Einige Grundlagen der Astronomie
| Publikation: | 26.10.2007 |
| Lernstufe: | 3 |
| Herkunft: | La main à la pâte, Paris. Originalversion: www.fondation-lamap.org/eratos |
In der Projektphase 2 beobachten die Schüler täglich den Lauf der Sonne am Himmel. Die Bahn des Tagesgestirns über unseren Köpfen ist auf die Drehung der Erde um ihre Nord-Süd-Achse einmal in 24 Stunden zurückzuführen. Die Veränderung dieser Bahn im Lauf eines Jahres hat ihren Ursprung in der Neigung dieser Rotationsachse gegenüber der Erdbahnebene und darin, dass sich die Erde in ca. 365 Tagen um die Sonne dreht. Gehen wir jetzt näher auf diese Begriffe ein.
Erdrotation
Der Wechsel von Tag und Nacht ist für den Menschen wahrscheinlich das auffälligste und markanteste astronomische Phänomen. Die Erde dreht sich in 23 Stunden 56 Minuten um sich selbst, von Westen nach Osten, bezogen auf ferne (quasi) Fixsterne. In einem Tag läuft sie auch um etwas weniger als 1° um die Sonne, was eine geringfügige Verlängerung des Sonnentages zur Folge hat; dieser dauert im Durchschnitt 24 Stunden; es ist die Zeit zwischen zwei Meridiandurchgängen der Sonne.
Anmerkung: Der Meridian ist ein gedachter Kreis auf der Erde, der durch den Nordpol, Ihren momentanen Standpunkt auf der Erde, und den Südpol verläuft. Der Meridiandurchgang der Sonne erfolgt genau in dem Augenblick, an dem die Sonne, von Ihrem Standpunkt auf der Erde aus gesehen, am höchsten (oder am niedrigsten, also ca. um Mitternacht) steht.
Abb 1: Bahn der Erde um die Sonne. Nach 24 Stunden ist in Berlin wieder Mittag.
Man hat lange geglaubt, die Erde sei das ruhende Zentrum des Universums und alle Gestirne drehten sich um sie. Aristarchos von Samos (310-230 vor Christus) hat die Grundlagen der heutigen Kosmologie geschaffen, indem er erkannte, dass die Erde in einem Jahr um die Sonne läuft und sich an einem Tag wie ein Kreisel um sich selbst dreht. Sein System wurde uns von griechischen Historikern und von Zeitgenossen (wie Archimedes) überliefert und von Nikolaus Kopernikus (1473-1543) aufgegriffen, der es als erster wieder wagte, aus der Erde einen Planeten wie die anderen zu machen und damit nicht nur die Astronomie, sondern das gesamte moderne Denken revolutionierte.
Die Bahn der Sonne am Himmel im Laufe eines Tages
Die Rotation der Erde um die Nord-Süd-Achse weckt in uns den Eindruck, die Sonne (und die Sterne) drehe sich in entgegengesetzter Richtung um die Erde: Sie geht im Osten auf, erreicht mittags im Süden (auf der Nordhalbkugel nördlich des Wendekreises des Krebses, also überall in Europa) ihren Höchststand und geht schließlich im Westen unter.
Abb. 2: Die Erdkugel mit den Himmelsrichtungen
Im Folgenden soll der Begriff Sonnenmittag erläutert werden. Es ist der Zeitpunkt, zu dem die Sonne ihren Höchststand am Himmel erreicht hat – die Schatten, die sie wirft, also am kürzesten sind. Die Bahn der Sonne am Himmel ist in Bezug auf den Sonnenmittag vollkommen symmetrisch. Etymologisch gesehen, ist der Mittag die Mitte des Tages, also die Mitte der Sonnenscheindauer. Aber Achtung! Es handelt sich nicht um die Zeitangabe auf unseren Uhren. Der Zeitpunkt des Sonnenmittags variiert, wenn er mit der 12 Uhr-Anzeige einer Uhr verglichen wird, über das gesamte Jahr um bis zu eine Viertelstunde. Doch davon mehr in den nachfolgenden Kapiteln.
Wo die Sonne auf- und untergeht
Die Sonne geht nur an zwei Tagen im Jahr genau im Osten auf und im Westen unter: zu den Tagundnachtgleichen am 21. März und 23. September. Im Winter geht sie im Südosten auf und im Südwesten unter und verkürzt so ihren Lauf am Himmel (von der Nordhalbkugel aus gesehen). Im Sommer dehnt sie ihre Bahn nach Norden aus und verlängert damit die Zeit, in der sie über dem Horizont bleibt (auf der Südhalbkugel ist es genau umgekehrt). Wie entstehen diese Schwankungen?
