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Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek

Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar.

© 2021 Verlag Anton Pustet

5020 Salzburg, Bergstraße 12

Sämtliche Rechte vorbehalten.

Lektorat: Martina Schneider

Grafik und Produktion: Nadine Kaschnig-Löbel

Coversujet: Explodierende Galaxie M 82 © Rochus Hess, www.astrofotografie-hess.at; Kapiteltrennseiten: Rochus Hess; Seite 182–183 Rochus Hess und Marcel Drechsler

eISBN 978-3-7025-8085-8

auch als gedrucktes Buch erhältlich: ISBN 978-3-7025-1028-2

www.pustet.at

Arnold Hanslmeier

DIMENSIONEN DES WELTALLS

INHALT

Einleitung

Unsere Erde

Ist die Erde eine Kugel?

Kann man die Erdkrümmung sehen?

Wie groß ist die Erdkugel?

Wieso schweben Astronauten im All?

Gibt es auch auf der Erde Schwerelosigkeit?

Wie schwer ist die Erde?

Was sind astronomische Zahlen?

Wie schwer ist die Menschheit?

Die Kanonenkugel und die Erdanziehung

Wie sieht die Erde vom Mond aus?

Was bezeichnet man als Planet?

Wie sieht die Erde vom Weltraum aus?

Wie groß ist die Erdoberfläche verglichen mit anderen Himmelskörpern?

Warum gibt es Jahreszeiten?

Unser Mond

Auf dem Mond hüpfende Astronauten?

Der Mond als Raumstation?

Wie weit ist der Mond von uns entfernt?

Woher kommt das Wort „Monat“?

Was ist ein Blauer Mond?

Wie entstehen die Mondphasen?

Was ist das Mondgesicht?

Meere und Gebirge auf dem Mond?

Weshalb besitzt der Mond Krater?

Wie kommt es zu Mond- und Sonnenfinsternissen?

Weshalb dauern Finsternisse unterschiedlich lange?

Was ist ein Blutmond?

Wie entstehen die Gezeiten?

Was ist eine Springflut?

Die Kraft des Mondes

Der Mond und die Entstehung des Lebens?

Die Erdachse als Kreisel

Was ist der Polarstern?

Woher kommt unser Mond?

Unser Kalender

Woher kommen das Jahr, der Monat und der Tag?

Wie lange dauert ein Jahr?

Der Tag, an dem elf Tage verstrichen

Gibt es Kalender, die nach dem Mond gehen?

Der Nullpunkt des Kalenders?

Die Sonne, unser Stern

Wie heißt unser nächster Stern?

Was macht die Sonne so besonders?

Weshalb stürzen wir nicht in die Sonne?

Wie kann man die Sonne beobachten?

Was sieht man auf der Sonne?

Hat die Sonne Flecken?

Wie weit ist die Sonne entfernt?

Wieviel Energie strahlt die Sonne ab?

Wie erzeugt die Sonne ihre Energie?

Masse in Energie umwandeln?

Die Sonne – eine Atombombe?

Wird die Sonne leichter?

Kann man in das Innere der Sonne blicken?

Die schwingende Sonne?

Kann man Neutrinos nachweisen?

Zu wenig Neutrinos von der Sonne?

Ist die Sonne magnetisch?

Warum sind Sonnenflecken kühl?

Warum ist die höhere Sonnenatmosphäre heißer als die Oberfläche?

Eine Heizung für die Sonnenatmosphäre?

Gefahr von der Sonne?

Polarlichter von der Sonne erzeugt?

Funkstille durch erhöhte Sonnenaktivität?

Gefahr durch Sonnenstrahlung?

Das Zittern der Kompassnadel

Gibt es ein Wetter im Weltraum?

Beeinflusst die Sonnenaktivität unser Klima?

Wann hört die Sonne auf zu leuchten?

Das System der Planeten

Was sind Planeten?

Schleifen am Himmel?

Was ist der Morgenstern, was ist der Abendstern?

Gibt es eine Venussichel?

Gibt es etwas Neues von Merkur?

Venus: Die Hölle im Sonnensystem?

Wo geht die Sonne verkehrt auf?

Gibt es Leben auf der Venus?

Mars – der rote Planet

Kanäle auf dem Mars, errichtet von Marsbewohnern?

Grüne Marsmännchen?

Spielzeugautos auf dem Mars?

Auf dem Mars (über)leben?

Wann regnete es auf dem Mars zum letzten Mal?

Sonnenfinsternisse auf dem Mars?

Jupiter – ein Miniatursonnensystem?

Monde, neue Kandidaten für Leben?

Saturn – der einzige Planet mit Ring?

Titan – Baden im Alkohol?

