So bewegt sich die Sonne das ganze Jahr über am Himmel

Man könnte theoretisch zu jeder Tageszeit eine Kamera aufstellen, um ein Bild der Landschaft zu machen, das die scheinbare Position der Sonne am Himmel umfasst. Wenn man am nächsten Tag zur gleichen Zeit, also 24 Stunden später, wiederkommt, stellt man fest, dass die Sonne ihre Position nur geringfügig verändert hat. Wenn du das ein ganzes Jahr lang jeden Tag machen würdest, würdest du zwei wichtige Dinge entdecken:

1. Die Sonne wäre endlich zu ihrem Ausgangspunkt zurückgekehrt, so wie die Erde zu demselben Punkt ihrer Umlaufbahn zurückgekehrt ist, den sie ein Jahr zuvor hatte.
2. Die Form, die du nachgezeichnet hast, würde wie eine Achterfigur aussehen, bei der eine Schleife größer ist als die andere: eine Form, die als unser Analemma bekannt ist.

Die Tatsache, dass die Erde die Sonne einmal im Jahr umkreist, erklärt den ersten Teil. Aber die Bewegung der Sonne in ihrer besonderen Analemmaform ist auf eine Kombination von tieferen Gründen zurückzuführen. Lassen Sie uns herausfinden, warum.

Der erste wichtige Faktor für die scheinbare Bewegung der Sonne ist die Tatsache, dass die Erde die Sonne umkreist, während sie um ihre Achse geneigt ist. Die Achsneigung der Erde von etwa 23,5° sorgt dafür, dass die Sonne im Laufe des Jahres an verschiedenen Orten eine höhere oder niedrigere Position über dem Horizont erreicht. Wenn Ihre Hemisphäre der Sonne zugewandt ist, steht die Sonne näher am Zenit, wenn Ihre Hemisphäre abgewandt ist, ist die Sonne weiter davon entfernt.

Wenn Ihre Hälfte der Erde unserem Mutterstern zugewandt ist, erscheint der Weg der Sonne über den Himmel länger, sie steht höher und wir haben mehr Stunden Tageslicht als im Durchschnitt. Die Achsenkippung ist die Ursache für die Jahreszeiten auf der Erde und erklärt, warum es einen solchen Unterschied in der Länge und Beschaffenheit eines Tages bei der Sommersonnenwende im Vergleich zur Wintersonnenwende gibt.

Im Allgemeinen scheint die Sonne überall auf der Erde im östlichen Teil des Himmels aufzugehen, hoch über dem Himmel in Richtung Äquator aufzusteigen und dann im Westen unterzugehen. Wenn Sie:

• südlich von 23,5° südlicher Breite leben, markiert die Juni-Sonnenwende den kürzesten, niedrigsten Weg der Sonne über den Himmel, während die Dezember-Sonnenwende den längsten, höchsten Weg markiert.
• nördlich von 23,5° nördlicher Breite markiert die Dezember-Sonnenwende den kürzesten, niedrigsten Weg der Sonne über den Himmel, während die Juni-Sonnenwende den längsten, höchsten Weg markiert.
• zwischen den beiden Wendekreisen (zwischen 23.5° S und 23,5° N) wird die Sonne an zwei Tagen, die gleich weit von einer Sonnenwende entfernt sind, direkt über dem Himmel vorbeiziehen.

Wenn man von einem beliebigen Ort aus die Position der Sonne über das ganze Jahr hinweg verfolgen würde – zum Beispiel durch eine Lochkamera – würde man folgendes sehen.

Aber die Sonne scheint nicht einfach in einer symmetrischen Form am Himmel auf- und abzusteigen. Die Zeiten des Sonnenuntergangs und des Sonnenaufgangs variieren im Laufe des Jahres. Die Sonne erreicht ihren höchsten Punkt zu verschiedenen Zeiten im Wechsel der Jahreszeiten, nicht nur jeden Tag zur Mittagszeit.

Der Grund dafür ist größtenteils auf den zweiten Hauptgrund für die scheinbare Bewegung der Sonne im Jahresverlauf zurückzuführen: Die Erdumlaufbahn um die Sonne ist elliptisch, nicht kreisförmig.

Eine elliptische Umlaufbahn bedeutet nicht nur, dass die Erde an bestimmten Punkten ihrer Bahn näher an der Sonne ist oder sich von ihr entfernt. Es bedeutet auch – nach Keplers zweitem Gesetz -, dass die Erde, wenn sie sich nahe an der Sonne befindet (Perihel), eine schnellere Umlaufgeschwindigkeit hat, und dass sie, wenn sie sich weit von der Sonne entfernt (Aphel), eine langsamere Umlaufgeschwindigkeit hat.

Für sich genommen würde das keinen großen Unterschied machen, aber jetzt müssen wir noch einen weiteren Faktor hinzufügen: Die Erde dreht sich nicht alle 24 Stunden einmal um ihre Achse. Stattdessen macht die Erde eine volle 360°-Drehung in nur 23 Stunden und 56 Minuten; ein Tag dauert 24 Stunden, weil es diese zusätzlichen 4 Minuten braucht, um die Strecke „aufzuholen“, die die Erde auf ihrer Umlaufbahn um die Sonne zurückgelegt hat.