Neigung der Rotationsachse
Die Erde umrundet die Sonne in einem Jahr (in ca. 365,25 Tagen) und beschreibt dabei eine Bahn, die in einer – Ekliptik genannten – Ebene liegt. Wie ein Kreisel bewegt sie sich auf einem Kreis (genauer auf einer Ellipse) mit einem Radius von rund 150 Millionen km. Eine Besonderheit ist ihre gegen die Ekliptik geneigte Rotationsachse: Die die Pole verbindende Achse ist um 23,5° geneigt und zeigt, auf die Sterne bezogen, immer in die gleiche Richtung (auf den berühmten "Polarstern").
Anmerkung: Dies ist allerdings kein besonderer Verdienst des Polarsterns, er ist einfach nur ein heller und deswegen auffälliger Stern, der zufälligerweise ungefähr in der Verlängerung der Erdachse nach Norden liegt. Tatsächlich ist die Ausrichtung der Erdachse in Bezug auf den Fixsternhimmel zeitlich nicht dauerhaft konstant, so dass in einigen tausend Jahren der Polarstern nicht mehr in der Verlängerung der Erdachse liegen wird. In ca. 13 000 Jahren wird stattdessen der Stern Wega die Rolle des Polarsterns übernommen haben.
Das Phänomen der Jahreszeiten ist auf diese Neigung und nicht auf die Schwankung der Entfernung Erde-Sonne zurückzuführen. Während des Sommers ist die Nordhalbkugel der Sonne "zugeneigt" und wird deshalb von der Sonne erwärmt, während auf der Südhalbkugel Winter herrscht. Diese Neigung der Erde ist auch die Ursache dafür, dass im Sommer der Nordpol ständig von der Sonne beleuchtet wird, während der Südpol im Dunkeln liegt. Da die Nord-Süd-Achse der Erde immer in die gleiche Richtung zeigt, ist sechs Monate später die entgegengesetzte Situation zu beobachten.
Abb. 3: Da die Rotationsachse der Erde nicht senkrecht zur Ekliptik steht, werden die beiden Hälften der Erde unterschiedlich stark von der Sonne erwärmt (Situation im Sommer auf der Nordhalbkugel).
Vorsicht bei den Begriffen Nord und Süd!
Bis jetzt haben wir immer nur vom geografischen Norden gesprochen, d. h. von der Richtung des Nordpols vom Beobachtungspunkt aus betrachtet. Dieser Nordpol ist nichts anderes als der Punkt, in dem die Rotationsachse durch die Erdoberfläche geht. Um den Norden genau zu bestimmen, benutzen wir im Allgemeinen einen Kompass.
Aber wie funktioniert ein Kompass?
Wenn man vom Kompass spricht, stellen sich viele Fragen zum Magnetismus, aber wegen der Komplexität dieses Phänomens ist bei ihrer Beantwortung Vorsicht geboten und man sollte sich auf einige wenige Feststellungen beschränken. Eine Kompassnadel ist ein Magnet mit einem Nord- und einem Südpol. (Das Wort Pol wird hier analog zur Erde gebraucht.) Zwei Magnete können sich je nach der Position der Pole zueinander anziehen oder abstoßen. Daher darf man einen Kompass nicht in die Nähe magnetischen Metalls oder eines Magneten legen. Nichtmagnetisches Material aus Eisen (z. B. Nadeln, Nägel) wird in der Nähe eines Magneten selbst magnetisch. Manche Münzen, die 2001 noch im Umlauf waren, werden von einem Magneten angezogen, weil sie Nickel enthalten. Auch eine elektrische Spule verhält sich wie ein Magnet, wenn man Strom hindurchleitet.
Die beiden Magnetpole der Erde (magnetischer Nord- und Südpol) decken sich indes nicht genau mit den geografischen Polen. Außerdem verlagern sie sich im Laufe der Jahre. Daher muss man die vom Kompass angezeigte Richtung korrigieren – die Abweichung wird als Deklination bezeichnet – um den geografischen Norden zu finden. Die Korrektur hängt vom Standort und, über längere Zeiträume, auch vom Datum ab. (Dieser Aspekt des Magnetismus wird den Schülern nicht erklärt.)
Abb. 4: Der Kompass zeigt (in den meisten Gegenden) nicht genau zum geografischen Nordpol sondern zum so genannten magnetischen Nordpol.
Festzuhalten ist, dass die vom Kompass angezeigte Nord-Süd-Richtung leicht (um einige Grad) von der Richtung der geografischen Pole abweicht. Letztere wird dagegen sehr genau von der Richtung der Schatten am Sonnenmittag angezeigt. Sie können also versuchen mit Ihren Schülern diesen Winkel – die Deklination – zu messen!
Anmerkung: In weiten Teilen Westeuropas ist die Deklination, also der Winkel zwischen den Richtungen von geografischem und magnetischem Nord- bzw. Südpol, (zur Zeit und auch für die nächsten 100 Jahre) ziemlich gering und beträgt z. B. in Berlin nur ca. 2°. Dies macht es ziemlich schwer, aussagekräftige Messungen zur Deklination durchzuführen, wenn sie nicht mit großer Sorgfalt gemacht werden.
Letzte Aktualisierung: 29.11.2023
