In einem vorherigen Kapitel haben wir uns mit der „astronomischen“ Entstehung eines Tages beschäftigt. Der Zeitraum ein „Tag“ entsteht dadurch, dass die Erde sich um sich selbst dreht. Orientieren wir uns an einem Stern am Himmel, so stellen wir fest, dass ein Stern nach einer Zeit von 24 Stunden wieder an der gleichen Position an Himmel zu erkennen ist. Dies entspricht der Dauer eines Tages.
Wie aber kann man nun die Jahreszeiten astronomisch erklären?
Nachfolgend werden wir sehen, dass die astronomischen Jahreszeiten sich dadurch erklären lassen, dass sich der Winkel mit dem die Sonnenstrahlen auf unsere Erde treffen während einer Umkreisung der Sonne ändert
Bevor wir uns mit der astronomischen Einteilung von Jahreszeiten befassen, gehen wir kurz auf die Unterscheidung von meteorologischen und astronomischen Jahreszeiten. Wenn wir über Jahreszeiten sprechen, meinen wir im Allgemeinen die meteorologischen Jahreszeiten.
Nicht überall auf der Erde gibt es die gleiche Einteilung von „Jahreszeiten“ wie in Europa. In Zentral-Europa teilen wir die Jahreszeiten in vier Abschnitte ein, Frühling, Sommer, Herbst und Winter. Diese Einteilung von Jahreszeiten basiert auf Grund von Vegetation und unterschiedlichen Tages-Durchschnittstemperaturen. Aufgrund der immer wiederkehrenden klimatischen Verhältnisse (z.B. hohe Temperaturen im Juli) wurden diesen meteorologischen Jahreszeiten in Zentraleuropa Monate zugeordnet. Entsprechend ist das Jahr bzw. die Kalendermonate den meteorologischen Jahreszeiten zugeordnet:
Frühling: 1. März – 31. Mai
Sommer: 1. Juni – 31. August
Herbst: 1. September – 30 November
Winter: 1. Dezember – 28. Februar
Im Rahmen der Astronomie sind daher die astronomischen von den meteorologischen Jahreszeiten zu unterscheiden.
Unterschied meteorologische und astronomische Jahreszeiten:
Die meteorologischen Jahreszeiten sind überwiegend durch klimatischen Unterschiede (Temperatur und Vegetation) gekennzeichnet, während die astronomischen Jahreszeiten gekennzeichnet sind als der Zeitraum zwischen einer Tagundnachtgleiche und einer Sonnenwende
Wie ein paar Sätze vorher beschrieben, werden die astronomischen Jahreszeiten durch die Umkreisung der Sonne und der Rotation der Erde um sich selbst bestimmt. Damit wir den Einfluss der Rotation auf die Sonneneinstrahlung auf die Erdoberfläche besser verstehen, nehmen wir einmal an:
die Rotationsachse der Erde, um die sich die Erde innerhalb von 24 Stunden einmal um sich selbst dreht wäre senkrecht zur Erdbahn, mit der sich der Erde um die Sonne kreist. Unter dieser Voraussetzung würde die Sonne auf einen beliegen Punkt auf der Erdoberfläche über das ganze Jahr (zur gleichen Uhrzeit) immer gleich einstrahlen. Man hätte als zu gleicher Uhrzeit jeden Tag eine ähnliche Temperatur.
Daher können die Sonnenstrahlen in Europa nicht immer gleich einstrahlen, daher muss die Erde gegenüber der Sonne schräg ausgerichtet sein.
Die Ursache für die Entstehung der Jahreszeiten liegt am Neigungswinkel (dieser beträgt ca. 23,5°) der Erde. Wie in der nachfolgenden Abbildung gezeigt, ist die Rotationsachse (mit der sich die Erde um sich selbst dreht) nicht senkrecht zur Bahnebene auf der die Erde die Sonne umkreist. Daher scheint die Sonne (während die Erde diese in einem Jahr einmal umkreist) nicht gleichmäßig auf die Erde. Wie im Bild dargestellt, sind die Einfallswinkel Alpha und Beta (gg der Rotationsachse), mit denen die Sonnenstrahlen auftreffen, unterschiedlich.