Eine Sonde landet auf Titan

Enceladus: Eisvulkane?

Uranus und Neptun, die Eisriesen?

Gab es eine weitere Planetenkollision im Sonnensystem?

Ein Planet wird vorausberechnet

Weshalb ist Pluto kein Planet mehr?

Was wissen wir über Pluto?

Kometen – Unheilsbringer?

Was ist der Halley’sche Komet?

Kometen- und Sternschnuppenschauer

Das Sonnensystem mit dem Flugzeug

Wie groß sind die Planeten?

Der Kosmos der Sterne

Wie viele Sterne sehen wir am Himmel?

Wie erscheint uns der Sternenhimmel?

Wie hell leuchten Sterne?

Was sind Größenklassen?

Wie weit sind die Sterne von uns entfernt?

Was ist ein Lichtjahr?

Eine Reise zu Alpha Centauri?

Wie unterscheiden wir Sterne von Planeten am Himmel?

Wo entstehen Sterne?

Was ist das Siebengestirn?

Weshalb rotieren Sterne?

Wie entstehen Sterne und Planeten?

Was sind Rote Riesen?

Wie lange leben Sterne?

Bestehen wir aus Sternenstaub?

Was ist eine Supernova?

Was sind Weiße Zwerge?

Das Rätsel des Sirius

Was wird einmal aus der Sonne?

Was wird aus weißen Zwergen?

Was sind Neutronensterne?

Leuchttürme am Himmel oder was sind Pulsare?

Ein heller Stern am Himmel

Schwarze Löcher – gibt es sie wirklich?

Ab wann wird man von einem Schwarzen Loch gefangen?

Unsere Erde, ein Schwarzes Loch?

Schwarze Löcher als Sternleichen?

Zusammenfassung: Wie enden die Sterne?

Kann man Schwarze Löcher sehen?

Was sind Wurmlöcher?

Eine Reise in ein Schwarzes Loch

Was ist hinter dem Ereignishorizont?

Ewig gefangen im Schwarzen Loch?

Die quantenmechanische Radarfalle?

Quantenphysik, alles wird unscharf?

Warum leben wir überhaupt in einer geordneten Welt?

Geisterteilchen aus dem Nichts?

Ist moderne Technik ohne Quantenphysik denkbar?

Die Quantenphysik und Schwarze Löcher

Wie lange leben Schwarze Löcher?

Hunderte Milliarden von Sternen: Unsere Milchstraße

Ist unsere Sonne ein besonderer Stern?

Verspritzte Milch am Himmel?

Die Milchstraße – viele Sterne?

Wo befinden wir uns in der Milchstraße?

Wie ist die Milchstraße aufgebaut?

Radiostrahlung von der Milchstraße?

Dem Monster im Zentrum auf der Spur

Was ist die Umgebung der Sonne und des Sonnensystems?

Leben wir in einer Blase?

Kein leerer Raum zwischen den Sternen?

Aus (fast) nichts entstehen Sterne?

Gasnebel – Geburtsstätten neuer Sterne?

Leuchtender Wasserstoff?

Staub in der Milchstraße?

Galaxien Welteninseln

Wie groß ist das Universum?

Eine einfache Abschätzung – wie weit ist der Andromedanebel von uns entfernt?

Wie weit ist der Andromedanebel wirklich entfernt?

Edwin Powell Hubble – Genie ohne Nobelpreis

Haufen von Galaxien?

Ein Schwarzes Loch sichtbar machen?

Die fehlende Masse bei Galaxienhaufen?

Was sind Superhaufen?

Sterne, die sich zu schnell um das Zentrum bewegen?

Dunkle Materie auch in der Milchstraße?

Woraus besteht die Dunkle Materie?

Dunkle Planeten verbiegen den Raum?

Aktive Galaxien – wenn das Schwarze Loch Materie verschlingt

Galaxienkannibalismus

Wie ist alles entstanden?

Weshalb schauen die Menschen seit jeher nach oben?

Wo befinden wir uns im Universum?

Eine Galaxie unter vielen?

Sind wir im Mittelpunkt des Universums?

Dehnt sich das Universum aus?

Wie alt ist das Universum?

Wie bestimmt man die Hubble-Konstante?

Inflation im Universum?

Gibt es Dunkle Energie?

Das Universum und die Fahrradpumpe?

Wie heiß ist das heutige Universum?

Ein Rauschen im Hintergrund?

Können wir in die Vergangenheit blicken?

War das Universum undurchsichtig?

Woraus besteht das Universum?

Der Urknall – Sinn oder Unsinn?

Was ist die Kosmologische Konstante?

Wie gesichert ist die Urknalltheorie eigentlich?

