht unter bzw. auf. An den Polen schließlich herrscht ein halbes Jahr Tag und ein halbes Jahr Nacht.

Deutschland liegt zwischen dem 47. und 55. nördlichen Breitengrad. Tag- und Nachtlängen variieren ca. zwischen 8 und 16 Stunden im Laufe eines Jahres.

Zum Äquator hin variieren die Längen von Tag und Nacht immer weniger. Am Äquator selbst dauern Tag und Nacht stets jeweils 12 Stunden. Auch die Zeit der Dämmerung ist hier extrem kurz, da die Sonne beinah senkrecht und recht schnell hinter dem Horizont verschwindet. Je weiter man sich vom Äquator in Richtung der Pole entfernt, desto flacher verläuft die von der Erde aus gesehene Bahn der Sonne und desto länger dauert auch die Dämmerung an.


Kurz & knapp: Tag- und Nachtzeiten

Tag- und Nachtzeiten kommen dadurch zustande, dass die Erde sich in 24 Stunden einmal um ihre eigene Achse dreht. Dass diese Achse leicht schräg steht, führt dazu, dass außer am Äquator die Länge von Tagen und Nächsten im Laufe eines Jahres variieren.


D.2 Jahreszeiten

a) Das Licht der Sonne beleuchtet die ihr zugewandte Hälfte der Erde. Da die Erdachse leicht schräg steht (ca. 23,5o), trifft das Sonnenlicht auf der Nordhalbkugel in einem anderen Winkel auf die Erde als auf der Südhalbkugel. In einem Fall trifft es mehr senkrecht auf die Erde (in Abbildung D.7 auf der Südhalbkugel), in einem streift es die Erde mehr (in Abbildung D.7 auf der Nordhalbkugel).

b) In dem in Abbildung D.7 dargestellten Fall wäre nun gerade auf der Nordhalbkugel Winter und auf der Südhalbkugel Sommer. Wieso?

Betrachten wir zwei Lichtbündel von der Sonne: Eins, das auf die Nordhalbkugel trifft und eins, das auf die Südhalbkugel trifft. Beide Lichtbündel sind in Abbildung D.8 gleich breit gezeichnet. Das bedeutet sie transportieren die gleiche Menge an Strahlungsenergie von der Sonne zur Erde.

c) Das Licht auf der Nordhalbkugel trifft sehr flach auf die Erde auf und überstreicht dadurch einen größeren Bereich auf der Erdoberfläche. Die in Wärme umgewandelte Strahlungsenergie muss sich hier über eine größere Fläche verteilen, wodurch sich die Strahlungsdichte verringert (siehe Abbildung9). Auf der Nordhalbkugel der Erde ist es daher gerade kälter als auf der Südhalbkugel. Es herrscht dort Winter.

Das Licht auf der Südhalbkugel trifft eher senkrecht auf die Erde auf. Es überstreicht dadurch einen eher kleinen Bereich auf der Erdoberfläche und die in Wärme umgewandelte Strahlungsenergie muss sich nur über eine kleine Fläche verteilen. Auf der Südhalbkugel der Erde herrscht gerade Sommer.

d) Hinzu kommt noch zusätzlich der bereits oben besprochenen Effekt, dass im Winter die Tage kürzer sind als im Sommer. Dadurch gelangt noch weniger Sonnenlicht auf die jeweilige Halbkugel der Erde im Winter (siehe Abbildung6).

e) Da die Erdachse beim Umlauf der Erde um die Sonne (Dauer 1 Jahr) ihre Ausrichtung beibehält, wechseln sich die Jahreszeiten zwischen Nord- und Südhalbkugel ab. Der Frühlings- und der Herbstanfang markieren die Wendepunkte des Übergangs vom Winter- zum Sommerhalbjahr und umgekehrt. An diesen beiden Tagen herrscht Tag- und Nacht-Gleiche. Tag und Nacht sind dann überall auf der Erde genau 12 Stunden lang (siehe Abbildung10).

Je näher man zum Äquator kommt, desto weniger Unterschiede ergeben sich durch den jahreszeitlichen Verlauf. Am Äquator sind keine jahreszeitlichen Unterschiede mehr aufgrund der astronomischen Ausrichtungen zu bemerken.

