Himmelsgesetze der Bewegung/ Unsere Zeitregelmäßigkeiten: Jahreszeiten, Tag und Nacht, Mondphasen

Tag und NachtBearbeiten

Eine Regelmäßigkeit des Alltags des Menschen, ist eben der Tag. Wie ist ein Tag zu definieren? Man denkt in der Regel, dass diese Definition ganz leicht ist: ein Tag ist ganz einfach 24 Stunden oder die Zeit für eine volle Drehung der Erde. Die Sache ist aber doch nicht so leicht.

Erstens: Die exakte Dauer des Zeitintervalls zwischen vergleichbaren Sonnenständen – beispielsweise von einem Tageshöchststand der Sonne zum folgenden, einem Mittag zum nächsten oder von Mitternacht zu Mitternacht – verändert sich im Jahreslauf. Da die Erde sich nicht auf einer Kreisbahn mit gleicher Winkelgeschwindigkeit um die Sonne bewegt, durchläuft sie ihren elliptischen Orbit verschieden schnell, sonnennah (im Perihel) geschwinder. Daher variiert während des Umlaufs auch die aktuelle Dauer einer vollen Tagesspanne, die als ein wahrer Sonnentag bezeichnet wird. Um bis zu etwa eine Minute können sich wahre Sonnentage unterscheiden. Der durchschnittliche Wert im Laufe von Jahren beträgt derzeit ungefähr 24 Stunden. In der Regel definiert man letztendlich den vollen Tag als Mittelwert der Tagesdauern(bürgerlicher Tag). Der ist tatsächlich ca. 24 Stunden.

Zweitens: Die Dauer einer Erdeigenumdrehung dauert aber doch nicht so lang, wie der durchschnittliche Tag. Die Erde bewegt sich um die Sonne. Nach einer Drehung befindet sie sich nicht mehr an der gleichen Stelle ihrer Bahn (wenn man als Bezugssystem die Fixsterne benutzt). Die Dauer einer Erdeigenumdrehung nennt man siderischen Tag. Der mittlere siderische Tag der Erde dauert 23 Stunden, 56 Minuten, 4,099 Sekunden = 86.164,099 s ≈ 23,9345 h, also etwas weniger als ein voller Tag.

Dazu gibt es den sogenannten Sterntag, der sich auf den Frühlingspunkt bezieht.

Der Grund für die Entstehung des Tag-und-Nacht Zyklus ist aber doch die Eigendrehung der Erde. Dass der Mensch den Tag und die Nacht in 12 geteilt hat, hat vielleicht mit gewissen Zahlensystemen zu tun. Heutzutage benutzt man ein System mit Basis 10 ( dekadisches System, was vielleicht mit der Tatsache zu tun hat, dass man 10 Finger hat. Wenn man aber die Fingerglieder Benutzt und den Daumen um sie zu zählen, bekommt man ein Zahlensystem mit Basis 12. Darin könnte der Grund liegen, warum man den Tag (und die Nacht) in 12 geteilt hat. Wenn man die Finger der anderen Hand benutzt, um Dutzende zu zählen, bekommt man ein sexagesimal System, also ein System mit Basis 60, das die Babylonier benutzt haben. Die Babylonier sind die älteste bekannte Zivilisation, die sich mit Astronomie und Mathematik beschäftigt hat.

Die JahreszeitenBearbeiten

Nicht weniger kompliziert ist die Definition der Jahreszeiten. Hier aber werden wir uns mit einer anderen Frage beschäftigen. Wie entstehen die Jahreszeiten?

Viele haben gehört, dass sich die Erde nicht im Kreis sondern auf einer Ellipse bewegt, mit der Sonne an einer der Brennpunkten (Ellipse ist z.B. der Schatten eines Kreises auf eine schiffe Ebene). Das bedeutet, dass die Erde mal näher und mal weiter weg von der Sonne ist. Man denkt dann oft, dass es Sommer ist, wenn die Erde näher zur Sonne ist. Es gibt aber doch ein Argument, das diese Behauptung endgültig widerlegt: wenn es so wäre, wäre es gleichzeitig überall auf der Erde Winter bzw. Sommer. Das ist aber doch nicht der Fall, also muss der Grund irgendeiner andere sein.

