Veränderung von Einstrahlwinkel und Bestrahlungsdauer

Für die Entstehung von Jahreszeiten ist zunächst entscheidend, wie stark der jeweilige Anteil der Strahlungsleistung der Sonne, den eine bestimmte geografische Region empfängt, im Jahreslauf schwankt. Die auf das Relief der Oberfläche bezogene Bestrahlungsstärke hängt ab vom Einstrahlwinkel und von der Bestrahlungsdauer. Der Einstrahlwinkel erreicht mittags sein tägliches Maximum und diese Sonnenhöhe zu Mittag schwankt für alle Orte außerhalb der Polarregionen im Jahreslauf um ± 23,4°, wobei der durchschnittliche Höhenwinkel zu den Polen hin flacher wird. Die mögliche tägliche Bestrahlungsdauer, der lichte Tag, ist dagegen durchschnittlich gleich lang, doch wächst die jährliche Schwankungsbreite der Tageslänge mit zunehmender geografischer Breite. Da beide Faktoren, Winkel und Dauer der Sonneneinstrahlung, über den Tagbogen zusammenhängen – höchster Sonnenstand und längster Tag fallen zusammen – und ihre Schwankungen sich summieren, hängt die Ausbildung von Jahreszeiten somit vorrangig von der geografischen Breite einer Region ab.

Allein nach dem Breitenkreis lassen sich daher auf den Einfallswinkel des Sonnenlichts bezogene solare Klimazonen unterscheiden. So werden die äquatornahen Tropen als tropische Zonen zwischen den Wendekreisen (23,4° Breite) abgegrenzt gegenüber den ektropischen Zonen – zu denen dann die Subtropen bzw. Mittelbreiten und (ab etwa 66,6° Breite) die Polarzonen gehören – mit äquatorfern zunehmend stärker ausgeprägten jahreszeitlichen Unterschieden. Dadurch entstehen zwei grundsätzliche Klimatypen: das Tageszeitenklima der Tropen und das Jahreszeitenklima der Ektropen, bestimmt durch das Zeitintervall, in dem die höchsten und niedrigsten Durchschnittstemperaturen auftreten.

Während der Zeit zwischen den Tag-und-Nacht-Gleichen im März und im September ist die Nordhalbkugel stärker der Sonne zugeneigt, so dass die Sonne für einen dort befindlichen Beobachter einen hohen Bogen durchläuft. Bei hochstehender Sonne trifft die Sonnenstrahlung steil auf die Erdoberfläche und liefert so einen relativ hohen Energieeintrag pro Fläche. Weiterhin liegt der größere Teil der täglich durchlaufenen scheinbaren Sonnenbahn um die Erde als Tagesbogen oberhalb des Horizonts, sodass die Tage lang sind und viel Zeit für den Energieeintrag zur Verfügung steht. Der somit erhöhte Energieeintrag bewirkt in diesem Zeitraum eine Erwärmung der nördlichen Hemisphäre (Nordhalbkugel).

Befindet sich die Erde ein halbes Jahr später am gegenüberliegenden Punkt ihrer Bahn, so ist die Nordhalbkugel der Sonne abgeneigt infolge der abgesehen von Präzession und Nutation relativ raumfesten Lage der Erdachse. Für einen Beobachter auf der Nordhalbkugel ergibt sich dann eine niedrig verlaufende tägliche Sonnenbahn. Steht die Sonne tief, so trifft die Sonnenstrahlung flacher auf die Erdoberfläche, so dass sie sich auf eine größere Fläche verteilt und weniger Energie einträgt. Außerdem liegt nur der kleinere Teil der täglichen Sonnenbahn oberhalb des Horizonts, so dass der Energieeintrag nur für eine kurze Zeitspanne erfolgen kann. Die Folge ist eine Abkühlung der nördlichen Erdhalbkugel.

Erwärmung und Abkühlung zeigen sich zunächst in den Lufttemperaturen (siehe Abbildung); wegen der thermischen Trägheit folgen die Bodentemperaturen den Höchst- und Tiefstständen der Sonne mit einer gewissen Verzögerung. Die Unterschiede im Tagesbogen des Sonnenlaufes nehmen mit höherer geografischer Breite zu und haben zunehmend stärkere Auswirkungen (bis hin zur Polarnacht), zum Äquator zu werden die jahreszeitlichen Schwankungen geringer.

