Infoblatt Entstehung der Jahreszeiten

Ursachen, Tageslängen, Strahlungswinkel




Die Jahreszeiten entstehen durch die wechselnden Positionen, die die Erde im Laufe eines Jahres zur Sonne einnimmt und die dadurch veränderten Beleuchtungsverhältnisse.


Jahr und Schaltjahr

Die Erde bewegt sich innerhalb eines Jahres (365 Tage 5 Stunden 48 Minuten und 46 Sekunden) auf einer elliptischen Umlaufbahn einmal um die Sonne (Keplersches Gesetz). Diese Bewegung wird Erdrevolution genannt. Die Differenz zum Kalenderjahr von 365 Tagen wird durch Schalttage ausgeglichen, die nach folgender Gesetzmäßigkeit eintreten: Alle 4 Jahre wird der 29. Februar als Schalttag eingefügt. Im vollen Jahrhundert (1800, 1900) fällt er aus. In jedem durch 400 teilbaren Jahr (1600, 2000) findet er statt.


Schräglage der Erdachse

Betrachtet man die Lage der Erde in Bezug zur Umlaufbahnebene, so ist die Erdachse in einem Winkel von 23,27° gekippt (Inklination). Diese Position behält sie bei der Umkreisung der Sonne bei.


Polarkreise und Wendekreise, Beleuchtungszonen

Eine gerade Linie, von der Sonne zum Mittelpunkt der Erde gezogen, durchstößt deren Oberfläche in einem Punkt, den man den Bildpunkt der Sonne nennt. Ein Beobachter, der sich dort befindet, sieht die Sonne genau senkrecht über seinem Kopf (im Zenit). Der Bildpunkt befindet sich je nach Jahreszeit zwischen dem nördlichen Wendekreis (21. Juni) und dem südlichen Wendekreis (21. Dezember).

Durch die Erdrevolution entstehen drei Beleuchtungszonen:

1. Die Zone zwischen den Wendekreisen (23,5° nördlicher bis 23,5° südlicher Breite).
In dieser tropischen Zone gibt es keine Jahreszeiten und die Tage und Nächte sind annähernd (auf dem Äquator genau) gleich lang. Diese Zone wird in jeder Umlaufposition beinahe gleichmäßig beleuchtet. An den Wendekreisen variieren die Tages- und Nachtlängen im Jahresverlauf von 10,5 bis 13,5 Stunden. Am Äquator sind stets 12 Stunden Tag und 12 Stunden Nacht.

2. Die Zone zwischen dem jeweiligen Wendekreis und dem Polarkreis (23,5° bis 66,5° nördlicher bzw. südlicher Breite).
In diesen sog. Mittelbreiten entstehen die uns bekannten vier Jahreszeiten, die durch vier Fixdaten, den Beginn der jeweiligen Jahreszeit, gekennzeichnet sind. An diesen Tagen ist eine typische Beleuchtungssituation erreicht:
Am 21.März, dem Frühlingsanfang auf der Nordhalbkugel, läuft der Bildpunkt der Sonne am Äquator entlang. Die Sonne beleuchtet also die Erde unabhängig von der Neigung in allen Breiten gleichmäßig. Es sind 12 Stunden Tag und 12 Stunden Nacht. Die Tag- und Nachtgleiche bezeichnet man als Äquinoktium. Nach diesem Datum "wandert" der Bildpunkt der Sonne in Richtung Norden. Auf der Nordhalbkugel werden die Tage länger, auf der Südhalbkugel kürzer. Dort ist Herbst.
Am 21. Juni steht die Sonne im Zenit über dem nördlichen Wendekreis. Die Spitze der gedachten Erdachse am Nordpol zeigt zur Sonne hin. Das heißt, die Erde ist so in Richtung Sonne gekippt, dass der nördliche Teil bis zum Polarkreis vollständig beleuchtet wird. Die Gebiete südlich des südlichen Polarkreises liegen vollständig im Dunkeln. Auf der Nordhalbkugel ist Sommeranfang, auf der Südhalbkugel Winteranfang. Die Sonne "wendet" an diesem Tag und wandert wieder in Richtung Süden, dadurch erklären sich auch die Begriffe Sonnenwendtag (Solstitium) und Wendekreis. Ab diesem Zeitpunkt werden die Tage im Norden wieder kürzer, im Süden länger.
Am 23. September ist das Herbstäquinoktium erreicht. Der Bildpunkt der Sonne bewegt sich wieder auf dem Äquator entlang. Nun wandert die Sonne in Richtung des südlichen Wendekreises. Auf der Nordhalbkugel beginnt der Herbst, auf der Südhalbkugel der Frühling.
Am 21. Dezember, der Wintersonnenwende (Wintersolstitium), steht die Sonne im Zenit über dem südlichen Wendekreis. Die Erdachse zeigt am Nordpol von der Sonne weg. Die Gebiete nördlich des nördlichen Polarkreises liegen vollständig im Dunkeln. Die nördlichen Mittelbreiten erleben den kürzesten Tag des Jahres (Winteranfang), die südlichen den längsten (Sommeranfang). Ab jetzt wandert die Sonne wieder gen Norden.

3. Die Zone zwischen dem Polarkreis und dem Pol (66,5° bis 90° nördlicher und südlicher Breite).
In den polaren Regionen existieren nur zwei Jahreszeiten: der Polartag und die Polarnacht, die an den Polen jeweils ein halbes Jahr dauern. Auf der Nordhalbkugel ist vom 21. März bis zum 23. September und in der Südpolarregion vom 23. September bis zum 21. März Polartag. In der anderen Jahreshälfte ist Polarnacht. Die Gebiete dieser Zone, die weiter vom Pol entfernt liegen, können auch in der Polarnacht (außer am Sonnenwendtag) für kurze Zeit die Sonne sehen, am Polartag geht sie für ein paar Stunden unter (mit Ausnahme des Sonnenwendtages, an dem die gesamte Zone hell bleibt).
Am 21. März und am 23. September, zu den Äquinoktien, läuft die Sonne in dieser Zone genau am Horizont entlang. Es gibt keinen Sonnenaufgang oder -untergang.
Am 21. Juni ist es in der gesamten Nordpolarzone 24 Stunden hell (wegen der Neigung der Spitze der Erdachse zur Sonne hin in dieser Umlaufposition) und in der Südpolarzone dunkel. Am 21. Dezember, wenn sich die Sonne über dem südlichen Wendekreis befindet, ist es umgekehrt.





Strahlungsenergie

Je nach Entfernung der Sonne zu einem Punkt auf der Erdoberfläche ergeben sich unterschiedliche Einfallswinkel der Sonnenstrahlen. Je steiler die Strahlen auf der Erde auftreffen, desto größer ist die Strahlungsenergie, weil sie bei steilerem Winkel eine kleinere Fläche bestreichen (Lambertsches Gesetz). Im Sommer der Mittelbreiten gilt beispielsweise: verhältnismäßig starke Sonneneinstrahlung durch steilen Einfallswinkel verbunden mit längeren Tagen führen zu einem warmen Klima. Ebenso hängen die klimatischen Bedingungen der anderen Jahreszeiten mit den beschriebenen Fakten zusammen. In den Polarregionen herrscht immer ein niedriger Sonnenstand, deshalb ist es dort auch ständig kalt.