Warum sich die Tageslänge und die Schatten verändern: Erde, Sonne und Schatten

Tag und Nacht entstehen durch die Erdrotation.

Die Sonne kreist nicht jeden Tag um die Erde. Die Erde dreht sich um ihre Achse und vollendet etwa alle 24 Stunden eine Umdrehung. Die Seite des Planeten, die der Sonne zugewandt ist, hat Tag, und auf der gegenüberliegenden Seite ist Nacht.

Die Grenze zwischen beiden ist die Tag-Nacht-Grenze. Während sich die Erde dreht, wird deine Stadt auf diese Grenze zu, durch sie hindurch und auf der anderen Seite wieder von ihr weg bewegt. Der Übergang ins Licht ist der Sonnenaufgang; der Übergang zurück in die Dunkelheit ist der Sonnenuntergang.

Die Erde dreht sich nach Osten. Deshalb scheint die Sonne im Osten aufzugehen und im Westen unterzugehen.

Warum der Tag nicht immer 12 Stunden dauert.

Ein ganzer Tag hat 24 Stunden, aber die Menge an Tageslicht darin ändert sich je nach Ort und Datum. Stell dir eine Stecknadel auf dem Globus vor. Während sich die Erde dreht, zeichnet die Stecknadel einen Kreis mit konstantem Breitengrad nach. Ein Teil dieses Kreises liegt im Sonnenlicht, ein anderer im Schatten. Je länger der beleuchtete Teil ist, desto länger dauert der Tag.

Da die Erdachse geneigt ist, verläuft der Terminator während des größten Teils des Jahres nicht ordentlich von Pol zu Pol. Er schneidet die Breitenkreise ungleichmäßig. In der Nähe des Äquators werden diese Kreise das ganze Jahr über fast in zwei Hälften geteilt, sodass es jeden Tag ungefähr 12 Stunden Tageslicht gibt. Je näher man an die Pole kommt, desto ungleichmäßiger wird die Aufteilung: lange Tage in einer Jahreszeit, kurze in der anderen und direkt an den Polen selbst längere Zeiträume mit kontinuierlichem Licht oder Dunkelheit.

Daher können zwei Orte auf unterschiedlichen Breitengraden am selben Datum sehr unterschiedlich viel Tageslicht haben.

Schatten und die Höhe der Sonne

Ein Schatten ist ein Bereich am Boden, den das Sonnenlicht nicht erreichen kann, weil ein Gegenstand im Weg steht. Stell einen vertikalen Stock auf ebenen Boden: Der einzelne Lichtstrahl, der knapp am oberen Ende vorbeistreicht, markiert, wo der Schatten endet.

Dadurch wird die Geometrie einfach. Die Länge des Schattens hängt nur von der Höhe des Stocks und davon ab, wie hoch die Sonne über dem Horizont steht:

shadow length = stick height ÷ tan(Sun elevation)

• Sonne hoch am Himmel: Der Schatten ist kurz.
• Sonne tief nahe am Horizont: Der Schatten ist lang.
• Sonne bei 45°: Der Schatten ist genauso lang wie der Stock hoch ist.

Ein höherer Stock vergrößert alles proportional, aber das Muster bleibt gleich. Deshalb wird auch dein eigener Schatten morgens und abends lang und um die Mittagszeit kürzer.

Der Weg der Sonne und die Schattenuhr

Für einen bestimmten Ort und ein bestimmtes Datum folgt die Sonne einer festen Bahn über den Himmel. Am Morgen steigt sie auf, erreicht beim wahren Mittag ihren höchsten Punkt und sinkt am Nachmittag wieder. Der Schatten folgt ihr genau: Er zeigt von der Sonne weg und verändert seine Länge, während die Sonne auf- und untergeht.

Darauf beruht eine Sonnenuhr oder Schattenuhr. Markiere, wo die Spitze des Schattens zu verschiedenen Zeiten liegt, und du kannst die Zeit an der Richtung des Schattens ablesen. Zwei Dinge sind wichtig:

• Die Bahn ist in jeder Jahreszeit anders. Deshalb muss eine Sonnenuhr auf das richtige Datum und den richtigen Breitengrad eingestellt werden, und
• Sonnenzeit und die Zeit auf deinem Handy stimmen nicht genau überein, weil Uhren auf eine ganze Region eingestellt sind.

Selbst ein einfacher Stock im Boden verrät dir viel: Der kürzeste Schatten des Tages zeigt den wahren Mittag an. Außerhalb der Tropen zeigt er je nach Erdhalbkugel genau nach Norden oder genau nach Süden.

Häufige Missverständnisse

• „Nachts ist es dunkel, weil die Sonne hinter dem Mond verschwindet.“ Nacht ist einfach die Seite der Erde, die von der Sonne wegzeigt.
• „Mittags steht die Sonne überall senkrecht über uns.“ Nur Orte in den Tropen können die Sonne jemals direkt über sich haben, und auch dort nur an manchen Tagen.
• „Schatten zeigen immer nach Norden.“ Sie zeigen von der Sonne weg, daher ändert sich ihre Richtung im Laufe des Tages.
• „Jahreszeiten gibt es, weil die Erde im Sommer näher an der Sonne ist.“ Die Neigung der Erdachse und nicht die Entfernung verursacht die Jahreszeiten. Die Länge des Tages spielt dabei eine große Rolle.
• „Jeder Tag hat genau 12 Stunden Tageslicht.“ Nur in der Nähe des Äquators stimmt das ungefähr.

Wie man dies im Labor untersuchen kann.

Das Labor „Sonne, Erde & Mond“ lässt dich den Planeten drehen, den Stift bewegen und eine Lampe oder die echte Sonne um einen Stab herumziehen. Ein Weg durch die erste kostenlose Welt:

1. Beginne mit Eine sich drehende Erde und beobachte, wie der Terminator über den Stift wandert.
2. Vergleiche Orte und Daten in Wie lang ist ein Tag?.
3. Miss die Geometrie in Sonnenhöhe und Schattenlänge.
4. Führe alles zusammen mit Der Weg der Sonne und die Schattenuhr.

Die Simulation ist ein vereinfachtes Lehrmodell: Sie berücksichtigt weder die Atmosphäre noch Hügel oder die kleinen Schwankungen in der Bewegung der Erde. Deshalb sind die Zeiten für Sonnenaufgang und Sonnenuntergang etwas regelmäßiger als im echten Leben. Die grundlegende Geometrie stimmt mit dem überein, was du an einem sonnigen Tag selbst mit einem Stab überprüfen kannst.