Anhand von Abbildung D.10 lässt sich auch die häufig vertretene Annahme widerlegen, dass die Jahreszeiten durch einen unterschiedlichen Abstand der Erde zur Sonne hervorgerufen würden. Denn in diesem Fall müsste die Jahreszeit auf der Nord- und der Südhalbkugel immer die gleiche sein. Tatsächlich ist die Erde sogar in unserem Winter (Nordhalbkugel) etwas näher an der Sonne als im Sommer (147 zu 152 Millionen km).


Kurz & knapp: Jahreszeiten

Die schräg stehende Erdachse ist auch dafür verantwortlich, dass es auf der Erde Jahreszeiten gibt. Der zweite wesentliche Grund hierfür ist die Drehbewegung der Erde um die Sonne in ca. 365 Tagen.

Da die Erdachse bei dieser Umdrehung ihre Ausrichtung beibehält, wechseln sich auf der Nord- und Südhalbkugel Sommer und Winter im Laufe eines Jahres ab.


D.3 Mondphasen

Neben Sonne und Erde spielt auch der Mond eine wichtige Rolle im astronomischen Schauspiel des Alltags. Der Mond ist unser sogenannter „Trabant“, unser Himmelsbegleiter, der die Erde umkreist. Ein solcher Trabant ist keine ungewöhnliche Erscheinung für Planeten. Alle Planeten unseres Sonnensystems, außer den kleinsten Merkur und Venus, besitzen mindestens einen Mond. Jupiter und Saturn bringen es sogar auf über 60 Monde, die sie umkreisen. Das Ungewöhnliche an unserem Erdtrabanten ist dabei allerdings seine erstaunliche Größe. Der Erdmond bringt es auf ein Viertel des Erddurchmessers. (Zum Vergleich: Die Monde des Mars messen gerademal einen Durchmesser von 15 bzw. 20 km.)

Erstaunlich ist auch, dass das durchschnittliche Wissen über den Ablauf des Erscheinens unseres Mondes sehr begrenzt und auch unter Erwachsenen oft fehlerhaft ist. Dabei lassen sich mit nur wenigen Informationen die Regelmäßigkeiten in ihrem Ablauf sehr leicht erkennen, so dass man sich gut orientieren kann, wie die Mondphasen aufeinander folgen, wo der Mond wann zu sehen ist, wo er „auf-“ und wo „untergeht“. Betrachten wir die dafür notwendigen Grundlagen:

Eine helle Seite des Mondes:

Die Sonne beleuchtet die Erde und den Mond. Da beide nicht von selbst leuchten, ist also nur ihre der Sonne zugewandte Seite hell, die andere dunkel (siehe Abbildung11).

Betrachten wir nun erstmal nur den halbangeleuchteten Mond. Der Mond dreht sich um die Erde (in ca. 28 Tagen). Er wird dabei immer auf der der Sonne zugewandten Seite beleuchtet. Da er sich um die Erde dreht, verändert sich der Blick, den wir auf ihn erhalten. Man kann sich dazu vorstellen, dass man eine Kugel mit einer schwarzen und einer weißen Hälfte auf einem Stab vor sich hält, und zwar so, dass die helle Seite immer in eine bestimmte Richtung (beispielsweise zum Fenster) zeigt, in der sich die Sonne befindet (siehe Abbildung D.12).

Dreht man nun die Mondkugel mit ausgestrecktem Arm langsam um sich herum (und dreht sich dabei mit, sodass man immer den Mond im Blick behalten kann), so erhält man immer eine andere Ansicht auf die schwarz-weiße Kugel.

Die Mondphasen

In Schulbüchern finden sich typischerweise Graphiken, die eine Aufsicht auf diese Situation zeigen. Vor allem für jüngere Lernende bietet es sich aber eher an, die Begebenheiten im dreidimensionalen Raum nachzuspielen, da der Perspektivwechsel und die Projektion ins Zweidimensionale der Zeichenebene einen hohen kognitiven Anspruch mit sich bringen.

Betrachten wir mit Abbildung D.13 eine solche Projektion als Aufsicht. Der Erdbeobachter befindet sich in der Mitte rechts und wird vom halbbeleuchteten Mond umkreist.

Von der Erde aus betrachtet ist in Position 1 nur die dunkle, nicht beleuchtete Seite des Mondes zu sehen. Hier ist Neumond.

