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Sonne und Mond ziehen in verschiedenen Jahreszeiten und Breitengraden entsprechende Bahnen am Himmel. Diese hinterlassen durch eine Mehrfachbelichtung auf einem Bild ihre charakteristischen Spuren.
Abhängig vom geografischen Breitengrad und der Jahreszeit wandert die Sonne jeweils auf scheinbar verschiedenen Himmelsbahnen. Wir sind es gewohnt, dass die Sonne bei uns im Winter eine tiefe und im Sommer eine hohe scheinbare Sonnenbahn durchläuft. Für Menschen, die am 47. Breitengrad wohnen, der unter anderem durch die Zentralschweiz verläuft, bedeutet dies in Zahlen ausgedrückt: Am Winteranfang erhebt sich die Sonne auf maximal 19 Grad, am Sommeranfang hingegen auf maximal 66 Grad über den Horizont. Über das Jahr hindurch bewegt sie sich immer zwischen diesen beiden Werten. Der Vollmond zieht ähnliche Bahnen, wie die Sonne, allerdings jeweils in der entgegengesetzten Jahreszeit. Eine Sommervollmondbahn ist ähnlich wie eine Wintersonnenbahn und eine Wintervollmondbahn sieht einer Sommersonnenbahn ähnlich. Im Herbst und Frühling ziehen Sonne und Vollmond jeweils ähnliche Bahnen.
Scheinbare Sonnenbahnen auf verschiedenen Breitengraden
In anderen Gebieten der Erde sehen die scheinbaren Sonnenbahnen jedoch ganz anders aus. Die zwei extremen Stellungen finden sich dabei am Äquator und oberhalb der Polarkreise. Am Äquator steht die Sonne am Frühlings- und Herbstanfang am Mittag senkrecht und lässt den Schatten einer Person praktisch verschwinden, da sie buchstäblich darauf steht. Der Tag dauert 12 Stunden und die Dämmerung ist jeweils sehr kurz.
Ganz anders ist die Situation im Sommer zwischen Pol und Polarkreis. In dieser Region geht die Sonne gar nicht mehr unter und scheint selbst um Mitternacht (Mitternachtssonne). Sie beschreibt eine Kreisbahn am Himmel. Belichtet man die Sonne z. B. im Stundentakt auf das gleiche Bild, erscheint ein Verlauf der Sonnenbahnen, wie es normalerweise kein menschliches Auge je sehen kann, da wir immer nur eine Momentaufnahme und daher jeweils nur einen kleinen Ausschnitt des Ganzen sehen. Durch die Mehrfachbelichtungen hinterlassen Sonne und Mond je nach Jahreszeit und Breitengrad der Beobachtenden bestimmte Spuren am Himmel, ähnlich einem Fingerabdruck der jeweils auch ganz eindeutig ist.
Die Neigung der Erdachse verursacht die Jahreszeiten
Die Kugelgestalt der Erde sorgt dafür, dass ihre Oberfläche nicht überall gleich viel Sonneneinstrahlung erhält. Wäre die Erdachse ganz genau senkrecht, stünde die Sonne am Mittag über dem Äquator genau im Zenit – also senkrecht, während sie am Nord- und Südpol immerfort zu einer Hälfte über, zur anderen Hälfte unter dem Horizont stehen würde. Den geografischen Breitengraden entsprechend würden die Temperaturen vom Äquator polwärts abnehmen, wären jedoch an einem bestimmten Ort über das ganze Jahr ziemlich konstant. Die Realität sieht jedoch ganz anders aus. Die Erdachse besitzt eine Neigung von 23,5°, somit verändert sich täglich an jedem Ort der Erde bei einem Sonnenumlauf über das Jahr der Sonnenstand. Dieser Mechanismus verursacht die Jahreszeiten, welche auf verschiedenen Bereichen der Erdkugel ganz unterschiedliche Wirkungen haben. Bei uns sind die Jahreszeiten sehr ausgeprägt, da sich unser Land in den gemässigten Breiten befindet. Der 47. nördliche Breitengrad läuft quer durch die Schweiz und damit befinden wir uns fast genau in der Mitte zwischen Pol und Äquator. In der Äquatorregion ist die Sonneneinstrahlung am stärksten, weil dort die Sonne am Mittag im Extremfall senkrecht über der Erde steht. Im Gegensatz dazu ist sie an den beiden Polen am schwächsten, weil dort die Sonne – wenn überhaupt – häufig nur knapp über dem Horizont steht.
