- Phänologischer Jahreskreis
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Die Jahreszeiten unterteilen das Jahr in verschiedene Perioden, welche sich durch charakteristische astronomische oder klimatische Eigenschaften auszeichnen. Im alltäglichen Sprachgebrauch sind damit hauptsächlich meteorologisch deutlich voneinander unterscheidbare Jahresabschnitte gemeint; in gemäßigten Breiten sind dies Frühling, Sommer, Herbst und Winter, in den Tropen sind es Trockenzeit und Regenzeit.
Daneben stehen Sommer und Winter in manchen Zusammenhängen aber auch für das Sommerhalbjahr beziehungsweise das Winterhalbjahr.
Inhaltsverzeichnis
Allgemeines
Im Laufe eines Erdenumlaufs um die Sonne (ein Jahr) wird die Erde auf Grund der Neigung der Äquatorebene zur Erdbahnebene (etwa 23,5 °) in unterschiedlicher Weise beschienen. Dies betrifft sowohl die Dauer (Länge des Tages) als auch die Winkel, in denen die Erde vom Sonnenlicht bestrahlt wird.
Während der Zeit zwischen März-Tagundnachtgleiche und September-Tagundnachtgleiche ist die Nordhalbkugel der Sonne zugeneigt, so dass die Sonne für einen auf gemäßigten nördlichen Breiten befindlichen Beobachter im Zuge ihrer scheinbaren täglichen Bewegung einen hohen Bogen durchläuft. Bei hochstehender Sonne trifft aber die Sonnenstrahlung steil auf die Erdoberfläche und liefert einen relativ hohen Energieeintrag pro Fläche. Außerdem liegt der größere Teil der täglich durchlaufenen Sonnenbahn oberhalb des Horizonts, so dass die Tage lang sind und viel Zeit für den Energieeintrag zur Verfügung steht. Der erhöhte Energieeintrag bewirkt in diesem Zeitraum eine Erwärmung der nördlichen Erdhalbkugel.
Befindet sich die Erde ein halbes Jahr später am gegenüberliegenden Punkt ihrer Bahn, so ist die Nordhalbkugel – wegen der relativ (siehe Präzession) raumfesten Lage der Erdachse – der Sonne abgeneigt. Für einen Beobachter auf der Nordhalbkugel ergibt sich eine niedrig verlaufende tägliche Sonnenbahn. Steht die Sonne tief, so trifft die Sonnenstrahlung flach auf die Erdoberfläche, so dass sie sich auf eine größere Fläche verteilt und ein geringerer Energieeintrag erfolgt. Außerdem liegt nur der kleinere Teil der täglichen Sonnenbahn oberhalb des Horizonts, so dass der Energieeintrag nur immer für eine kurze Zeitspanne erfolgen kann. Die Folge ist eine Abkühlung der nördlichen Erd-Halbkugel.
Wegen der thermischen Trägheit der Erde folgen Erwärmung und Abkühlung den Höchst- und Tiefstständen der Sonne mit einer Verzögerung von ein bis zwei Monaten. Die unterschiedlichen Sonnenbahnen haben in höheren geografischen Breiten die größte Auswirkung (Polarnacht), zum Äquator hin werden die jahreszeitlichen Unterschiede geringer.
Auf der Süd- und der Nordhalbkugel der Erde herrschen jeweils die entgegengesetzten Jahreszeiten: Ist im Süden Sommer, so herrscht auf der Nordhalbkugel Winter, und umgekehrt. In tropischen und subtropischen Gebieten unterscheidet man stattdessen zwischen Regen- und Trockenzeit. In den Tropen gibt es zwei Regenzeiten pro Jahr, die sich jedoch mit zunehmender geografischer Breite zu einer einzelnen, zweigipfeligen und schließlich in den Subtropen zu einer eingipfeligen Regenzeit wandeln.