 

In Position 2 erscheint von der Erde aus der Mond an seiner rechten Seite halb beleuchtet. Wir haben einen zunehmenden Halbmond.

Position 3 zeigt von der Erde aus die volle Beleuchtung der Mondhälfte. Wir sehen einen Vollmond.

In Position 4 zeigt sich uns nun die links beleuchtete Halbseite des Mondes. Wir haben einen abnehmenden Halbmond, der bis zu Position 5=1 wieder zu einem Neumond geworden ist.

Abbildung D.14 fügt dem Umlauf des Mondes in der Aufsicht (innerer Kreis) noch die Erscheinung des Mondes von der Erde aus betrachtet hinzu (äußerer Kreis).

Als Eselsbrücke für den zunehmenden und abnehmenden Mond lässt sich die Sichel jeweils zu einem der beiden Schreibschriftbuchstaben ergänzen (siehe Abbildung D.15).

Dauer eines Mondumlaufs / der Mondphasen

Ein solcher Umlauf des Mondes um die Erde dauert ca. 28 Tage – Der Mond umkreist in 27 Tagen einmal die Erde (siderischer Umlauf). Da die Erde aber in dieser Zeit nicht stillsteht, sondern sich ihrerseits weiter auf ihrem Weg um die Sonne bewegt, muss der Mond allerdings noch zwei weitere , also insgesamt 29 Tage „weiterkreisen“ bis er wieder an der ursprünglichen Stelle relativ zur Erde angelangt ist (synodischer Umlauf). Das folgende Video zeigt dies anhand einer Animation.

(Dass wir zu Neumond und Vollmond nicht auch jedes Mal eine Sonnen- bzw. Mondfinsternis sehen, liegt daran, dass Erdachse und Umlaufbahn des Mondes leicht schräg sind und die drei Himmelskörper darum nur sehr selten exakt auf einer Linie liegen. In den graphische Darstellungen sind außerdem Größenverhältnisse und Entfernungen extrem verzerrt, weswegen die Konstellation einer Finsternis viel wahrscheinlicher erscheint als sie in den realen Größenverhältnissen ist, siehe dazu auch Abschnitt D.4.)

Position des Mondes zur Erde – Wann und wo geht der Mond „auf“?

Ebenso wie die Sonne geht der Mond immer „im Osten auf“ und „im Westen unter“. Das liegt daran, dass diese scheinbare Bewegung von Mond, Sonne und weiteren Gestirnen über dem Horizont der Erde aus der Drehung der Erde um ihre eigene Achse hervorgeht. Die Erde dreht sich nach rechts, das bedeutet in östliche Richtung (daher ist uns die Uhrzeit im Osten voraus, im Westen hinterher). Alle Himmelskörper erscheinen uns daher zuerst über dem östlichen Horizont. Würde nun der Mond stillstehen und nicht um die Erde kreisen, würde er auch immer um dieselbe Uhrzeit für uns sichtbar über dem östlichen Horizont erscheinen. Dies tut er allerdings nicht, sondern er bewegt sich (ebenfalls nach rechts) in ca. 28 Tagen um die Erde herum. Wenn die Erde also nach 24 Stunden Umdrehung wieder in ihrer ursprünglichen Position ankommt, ist der Mond nicht mehr dort, denn er hat sich bereits um 1/28 seiner Bahn um die Erde weitergedreht. Die Erde muss sich also noch eine knappe Stunde weiter um ihre Achse drehen, bis der Mond wieder wie tags zuvor über dem Horizont erscheint. Wurde der Mond am Vortag also um 19 Uhr abends über dem Horizont sichtbar, so ist es nun erst gegen 20 Uhr der Fall. Der Mond fällt also gegenüber unserer Uhrzeit und darum auch gegenüber der Position der Sonne jeden Tag um ca. eine Stunde zurück.

