1. Erdrotation, Umlauf und geneigte Achse unterscheiden
Warum bleibt derselbe Sportplatz im Sommer bis abends hell, während im Winter schon nachmittags lange Schatten entstehen? Zum Verständnis der Jahreszeiten muss zunächst die etwa tägliche Rotation der Erde von ihrem ungefähr jährlichen Umlauf um die Sonne getrennt werden. Die Rotation lässt einen Ort abwechselnd zur beleuchteten und zur dunklen Seite weisen und erzeugt Tag und Nacht. Die Erdachse ist zugleich um etwa 23,4° gegenüber der Senkrechten auf die Umlaufebene geneigt. Gemeint ist nicht der Winkel zur Ebene selbst, sondern zur darauf stehenden Senkrechten. Während eines Umlaufjahres bleibt die Richtung der Achse im Raum annähernd erhalten. Die Erde ändert also nicht zu jeder Jahreszeit ihre Neigung erheblich, sondern ihre Position zur Sonne verändert sich bei ähnlicher Achsrichtung. Wer einen Globus um eine Taschenlampe bewegt und dessen Achse ständig zur Lampe dreht, bildet die tatsächliche Anordnung der Jahreszeiten falsch nach.
Durch diese Anordnung ist um Juni die Nordhalbkugel zur Sonne hin und die Südhalbkugel von ihr weg geneigt. Um Dezember kehrt sich das Verhältnis um. Deshalb herrscht während des nördlichen Sommers in den mittleren Breiten der Südhalbkugel Winter. Beide Halbkugeln befinden sich zu einem Zeitpunkt fast gleich weit von der Sonne entfernt. Dass die ganze Erde der Sonne näher komme, erklärt ihre entgegengesetzten Jahreszeiten daher nicht. Auch die Jahreszeitenerklärung von NASA Space Place betont, dass die Neigung die Art der Sonneneinstrahlung verändert. Das bedeutet allerdings nicht, dass sich an einem bestimmten Tag überall im Norden gleichzeitig Wärme und überall im Süden Kälte einstellt. Äquatornähe, Polargebiete, Berge und Meere bieten auch innerhalb einer Halbkugel unterschiedliche Bedingungen. Das Umlaufmodell erklärt die grundlegende Energieverteilung; regionale Temperaturen und Niederschläge erfordern zusätzlich die Betrachtung der Reaktionen von Atmosphäre und Ozean.
2. Bei höherer Sonne trifft dasselbe Licht auf eine kleinere Fläche
Die Sonnenhöhe ist der Winkel, unter dem die Sonne über dem örtlichen Horizont erscheint. Direkt über dem Kopf sind es 90°, am Horizont 0°. Bei hoch stehender Sonne trifft ein Sonnenstrahlenbündel bestimmter Breite auf eine vergleichsweise kleine waagerechte Bodenfläche. Bei flachem Einfall verteilt sich dasselbe Licht auf mehr Fläche und liefert pro Flächeneinheit weniger Energie. Nimmt man beispielsweise eine gleichmäßige Verteilung derselben Energie auf die doppelte Fläche an, erhält jede Flächeneinheit die Hälfte. Es ist also zu unterscheiden, ob Licht insgesamt verschwindet oder weniger davon auf einen einzelnen Bereich konzentriert wird. Eine Taschenlampe, die zuerst senkrecht und dann schräg auf Papier leuchtet, verdeutlicht diese Geometrie durch einen breiteren Lichtfleck. Helligkeitseinstellung und Abstand zum Papier sollten möglichst gleich bleiben. Weil die Taschenlampe keine ferne Lichtquelle wie die Sonne ist, darf die Fleckhelligkeit nicht direkt in reale Einstrahlung am Erdboden umgerechnet werden. Flaches Sonnenlicht kann außerdem einen längeren Weg durch die Atmosphäre nehmen; wie viel den Boden erreicht, hängt aber auch von Wolken, Partikeln und Wasserdampf ab.