Wie entwickelt sich das Universum weiter?

Wie viel Masse gibt es im Universum – oder Expansion auf ewig?

Dunkle Materie, Dunkle Energie …

Dehnt sich das Universum für immer aus?

Verbotene Frage: Was war vor dem Urknall?

Wohin dehnt sich das Universum aus?

Ist der Raum gekrümmt?

Ist der Raum wirklich gekrümmt?

Riesenteleskope im Universum?

Periheldrehung, was ist das?

Raumkrümmung im täglichen Leben?

Gefahr aus dem All?

Weshalb sind die Dinosaurier ausgestorben?

Ein Asteroid schlägt ein?

Gab es auch andere Massensterben in der Erdgeschichte?

Welche Ursachen für Massensterben gibt es?

Gab es Klimaänderungen?

Gefahr durch Sonnenstürme?

Eine nahe Supernova explodiert?

Gibt es Kandidaten für Supernovae?

Gammastrahlenblitze

Was weiß man über die rätselhaften Blitze aus dem All?

Was sind Gravitationswellen?

Was passiert, wenn Neutronensterne kollidieren?

Kann man den Kollaps zweier

Neutronensterne beobachten?

Blitze aus dem All als Gefahr für die Erde?

Invasion aus dem All?

Leben auf der Venus?

Denkmäler auf dem Mars?

Lebensspuren in Marsmeteoriten?

Auf einem Mond leben?

Leben außerhalb des Sonnensystems?

Werden wir von Außerirdischen abgehört?

Wie Sand am Meer?

Die Kontaktaufnahme

Wo sind sie?

Gibt es heiße Jupiter?

Spuren des Lebens im Spektrum?

Auf der Suche nach Leben auf Exoplaneten

Eine Schallplatte unterwegs zu den Sternen?

Was können wir am Himmel sehen?

Warum ist es nachts dunkel?

Was ist Lichtverschmutzung?

Das Sterben der Insekten

Bei Vollmond schlecht schlafen?

Wie weit wirkt die Lichtverschmutzung von Städten?

Gibt es Abhilfe gegen Lichtverschmutzung?

Licht und Sicherheit?

Licht zum Hinsehen

Was ist Scotobiologie?

Kosten sparen durch weniger Beleuchtung?

Nachthimmelsbeobachtungen von einer Stadt aus?

Was ist der große Wagen?

Den Polarstern finden

Eine Prinzessin und der Teufelsstern

Sirius, der hellste Stern am Himmel

Der Himmelsjäger Orion

Das Wintersechseck

Das Sommerdreieck

Was sieht man bei vollkommener Dunkelheit?

Welches Teleskop sollte man kaufen?

Was sieht man mit einem Teleskop am Himmel?

Welche Nebel sieht man gut?

Planetarische Nebel

Sternhaufen am Himmel

Zusammenfassung: Was sieht man am Abendhimmel zu einer bestimmten Jahreszeit

Dank, Bildnachweis

EINLEITUNG

Als ich mich mit dem Enkel meines Nachbarn unterhielt und dieser erfuhr, dass ich nachts Sterne beobachte, tauchte sofort die Frage auf, was ein Schwarzes Loch sei. Schwarze Löcher, explodierende Sterne, Planeten, Leben auf anderen Planeten, Entstehung des Universums und viele weitere Fragen in Zusammenhang mit der Astrophysik, der Wissenschaft, die sich mit diesen Dingen beschäftigt, faszinieren die Menschen. Einige davon sind auch die grundlegenden Fragen, die sich die Menschen bereits in sehr frühen Kulturen vor mehreren Tausenden von Jahren stellten.

Die Antworten auf diese Fragen sind auch heute nur teilweise möglich, aber gehen doch weiter über die Deutung der Phänomene durch göttliches Wirken hinaus, was nach Meinung vieler Naturwissenschaftler*innen die Existenz eines Gottes jedoch keineswegs ausschließt.

In diesem Buch werden derartige Fragen gestellt und beantwortet. Es beginnt mit Dingen, die uns täglich begegnen. Wie kommt ein Kalender zustande, weshalb hat das Jahr 365 Tage und alle vier Jahre ist ein Schalttag? Woher kommen die Monate und Wochentage? Unsere Erde ist ein Spielball kosmischer Kräfte. Die Anziehungskräfte von Mond und Sonne bewirken die Gezeiten. Kann uns die Sonne gefährlich werden? Was sind überhaupt Sterne? Warum erscheint uns der Planet Venus einmal als Abend- und einmal als Morgenstern?