Starten wir diese Betrachtung einmal vom Neumond aus: An Neumond steht der Mond zwischen Erde und Sonne, also auf Position der Sonne. Neumond und Sonne erscheinen nahezu zeitgleich über dem östlichen Horizont, z.B. gegen 8 Uhr morgens und verschwinden gen Westen wieder simultan gegen 20 Uhr abends. Am folgenden Tag erscheint die Sonne wiederum gegen 8 Uhr, den Mond hingegen holt die Erde auf seiner Weiterwanderung erst ca. eine Stunde später, um kurz vor 9 Uhr ein, so dass er über dem östlichen Horizont erscheint. Gegenüber der bereits um eine Stunde vorausgegangenen Sonne ist er nun leicht nach links versetzt, und an seinem rechten Rand lässt sich darum eine leichte helle Sichel des zunehmenden Mondes erkennen. Am Folgetag sieht man den Mond etwas vor 10 Uhr über dem Horizont usw.. Aufgrund des wachsenden Versatzes zur Sonne nimmt auch die Breite der hellen Sichel auf seiner rechten Seite immer mehr zu. Nach ca. 7 Tagen erscheint der Mond erst mittags über dem östlichen Horizont. Er ist nun um 90o gegenüber der Sonne versetzt und so erscheint seine gesamte rechte Hälfte erleuchtet: Wir sehen einen zunehmenden Halbmond. Ca. 14 Tagen nach Neumond erscheint er erst am Abend und der Sonne genau gegenüberliegend als Vollmond über dem östlichen Horizont, während die Sonne gerade im Westen verschwindet. Er ist die ganze Nacht über als Vollmond zu sehen, bevor er dann im Laufe der nächsten Tage seine Ankunft immer weiter in die Nacht hinein verzögert und dabei eine immer schmaler werdende beleuchtete Sichel auf der linken Seite zeigt. Nach ca. 29 Tagen ist er wieder in der ursprünglichen Position auf Höhe der Sonne angelangt und erscheint mit Sonnenaufgang als Neumond.

Der Mond steht also mitnichten nur am Abend und in der Nacht über dem Horizont. Vielmehr verteilt sich seine sichtbare Anwesenheit gleichmäßig über die gesamten 24 Stunden im Laufe eines Monats (der seinen Namen genau von dieser Dauer eines Mondumlaufes hat). Trotzdem kommt dieser Eindruck natürlich nicht von ungefähr: Am Taghimmel sind vor allem die Mondphasen rund um den Neumond vertreten. Diese zeigen den Mond zum einen nur als eine schwach leuchtende Erscheinung. Zum anderen ist der Taghimmel durch die Sonne so hell erleuchtet, dass der Mond hier nur in den  Morgen- und Abendstunden zu sehen ist und danach vom hellen Himmel schlichtweg überstrahlt wird. Er steht in der einen Hälfte des Monates am Taghimmel, leuchtet aber zu schwach, als dass wir ihn erkennen könnten. Abbildung D.16 fasst dies noch einmal graphisch zusammen.


Kurz & knapp: Mondphasen

Das Aussehen unseres Mondes verändert sich aus unserer Sicht innerhalb von einem Umlauf des Mondes um die Erde, der ca. 28 Tage dauert.

Dies hängt damit zusammen, von welcher Seite die Sonne gerade den Mond bescheint und aus welcher Perspektive wir von der Erde aus auf den Mond schauen.

Steht der Mond von der Erde aus gesehen genau auf der gegenüberliegenden Seite der Sonne, ist er als Vollmond am Nachthimmel zu sehen. Steht er hingegen zwischen Erde und Sonne, wird von der Erde aus gesehen seine Rückseite beleuchtet und wir sehen ihn als Neumond (oder gar nicht, da er kaum beleuchtet wird und am hellen Tageshimmel steht).


D.4 Sonnen- und Mondfinsternisse

Die Konstellationen von Neumond und Vollmond erscheinen wie oben angesprochen leichte Kandidaten für Ereignisse sogenannter Sonnen- und Mondfinsternisse zu sein.

Sonnenfinsternis

Bei einer (totalen) Sonnenfinsternis wird die Sonne genau vom Mond verdeckt, so dass für diesen Moment von der Erde aus nur ihre Corona (ein sie umgebender Lichtkranz) zu sehen ist. Der Mond schiebt sich dabei aufgrund seiner Bewegung um die Erde für bis zu 8 Minuten über die für uns sichtbare Sonnenscheibe (siehe Abbildung D.17).

Erstaunlicherweise sind von der Erde aus betrachtet Sonnen- und Mondscheibe gerade genau gleich groß, so dass es überhaupt zu dieser faszinierenden Erscheinung kommen kann.