Der im Jahresverlauf leicht veränderliche Abstand der Erde von der Sonne ist nicht die Ursache für die Jahreszeiten. Er macht lediglich die Südwinter etwas strenger und die Nordwinter etwas milder als sie bei kreisförmiger Erdbahn wären. Die Erde ist nämlich im Nordwinter an ihrem sonnennächsten Punkt (Perihel, ca. 3. Januar), während sie im Südwinter etwas weiter von der Sonne entfernt ist (Aphel, ca. 5. Juli). Stattdessen liegt der Grund für die Jahreszeiten im Winkel und der Dauer der Sonneneinstrahlung. Für Mitteldeutschland (geographische Breite 50°) beträgt der Winkel im Sommer 63,5° und die Sonnenscheindauer 16-17 Stunden, im Winter sind es hingegen 7-8 Stunden bei einem Winkel von 16,5°.
Auf Grund kleiner Bahnstörungen durch die anderen Planeten wandert die Apsidenlinie (die Linie zwischen Aphel und Perihel) in gut 111.000 Jahren einmal rechtläufig (d.h. in der Bewegungsrichtung der Planeten) rund um die ganze Erdbahn. Auf Grund der Störungen durch die Planeten und den Mond führt außerdem die Erdachse eine Präzessionsbewegung aus, so dass die Sonnwend- und Tagundnachtgleichenpunkte in etwa 26.000 Jahren einmal rückläufig (d.h. gegen die Bewegungsrichtung der Planeten) rund um die ganze Erdbahn wandern. Wegen dieser gegenläufigen Bewegungen läuft das Perihel in rund 21.000 Jahren einmal durch alle Jahreszeiten. Im 12. Jahrtausend (?)wird das Perihel mit dem Sommeranfang zusammenfallen. Die Jahreszeiten der Nordhalbkugel werden dann etwas extremer ausfallen als das heute der Fall ist. Im Gegenzug wird die Südhalbkugel im Vergleich zu heute mildere Winter und kühlere Sommer bekommen.
Astronomische Jahreszeiten
Definitionen
Die astronomischen Jahreszeiten sind definiert als die Zeitperioden, während welcher sich die Sonne in bestimmten Abschnitten ihrer scheinbaren jährlichen Bahn befindet. Die je nach Abschnitt unterschiedlichen Sonnenstände sind es, die letztlich auch wie oben erläutert die verschiedenen Witterungsabschnitte verursachen.
Die astronomischen Jahreszeiten beginnen jeweils, wenn die scheinbare geozentrische ekliptikale Länge der Sonne ein ganzzahliges Vielfaches von 90° ist.
Scheinbar heißt: unter Berücksichtigung von Aberration und Nutation.
Geozentrisch heißt: von einem hypothetischen Beobachter im Erdmittelpunkt aus gesehen. Die Definition ist also unabhängig vom Standort eines realen Beobachters; die astronomischen Jahreszeiten beginnen daher weltweit zum selben Zeitpunkt (der aber in verschiedenen Zeitzonen verschiedenen Uhrzeiten entspricht).- Der astronomische Frühling beginnt, wenn die scheinbare geozentrische Länge der Sonne 0° beträgt. Dies ist der Zeitpunkt der Frühlings-Tagundnachtgleiche (Primar-Äquinoktium). Er fällt bis auf wenige Sekunden mit dem Zeitpunkt zusammen, in dem die Sonne den Himmelsäquator von Süden nach Norden überschreitet.
- Der astronomische Sommer beginnt, wenn die scheinbare geozentrische Länge der Sonne 90° beträgt. Dies ist der Zeitpunkt der Sommer-Sonnenwende. Er fällt bis auf wenige Minuten mit dem Zeitpunkt zusammen, in dem die Sonne ihre größte nördliche Deklination und damit ihre nördlichste Stellung auf der Himmelskugel erreicht.
