Natur und Technik für den Pflichtschulabschluss: Das Sonnensystem

Sonnensystem-Grafik

Die Weltbilder

Man kann nicht hinter dem Horizont sehen

Die Himmelsscheibe von Nebra. Sie ist ca. 4000 alt

Das Sonnensystem besteht aus der Sonne in der Mitte und den 8 Planeten, die um die Sonne herum in ellipsenförmigen Bahnen kreisen. Alle befinden sich auf einer Ebene. Die inneren vier Planeten (Merkur, Venus, Erde, Mars) sind kleiner und vorwiegend aus festen Stoffen gebaut. Die äußeren vier Planeten (Jupiter, Saturn, Uranus, Neptun) sind viel größer und vorwiegend gasförmig. Zwischen Mars und Jupiter gibt es eine sogenannte Asteroidengürtel. Da befinden sich fast in einem Kreis um die Sonne zahlreiche Asteroide und Meteoroide. Die Asteroide (Durchmessergröße: m bis km) und die kleinere Meteoroide (mm bis m) sind Himmelsobjekte aus festen Stoffen im Laufbahn um die Sonne, die kleiner als die Zwergplaneten sind . Außerhalb der Bahn von Neptun gibt es auch zahlreiche Objekte, die kleiner als die Planeten sind. Pluto, früher als Planet eingestuft, gehört auch zu diesen Objekten, die die sogenannte Kuipergürtel bilden. Die Sonne ist im Vergleich zu den Planeten riesig.

Am Anfang hat man gedacht, dass die Erde eine vom Wasser umgebene Scheibe ist, die von einem Himmelsgewölbe überragt wird. Später haben die Menschen gedacht, dass die Erde eine Kugel in der Mitte des Universums ist, und dass die Sterne und die Planeten um sie herum kreisen. Dass die Erde kugelförmig ist, kann man aus zwei einfachen Beobachtungen folgern:

• Auch wenn man auf einen Berg steigt, ist die Sicht durch den Horizont beschränkt. Wäre die Erde eine Ebene, könnte man unendlich weit sehen.
• Während einer Mondfinsternis kann man den Schatten der Erde auf dem Mond sehen, der eindeutig rund ist.

Am Ende des Mittelalters haben Wissenschaftler festgestellt, dass doch die Sonne in der Mitte des Planetensystems sein sollte. Diese Theorie gab es schon seit der antiken Zeit, hat sich aber erst in der Neuzeit durchgesetzt. Sie gilt heutzutage immer noch bei der Beschreibung des Sonnensystems. Die Sonne aber befindet sich nicht in der Mitte des Universums, sondern sie ist ein Stern unter Milliarden von Sternen einer Galaxie, die wiederum eine unter Milliarden von Galaxien ist, die sich wiederum in einem Universum ohne Zentrum und bisher unerforschten Grenzen befinden.

Die Jahreszeiten

Die Erde bewegt sich um die Sonne in einer ellipsenförmige Bahn. Sie ist also mal näher zur Sonne und mal weiter entfernt. Die Jahreszeiten entstehen aber nicht dadurch! Wenn das der Fall wäre, wäre es gleichzeitig überall auf der Erde Winter oder Sommer!

Diese Animation der Erde, zeigt auf welchen Teil der Erde und in welchen Monat die Sonnenstrahlen fallen. Auch die Jahreszeiten in den zwei Hemisphären werden gezeigt.

Je steiler der Einfallswinkel der Sonnenstrahlen, desto kurzer der Weg, kleinere die Fläche und wärmer das Wetter.

Die Jahreszeiten entstehen, weil die Achse der Eigendrehung der Erde schief auf die Ebene der Drehung der Erde um die Sonne steht.