Moderne Astrophysik geht an die Grenzen der Erkenntnis, und um die Entstehung des Universums sowie die Struktur von Raum und Zeit zu verstehen, benötigen wir Grundkenntnisse der beiden großen modernen Theorien der Physik: der Relativitätstheorie und der Quantenphysik. Doch keine Angst, beide Theorien werden anhand einleuchtender Beispiele erklärt (so richtig verstanden haben einiges davon auch viele Physiker*innen nicht). Mit diesen beiden Theorien werden dann wundersame Dinge erklärt, zum Beispiel was passiert, wenn man in ein Schwarzes Loch fällt.

Schließlich kommen wir auch zur Frage der Entstehung des Universums. Welche Antworten hat die Wissenschaft und wird es jemals eine endgültige Antwort geben? Und wohin wird sich das Universum weiterentwickeln, was bringt die Zukunft? Wie lange wird es unsere Erde noch geben?

Eine letzte große Frage ist, ob es anderswo Leben gibt und natürlich im Besonderen Lebewesen, mit denen wir in Kontakt treten könnten. Auch hier stehen endgültige Antworten aus, aber man ist gerade in den letzten drei Jahrzehnten durch die Entdeckung von Planetensystemen außerhalb unseres Sonnensystems ein großes Stück in der Beantwortung dieser Frage weitergekommen.

Das Buch ist also voll von Fragen, auf die es mehr oder weniger gute, aber möglichst verständlich ausgedrückte Antworten gibt. Für alle Leser*innen, die gerne auch selbst mit Zahlen experimentieren möchten, gibt es ein paar mathematische Einschübe, die auch übergangen werden können, ohne den Zusammenhang zu verlieren. Generell war es meine Absicht, ein Buch zu schreiben, in das man an jeder beliebigen Stelle „quereinsteigen“ kann, man muss also nicht brav von der Seite 1 bis Seite 100 gelesen haben, um das, was auf Seite 101 steht, zu verstehen.

Ich wünsche Ihnen viel Freude und Spaß bei der Beschäftigung mit den modernsten Erkenntnissen der modernen Naturwissenschaften! Physik ist ein bei vielen Schüler*innen unbeliebtes Unterrichtsfach. Ich hoffe, Ihnen mit diesem Buch das Gegenteil zu beweisen.

Arnold Hanslmeier

UNSERE ERDE

IST DIE ERDE EINE KUGEL?

Für uns erscheint es selbstverständlich, und nahezu jedes Kind weiß es: Wir leben auf einem Planeten. Von der Sonne aus gesehen ist unsere Erde der dritte Planet. Doch was ist ein Planet? [ Was bezeichnet man als Planet? S. 22]

Noch lange bis in die Neuzeit herrschte der Glaube vor, die Erde sei eine Scheibe. Über diese Scheibe breite sich das Himmelsgewölbe mit seinen Sternen, Sonne und Mond aus. Blicken wir von Horizont zu Horizont, dann finden wir scheinbar nirgendwo Anzeichen einer gekrümmten Erdoberfläche, wie sie es bei einer Kugelgestalt der Erde aber sein muss.

Die Krümmung einer Kugel hängt aber natürlich von deren Größe ab. Je kleiner die Kugel, desto größer die Krümmung. Stellen wir uns vor, wir würden auf einem kleinen Planeten leben oder gar auf einem der kleineren Monde eines Planeten, etwa dem Saturnmond Enceladus. Dieser Mond ist nur etwa 500 Kilometer groß. Man würde dann nur sehr nahe Berge sehen, die weiter entfernten wären wegen der starken Krümmung unterhalb des Horizontes. Befände man sich auf der Oberfläche von Enceladus, dann könnte man selbst 2 500 Meter hohe Berge wegen der viel stärkeren Krümmung der Oberfläche aus einer Entfernung von 10 Kilometern bereits nicht mehr sehen.

Da unsere Erde relativ groß ist, fällt die Krümmung zunächst kaum auf. Die Krümmung der Erdoberfläche macht 7,8 Zentimeter auf einer Distanz von einem Kilometer aus.

Der Saturnmond Enceladus. Der Horizont ist hier stark eingeschränkt wegen der Krümmung.

Die Krümmung der Erde fällt erst bei größeren Abständen der Objekte auf.

Ein bisschen Mathematik dazu: Sei L die Distanz, also beispielsweise der Abstand eines Berges vom Beobachter und R der Erdradius, errechnet sich die Krümmung y gemäß der Formel

Die Krümmung wirkt sich auf weitere Distanzen immer stärker aus. Bei 100 Kilometern macht sie bereits 784 Meter aus. Dies ist in der Abbildung dargestellt.

KANN MAN DIE ERDKRÜMMUNG SEHEN?