- Der astronomische Herbst beginnt, wenn die scheinbare geozentrische Länge der Sonne 180° beträgt. Dies ist der Zeitpunkt der Herbst-Tagundnachtgleiche (Sekundar-Äquinoktium). Er fällt bis auf wenige Sekunden mit dem Zeitpunkt zusammen, in dem die Sonne den Himmelsäquator von Norden nach Südendurchschreitet.
- Der astronomische Winter beginnt, wenn die scheinbare geozentrische Länge der Sonne 270° beträgt. Dies ist der Zeitpunkt der Winter-Sonnenwende. Er fällt bis auf wenige Minuten mit dem Zeitpunkt zusammen, in dem die Sonne ihre größte südliche Deklination und damit ihre südlichste Stellung auf der Himmelskugel erreicht.
Die Jahreszeitenanfänge sind nicht exakt identisch mit dem Überschreiten des Himmelsäquators oder dem Erreichen der größten Deklination, weil es eigentlich der Schwerpunkt des Erde/Mond-Systems ist, der sich gleichmäßig in der "Erd"bahnebene um die Sonne bewegt, während die Erde selbst diesen Schwerpunkt umkreist und sich in Regel etwas oberhalb oder unterhalb dieser Ebene befindet. Vom geozentrischen Beobachter aus gesehen läuft die Sonne daher nicht exakt auf der Ekliptik (sie hat eine ekliptikale Breite ungleich Null). Sie passiert deshalb zum einen nicht exakt durch Frühlings- und Herbstpunkt, zum anderen führt ihre veränderliche ekliptikale Breite dazu, dass die maximale Deklination in der Regel nicht genau an den Sonnwendpunkten angenommen wird.
Beginn der Jahreszeiten
Die Tabelle[1] listet die astronomischen Jahreszeitenanfänge bis 2014 für die Mitteleuropäische Zeitzone auf (Schaltjahre fett hervorgehoben):
Frühling Sommer Herbst Winter 2002 20. März 20:16 MEZ 21. Juni 15:24 MESZ 23. September 06:55 MESZ 22. Dezember 02:14 MEZ 2003 21. März 02:00 MEZ 21. Juni 21:10 MESZ 23. September 12:47 MESZ 22. Dezember 08:04 MEZ 2004 20. März 07:49 MEZ 21. Juni 02:57 MESZ 22. September 18:30 MESZ 21. Dezember 13:42 MEZ 2005 20. März 13:33 MEZ 21. Juni 08:46 MESZ 23. September 00:23 MESZ 21. Dezember 19:35 MEZ 2006 20. März 19:26 MEZ 21. Juni 14:26 MESZ 23. September 06:03 MESZ 22. Dezember 01:22 MEZ 2007 21. März 01:07 MEZ 21. Juni 20:06 MESZ 23. September 11:51 MESZ 22. Dezember 07:08 MEZ 2008 20. März 06:48 MEZ 21. Juni 01:59 MESZ 22. September 17:44 MESZ 21. Dezember 13:04 MEZ 2009 20. März 12:44 MEZ 21. Juni 07:45 MESZ 22. September 23:18 MESZ 21. Dezember 18:47 MEZ 2010 20. März 18:32 MEZ 21. Juni 13:28 MESZ 23. September 05:09 MESZ 22. Dezember 00:38 MEZ 2011 21. März 00:21 MEZ 21. Juni 19:16 MESZ 23. September 11:04 MESZ 22. Dezember 06:30 MEZ 2012 20. März 06:14 MEZ 21. Juni 01:09 MESZ 22. September 16:49 MESZ 21. Dezember 12:11 MEZ 2013 20. März 12:02 MEZ 21. Juni 07:04 MESZ 22. September 22:44 MESZ 21. Dezember 18:11 MEZ 2014 20. März 17:57 MEZ 21. Juni 12:51 MESZ 23. September 04:29 MESZ 22. Dezember 00:03 MEZ Zwischen zwei Frühlingsanfängen liegt im Mittel ein Zeitraum von etwa 365 Tagen 5 Stunden und 49 Minuten (siehe tropisches Jahr). Jeder Frühlingsanfang fällt daher auf eine um knapp 6 Stunden spätere Uhrzeit als der vorhergehende. Diese systematische Drift zeigt sich auch in der Tabelle beim Vergleich der Zeitangaben für aufeinanderfolgende Jahre; Abweichungen der einzelnen Zeitabstände vom Mittelwert liegen in Bahnstörungen durch die anderen Planeten sowie dem bereits erwähnten Unterschied zwischen Erdmittelpunkt und Erde/Mond-Schwerpunkt begründet.