An einem durchschnittlichen Tag, wenn sich die Erde mit ihrer Durchschnittsgeschwindigkeit um die Sonne bewegt, sind 24 Stunden genau richtig. Wenn sich die Erde jedoch langsamer bewegt (in der Nähe des Aphels), sind 24 Stunden zu lang für die Sonne, um in die gleiche Position zurückzukehren, und so scheint sich die Sonne langsamer als im Durchschnitt zu bewegen. Wenn sich die Erde schneller bewegt (in der Nähe des Perihels), sind 24 Stunden nicht lang genug, damit die Sonne wieder an ihren Ausgangspunkt zurückkehren kann, und so verschiebt sie sich schneller als der Durchschnitt.

Wenn wir nur mit der axialen Neigung zu kämpfen hätten und unsere Umlaufbahn ein perfekter Kreis wäre, wäre die Bahn der Sonne am Himmel eine wirklich perfekte Acht: symmetrisch um die horizontale und vertikale Achse.

Wenn wir auf einem ungekippten Planeten mit einer elliptischen Umlaufbahn leben würden, wäre die Bahn der Sonne am Himmel einfach eine Ellipse, bei der die Exzentrizität der einzige Faktor wäre, der die Bewegung der Sonne beeinflusst. Das ist ungefähr das, was auf Jupiter und Venus passiert, wo die axiale Neigung vernachlässigbar ist.

Aber hier auf der Erde haben wir sowohl eine elliptische Umlaufbahn als auch eine erhebliche axiale Neigung, und daher sind beide Effekte bedeutend. Insbesondere, wenn wir sie kombinieren, können wir sofort sehen, warum unser Analemma wie eine „8“ aussieht, die an einer schmalen Seite eingeklemmt ist.

Hier auf der Erde findet das Perihel am 3. Januar statt: nur zwei Wochen nach der Sonnenwende im Dezember. Da sich unser Planet in der Nähe der Dezembersonnenwende mit der größten Geschwindigkeit bewegt, ist die „untere“ Seite des Analemmas (von der nördlichen Hemisphäre aus gesehen) viel größer als die „obere“ Seite, die mit dem Aphel Anfang Juli und der Juni-Sonnenwende zusammenfällt.

Alles in allem können wir diese Effekte kombinieren, um eine Gleichung dafür aufzustellen, wo sich die Sonne zu einem bestimmten Zeitpunkt von einem beliebigen Ort auf der Erde aus gesehen befinden wird. Wir nennen diese abgeleitete Größe die Zeitgleichung.

Alles in allem sind es nur die axiale Neigung und die Elliptizität, die die Form der Sonnenbahn bestimmen, die jeden Tag zur gleichen Zeit von der Erde aus gesehen wird. Das Analemma der Erde ist in dieser bestimmten Form fixiert.

Bei der Bestimmung der genauen Ausrichtung des Analemmas spielen jedoch noch zwei weitere Faktoren eine Rolle. Einer davon ist Ihr Standort auf der Erde: Beobachter der nördlichen Hemisphäre sehen die kleine Analemma-Schleife hoch am Himmel und die große Schleife tiefer am Himmel, während Beobachter der südlichen Hemisphäre das Gegenteil sehen.

Und der andere ist, zu welcher Tageszeit Sie Ihre Fotos machen. Wenn Sie Ihr tägliches Foto machen:

• am Mittag, wenn die Sonne am höchsten steht, erscheint das Analemma vollkommen vertikal.
• vor Mittag, bevor die Sonne ihren höchsten Stand erreicht, erscheint das Analemma von der Mittagsposition aus gegen den Uhrzeigersinn gedreht.
• nach Mittag, nachdem die Sonne ihren höchsten Stand erreicht hat, erscheint das Analemma von der Mittagsposition aus im Uhrzeigersinn gedreht.

Anhand der 52 kombinierten Bilder, die César Cantú im Laufe des Jahres aufgenommen hat, kann man erkennen, dass er die Sonne am späten Nachmittag von seinem Breitengrad in Mexiko aus fotografiert hat.

Es ist leicht zu erkennen, dass der oberste Punkt der Sommersonnenwende entspricht, während der unterste Punkt der Wintersonnenwende entspricht, aber es gibt keine besondere astronomische Bedeutung für den „Kreuzungspunkt“ im Analemma der Sonne von der Erde aus gesehen. Diese Daten, die ungefähr am 14. April und am 30. August auftreten, werden nur durch die Art und Weise bestimmt, wie unsere Jahreszeiten, die durch die Achsenneigung bestimmt werden, mit der Umlaufbahn unseres Planeten um die Sonne ausgerichtet sind.

Wenn unser Perihel und Aphel mit den Tagundnachtgleichen und nicht mit den Sonnenwenden ausgerichtet wären, hätten wir ein tropfenförmiges Analemma und nicht eine Acht, wie die Sonne vom Mars aus erscheint! Das Analemma ist die schöne, natürliche Form, die die Sonne im Laufe der Zeit nachgezeichnet hat, so dass eine Acht entsteht, wie es sowohl unsere Umlaufbahn als auch die Achsneigung vorgeben. Genießen Sie die Bewegung der Sonne durch unseren Himmel, denn ihre einzigartige kosmische Pirouette ist auf die einzigartige Bewegung unseres Planeten durch das All zurückzuführen!