Obwohl die Erdkrümmung erst bei größeren Entfernungen zu den Objekten sichtbar wird, gab es bereits im Altertum Beweise dafür, dass die Erde Kugelgestalt haben muss. Für uns ist dies heute selbstverständlich, wir kennen die Bilder der im Weltraum freischwebenden Erdkugel. Doch auf der Erdoberfläche lässt sich dies nicht so ohne Weiteres erkennen. Ein Hinweis auf die Kugelgestalt der Erde war jedoch die schon im Altertum bekannte Tatsache, dass man bei weit entfernten Schiffen infolge der Erdkrümmung zuerst den Schiffsmast erkennt. Wir sehen in der Abbildung, dass für ein 10 Kilometer entferntes Schiff wegen der Erdkrümmung dieser Wert bereits 7,8 Metern beträgt. Damit man also den Mast eines Schiffes aus dieser Entfernung noch erkennen kann, muss dieser mindestens acht Meter hoch über die Wasserfläche aufragen.

Übrigens gefiel die Vorstellung, die Erde sei eine Kugel, den Menschen auch aus folgendem Grund: Eine Kugel ist ein perfekter Körper, alle Punkte auf der Oberfläche besitzen denselben Abstand vom Mittelpunkt.

WIE GROSS IST DIE ERDKUGEL?

Die nächste naheliegende Frage war, wie groß die Erdkugel eigentlich sei. Man versuchte sogar schon im Altertum anhand einer sehr einfachen Überlegung diesen Wert, also den Umfang der Erdkugel, zu bestimmen. Dazu benötigte man keine komplizierten Messinstrumente, zwei Beobachtungen reichten aus. So war in Ägypten im Altertum bekannt, dass die Sonne zur Zeit der Sommersonnenwende zu Mittag von einem tiefen Brunnen aus zu sehen war. Allerdings ging dies nur von der Stadt Syene aus (das heutige Assuan). Um die Sonne von einem tiefen Brunnen aus zu sehen, muss sie sich genau im Zenit, also senkrecht über einem Betrachter befinden.

Von der nördlicher gelegenen Stadt Alexandria aus sieht man die Sonne zur Zeit der Sommersonnenwende nicht im Zenit, sondern etwa 7,2 Grad davon entfernt.

Weltkarte aus der Zeit des Eratosthenes. Die beiden Städte Alexandria und Syene liegen am Nil. Nach Bunbury, E.H. (1811–1895), A History of Ancient Geography among the Greeks and Romans from the Earliest Ages till the Fall of the Roman Empire, S. 667. London: John Murray, 1883

Nun kann man eine einfache Rechnung anstellen. Kennt man den Abstand wischen den beiden Städten, nennen wir ihn s, dann findet man den Erdumfang ganz einfach aus der Formel:

360 Grad ist dabei die Anzahl der Grade bei einem Vollkreis, 7,2 Grad der gemessene Abstand. Diese Methode wurde von dem griechischen Gelehrter Eratosthenes (zwischen 276 und 273 v. Chr. bis 194 v. Chr.) angewandt. Der Winkel 7,2 Grad entspricht 1/50 eines Kreises, also muss der Erdumfang etwa das 50-Fache der gemessenen Distanz zwischen den beiden Städten betragen. Wichtig dabei ist auch, dass die beiden Städte ungefähr auf dem gleichen Längenkreis liegen. Die Entfernung gab man damals in Stadien an, eine Stadie entspricht etwa 157,5 Metern, der Abstand wurde mit 5 000 Stadien angegeben. Der Umfang der Erde muss also 50 mal 5 000 Stadien betragen, dem entsprechen etwa 39 Millionen Meter oder 39 000 Kilometer. Der richtige Wert liegt bei 40 000 Kilometer, weicht also nur wenige Prozent vom vor über 2 100 Jahren errechneten Wert ab!

WIESO SCHWEBEN ASTRONAUTEN IM ALL?

Die Erde zieht uns an, egal wo wir uns auf der Oberfläche befinden. Dies hatte bereits der große Physiker Isaac Newton (1643–1727) in seinem berühmten Gravitationsgesetz formuliert. Alle Körper mit Massen ziehen einander an, diese Kraft nennen wir die Schwerkraft oder Gravitation (das Wort kommt aus dem Lateinischen: gravis bedeutet schwer). Da die Erde eine riesige Masse besitzt, ist auch ihre Anziehung enorm. Sie reicht auch aus, um den Erdmond in einer Bahn um die Erde zu halten. Wenn Astronaut*innen schwerelos in ihrem Raumschiff schweben, bedeutet das allerdings nicht, dass auf sie keine Erdanziehung mehr wirkt, sie sind nur deshalb schwerelos, weil sie quasi auf ihrer Umlaufbahn um die Erde herumfallen. Die Erdanziehung wirkt auch auf eine Raumsonde, die sich auf einer Erdumlaufbahn befindet. Ansonsten würde die Sonde von der Erde wegfliegen.