Nach vier Jahren hat sich der Frühlingsanfang um knapp 24 Stunden zu späteren Uhrzeiten verschoben. Der julianische Kalender führte nun einen Schalttag ein (in der Tabelle: 2004, 2008, 2012), um den Frühlingsanfang wieder um 24 Stunden auf frühere Zeitpunkte zu verschieben. Da die Korrektur durch den Schalttag 24 Stunden beträgt, der Frühlingsanfang aber erst um knapp 24 Stunden verschoben ist (nämlich im Mittel um 4 · 5 h 49 m = 23 h 16 m), hat der Schalttag eine Überkompensation zur Folge, so dass der Frühlingsanfang nach einem Schaltjahrzyklus von vier Jahren im Mittel um etwa 44 Minuten zu früheren Zeitpunkten verschoben ist. Auch dies zeigt sich in der Tabelle beim Vergleich zweier Frühlingsanfänge, die um vier Jahre auseinanderliegen. Diese Überkompensation wird im gregorianischen Kalender langfristig korrigiert, indem in drei von vier Hunderterjahren der Schalttag ausfällt (das nächste Mal im Jahr 2100).
Da die Schaltregel erst eine gewisse Verschiebung des Frühlingsanfangs auflaufen lässt, bevor sie sie durch Einlegen eines Schalttages wieder korrigiert, schwankt die Uhrzeit des Frühlingsanfangs (und entsprechend die aller anderen Jahreszeitenanfänge) in einem Bereich von etwa 18 Stunden. Meist liegt eine Mitternacht in diesem Bereich, so dass der betreffende Jahreszeitenbeginn im Laufe der Jahre an zwei unterschiedlichen Kalendertagen stattfinden kann. So fällt gegenwärtig der Frühlingsbeginn in der Mitteleuropäischen Zeitzone auf den 20. oder 21. März. Falls der Schwankungsbereich sich nicht über eine Mitternacht hinweg erstreckt, finden die betreffenden Jahreszeitenanfänge stets am selben Kalenderdatum statt. So fällt gegenwärtig der Sommeranfang in der Mitteleuropäischen Zeitzone (aber nicht in anderen Zeitzonen) stets auf den 21. Juni.