Die Jahreszeiten entstehen, weil die Achse der Eigendrehung der Erde schief auf der Ebene ihrer Drehung um die Sonne steht, wie man das im Bild sieht. Dadurch fallen die Sonnenstrahlen senkrecht mal auf den südlichen (Sommer im Süden) und mal auf den nördlichen Teil (Sommer im Norden) der Erde. An den Orten, wo der Einfallswinkel der Sonnenstrahlen steiler ist, wird mit viel Licht und Wärme eine kleinere Fläche bestrahlt. Daher wird das Wetter dort wärmer sein. Im Juni passiert das in der nördlichen Hemisphäre, daher ist es im Juni dort Sommer und im Süden Winter. Im Dezember passiert das in der südlichen Hemisphäre, daher ist es im Dezember dort Sommer und im Norden Winter.

• Die Entstehung der Jahreszeiten
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  Im Juni fallen die Sonnenstrahlen auf die nördliche Hemisphäre senkrecht, dann ist Sommer im Norden.
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  Im Dezember fallen die Sonnenstrahlen auf die südliche Hemisphäre senkrecht, dann ist Sommer im Süden.

Finsternisse

Das Licht breitet sich in einem homogenen Medium (mehr oder weniger) geradlinig aus. Die Sonne ist ein Stern, der relativ (im Vergleich zu den anderen Sternen) sehr nah zur Erde ist. Ein Stern ist eine riesige (und extrem heiße) Feuerkugel (viel viel größer als die Erde). Daher hat die Sonne, wie jeder Stern, ihr eigenes Licht. Die Planeten hingegen kreisen um die Sonne herum und haben kein eigenes Licht. Sie reflektieren allerdings das Licht der Sonne. Ebenfalls reflektieren die Monde der Planeten dieses Licht. Ein Mond ist ein kleinerer Himmelskörper, der um einen Planeten kreist. Wir auf der Erde können die Reflexion der Planeten und ihrer Monde sehen. Daher können wir Teile der Reflexion des Erdmondes, je nach seiner relativen Position, sehen (Mondphasen).

• Mondfinsternis
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  A:Sonne B:Erde C:Mond
  D, E:Halb-, Kernschatten
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  Der Schatten der Erde
  auf den Mond ist rund

Mondfinsternis
Der Schatten der Erde auf den Mond ist rund

Die Erde kreist um die Sonne und der Mond um die Erde. Durch diese gleichzeitige Bewegung kommt es oft dazu, dass die Erde zwischen Mond und Sonne kommt. In diesem Fall haben wir eine Mondfinsternis, da das Licht der Sonne in diesem Fall gar nicht den Mond erreicht, um reflektiert zu werden. Eine Mondfinsternis kann nur in der Nacht stattfinden und zwar nur beim Vollmond. Der Schatten der Erde ist größer als der Mond, daher wird der Mond völlig und länger abgedeckt. Eine Mondfinsternis dauert daher ein paar Stunden.

Andererseits kann es passieren, dass der Mond zwischen Sonne und Erde gelangt. In diesem Fall haben wir eine Sonnenfinsternis, da die Mondscheibe die Sonnenscheibe (knapp, genau oder fast) abdeckt und wir die Sonne hinter dem Mond nicht sehen können. Allerdings dauert dieses Phänomen bei jeder Stelle auf der Erde, wo man es beobachten kann, nur wenige Minuten. Eine Sonnenfinsternis findet nur tagsüber statt und zwar nur beim Neumond.

Sonnenfinsternis

Warum finden die Finsternisse aber nicht jeden Monat statt? Das ist wie bei den Jahreszeiten. Die Drehachse des Mondes um die Erde ist nicht die gleiche wie die Drehachse der Erde um die Sonne. Daher finden Finsternisse nur ca. 2 Mal pro Jahr und Art (siehe Bild unten: „Entstehung der Finsternisse“). Allerdings kann man Sonnenfinsternisse fast nur an Orten beobachten, die sich nah zum Erdäquator befinden.

Entstehung der Finsternisse
1 und 4: Mondfinsternis; 2 und 3: Sonnenfinsternis.
Links oben und rechts findet keine Finsternis statt. Der Mond befindet sich zwar Richtung Sonne oder hinter der Erde. Seine Drehachse um die Erde ist nicht die gleiche, wie die Drehachse der Drehung der Erde um die Sonne. Daher ist der Mond in diesen Fällen nicht genau auf der Strecke zwischen Erde und Sonne. Keine Finsternis kommt vor.