Ab einer bestimmten Geschwindigkeit kann man jedoch der Schwerkraft der Erde entkommen, diese Geschwindigkeit beträgt 11,2 km/s. Wir sind eher mit Geschwindigkeitsangaben von km/h vertraut. 11,2 km/s entspricht einer Geschwindigkeit von 40 000 km/h. Mit dieser Geschwindigkeit könnte man mit einem Auto in einer Stunde die Erde umrunden.

Sobald eine Raumsonde diese Geschwindigkeit erreicht hat, kann sie die Erdanziehung überwinden.

GIBT ES AUCH AUF DER ERDE SCHWERELOSIGKEIT?

Kennen Sie das Gefühl? Sie fahren in einem Fahrstuhl, der sehr schnell unterwegs ist, nach unten. In den ersten Momenten, in denen er beschleunigt, hat man ein komisches Gefühl, man fühlt sich leichter und ist es auch tatsächlich. Fährt der Fahrstuhl in den ersten Momenten beschleunigt nach unten, beschleunigt er gegen die Erdanziehung, man ist also etwas leichter. Das Gegenteil ist der Fall, wenn der Fahrstuhl beschleunigt und nach oben fährt.

Die Schwerelosigkeit kann man auch auf der Erde empfinden, wenn man sich zum Beispiel im freien Fall zur Erdoberfläche befindet, allerdings bitte rechtzeitig den Fallschirm betätigt! Mit einem Flugzeug kann man eine Parabelbahn fliegen und befindet sich dann ebenfalls eine gewisse Zeit in Schwerelosigkeit. Bestimmt haben einige Leser*innen es schon erlebt, wie es sich in einem Flugzeug anfühlt, wenn man in ein „Luftloch“ gerät.

WIE SCHWER IST DIE ERDE?

Wie bestimmt man eigentlich die Masse der Erde? Dazu muss man die Fallbeschleunigung kennen. Beschleunigung bedeutet immer eine Geschwindigkeitsänderung. Wenn sie sich im freien Fall zur Erdoberfläche befinden, nimmt ihre Geschwindigkeit zu. Allerdings fällt man nach einigen Sekunden mit maximal etwa 200 km/h Richtung Erdoberfläche, da der Körper durch die Luft abgebremst wird. Aus der Geschwindigkeitsänderung folgt die Erdbeschleunigung g=9,81 m/s² Die Erklärung für diese Formel ist einfach: In der ersten Sekunde fällt man mit einer Geschwindigkeit von 9,81 m/s, das bedeutet: Würde man von einem etwa 10 Meter (genauer 9,81 m) hohen Balkon springen, wäre man in etwas mehr als einer Sekunde unten angelangt. Nach einer weiteren Sekunde hat man dann schon 2 x 9,81 m/s an Geschwindigkeit und so fort.

Mithilfe des gefundenen Wertes für die Erdbeschleunigung und des Erdradius R kann man dann die Masse der Erde aus der folgenden Beziehung errechnen:

Wobei G die Gravitationskonstante ist. Falls sie die Erdbeschleunigung nicht durch Springen von hohen Balkonen (Werfen von Steinen wäre sicherer) ermitteln möchten, gäbe es noch einen anderen relativ einfachen Weg. Die Schwingungsdauer eines Pendels der Länge l ist nämlich ebenfalls von der Erdbeschleunigung abhängig:

Aus der Schwingung eines Pendels der Länge l lässt sich die Erdbeschleunigung und damit die Erdmasse ableiten.

Dabei ist die Zahl π = 3,14. Ein Pendel mit einer Länge von 10 Metern würde also eine Schwingungsdauer von etwas mehr als 6 Sekunden haben. Diese Beispiele sollen illustrieren, wie einfach man die Masse der Erde ermitteln kann.

WAS SIND ASTRONOMISCHE ZAHLEN?

Mit astronomischen Zahlen meinen wir sehr große Zahlenwerte. Wir alle kennen große Zahlen, 1 000,

eine Million = 1 000 x 1 000 = 1 000 000, eine Milliarde = 1 000 x 1 000 x 1 000 = 1 000 x 1 Million = 1 000 000 000.

Diese Schreibweise wird sehr schnell unübersichtlich. Deshalb gibt es die Exponentialschreibweise. Diese ist einfach zu verstehen.

