Sonnenstand und JahreszeitenWarum werden die Tage wieder länger?

Im Frühjahr werden die Tage länger, im Herbst wieder kürzer. Aus eigener Erfahrung wissen die Schülerinnen und Schüler, dass sich die Zeitpunkte für Sonnenaufgang und Sonnenuntergang im Jahresverlauf verschieben. Aber warum ist das so? Gründe für die Entstehung der Jahreszeiten werden in diesem Beitrag dargestellt.

Entstehung der Jahreszeiten: Sonnenaufgang

Sonnenstand und Jahreszeiten sind ein wichtiges Thema im Geographieunterricht. Foto: pixel2013/Pixabay CC0 Creative Commons

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Umlaufbahn der Erde um die Sonne

Astronomisch werden die Jahreszeiten als Zeitraum zwischen einer Tagundnachtgleiche (= Äquinoktium) und einer Sonnenwende (= Solstitium) definiert bzw. als Zeitraum zwischen einem Solstitium und einem Äquinoktium. Jede Jahreszeit dauert im Mittel 91 Tage und 7,5 Stunden. Die Erde benötigt für ihren Umlauf um die Sonne auf ihrer elliptischen Bahn 365,25 Tage. Somit sind der 21. März, der 21. Juni, der 23. September und der 21. Dezember die Kalenderdaten, an denen bei uns auf der Nordhalbkugel die astronomischen Jahreszeiten beginnen, es gilt:

  • 21. März: Frühlingsbeginn,
  • 21. Juni: Sommerbeginn,
  • 23. September: Herbstbeginn,
  • 21. Dezember: Winterbeginn.

Die Daten können im Jahresrhythmus geringfügig abweichen, zum Beispiel 20. März.

Die Sonnenstände und Tageslängen zu diesen Zeitpunkten können beispielsweise über die Webanwendung www.sonnenverlauf.de ermittelt werden, wie das Beispiel zur Umsetzung des Themas im Unterricht weiter unten zeigt. 

Neigung der Erdachse

Ein weiterer, die Jahreszeiten auslösender Faktor ist die Neigung der Erdachse gegenüber der Senkrechten zur Erdbahn­ebene. Diese weist permanent in die gleiche Richtung und wird derzeit in Karten mit 23,5 ° angegeben (genau sind es 23 ° 27'). Dadurch ist im Jahresverlauf mal die Nordhalbkugel und mal die Südhalbkugel mehr der Sonne zugeneigt. So ergibt sich im Jahresverlauf eine ständige Anpassung der Zeiten für den Sonnenaufgang und den Sonnenuntergang, die je nach Breitenlage eines Ortes variieren. In Abhängigkeit von der Eigenrotation der Erde (in einem Zeitraum von 24 Stunden) verschieben sich diese Zeiten auch entlang eines jeden Breitengrades von Längengrad zu Längengrad.

Bei einer senkrecht stehenden Erdachse ginge die Sonne an jedem Ort auf der Erde immer zur gleichen Zeit auf oder unter und sie würde mittags gleich hochstehen – es gäbe somit das ganze Jahr über die gleiche Menge an Sonnenstrahlung an jedem Ort. Durch die Neigung der Erdachse steht die Sonne im Jahresverlauf mal höher und mal tiefer am Himmel, also mal länger und mal kürzer. 

Als Folge schwankt die Intensität der Sonnenstrahlung und damit die Menge der Strahlungsenergie, was Auswirkungen auf das Klima hat. Einfach formuliert lautet die Formel: mehr Sonnenstrahlung = höhere Temperaturen, weniger Sonnenstrahlung = niedrigere Temperaturen.

Ekliptik oder Planetenebene

Die Ekliptik beschreibt – von der Sonne aus gesehen – die Projektion der Erdbahn um die Sonne an der Himmelssphäre. Auch alle anderen Planeten unseres Sonnensystems haben eine entsprechend­e Ekliptik. Könnten wir unser Sonnensystem vom äußeren Rand aus betrachten, erschiene uns die Ekliptik als diese Ebene.