Diese Verhältnisse bleiben aber nicht konstant, da jeder Schalttag eine Überkompensation bewirkt und sich, wie oben erwähnt, die Jahreszeitenanfänge längerfristig langsam zu früheren Kalenderzeitpunkten hin verschieben, bis diese Verschiebung durch die Schaltregel für Hunderterjahre wieder korrigiert wird:
- Gegenwärtig fällt der Frühlingsanfang in der Mitteleuropäischen Zeitzone auf den 20. oder 21. März. Im Jahr 2011 wird er zum letzten Mal in diesem Jahrhundert am 21. März stattfinden und von da an stets am 20. März. Im Jahr 2048 wird er erstmals und dann immer öfter auf den 19. März fallen. Gegen Ende des Jahrhunderts werden 19. und 20. März etwa gleich häufig vorkommen. Wegen des im Jahre 2100 ausfallenden Schalttages wird der Frühlingsanfang zu Beginn des 22. Jahrhunderts wieder zwischen dem 20. und 21. März pendeln.[2]
- Gegenwärtig findet der Sommeranfang in der Mitteleuropäischen Zeitzone (Sommerzeit) stets am 21. Juni statt. Im Jahr 2016 wird er erstmals und dann immer öfter auf den 20. Juni fallen. Gegen Ende des Jahrhunderts wird der 20. häufiger vorkommen als der 21. Der im Jahre 2100 ausfallende Schalttag verschiebt den Sommeranfang für einige Zeit wieder auf den 21. Juni.[2]
- Gegenwärtig trifft der Herbstanfang in der Mitteleuropäischen Zeitzone (Sommerzeit) etwa gleich häufig auf den 22. oder 23. September. Künftig wird der 22. zunehmend häufig vorkommen; im Jahr 2067 wird der 23. zum letzten Mal auftreten (vorausgesetzt, dass es in jenen Jahren noch eine Sommerzeit gibt, sonst im Jahr 2063). Die Jahrhundertschaltregel schiebt dann den Herbstanfang wieder auf den 22. und 23. September.[2]
- Gegenwärtig beginnt der Winter etwa gleich häufig am 21. und 22. Dezember. Der 21. wird künftig häufiger werden; im Jahr 2047 wird der 22. zum letzten Mal in diesem Jahrhundert auftreten. Im Jahr 2084 wird erstmals seit 1696 der 20. Dezember Winteranfang sein. Nach dem Jahrhundertwechsel liegt der Winteranfang wieder auf dem 21. und 22. Dezember.[2]
Dauer der Jahreszeiten
Die astronomischen Jahreszeiten entsprechen jeweils bestimmten Abschnitten der Erdbahn. Da die Erdbahn leicht elliptisch ist, durchläuft sie diese Abschnitte mit variabler Geschwindigkeit, so dass die Jahreszeiten nicht alle gleich lang sind.
Gegenwärtig befindet sich die Erde bei Winterbeginn in der Nähe des Perihels und durchläuft daher Herbst und Winter schneller als Frühling und Sommer. Da das Perihel wegen der Bahnstörungen durch andere Planeten langsam durch die Jahreszeiten wandert, ändern sich auch die Geschwindigkeiten, mit denen die jeweiligen Jahreszeiten durchlaufen werden.
Die Tabelle zeigt die mittlere Dauer der einzelnen Jahreszeiten in Tagen:[3]
Jahr Frühling Sommer Herbst Winter -1000 94,25 91,63 88,42 90,94 0 93,96 92,45 88,69 90,13 1000 93,44 93,15 89,18 89,47 2000 92,76 93,65 89,84 88,99 3000 91,97 93,92 90,61 88,74 4000 91,17 93,93 91,40 88,73 5000 90,44 93,70 92,15 88,96 Im Jahr 1246 fielen Perihel und Wintersonnenwende zusammen, der Winter hatte also dieselbe Länge wie der Herbst und der Sommer dieselbe Länge wie der Frühling. Seither ist der Winter die kürzeste Jahreszeit. Er wird seine geringste Länge (88,71 Tage) um das Jahr 3500 erreichen und dann wieder länger werden. Er bleibt die kürzeste Jahreszeit, bis etwa im Jahr 6430 das Perihel mit der Frühjahrs-Tagundnachtgleiche zusammenfällt.[3]
Präzession
Auf Grund der gravitativen Störungen durch die Planeten und den Mond führt, wie erwähnt, die Erdachse eine Präzessionsbewegung aus: ihre Neigung bleibt (im Wesentlichen) konstant; die Richtung, in die sie geneigt ist, schwenkt aber im Verlauf von etwa 26.000 Jahren einmal um 360° herum. Damit ändert sich nichts an der Abfolge der Jahreszeiten, lediglich der Bahnabschnitt, in dem die jeweilige Jahreszeit auftritt, verschiebt sich: die Sommersonnenwende beispielsweise tritt immer dann ein, wenn das nördliche Ende der Erdachse der Sonne exakt zugeneigt ist. Der Einfluss dieser Verschiebung auf Dauer und Strenge der Jahreszeiten wurde bereits erläutert.