Anstatt 100 schreibt man einfach 10². Das bedeutet, dass man die Zahl 10 mit sich selbst multiplizieren muss: 10² = 10 x 10 = 100

Probieren wir das an der Zahl 1 000 aus. 10 = 10³ = 10 x 10 x 10. Bei einer Million sieht die Sache dann so aus: 1 Million = 6 mal die Zahl 10 mit sich selbst multipliziert also 10⁶ = 10 x 10 x 10 x 10 x 10 x 10.

Langsam erahnen wir, wie praktisch diese Schreibweise ist. Anstatt eine Milliarde als 1 000 000 000 zu schreiben, gibt man einfach 10⁹ an.

Das Prinzip funktioniert übrigens mit jeder beliebigen Zahl:

2² = 2 x 2 =4, 5³ = 5 x 5 x 5 = 125 …

Die Masse ist eine physikalische Grundgröße und wird in Kilogramm angegeben. Unsere Erde besitzt eine Masse von etwa 6 x 10²⁴ Kilogramm.

Versuchen wir diese Zahl in herkömmlicher Art anzugeben; wir müssen also 24 mal die Multiplikation der Zahl 10 mit sich selbst machen.

10 x 10 x 10 x 10 x 10 x 10 x 10 x 10 x 10 x 10 x 10 x 10 x 10 x 10 x 10 x 10 x 10 x 10 x 10 x 10 x 10 x 10 x 10 x 10

Die Zahl 10²⁴ kann man sich eigentlich kaum vorstellen. Aber machen wir dazu einen Vergleich: Auf der Erde leben etwas aufgerundet etwa 10 Milliarden Menschen, das ist in unserer Schreibweise 10¹⁰ Menschen (eine Milliarde = 10⁹). Nehmen wir an, wir hätten 10²⁴ einzelne 1-Euro-Geldstücke und verteilen diese gleichmäßig auf die 10 Milliarden Menschen, dann würde jeder einzelne 10¹⁴ Euro-Geldstücke bekommen. Auch diese Zahl kann man sich nicht vorstellen. Aber nehmen wir an, man stapelt diese 10¹⁴ Stücke übereinander, wie hoch wäre dann der Turm? Der Einfachheit halber nehmen wir an, eine 1-Euro-Geldmünze habe eine Höhe von 1 mm, also 1/1000 Meter. Stapeln wir also die 10¹⁴ Geldmünzen übereinander, dann hat der sich ergebende Turm eine Höhe von 10¹¹ Metern, das sind 100 Milliarden Meter. Können Sie sich unter 100 Milliarden Meter etwas vorstellen? Der Erdumfang misst 40 Millionen Meter, man könnte also diesen Geldmünzenturm etwa 2 500 mal rund um die ganze Erde legen! Oder anders ausgedrückt, 100 Milliarden Meter entsprechen etwa 2/3 der Entfernung Erde–Sonne.

Jeder Mensch auf der Erde würde also so viele 1-Euro-Münzen bekommen, dass übereinander gestapelt diese 2 500 mal den Erdumfang ausmachen.

Willkommen im Reich der berühmten astronomischen Zahlen!

WIE SCHWER IST DIE MENSCHHEIT?

Diejenigen unter Ihnen, die genau gelesen haben, werden einwenden, dass wir nicht vom Gewicht der Erde gesprochen haben, sondern von deren Masse. In der Alltagssprache wird dies meist vermischt. Wir sagen auch, ein Mensch ist beispielsweise 70 Kilogramm schwer, obwohl das seine Masse ist, Kilogramm ist eine Masseneinheit.

Wichtig ist festzuhalten, dass alle Massen die Eigenschaft haben einander anzuziehen. Die Schwerkraftwirkung ist umso größer, je größer die Masse ist.

Ohne auf die genaue Form des Gravitationsgesetzes einzugehen, wird uns auch klar, weshalb wir nicht von der Erdoberfläche fallen können. Wir besitzen eine Masse von etwa 70 Kilogramm (manche etwas mehr, manche etwas weniger). Diese 70 Kilogramm Masse eines Menschen sind natürlich vernachlässigbar gegenüber der Masse der Erde. Deshalb werden wir von der Erde angezogen. Streng genommen zieht auch ein Mensch mit einer Masse von 70 Kilogramm die Erde an, doch diese Anziehung ist praktisch gleich Null im Vergleich zur Anziehung der Erde. Selbst die Masse der gesamten Menschheit ist winzig im Vergleich zur Erdmasse: Gehen wir zur Vereinfachung wieder von 10 Milliarden Menschen aus, dann beträgt die Gesamtmasse der Menschheit bei einer durchschnittlichen Masse von 70 Kilogramm pro Mensch: 10 Milliarden Menschen x 70 kg = 7 x 10¹¹ kg. Das ist gerade etwa ein 10^-13, also 1/10¹³=1/10 000 000 000 000 der Masse der Erde.