Die Erde bewegt sich um die Sonne auf einer Ellipsenbahn und daher auf eine Ebene. Die Erde dreht sich aber gleichzeitig um sich selbst (Eigendrehung, der Grund für die Entstehung vom Tag und Nacht). Die Achse der Eigendrehung steht schief auf der Ebene der Drehung um die Sonne, wie man im Bild sehen kann. Das bedeutet, dass die Sonnenstrahlen z.B. im Juni senkrecht auf den nördlichen Erdhalbkugel fallen, im Dezember aber doch nicht (siehe Bild). Daher ist es im Norden Sommer im Juni und Winter im Dezember. Entsprechend ist im Süden Sommer im Dezember, weil dann die Sonnenstrahlen senkrecht auf den südlichen Erdhalbkugel fallen.

Noch ein Detail: Die Achse der Eigendrehung bewegt sich wie die Achse eines Kreisels. Das hat als Konsequenz z.B., dass der Punkt im Himmel, wo sich der Nordpol projiziert wird, nicht fest bleibt und dass ein Jahr nicht genau einer Drehung um die Sonne entspricht Präzession. So kommen wir zum nächsten Thema.

Das (Schalt-) JahrBearbeiten

Für das Jahr gibt es drei Definitionen (!):

Ein siderisches Jahr ist die Zeitspanne, die vergeht, bis die Sonne von der Erde aus gesehen die gleiche Stellung am Himmel in Bezug auf einen fiktiven unendlich weit entfernten Fixstern ohne Eigenbewegung einnimmt.

Ein tropisches Jahr ist, vereinfacht gesprochen, die Zeit zwischen zwei gleichen Zeitpunkten im Ablauf der Jahreszeiten, zum Beispiel von einer Frühlings-Tagundnachtgleiche (Frühlingsanfang) zur nächsten.

Das anomalistische Jahr ist das Zeitintervall zwischen zwei Durchgängen der Erde durch ihr Perihel (der Sonnennächste Punkt der Erdlaufbahn), also die mittlere Bahnperiode der Erde.

Nach allen diesen Definitionen ist zwar ein Jahr nicht genau das gleiche, aber in allen drei Fällen ungefähre 365,25 Tage. Um diesen ¼ Tag zu kompensieren ist jedes 4. Jahr ein Schaltjahr (was aber doch wiederum nicht ganz genau ist, daher ist dann jedes 100. Jahr doch kein Schaltjahr, jedes 1000 doch schon usw.)

Die MondphasenBearbeiten

Die Mondphasen entstehen durch die Drehung des Mondes um die Erde. Das Bild dient zur Erklärung. Hier sind die Sonnenstrahlen rechts dargestellt.

 

In der Mitte ist die Erde. Die Drehung des Mondes ist im Gegenuhrzeigersinn. Wenn der Mond im Position 1 ist, steht er „vor“ der Erde, also sieht man keine Spiegelung der Sonnenstrahlen, wenn man auf der Erde ist. In Position 5 hingegen kann man den Vollmond sehen.

Im folgenden Bild ist der Mond aus Sicht des Nordens der Erde. Hier sind die Sonnenstrahlen doch links vorzustellen.

 

Vorsicht: im Süden der Erde ist diese Reihe umgekehrt (erst 8, dann 7, 6 usw.)!

Definitionen der Grundgrößen Zeit und EntfernungBearbeiten

Hier ist der richtige Punkt über die Definition der Zeit und der Entfernung zu sprechen. Bis vor einigen Jahren hat man Grundsätzlich die im hier beschriebenen Regelmäßigkeiten (z.B. den mittleren Tag- und Nachtzyklus) benutzt, um die Zeiteinheit (z.B. Sekunde) zu definieren. Es gibt keinen letzten Beweis dafür, was eine Sekunde ist. Man akzeptiert sie einfach, weil die Zeit Teil unserer Erfahrung ist. Beweise aber für diese Erfahrung gibt es nicht! Man hat neulich (seit 1967) versucht, dieses Problem dadurch umzugehen, indem man die Sekunde als das 9 192 631 770-fache der Periodendauer der dem Übergang zwischen den beiden Hyperfeinstrukturniveaus des Grundzustands von Atomen vom Caesium-133 entsprechenden Strahlung zu definieren. Sie wird daher auch Atomsekunde genannt. Man überwindet aber doch das Problem der Definition nicht, weil man um die erwähnte Periode zu berechnen schon Kenntnisse über die Zeit braucht, unter anderen, zu wissen das diese Periode konstant ist, was schon eine Zeitmessung voraussetzt! Nicht weniger fraglich ist auch die Definition des Meters. Ein Meter ist definiert als die Länge der Strecke, die das Licht im Vakuum während der Dauer von 1/299792458 Sekunde zurücklegt. Diese Definition voraussetzt eine Messung der Geschwindigkeit des Lichtes, was wiederum doch eine Abstandmessung voraussetzt!