Betrachten wir für eine erläuternde Rechnung einen waagerechten Ort bei 37° nördlicher Breite. Vorausgesetzt werden eine kugelförmige Erde, keine atmosphärische Brechung oder Geländeeinflüsse und eine Achsneigung von 23,4°. Unter diesen idealisierten Bedingungen beträgt die höchste Sonnenhöhe beim örtlichen Mittagsdurchgang zur Juni-Sonnenwende etwa 76,4° und zur Dezember-Sonnenwende etwa 29,6°. Um die Tagundnachtgleichen sind es etwa 53,0°. Das sind keine Messungen einer Beobachtungsstation, sondern geometrische Werte aus Breite und Nord-Süd-Position der Sonne. Ein gleich hoher senkrechter Stab sollte bei höherer Sonne einen kürzeren und bei tiefer Sonne einen längeren Schatten werfen. Das Verhältnis 76,4 zu 29,6 ist jedoch nicht das Verhältnis der Sommer- und Wintertemperaturen. Winkel und Energie verhalten sich nicht einfach proportional; zudem unterscheiden sich der Winkelverlauf des Tages, Wetter und Bodenbeschaffenheit. Die Rechnung dient dazu, unterschiedliche Mittagseindrücke in zwei Jahreszeiten zu erklären.
3. Neben der Intensität ändert sich auch die Tageslänge
Der saisonale Energieunterschied wird nicht allein durch die Sonnenhöhe zu einem einzigen Mittagszeitpunkt bestimmt. In den mittleren nördlichen Breiten ist der Sonnenweg im Sommer länger und die Sonne steht normalerweise länger über dem Horizont. Im Winter verläuft sie am selben Ort niedriger und kürzer; damit verkürzt sich die Zeit der Energieaufnahme. Für einen Vergleich der täglichen Einstrahlung müssen die jeweilige Intensität und ihre Dauer gemeinsam betrachtet werden. Ähnlich fragt man beim Vergleich einer kurz eingeschalteten hellen und einer lange eingeschalteten schwächeren Lampe sowohl nach Stärke als auch Zeit. Auch diese Analogie ist keine Formel für die tatsächliche Erwärmung des Erdbodens. Die Zeit zwischen Sonnenaufgang und -untergang ist nicht dasselbe wie die Zeit direkter Sonneneinstrahlung zwischen Wolken. Tageslänge darf daher nicht mit wolkenfreier Zeit oder der meteorologisch beobachteten Sonnenscheindauer gleichgesetzt werden.
Die Sonnenwenden sind astronomische Bezugspunkte für die Extremwerte dieses Jahresverlaufs. In den mittleren Breiten der Nordhalbkugel ist die Tageslänge um die Juni-Sonnenwende am größten und um die Dezember-Sonnenwende am kleinsten; auf der Südhalbkugel sind die zugehörigen Jahreszeiten umgekehrt. In höheren Breiten gibt es Gebiete mit Mitternachtssonne im Sommer oder Polarnacht im Winter. Das heißt nicht, dass jeder polare Ort exakt ein halbes Jahr hell und anschließend ein halbes Jahr völlig dunkel wäre. Die Dauer hängt von der Breite ab, und auch wenn die Sonne unter dem Horizont steht, kann in der Atmosphäre gestreutes Licht noch Dämmerung erzeugen. Auch bedeutet eine nicht untergehende Sonne nicht, dass der polare Sommer stets wärmer als der in mittleren Breiten ist. Der niedrige Sonnenwinkel, die Reflexion an Schnee und Eis sowie der Wärmetransport unterscheiden sich ebenfalls. Nahe dem Äquator schwankt die Tageslänge im Jahresverlauf wenig; lange Sommerabende mittlerer Breiten sind keine weltweite Erfahrung. Prüfen Sie daher bei zwei Städten im gleichen Monat zuerst Halbkugel und Breite.