Für diese Bilder wurde im Stundentakt die Sonne auf das gleiche Bild belichtet. Damit kommt der Unterschied der beiden Sonnenbahnen deutlich zum Ausdruck. Im Winter beträgt der Sonnenhöchstsand bei uns 19 Grad im Herbst (und Frühling) sind es 43 Grad. Die Tageslänge wächst von Winter bis Frühling um knapp 4 Stunden oder schrumpft von Herbst bis Winter um knapp 4 Stunden.
Fischaugenprojektion
Die runden Bilder zeigen eine Gesamthimmelsansicht mit Fischaugenobjektiv (7,5 Millimeter Brennweite). Der Kreis der Bildbegrenzung entspricht dem Horizont. Es wurde jeweils im Stundentakt das Bild der Sonne auf das gleiche Bild belichtet. Dabei ist Osten links, Westen rechts, Norden oben und Süden unten. Durch diese Mehrfachbelichtungen werden die Himmelsbahnen der Sonne deutlich sichtbar.
Jahreszeiten und Sonnenhöhe in der Schweiz
In den gemässigten Breiten äussern sich die Jahreszeiten in dem uns bekannten natürlichen Rhythmus von Frühling, Sommer, Herbst und Winter. Die folgenden Betrachtungen der gemässigten Breiten gelten für den geografischen Breitengrad von 47° Nord (z. B. Luzern). Die Strahlung der Sonne verändert sich entsprechend der Jahreszeit. Dies führt dazu, dass die Tageslänge bei uns während eines Jahres ziemlich genau zwischen 8,5 und 16 Stunden schwankt. Das Datum des Beginns einer Jahreszeit kann sich infolge der Schaltjahre jeweils periodisch um einen Tag verschieben.
Frühling
Der astronomische Frühling beginnt auf der Nordhalbkugel am 20. März. An diesem Tag ist die sog. Tag- und Nachtgleiche, d. h. Tag und Nacht sind auf der ganzen Welt gleich lang, nämlich je 12 Stunden. Am Äquator steht die Sonne an diesem Tag am Mittag genau senkrecht am Himmel, bei uns erreicht sie eine Höhe von 43°. Am 20. März geht am Nordpol die Sonne auf, um für ein halbes Jahr zu scheinen. Am Südpol geht an diesem Tag die Sonne unter, um eine halbjährige Polarnacht einzuleiten. Auf der Südhalbkugel beginnt der Herbst.
Sommer
Der astronomische Sommer beginnt auf der Nordhalbkugel am 21. Juni. Dieser Tag ist für alle Orte der Nordhalbkugel der längste und für alle Orte der Südhalbkugel der kürzeste Tag. Am nördlichen Wendekreis steht die Sonne an diesem Tag am Mittag senkrecht am Himmel. Am Äquator erreicht sie den niedrigsten Stand von 66,5° und steht damit fast gleich hoch am Himmel wie bei uns. Während in der Schweiz der Tag etwa 16 Stunden dauert, wird die Tageslänge
Richtung Norden immer länger, und im Gebiet des nördlichen Polarkreises bis zum Nordpol geht die Sonne gar nicht mehr unter (Mitternachtssonne), während sie im Gebiet des südlichen Polarkreises bis zum Südpol gar nicht mehr aufgeht. Am Südpol herrscht Polarnacht und am Nordpol steht die Sonne (maximal) 23,5° über dem Horizont.
Herbst
Der astronomische Herbst beginnt auf der Nordhalbkugel am 23. September. Die Bedingungen sind an diesem Tag gleich wie im Frühling, nur sind alle Vorzeichen umgekehrt. Auf der Nordhalbkugel geht es winterwärts, und auf der Südhalbkugel sommerwärts. Analog geht am Nordpol an diesem Tag die Sonne unter, um die Polarnacht einzuleiten, am Südpol hingegen geht sie nach 6 Monaten Dunkelheit wieder auf.
Winter
Der astronomische Winter beginnt auf der Nordhalbkugel am 22. Dezember. Dieser Tag ist für alle Orte der Nordhalbkugel der kürzeste und für alle Orte der Südhalbkugel der längste Tag. Am südlichen Wendekreis steht die Sonne an diesem Tag am Mittag senkrecht am Himmel, am Äquator erreicht sie zum zweiten Mal im Jahr den niedrigsten Stand von 66,5°.
Bei uns erreicht die Sonne am Mittag eine maximale Höhe von 19°. Während bei uns der Tag etwa 8,5 Stunden dauert, wird die Tageslänge Richtung Norden immer kürzer und im Gebiet des nördlichen Polarkreises bis zum Nordpol geht die Sonne gar nicht mehr auf (Polarnacht).