Die Mondphasen

Oben: Bewegung der Mondes um die Erde. Das Sonnenlicht kommt aus der rechten Seite. Unten: Die Mondphasen vom Erdnorden aus gesehen. 1 ist Neumond, 3 zunehmender Halbmond 5 Vollmond und 7 abnehender Halbmond

Die Erde dreht sich um die Sonne und um sich selbst. Der Mond dreht sich um die Erde und mit ihr um die Sonne. Dadurch entstehen auch die Finsternisse. Die Dauer eines Umlaufs des Mondes um die Erde ist ca. 29,53±0,25 Tage. So lang braucht der Mond bis er die gleiche Stelle zwischen Erde und Sonne einnimmt. Diese Bewegung bedeutet allerdings, dass die relative Stelle des Mondes im Bezug auf Erde und Sonne sich ständig ändert. Die helle Seite des Mondes ist immer Richtung Sonne, da er einfach das Licht der Sonne widerspiegelt. Durch seiner Bewegung sieht man unterschiedliche Teile dieser hellen Seite. Wenn der Mond zwischen Erde und Sonne ist, ist er dunkel, seine helle Seite zeigt sich in diesem Fall gar nicht der Erde. An dieser Stelle spricht man von einem Neumond. Dann wird ein immer größerer Teil hell, bis der Mond sich hinter die Erde schiebt und die Erde sich zwischen Sonne und Mond befindet. Der Mond ist in diesem Fall zunehmend. Am Ende wird die ganze helle Seite des Mondes sichtbar (außer wenn er sich im Schatten der Erde befindet, wie wir bei den Finsternissen erklärt haben). An dieser Stelle spricht man von einem Vollmond. Dann wird ein immer größerer Teil wieder dunkler, hier spricht man von einem abnehmenden Mond, der am Ende zur Phase des Neumonds gelangt, an der die helle Seite wieder von der Erde aus nicht mehr sichtbar ist.

Es gibt einen Unterschied zwischen Nord- und Südhalbkugel der Erde. An den Nordhalbkugel wird bei zunehmendem Mond erst die rechte Seite hell und bei abnehmendem dunkel. An der Südhalbkugel ist es umgekehrt. Das hat wieder mit der relativen Stelle des Mondes in Bezug auf den Beobachter auf der Erde und auf die Sonne zu tun.

Mondfinsternis (oben) und Mondphasen (unten) im Vergleich

Tag- und Nachtkreis

Die Rotation der Erde: die Sonne ist auf der linken Seite. Die rechte Seite der Erde bleibt im Dunkel. Wegen der Eigendrehung der Erde, werden immer unterschiedliche Teile beleuchtet.

Wird die Sonne aus der Erde aus beobachtet, wird der Eindruck erweckt, dass die Sonne um die Erde kreist. Es ist doch günstiger zu denken, dass die Erde um die Sonne kreist, um die Bewegungen der Planeten und der Sonne viel leichter erklären zu können. Der wichtigste Grund für diese Einstellung ist die Tatsache, dass die kreisähnliche Bewegung der Planeten durch die Anziehungskraft der Sonne entsteht. Wie entstehen aber dann Tag und Nacht? Warum haben wir der Eindruck, dass die Sonne um die Erde kreist?

Das lässt sich leicht durch die Eigendrehung („Rotation“) der Erde erklären. Wenn eine Person sich um sich selbst dreht und eine feste Stelle in ihrer Umgebung beobachtet, erscheint diese Stelle von der Person aus betrachtet, als ob sie die Person kreist. Genauso ist es mit der Erde.

Die Drehrichtung der Erde ist vom Süden aus betrachtet im Uhrzeigesinn, vom Norden aus gegen den Uhrzeigersinn. Das ist allerdings auch der Fall bei fast allen Drehbewegungen in unserem Solarsystem, z. B. bei der Drehung der Erde um die Sonne, des Mondes um die Erde und der Sonne um sich selbst. Venus ist der einzige Planet, dessen Eigendrehung umgekehrt ist, Uranus Eigendrehung findet fast senkrecht zu seiner Rotation um die Sonne statt.