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Analemma: So bewegt sich die Sonne im Jahresverlauf

Ein Analemma spiegelt die Veränderung des Sonnenstandes im Jahresverlauf wider. In den meisten Weltregionen ähnelt es einer langgestreckten Acht. Wie kommt diese Form zustande?

Illustration of a solar analemma figure-of-eight above a city skyline

Beispiel für ein Analemma

Die Form des Analemmas ergibt sich aufgrund der Neigung der Erdachse und der elliptischen Form der Erdumlaufbahn um die Sonne.

Sonnenstand im Jahresverlauf

Bei Sonnenaufgang oder Sonnenuntergang ist es am besten zu beobachten: Von einem beliebigen Standort betrachtet, überquert die Sonne den Horizont im Winter an einem anderen Ort als im Sommer – siehe Sonnenstand-Tabelle für Ihre Stadt

Diese recht offensichtliche jahreszeitliche Verschiebung macht jedoch nur ein Teil der jährlichen Wanderung der Sonnenposition aus. Im Lauf eines Jahres vollführt die Sonne eine eigentümliche Pirouette – und malt dabei eine Figur an den Himmel, die nur mit fotografischen Tricks sichtbar gemacht werden kann. Macht man jeden Tag exakt zur selben Uhrzeit und am selben Standort ein Foto von der Sonne und kombiniert die Aufnahmen zu einem Gesamtbild, entsteht nach einem Jahr ein Gebilde, das in den meisten Fällen einer langgezogenen Acht ähnelt: das Analemma (siehe Bild).

Warum fährt die Sonne Achterbahn?

Verantwortlich für diese allmähliche, schleifenförmige Verschiebung der Sonnenposition sind zwei Faktoren:

  1. die Neigung der Erdachse (Obliquität)
  2. und die elliptische Form der Erdumlaufbahn um die Sonne (Exzentrizität).

Wäre die Erdachse nicht geneigt und befände sich unser Planet auf einer kreisrunden Umlaufbahn, stünde die Sonne an jedem Tag des Jahres zur selben Uhrzeit an derselben Position am Himmel. Das Analemma wäre punktförmig. Dann gäbe es auf der Erde allerdings auch keine Jahreszeiten.

1. Einfluss der Achsneigung

Illustration
Neigung der Erdachse im Jahresverlauf.
Die Erdachse ist immer in dieselbe Richtung geneigt. Im Bezug zur Sonne ändert sich die Ausrichtung der Achse im Jahresverlauf.
©timeanddate.de

Die Erdachse steht in einem Winkel von etwa 23,4° zur Bahnebene ihrer Umlaufbahn um die Sonne (Ekliptik). Von außen betrachtet bleibt die Ausrichtung dieser Neigung im Jahresverlauf die gleiche – auf dem Bild ist sie zum Beispiel immer nach rechts geneigt. Da sich die Erde jedoch um die Sonne bewegt, ändert sich dadurch fortlaufend die Achsneigung im Bezug zur Sonne. Je nachdem, auf welchem Abschnitt ihrer Umlaufbahn sich die Erde gerade befindet, ist deshalb entweder die Nordhalbkugel oder die Südhalbkugel zur Sonne hingeneigt.

Aus irdischer Perspektive ändert sich dadurch von Tag zu Tag der Sonnenstand. Während des Halbjahres zwischen Wintersonnenwende und Sommersonnenwende erreicht die Sonne mittags jeden Tag einen höheren Stand als am Vortag, in den restlichen sechs Monaten bewegt sie sich jeden Tag wieder ein wenig nach unten.

So kommt die jährliche Auf- und Abbewegung der Sonne zustande, welche die vertikale Dimension des Analemmas bestimmt. Im Sommerhalbjahr durchläuft die Sonne die obere Hälfte der Acht, zur Sommersonnenwende erreicht sie den Gipfel dieser Schleife; im Winterhalbjahr formt sie die untere Schleife und erreicht den Tiefpunkt zur Wintersonnenwende.

2. Einfluss der elliptischen Umlaufbahn

Wegen der elliptischen Umlaufbahn der Erde um die Sonne ändert sich im Jahresverlauf nicht nur ihre Entfernung zur Sonne, sondern auch die Geschwindigkeit, mit der sie durchs All reist. Je kleiner die Distanz, desto schneller bewegt sich die Erde auf ihrer Umlaufbahn.

Durch diese Geschwindigkeitsschwankungen wird aus unserer Perspektive auch die scheinbare Sonnenposition verzerrt. Nimmt die Erde Fahrt auf, und bleibt die Geschwindigkeit der Erdrotation dabei konstant, erreicht die Sonne den Tageshöchststand zu einer späteren Uhrzeit, da sich der Planet etwas weiter drehen muss, um am nächsten Tag wieder denselben Winkel zur Sonne einzunehmen. In dieser Jahreszeit verlangsamt sich also die scheinbare Bewegung der Sonne über den Himmel. (Wegen dieser Schwankungen ist eine Sonnenuhr auch kein besonders präziser Zeitmesser – und der früheste Sonnenuntergang des Jahres ist nicht am kürzesten Tag.)

Für einen irdischen Beobachter erscheint die Sonne wegen dieser Verlangsamung zur selben Uhrzeit jeden Tag etwas weiter östlich als am Vortag. Auf der Nordhalbkugel steht sie dann zu diesem Zeitpunkt also etwas weiter links am Himmel.

Durch diese seitlichen Verschiebungen entsteht die horizontale Dimension des Analemmas: Hat die Erde eine relativ große Geschwindigkeit, bewegt sich die Sonne, von der Nordhalbkugel aus betrachtet, nach links; verlangsamt sich ihre Reise um die Sonne, bewegt sie sich nach rechts.

Im Zusammenspiel mit der oben beschriebenen Auf- und Abbewegung entsteht so die Figur einer Acht.

Themen: Erde, Jahreszeiten, Sonne, Astronomie

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