Eine Sonnenfinsternis findet jedes Jahr zwei- bis fünfmal statt. Allerdings ist sie immer nur in bestimmten Teilen der Erde zu sehen und in der Regel handelt es sich nur um eine partielle, nicht um eine totale Finsternis. Das bedeutet, der Mond schiebt sich nur teilweise vor die Sonne, aber überdeckt sie nicht komplett.

Die nächste partielle Sonnenfinsternis ist in Deutschland am 25.Oktober 2022 zu sehen. Auf die nächste totale Sonnenfinsternis, die von Süddeutschland aus (bei unbewölktem Himmel) zu sehen ist, dauert es noch bis zum 3.September 2081. Die letzte in Deutschland zu sehende Sonnenfinsternis fand am 11. August 1999 statt. Allerdings verdeckten dichte Wolken in weiten Teilen des Landes das Spektakel…

Warum ist nun eine Sonnenfinsternis so selten?

Das liegt zum einen an den Größenverhältnissen und Entfernungen der drei Himmelskörper zueinander und zum anderen an den zueinander geneigten Ebenen, auf denen die Erde die Sonne und der Mond die Erde umkreisen. Beide Aspekte machen ein genaues geometrisches Hintereinanderreihen der drei sehr unwahrscheinlich.

Zu den Größenverhältnissen und Entfernungen: Wenn die Sonne einen Durchmesser von 1 Meter hätte, dann wäre der Durchmesser der Erde mit ungefähr 1 cm gerade einmal kirschkerngroß und der Mond sogar nur ein Viertel davon. Dann betrüge die Entfernung zwischen Erde und Sonne ungefähr 100 m. Mond und Erde wären knapp 25 cm voneinander entfernt. Führt man sich diese Dimensionen vor Augen erstaunt es beinah, dass die drei Himmelskörper sich je auf einer Linie anreihen könnten (siehe Abbildung D.18).

Zu den Neigungen der Ebenen: Die Ebene, auf der der Mond die Erde umkreist ist ca. 5o gegenüber der Ebene geneigt, auf der die Erde die Sonne umkreist. Eine genaue Hintereinanderreihung der drei Himmelskörper kann sich darum nur dann ereignen, wenn sie gerade an den beiden Knotenpunkten dieser Ebenen zusammentreffen (siehe Abbildung 19).

Mondfinsternis

Im Gegensatz zu einer Sonnenfinsternis ereignet sich eine Mondfinsternis (siehe Abbildung D.17) geradezu häufig.

Hierzu muss der Mond nur in den verhältnismäßig großzügigen Kernschatten der Erde eintreten und so für eine Weile von der Sonne nicht mehr beleuchtet werden. Eine Mondfinsternis tritt also zu Zeiten von Vollmond auf und findet nur aufgrund der geneigten Umlaufebene des Mondes um die Erde nicht jeden Monat statt.

Bei einer totalen Mondfinsternis durchläuft der Mond den Kernschatten der Erde. Er verschwindet dabei optisch nicht komplett, da die Atmosphäre der Erde Licht auch in den Kernschattenbereich hineinstreut. Der Mond wird von diesem Lichte schwach beleuchtet und erscheint in tiefroter Färbung („Blutmond“). Von einer „Halbschattenfinsternis“ spricht man, wenn der Mond nur den Halbschatten der Erde durchläuft.

Die nächste Mondfinsternis findet am 16.Mai 2022 statt. Allerdings ist das Ereignis vor allem in Kanada gut zu beobachten, wo es mitten in der Nacht stattfindet. Bei uns tritt der Mond gegen 5:30 vollständig in den Kernschatten der Erde ein, befindet sich aber zu dieser Zeit nur noch sehr knapp über dem Horizont und verschwindet kurz darauf.


Kurz & knapp:  Sonnen- und Mondfinsternis

Bei einer Sonnenfinsternis überdeckt der (Neu-)Mond für einige Minuten die Sonne, so dass nur noch ein die Sonne umgebender heller Schein zu sehen ist (Sonnencorona). Bei einer Mondfinsternis taucht der (Voll-)Mond in den Kernschatten der Erde ein und ist dadurch nur noch schwach sichtbar.

Totale Sonnenfinsternisse sind aufgrund der Größen, Entfernungen und Umlaufbahnen der drei Himmelskörper sehr selten.