Frühlings-, Sommer-, Herbst- und Winterlandschaft in der Eifel bei Monschau:^[4]

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Verhältnisse auf der Südhalbkugel

Auf der Südhalbkugel der Erde herrschen jeweils denen der Nordhalbkugel entgegengesetzte Jahreszeiten: Ist es im Süden Sommer, so im Norden Winter, und umgekehrt.

In den tropischen und subtropischen Gebieten beidseits des Erdäquators sind jahreszeitliche Veränderungen weniger ausgeprägt; stattdessen treten Regen- und Trockenzeiten auf. Im Jahreslauf lassen sich in den äquatornahen Tropen zwei Regenzeiten unterscheiden. Mit zunehmender geografischer Breite gehen sie ineinander über und werden so zu zwei Gipfeln einer einzigen Regenzeit, die sich je nach Hemisphäre verschieden ausprägen.

Änderung des Sonnenabstands

Zwar läuft die Erde auf einer Bahn um die Sonne, die elliptisch und nicht kreisförmig ist, sodass die Distanz zur Sonne variiert, doch betreffen die dadurch entstehenden Unterschiede allein die Lichtintensität und sind wegen der geringen Bahnexzentrizität der Erdbahn nicht groß. Den sonnenfernsten Bahnpunkt durchläuft die Erde in der ersten Juliwoche, im Sommer auf der Nordhalbkugel. Die im Jahresverlauf wegen des exzentrischen Umlaufes leicht veränderte Entfernung der Erde von der Sonne ist also nicht die Ursache für die Jahreszeiten. Die Änderung zwischen Perihel- und Apheldurchgang macht lediglich gegenwärtig die Südwinter etwas strenger und die Nordwinter etwas milder (kürzer und sonnennäher), als sie es bei einer kreisförmigen Erdbahn wären. Unter den derzeitigen Umständen ist die Erde im Nordwinter an ihrem sonnennächsten Punkt (Perihel) – um den 3. Januar in einer Entfernung von rund 147,1 Mio. km; im Südwinter ist sie am weitesten von der Sonne entfernt (Aphel) – um den 5. Juli in einer Distanz von rund 152,1 Mio. km. Der Grund für die Jahreszeiten auf der Erde liegt – wie oben bereits ausgeführt – im Winkel und der Dauer der Sonneneinstrahlung. Für Mitteleuropa betragen die Extrema der Winkel im Sommer 60° bis 65° und die der möglichen Sonnenscheindauer in Mitteldeutschland 16–17 Stunden, im Winter sind es hingegen 7–8 Stunden beziehungsweise Winkel von nur 13° bis 18°.

Verschiebung der Jahreszeiten

Aufgrund der gravitativen Einwirkung hauptsächlich von Mond und Sonne auf den rotierenden Erdkörper führt die Erdachse eine Präzessionsbewegung aus, so dass sich die Lage der Bezugspunkte von Sonnenwenden und Tagundnachtgleichen allmählich verschiebt und in etwa 26.000 Jahren einmal rückläufig (retrograd) rund um die Erdbahn wandert (Zyklus der Präzession). Das auf den Frühlingspunkt bezogene tropische Jahr dauert daher rund 20 Minuten kürzer als ein auf den Fixsternhintergrund bezogener vollständiger Umlauf der Erde um die Sonne, ein siderisches Jahr. An der Länge des tropischen Jahres orientiert sich das so genannte bürgerliche Jahr der kalendarischen Zeitrechnung. Der tropischen Jahreslänge wird das Kalenderjahr im gregorianischen Kalender durch Einfügen von Schalttagen angenähert, womit sich typische Verschiebungen für kalendarische Angaben des Anfangs von Jahreszeiten ergeben, beispielsweise für den Herbstanfang.

Außerdem dreht sich infolge von Bahnstörungen durch andere Planeten die Apsidenlinie (Gerade durch Aphel und Perihel) in gut 111.000 Jahren einmal rechtläufig (prograd). Wegen dieser einander gegenläufigen Bewegungen läuft das Perihel in rund 21.000 Jahren einmal durch alle Jahreszeiten. In etwa 10.000 Jahren wird der sonnennächste Bahnpunkt mit der nördlichen Sommersonnenwende zusammenfallen. Die winterlichen Jahreszeiten der Nordhalbkugel werden dann länger und sonnenferner stattfinden als heute. Im Gegenzug wird die Südhalbkugel kürzere und sonnennähere Winter bekommen.