Für einen Zeitpunkt in 13.000 Jahren wäre die Erdachse auf obiger Abbildung in allen gezeigten Positionen nach links statt nach rechts geneigt zu zeichnen. Die Erdkugel in der rechten Position hätte dann die Nordhalbkugel der Sonne zugewandt, es wäre der Zeitpunkt der Sommer- statt der Wintersonnenwende. Der Gregorianische Kalender ist so eingerichtet, dass er diese Verschiebung mitmacht: die mittlere Länge seines Kalenderjahres (365,2425 Tage) entspricht ungefähr der Länge des tropischen Jahres (365,2422 Tage), so dass das Kalenderdatum 21. März stets in der Nähe des astronomischen Frühlingsanfangs fixiert bleibt und auch die anderen Jahreszeitenanfänge entsprechend mitwandern. In jener Bahnposition wäre dann also Juni statt Dezember, wie es für einen Sommeranfang zu erwarten ist.
In der Richtung, in welche die Nachtseite dieser Erdkugel zeigt, liegen das Sternbild Orion und andere charakteristische Wintersternbilder. In 13.000 Jahren wird in diesem Bahnabschnitt Sommer herrschen, und Orion wird ein Sommersternbild sein.
Meteorologische Jahreszeiten
Die meteorologischen Jahreszeiten sind nach den Kalendermonaten unterteilt. In der Zeit vor Erfindung des Computers ließen sich so Statistiken einfacher erstellen:
Frühlings- (1), Sommer- (2), Herbst- (3) und Winterlandschaft (4) in der Eifel bei Monschau:
Phänologische Jahreszeiten
Um den im Jahresablauf zu beobachtenden saisonalen Entwicklungsstand der Natur durch Jahreszeiten zu beschreiben, ist die Unterteilung in vier Jahreszeiten im Allgemeinen zu grob. In der Phänologie kennt man daher bis zu zehn Jahreszeiten, deren Beginn lokal verschieden durch das Eintreten verschiedener Naturereignisse (zum Beispiel Apfelblüte) gegeben ist.
Sonstiges
Der einschneidende Einfluss, den der Ablauf der Jahreszeiten auf den Lebensrhythmus der Menschen hat, schlägt sich auch sprachlich nieder. Im Deutschen nennt man einen Zeitraum, in dem der Lebensrhythmus in einer Gegend erheblich vom Normalen abweicht, eine fünfte Jahreszeit.
In osteuropäischen Ländern, in denen das Kontinentalklima herrscht, sind die zwei Jahreszeiten Frühling und Herbst extrem kurz und dafür der Sommer und Winter jeweils wesentlich heißer und kälter.
Siehe auch
Einzelnachweise
- ↑ Jahreszeitentabelle des USNO, aufgerufen 21. März 2007
- ↑ a b c d J. Meeus: Astronomical Tables of the Sun, Moon and Planets. 2nd ed., Willmann-Bell, Richmond 1995, ISBN 0-943396-45-X, S. 151 ff.
- ↑ a b J. Meeus: Astronomical Tables…. S. 99
Weblinks
- Die Entstehung der Jahreszeiten-sehr guter Artikel
- WEBGEO-Modul: Erde, Erdbahn, astronomische Jahreszeiten - WEBGEO - E-Learning-Portal für Geographie und Nachbarwissenschaften
- Warum gibt es Sommer und Winter? - Vortrag und Merkblatt zu den Jahreszeiten speziell für Kinder (unter Creative Commons Lizenz, zur Weiterverwendung)
- Zeitraffer-Filme von Jahreszeiten - Baum über vier Jahreszeiten, Schneeschmelze, Frühling, Verfärbungen im Herbst
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