Warum gibt es Sommer und Winter?

Warum gibt es Jahreszeiten? Eine banale Frage, auf die sicherlich jeder in der Schule eine Antwort bekommen hat.
Zu meinem Entsetzen habe ich festgestellt, dass diese Frage für viele gar nicht so banal ist. Zwar ist es den meisten Menschen klar warum es Tag und Nacht gibt, aber auf die Frage warum es Jahreszeiten gibt, bekommt man oft als Antwort ein Schulterzucken, “keine Ahnung” oder eine falsche Erklärung.

Falsche Erklärung

Wie jedem bekannt ist, bewegt sich die Erde auf einer Ellipsenbahn um unseren Stern, wobei dieser im Brennpunkt steht. Die Erde dreht sich also um die Sonne und eine Umdrehung entspricht einem Jahr.

Betrachtet man die obere Grafik (falsche Größenverhältnisse!), so liegt es nahe zu folgern, dass wir Winter haben, wenn die Erde weit von der Sonne weg ist und umgekehrt Sommer, wenn die Erde nah an der Sonne ist. Diese Überlegung ist falsch.

Tatsächlich ist es genau umgekehrt. Im sonnenfernsten Punkt herrscht bei uns Hochsommer und wenn die Erde der Sonne nah ist, haben wir Winter. Wobei ich mit uns die Nordhalbkugel meine. Für die Südhalbkugel ist es genau umgekehrt.

Man kann sich an einen kleiner Rechnung verdeutlichen, dass der Sonne-Erde Abstand die Jahreszeiten nicht erklären kann.

Die Sonne stahlt ihre Energie mit einer Leistung von 3,846*10²⁶W ab. Da die Sonne rund ist, verteilt sich die Strahlung kugelförmig in alle Richtungen, d.h. mit wachsenden Abstand zu Sonne, wir die Strahlungsleistung pro Fläche immer kleiner.
Der mittlere Sonne-Erde Abstand beträgt 149,6*10⁹m, damit kommt auf der Erde nur eine Leistung pro Fläche von [math] \frac{3,846*10^{26} W}{ 4*\pi*( 149,6*10^9m)^2} = 1367,5 \frac{W}{m^2} [/math] an.

Die größte Entfernung zur Sonne beträgt 152,1*10²⁶m, die kleinste 147,1 *10²⁶m. Somit ergeben sich folgende Strahlungsleistungen pro Fläche: [math]1322,2\frac{W}{m^2} [/math] und [math]1415,2\frac{W}{m^2} [/math]. Vergleicht man diese Werte mit dem Wert beim mittleren Abstand, so ergibt sich eine Abweichung von 3,5%. Diese Abweichung ist zu klein um die Jahreszeiten zu erklären.

Der wahre Grund

Die Erde hat gegenüber der Bewegungsebene eine Neigung von 23,44°. Diese Neigung bleibt bei der Drehung konstant.

Der schwarze Punkt auf dem Bild markiert einen bestimmten Punkt, denn wir betrachten, also zum Beispiel uns in Deutschland. Wie man sieht, treffen die Sonnenstrahlen in unterschiedlichen Winkeln auf die Erdoberfläche auf. Dadurch bekommt die Erdoberfläche eine unterschiedliche Energiemenge ab, was folgende Grafik verdeutlichen soll.

Eine bestimmte Energiemenge wird auf eine größere Fläche verteilt, d.h. die Fläche wird weniger erwärmt, als bei einer senkrechten Bestrahlung.

Man kann es sich sehr gut mit einer Taschenlampe verdeutlichen. Leuchtet man mit einer Taschenlampe direkt auf die Tischplatte so sieht man eine stark beleuchtete Kreisfläche, die je nach Taschenlampenart sogar warm werden kann. Jetzt dreht man die Taschenlampe etwas zur Seite, verändert also den Bestahlungswinkel. Dadurch wird der Lichtkegel viel größer, aber die Lichtintensität, die von der Tachenlampe ausgeht, ist immer noch die gleiche. Das ausgestrahlte Licht verteilt sich also auf eine größere Fläche, so dass sie dunkler erscheint und nicht mehr warm wird.

Zusätzlich ist die Neigung die Ursache für unterschiedliche Tageslängen.

Zusammen betrachtet bedeutet es, dass die Sonne im Sommer höher steht und länger scheint, was zu einen höheren Erwärmung der Erdoberfläche führt als im Winter, wenn die Sonne sich nur tief am Horizont zeigt. Das ist genau das, was wir alle beobachten können.

Und wie sieht es mit dir aus, hast du gewusst, was die Ursache für die Jahreszeiten ist? =)