Definitionen

Astronomisch werden die Jahreszeiten nach der scheinbaren geozentrischen ekliptikalen Länge des Sonnenstandes bestimmt. Unter Berücksichtigung von Aberration und Nutation wird dafür die scheinbare jährliche Bahn der Sonne von einem hypothetischen Beobachtungsort im Erdmittelpunkt aus betrachtet und in vier Abschnitte unterteilt. Jeder der Bahnabschnitte ist durch je einen Äquinoktial-Punkt (von Tagundnachtgleiche, bei 0° bzw. bei 180°) und je einen Solstitial-Punkt (von Sonnenwende, bei 90° bzw. bei 270°) begrenzt.

Die astronomischen Jahreszeiten sind definiert als jene Zeitspannen, die während des Durchlaufens eines bestimmten der vier Abschnitte jeweils vergehen, und dauern wegen der unterschiedlichen Winkelgeschwindigkeit nicht gleich lange. Aufgrund der geozentrischen, auf den Erdmittelpunkt bezogenen Definition beginnt oder endet eine astronomische Jahreszeit standortunabhängig weltweit zum selben Zeitpunkt (dem aber in verschiedenen Zeitzonen unterschiedliche Uhrzeiten entsprechen).

• Der astronomische Frühling beginnt, wenn die scheinbare geozentrische Länge der Sonne 0° beträgt. Dies ist der Zeitpunkt der Frühlings-Tag-und-Nacht-Gleiche (Primaräquinoktium). 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-Tag-und-Nacht-Gleiche (Sekundaräquinoktium). Er fällt bis auf wenige Sekunden mit dem Zeitpunkt zusammen, in dem die Sonne den Himmelsäquator von Norden nach Süden durchschreitet.
• Der astronomische Winter beginnt, wenn die scheinbare geozentrische Länge der Sonne 270° beträgt. Dies ist der Zeitpunkt der Wintersonnenwende. 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 „Erdbahnebene“ um die Sonne bewegt, während die Erde selbst diesen Schwerpunkt umkreist und sich in der 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^[5] listet die astronomischen Jahreszeitenanfänge für die Mitteleuropäische Zeitzone (UTC+1) auf (Schaltjahre hervorgehoben):^{[Anm. 1]}

Die Zeitspanne von einem astronomischen Frühlingsanfang zum folgenden, ein tropisches Jahr, dauert im Mittel 365 Tage, 5 Stunden und 49 Minuten. Daher fällt der nächste Frühlingsanfang auf eine um knapp 6 Stunden spätere Uhrzeit als der vorangegangene. Wie ein Vergleich der Zeitangaben in der Tabelle zeigt, ergeben sich für aufeinanderfolgende Jahre kleine Abweichungen vom Mittelwert. Sie werden durch die von anderen Planeten bewirkten Bahnstörungen sowie den bereits erwähnten Unterschied zwischen Erdmittelpunkt und Erde-Mond-Schwerpunkt verursacht (siehe auch Artikel Erdbahn).

Für eine Zeitspanne von vier Jahren bedeutet dies eine um knapp 24 Stunden spätere Uhrzeit. Der Frühlingsanfang fällt damit nach vier Jahren also wieder auf etwa die gleiche Tageszeit, doch in einem kalendarischen Gemeinjahr von 365 Tagen auf ein um einen Tag späteres Datum. Mit dem julianischen Kalender wurde deshalb ein Schalttag eingeführt, der alle vier Jahre (in Schaltjahren wie z. B. 2016, 2020, 2024) eingeschaltet wird, damit sich das Datum des Frühlingsanfangs in einem Kalenderjahr nicht immer weiter auf ein späteres Kalenderdatum verschiebt. Allerdings ist diese mit 24 Stunden pro 4 Jahren angesetzte kalendarische Korrektur um durchschnittlich etwa 44 Minuten zu groß (4 · 5 h 49 m = 23 h 16 m), sodass sich mit dieser Regelung das im julianischen Kalender angegebene Frühjahrsdatum allmählich auf ein früheres Kalenderdatum verschiebt. Diese Überkompensation wird im gregorianischen Kalender dadurch korrigiert, dass der Schalttag in den Säkularjahren dreimal in vier Jahrhunderten weggelassen wird. Dies war in der Vergangenheit in den Jahren 1700, 1800 und 1900 der Fall; 2000 war jedoch ein Schaltjahr. Mit dieser Regelung hat das gregorianische Kalenderjahr eine Länge von 365,2425 Tagen und kommt der astronomisch bestimmten mittleren Länge eines tropischen Jahres ziemlich nahe.