Die Umlaufbahnen der Planeten (und auch ihrer Monde) sind nicht alle in der gleichen Ebene angeordnet, sondern leicht gegeneinander geneigt. Spannend wird es zum Beispiel, wenn der Mond zum Zeitpunkt des Neumonds oder des Vollmonds die Erdbahnebene kreuzt. Steht der Mond zum Zeitpunkt des Neumondes zwischen Erde und Sonne, kommt es zu einer Sonnenfinsternis, wird der Vollmond von der Sonne verdeckt, gibt es eine Mondfinsternis. Diese Ereignisse erklären auch den Begriff Ekliptik [von gr. Ɛκλειψις, ekleipsis = Ausbleiben, Verschwinden, denn die Sonne oder der Mond verschwinden ja (scheinbar!) kurzzeitig].


 

Weiter zu 'Die Erde im Weltraum'

In dieser Ausgabe erfahren die Schülerinnen und Schüler, welchen Einflüssen die Erde ausgesetzt ist, wie sie sich dagegen schützt und in welcher Beziehung sie zum Mond steht.


Die Erde im Weltraum

geographie heute Nr. 329/2016

 


Sonnenstand in den Tropen

Mit Beginn einer jeden astronomischen Jahreszeit steht die Sonne im Zenit über einem der Wendekreise (nördlicher Wendekreis am 21. 06., südlicher Wendekreis am 21.12.) oder über dem Äquator (21. 03. und 23. 09.).

Für den Bereich innerhalb der Wendekreise, also zwischen 23,5 ° Nord und 23,5 ° Süd, steht die Sonne mittags beim Sonnenhöchststand des jeweiligen Tages zweimal im Jahr im Zenit, also direkt senkrecht über der Erdoberfläche: Einmal auf dem scheinbaren Hinweg zum jeweiligen Wendekreis und ein weiteres Mal auf dem scheinbaren Rückweg vom jeweiligen Wendekreis. Zum Beispiel wirft ein senkrecht in der Erde steckender Stab zu diesem Zeitpunkt keinen Schatten. Je weiter ein Breitenkreis von einem der Wendekreise entfernt verläuft, desto größer ist der zeitliche Abstand zwischen den beiden Zenitständen.

Sonnenstand und Entstehung der Jahreszeiten: Ein Thema für den Geographieunterricht

Die Entstehung der Jahreszeiten und damit auch die klimatischen Unterschiede verstehen, beschreiben und erklären zu können, gehört zu den Basiskompetenzen, die im Geographieunterricht vermittelt werden. 

Diese Kompetenzen sind die Grundlage dafür, diverse naturgeographische Phänomene, gleichzeitig aber auch die Abhängigkeit des wirtschaftenden Menschen vom Jahreszeitenrhythmus und des jeweiligen Klimas in entsprechender Breiten­lage verstehen zu können (z. B. im Hinblick auf das Einsetzen der Regenzeiten in den Tropen, der Zenitalregen).

Da die Verfügbarkeit dieser Kompetenzen in allen Altersstufen bis hin zum Abitur gegeben sein muss und das Erarbeitete/Erlernte für die Schülerinnen und Schüler erfahrungsgemäß hin und wieder in Erinnerung gerufen werden muss, kann dieses Thema in nahezu allen Altersstufen im Unterricht aufgegriffen werden.

Umsetzung im Geogaphieunterricht mit der Webanwendung www.sonnenverlauf.de

Erarbeitet werden kann die Thematik beispielsweise mit der Internetseite www.sonnenverlauf.de, über die 

  • für jeden Zeitpunkt innerhalb eines Jahres und 
  • jeden Punkt auf der Erde der Sonnenstand 
  • für jede Uhrzeit innerhalb des Tages bei entsprechende Dateneingabe ermittelt (genauer: abgelesen) werden kann.

Dadurch vermittelt die Seite anschaulich die unterschiedlichen Sonnenstände an einem Ort im Jahresverlauf bzw. für verschiedene Orte auf der Nord- und Südhalbkugel für einen bestimmten Zeitpunkt. Beispielsweise können die Schülerinnen und Schüler für ihren Schulort beschreiben, wie sich der Tagbogen der Sonne im Jahresverlauf verändert. Dafür können sie die Kalenderdaten wählen, an denen auf der Nordhalbkugel die astronomischen Jahreszeiten beginnen. Im Anschluss daran können sie erarbeiten, welche Ursachen dies hat und welche Konsequenzen sich daraus ergeben. 

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