Da sich die Erde einmal in einer Kreisbahn um die Sonne dreht (wie in der Abbildung angedeutet), ist im Verlauf eines Jahres einmal die Nordhalbkugel der Sonne zugeneigt (linker Teil der Abbildung) und einmal die Südhalbkugel (rechter Teil in der Abbildung)
Im linken Teil der Abbildung ist die Nordhalbkugel der Sonne zugeneigt, wobei die Sonnenstrahlen dort in einem steileren Winkel auf die Erde treffen. Physikalisch gilt, dass je steiler die Sonnenstrahlen auf die Erde treffen, desto höher ist Intensität der Strahlungsenergie der Sonne. Daher ist im astronomischen Frühling und Sommer die Nordhalbkugel der Erde der Sonne zugewandt und während des Herbstes und Winters die Südhalbkugel der Sonne zugeneigt.
Das im Winter (auf der Nordhalbkugel) die Sonnenstrahlen in einem flachen Winkel auf die Erdoberfläche auftreffen, kann man beispielsweise am Stand der Sonne sehen. Im Winter „steht“ die Sonne „niedriger“ über dem Horizont als im Sommer. Der flache Winkel lässt sich aber auch an den Schatten beobachten, da die Sonne „tiefer“ steht, werfen beispielsweise Bäume oder Häuser längere Schatten als zur vergleichbaren Zeit im Sommer.
Achtung:
Die Erde umkreist die Sonne auf einer ekliptischen Bahn, d.h. Abstand der Erde zur Sonne ist während der Umkreis nicht immer gleich.
Daher könnte man im ersten Moment vermuten, dass die Jahreszeiten aufgrund der unterschiedlichen Entfernung zwischen Sonne und Erde entstehen (je größer die Entfernung, umso „kälter“ wird es). Dies lässt sich aber wissenschaftlich widerlegen, da im Winter (auf der Nordhalbkugel) die Entfernung zwischen Sonne und Erde geringer ist, als im Sommer.
Wir haben Jahreszeiten, weil die Erdachse geneigt ist. Diese Neigung bringt Veränderungen der Sonneneinstrahlung im Laufe eines Jahres, was die Jahreszeiten verursacht.
Während der Sommersonnenwende steht die Erdachse so, dass sie mit ihrer Nordseite zur Sonne zeigt.
Die Herbst-Tag-und-Nacht-Gleiche ist der Zeitpunkt, wenn die Sonne genau über dem Äquator steht. An diesem Tag sind Tag und Nacht etwa gleich lang.
im Winter ist es kälter als im Sommer, weil die Sonnenstrahlen den größten Teil der Erde in einem flacheren Winkel treffen und dadurch weniger Wärmeenergie pro Einheitsfläche abgegeben wird.
Die Tage im Sommer sind länger als die Nächte, weil die Erdachse zur Sonne hin geneigt ist. Das führt dazu, dass die Sonne einen längeren Weg über den Himmel hat und daher der Tag länger dauert.
Eine Sonnenwende ist der Zeitpunkt, an dem die Sonne in ihrer täglichen Bewegung am nördlichsten oder südlichsten Punkt des Himmels steht.
Wir haben an den Polen extreme Jahreszeiten, weil sie am äußersten Ende der Neigung der Erde liegen und daher die größte Verschiebung der Sonneneinstrahlung im Laufe eines Jahres erfahren.
Während der Wintersonnenwende ist die Südseite der Erdachse zur Sonne hin geneigt.
Die Frühlings-Tag-und-Nacht-Gleiche ist der Zeitpunkt, wenn die Sonne genau über dem Äquator steht. An diesem Tag sind Tag und Nacht etwa gleich lang.
Die Mengen an Sonneneinstrahlung ändern sich während des Jahres, weil die Neigung der Erde variiert. Im Sommer bekommt die jeweilige Hemisphäre mehr direkte Sonneneinstrahlung und im Winter weniger.