Die kalendarischen Termine der astronomisch für den Beginn des Frühlings sowie auch der anderen Jahreszeiten bestimmten Zeitpunkte liegen somit nicht fest. Ihre Schwankungen zeigen neben einer jeweils knapp sechsstündigen tageszeitlichen Änderung gegenüber dem Vorjahr ein von den Schaltregeln beeinflusstes Muster. Dabei kann der betreffende Jahreszeitenbeginn im Laufe der Jahre an unterschiedlichen Kalendertagen stattfinden. So kann im 21. Jahrhundert in der Mitteleuropäischen Zeitzone (MEZ bzw. MESZ) der Sommeranfang auf den 20. oder 21. Juni fallen, der Herbstanfang auf den 22. oder 23. September, der Winteranfang auf den 21., 22. oder 23. Dezember und der Frühlingsanfang auf den 19., 20. oder 21. März:

• Der Sommeranfang in der Mitteleuropäischen Zeitzone mit Sommerzeit (MESZ) fiel zu Beginn des 21. Jahrhunderts auf den 21. Juni und im Jahr 2020 erstmals auf den 20. Juni. Gegen Ende des Jahrhunderts wird der 20. häufiger als der 21. Der im Jahre 2100 ausfallende Schalttag verschiebt den Sommeranfang für einige Zeit wieder auf den 21. Juni.^[6]
• Der Herbstanfang in der Mitteleuropäischen Zeitzone mit Sommerzeit fiel anfangs des Jahrhunderts etwa gleich häufig auf den 22. oder 23. September. Der 22. wird dann zunehmend häufiger und im Jahr 2067 wird der 23. zum letzten Mal in diesem Jahrhundert Datum des Herbstanfangs (vorausgesetzt, dass in jenen Jahren noch in Sommerzeit (MESZ) angegeben wird, sonst im Jahr 2063). Mit der Jahrhundertschaltregel tritt danach wieder der 23. neben dem 22. September als Herbstanfang auf.^[6]
• Der Winteranfang fiel im ersten Jahrzehnt etwa gleich häufig auf den 21. und den 22. Dezember. Künftig wird das Datum des 21. häufiger werden; im Jahr 2047 wird der 22. zum letzten Mal in diesem Jahrhundert als Termin auftreten. Im Jahr 2084 wird erstmals seit 1696 der 20. Dezember Winteranfang sein. Nach dem Jahrhundertwechsel liegt der Winteranfang wieder auf dem 21. oder 22. Dezember.^[6]
• Der Frühlingsanfang fiel in den ersten Jahren des 21. Jahrhunderts in der Mitteleuropäischen Zeitzone (MEZ) auf den 20. oder den 21. März. Im Jahr 2011 lag der Termin zum letzten Mal in diesem Jahrhundert auf dem 21. März. Seither ist es der 20. März. Im Jahr 2048 wird der Frühlingsanfang erstmals auf den 19. März fallen, danach immer öfter, gegen Ende des Jahrhunderts werden 19. und 20. März etwa gleich häufig vorkommen. Wegen des im Jahr 2100 ausfallenden Schalttages wird der Frühlingsanfang zu Beginn des 22. Jahrhunderts dann wieder zwischen dem 20. und 21. März pendeln (siehe Abbildung unten).^[6]

Dauer der Jahreszeiten

Die astronomischen Jahreszeiten entsprechen jeweils bestimmten Abschnitten der Erdbahn. Da die Erdbahn mit einer geringen Exzentrizität von 0,0167 leicht elliptisch ist, durchläuft die Erde diese Abschnitte mit variabler Geschwindigkeit, so dass die Jahreszeiten nicht alle gleich lang sind. Auch ändert sich ihre unterschiedliche Dauer im Laufe der Jahrhunderte. Derzeit ist der Winter (auf der Nordhalbkugel) mit etwa 89 Tagen die kürzeste Jahreszeit, der Sommer mit knapp 94 Tagen die längste; vor einem Jahrtausend war es der Herbst beziehungsweise der Frühling.

Gegenwärtig befindet sich die Erde kurz nach Winteranfang Anfang Januar am Perihel^[7] und durchläuft daher Herbst und Winter schneller als Frühling und Sommer. Da das Perihel wegen der Präzession und gravitativer Bahnstörungen langsam durch die Jahreszeiten wandert, ändern sich auch die Geschwindigkeiten, mit denen die jeweiligen Jahreszeiten durchlaufen werden.

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-Tag-und-Nacht-Gleiche zusammenfällt.^[8]

Präzession

Aufgrund der auf die Äquatorwulst der Erde wirkenden Gezeitenkräfte von Sonne und Mond führt 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, allerdings auf der Nordhalbkugel dann deutlich niedriger stehen.