4. Spielt die Entfernung zur Sonne keine Rolle?
Die Erdbahn ist kein perfekter Kreis, und die Entfernung zur Sonne verändert sich tatsächlich. Gegenwärtig liegt der sonnennächste Punkt, das Perihel, meist Anfang Januar und der sonnenfernste Punkt, das Aphel, Anfang Juli. Dass auf der Nordhalbkugel im sonnennahen Abschnitt Winter und im sonnenfernen Sommer herrscht, widerspricht einer reinen Entfernungserklärung. Es wäre aber ebenfalls falsch, daraus überhaupt keinen Entfernungseffekt abzuleiten. NASA StarChild erläutert, dass die von der Erde empfangene Sonnenstrahlung im Januar etwa 7% stärker ist als im Juli. Dieser Wert beschreibt einen entfernungsbedingten Unterschied der einfallenden Strahlung und bedeutet nicht, dass alle Städte am Erdboden 7% wärmer werden. Einfallende Strahlung außerhalb der Atmosphäre ist von den Folgen nach ihrer Absorption an der Oberfläche zu unterscheiden. Schon Temperaturunterschiede zwischen bewölktem und klarem Boden am selben Tag zeigen, dass Entfernung allein keine örtliche Temperatur festlegt. Trennen Sie den Hauptgrund der gegensätzlichen Jahreszeiten von diesem zusätzlichen Strahlungsunterschied. Bei stark länglich gezeichneten Umlaufbahnen ist zudem zu prüfen, ob die tatsächliche Exzentrizität maßstäblich dargestellt wird.
Der Zeitpunkt größter Einstrahlung muss auch nicht mit der höchsten Temperatur zusammenfallen. Land und Meer benötigen Zeit zum Speichern und Abgeben von Wärme. Deshalb kann es nach der Sonnenwende trotz allmählich kürzerer Tage noch wärmer werden. Die Erklärung des US-Wetterdienstes beschreibt eine solche Verzögerung zwischen längstem Tag und dem Maximum mittlerer Temperaturen in vielen mittleren und hohen Breiten. Das ist keine Regel mit derselben Zahl von Wochen für jeden Ort. Küste und Binnenland, Wind und Meeresströmungen, Wolken und Bodenfeuchtigkeit verändern Wärmeaufnahme, -abgabe und -transport. Unterschiedliche Sommertemperaturen zweier Städte auf derselben Breite widerlegen die Erklärung durch die Achsneigung nicht. Sie beschreibt den saisonalen Hintergrund der eintreffenden Energie; die tatsächliche Temperatur berücksichtigt zusätzlich Speicherung und Austausch. Ein einzelner kühler Tag lässt keine Jahreszeit verschwinden. Unterscheiden Sie die Tagesbeobachtung von langjährigen Mittelwerten.
5. Sind Tag und Nacht an den Äquinoktien genau gleich lang?
Die Äquinoktien im März und September werden durch den Zeitpunkt bestimmt, an dem das Sonnenzentrum den Himmelsäquator passiert. In Korea gilt das März-Äquinoktium als Frühlings- und das September-Äquinoktium als Herbstbeginn; auf der Südhalbkugel gehören sie dagegen zu Herbst und Frühling. Dabei wird die Erdachsneigung nicht 0°. Bei geneigter Achse liegt die Ausrichtung beider Halbkugeln zur Sonne vielmehr zwischen den sommerlichen und winterlichen Extremen. Das Schulmodell mit jeweils zwölf Stunden Tag und Nacht hilft beim Verständnis der Grundanordnung. Reale Auf- und Untergangszeiten liegen aber nicht überall exakt zwölf Stunden auseinander. Das US Naval Observatory definiert Sonnenaufgang und -untergang über das Erscheinen beziehungsweise Verschwinden des oberen Sonnenrandes am Horizont, nicht des Zentrums. Atmosphärische Brechung lässt die Sonne außerdem höher als ihre geometrische Position erscheinen. Deshalb ist der Tag um das Äquinoktium meist etwas länger als die einfache Zwölfstundenannahme; auch das Datum nahezu gleicher Tag- und Nachtlängen hängt von der Breite ab.
