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Die Jahreszeiten

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Die Sonne ist der Antriebsmotor für alle Zirkulationssysteme in der Erdatmosphäre. Durch einen im Laufe eines Jahres variierenden Einfallswinkel der Sonnenstrahlung entstehen die Jahreszeiten. Wie genau, das ist der Inhalt dieses Kapitels.

Die Bahn der Erde um die Sonne

Möchte man das Auftreten unterschiedlicher Jahreszeiten verstehen, so sind folgende astronomische Grundlagen zu berücksichtigen:

  • Die Erde umrundet die Sonne innerhalb eines Zeitraums von einem Jahr auf einer leicht elliptischen Bahn genau einmal. Die Sonne steht dabei in einem Brennpunkt dieser Ellipse. (siehe Abbildung 1)
  • Die Umlaufbahn der Erde um die Sonne liegt innerhalb einer gedachten Ebene, die man Ekliptik nennt.
  • Die Erde selbst rotiert einmal innerhalb von 24 Stunden um ihre eigene Rotationsachse.
  • Die Rotationsachse der Erde ist um einen konstanten Winkel von rund 23,5° gegen die Senkrechte auf die Ekliptik geneigt. (siehe Abbildung 2)

Abbildung 1: Elliptische Bahn der Erde um die Sonne [Quelle: Liljequist, Cehak: Allgemeine Meteorologie]
Abbildung 1: Elliptische Bahn der Erde um die Sonne

Der Einfallswinkel der Sonnenstrahlung

Die obigen Punkte haben zur Folge, daß sich der Einfallswinkel der Sonnenstrahlung gegen die Erdoberfläche im Laufe eines Jahres ändert. So steht zum Beispiel auf der Nordhalbkugel die Sonne im Sommer hoch am Himmel, während sie im Winter tief steht. Man beobachtet weiter, daß ein hoher Sonnenstand auf der Nordhalbkugel mit einem tiefen auf der Südhalbkugel und umgekehrt einhergeht. Während also in Deutschland im Sommer die Sonne hoch am Himmel steht, steht sie z.B. in Südafrika tief am Himmel. Abbildung 2 zeigt den Einfallswinkel der Sonnenstrahlung (am Mittag) zur Sommersonnenwende (a) und Wintersonnenwende (b) der Nordhalbkugel.

Abbildung 2: Einfallswinkel der Sonnenstrahlung (am Mittag) zur Sommersonnenwende (a) und Wintersonnenwende (b) der Nordhalbkugel. [Quelle: Liljequist, Cehak: Allgemeine Meteorologie]
Einfallswinkel der Sonnenstrahlung (am Mittag) zur Sommersonnenwende (a) und Wintersonnenwende (b) der Nordhalbkugel.

Anhand von Abbildung 2 erkennt man desweiteren, daß die Sonne prinzipiell nur zwischen 23,5° nördlicher und 23,5° südlicher Breite im Laufe eines Jahres im lokalen Zenit (d.h. der Einfallswinkel beträgt lokal 90°) stehen kann. Da der lokale Zenit im Laufe eines Jahres gleichmäßig einmal zwischen 23,5° Nord und 23,5° Süd hin- und herwandert, steht die Sonne zwischen 23,5° Nord und 23,5° Süd zwei mal pro Jahr im Zenit, jedoch bei exakt 23,5° Nord und 23,5° Süd jeweils nur einmal. Man nennt daher diese Breitenkreise den nördlichen und südlichen Wendekreis. Nördlich des nördlichen Wendekreises und südlich des südlichen Wendekreises steht die Sonne offensichtlich nie im Zenit.

Sommer- und Wintersonnenwende

Der Einfallswinkel der Sonne schwankt demnach an den beiden Wendekreisen zwischen 66,5° (= 90° - 23,5°) und 90° (= lokaler Zenit). Der Tag im Jahr, an welchem die Sonne am nördlichen Wendekreis im Zenit steht, heißt auf der Nordhalbkugel Sommersonnenwende (21. Juni). Der Tag im Jahr, an welchem die Sonne am südlichen Wendekreis im Zenit steht, heißt auf der Nordhalbkugel Wintersonnenwende (21. Dezember). Auf der Südhalbkugel gelten die umgekehrten Namen. Abbildung 2 zeigt die Einstrahlungsverhältnisse an genau diesen Tagen.

Polarnacht, Polarkreis, Mitternachtssonne, Jahreszeiten

  • Da in den Gebieten zwischen den beiden Wendekreisen das ganze Jahr hindurch ein hoher Sonnenstand herrscht, ist es in diesen Breiten auch ganzjährig sehr warm. Es trifft hier einfach pro Einheitsfläche eine sehr große Energiemenge auf den Erdboden.

  • Am Nordpol gibt es zwischen 66,5° Nord und 90° Nord Zeiträume mit ganztägiger Nacht (Polarnacht) und ganztägigem Sonnenlicht (Mitternachtssonne). 66,5° Nord ist die südlichste Breite (nördlicher Polarkreis), bei der man an genau einem Tag im Jahr eine Polarnacht bzw. an genau einem Tag im Jahr eine Mitternachtssonne beobachten kann. Exakt am Nordpol scheint sogar während des gesamten Zeitraums, in dem der lokale Zenit der Sonne auf der Nordhalbkugel liegt, die Sonne ununterbrochen. Das andere halbe Jahr hingegen, wenn der lokale Zenit auf der Südhalbkugel liegt, geht die Sonne dort nicht auf.
    Für die Südhalbkugel gelten analoge Verhältnisse, d.h. während z.B. exakt am Nordpol das erste Mal die Sonne aufgeht und dann für ein halbes Jahr über dem Horizont stehen bleibt, geht sie exakt am Südpol für ein halbes Jahr lang unter.

  • Die wechselnden Einstrahlungsverhältnisse während eines Jahres sind die Ursache für die Jahreszeiten (z.B. für die im Sommer bei uns in Deutschland hohen und im Winter tiefen Temperaturen).

Ergänzende Bemerkungen

Abschließend läßt sich sagen, daß die Sonne zwar nicht die einzige, aber die einzig bedeutende Energiequelle des globalen Klimasystems ist. Die unterschiedlichen Einfallswinkel der Sonnenstrahlung bestimmen maßgeblich die Jahreszeiten. Jenseits der Polarkreise gibt es sogar Mitternachtssonne und Polarnächte. Dass es während der Mitternachtssonne an den Polen dennoch nicht warm wird, liegt an dem sehr flachen Einfallswinkel der Sonnenstrahlung, der zur Folge hat, daß auf eine gleich große Fläche am Pol deutlich weniger Energie kommt als auf eine Fläche am Äquator. Hinzu kommt noch die hohe Reflektion der Sonnenstrahlung an den ausgedehnten Schnee- und Eisfeldern.


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