Wenn die Sonne hinter einem Berg oder Gebäude verschwindet, kann das aus einem anderen Grund von der offiziellen Untergangszeit abweichen: Der berechnete Horizont und die tatsächlich sichtversperrende Umgebung sind verschieden. Ob die Dämmerung nach Sonnenuntergang zur Tageslänge gerechnet wird, muss ebenfalls zweckabhängig getrennt werden. Astronomische und meteorologische Jahreszeiten verwenden unterschiedliche Datumsgrenzen. Astronomisch lassen sich Äquinoktien und Sonnenwenden zugrunde legen; Wetterstatistiken können für bessere Vergleichbarkeit ganze Monate zusammenfassen. NOAA erklärt den Unterschied als positionsbezogene Einteilung von Erde und Sonne gegenüber einer Einteilung anhand jährlicher Temperaturzyklen und des Kalenders. Ein im Kalender genannter Jahreszeitenbeginn verspricht daher keine plötzliche Temperaturänderung an genau diesem Tag. Wenn Sie einen Äquinoktiumszeitpunkt für ein bestimmtes Jahr übernehmen, prüfen Sie auch die Zeitzone, damit das lokale Datum stimmt.
6. Schatten beobachten und regionale Unterschiede festhalten
Beobachten Sie nicht die Sonne direkt, sondern befestigen Sie einen senkrechten Stab auf einer sicheren ebenen Fläche und protokollieren Sie seinen Schatten. Halten Sie Ort und Stabhöhe gleich und vergleichen Sie die Schattenlängen verschiedener Tage nahe dem örtlichen höchsten Sonnenstand. Dieser Durchgang fällt nicht immer auf 12 Uhr der Zivilzeit. Nutzen Sie astronomische Angaben mit Ort und Zeitzone oder verfolgen Sie, wann der Schatten innerhalb eines Tages am kürzesten wird. Notieren Sie Datum, geografische Breite, Uhrzeit und Zeitzone, Stabhöhe, Schattenlänge, Wolken und Hindernisse. In Regionen mit Sommerzeit hilft ein Vermerk über die Uhrumstellung, sprunghafte Uhrzeitänderungen beim Sonnenaufgang von astronomischen Veränderungen zu unterscheiden. Ein schiefer Stab oder wechselnde Bodenneigung vermischt den Sonnenhöheneffekt mit Aufbaufehlern. Bleibt die Schattengrenze unter Wolken unscharf, darf „nicht beobachtbar“ stehen, statt eine Zahl zu erzwingen. Tragen Sie in einer getrennten Spalte die Tageslänge aus offiziellen örtlichen Auf- und Untergangszeiten ein und vergleichen Sie über mehrere Monate, wann kurze Schatten mit langen Tagen zusammenfallen.
Mit wenigen Einträgen soll dieses Heft weder eine präzise Messung der Achsneigung noch langfristiger Klimaveränderungen behaupten. Es dient dazu, erwartete Änderungen von Winkel und Tageslänge in Beobachtungen wiederzufinden und Wolken- oder Geländeeinflüsse zu unterscheiden. Ergänzen Sie Aufzeichnungen anderer Regionen, sollten Frühling, Sommer, Herbst und Winter mittlerer Breiten nicht das einzig gültige Schema sein. In den Tropen kann die jahreszeitliche Niederschlagsänderung im Alltag wichtiger als der Temperaturunterschied sein. Wie NOAAs Erklärung der innertropischen Konvergenzzone zeigt, ist die saisonale Verlagerung niederschlagsbildender Zirkulationsgebiete wichtig für Regen- und Trockenzeiten. Doch Anzahl und Monate der Regenzeiten sind nicht für alle äquatorialen Regionen gleich. Auch Land-Meer-Verteilung, Monsun und örtliche Umweltbedingungen sind zu betrachten. Unterscheiden Sie deshalb die globale Geometrie, die Sonnenlichtbedingungen eines Ortes und dessen tatsächliches Wetter und Klima. So wird nicht jede regionale Differenz voreilig derselben einzelnen Ursache zugeschrieben.