DIE KANONENKUGEL UND DIE ERDANZIEHUNG

Aber wir sind nicht auf der Erdoberfläche gefangen. Der schon zitierte Physiker Isaac Newton fragte sich, was passiert, wenn man eine Kanonenkugel abschießt. Sie wird eine Zeitlang geradeaus fliegen, dann aber auf die Erde fallen. Schießt man die Kugel mit sehr hoher Geschwindigkeit ab, dann kann sie theoretisch um die Erde kreisen, die Anziehung der Erde und die Fliehkraft, die sich aufgrund der Bewegung der Kugel um die Erde ergibt, halten einander die Waage. Die Fliehkraft kennen wir alle, wenn wir schnell in eine Kurve fahren.

Man kann ausrechnen, dass man, sobald eine Geschwindigkeit von 7,9 km/s erreicht wird, nicht mehr auf die Erde fällt, sondern quasi schwerelos um die Erde kreist. Diese Geschwindigkeit nennt man auch erste kosmische Geschwindigkeit.

Um jedoch die Erdanziehung zu überwinden, braucht man eine Geschwindigkeit von 11,2 km/s. Diese Geschwindigkeit nennt man zweite kosmische Geschwindigkeit oder einfach Fluchtgeschwindigkeit. In einem Zug, der mit dieser Geschwindigkeit unterwegs wäre, würde man eine Distanz von Graz–Wien, die etwa 200 Kilometer beträgt, in nur 20 Sekunden zurücklegen.

Isaak Newton, einer der größten Physiker. Sir Godfrey Kneller, Nat. Port. Gallery

Es folgt ein bisschen Mathematik:

Die erste kosmische Geschwindigkeit errechnet sich aus

Die Fluchtgeschwindigkeit folgt aus

Wir können leicht nachrechnen. M ist die Masse der Erde, also 6 x 10²⁴ kg, R ist der Radius der Erde also etwa 6,5 x 10⁶ Meter und G die Gravitationskonstante G = 6,67 x 10^-11. Negative Hochzahlen bedeuten einfach: 2^-1=1/2, 3^-3=1/(3 x 3 x 3) usw. Bei Multiplikation mit Hochzahlen werden sie addiert, bei Division subtrahiert. Rechnen wir beispielsweise 10³ x 10³=10³⁺³=10⁶. Oder 10³/10⁵=10^3-5=10^-2=1/(10 x 10)=1/100. Rechnen wir also die Fluchtgeschwindigkeit für die Erdmasse aus:

Dabei mussten wir noch berücksichtigen, dass die Quadratwurzel aus einer Hochzahl einfach eine Division dieser Hochzahl durch 2 ist. Also z.B.:

Oder eben:

Unsere Rechnung oben ergibt für die Fluchtgeschwindigkeit etwa 10 000 m/s, das sind dann etwa 10 km/s, da wir ja nur näherungsweise gerechnet haben; wir kommen aber dem richtigen Wert von 11,2 km/s sehr nahe.

Start einer Saturn-V-Rakete zum Mond. Apollo 11, gestartet am 16. Juli 1969.

Um die Erdanziehung überwinden zu können, müssen wir also eine Geschwindigkeit von 11,2 km/s aufbringen. Man kann sich vorstellen, wie viel Energie dazu notwendig ist, um eine Saturn-V-Rakete, die in den 1970er-Jahren im Zuge des US-Apollo-Programms für bemannte Flüge zum Mond verwendet wurde, auf diese Geschwindigkeit zu bringen. Die Rakete ist mehr als 100 Meter lang und in drei Stufen, die nacheinander abgesprengt wurden, geteilt. In der ersten Stufe befinden sich etwa 800 000 Liter Treibstoff. Da es im Weltall keinen Sauerstoff zum Verbrennen gibt, mussten mehr als 1 Million Liter flüssiger Sauerstoff mitgeführt werden. Die erste Stufe hatte eine Länge von 42 Metern und einen Durchmesser von 10 Metern. Die zweite Stufe enthielt als Brennstoff Wasserstoff (etwa 1 Million Liter) und etwa 330 000 Liter flüssigen Sauerstoff. Die dritte Stufe enthielt 250 000 Liter flüssigen Wasserstoff und etwa 90 000 Liter flüssigen Sauerstoff.

Mit dieser Rakete konnte man etwa 50 Tonnen Nutzlast zum Mond bringen oder 130 Tonnen in den Erdorbit.

WIE SIEHT DIE ERDE VOM MOND AUS?

Zu den beeindruckendsten Bildern der US-Mondmissionen zählen sicherlich die Aufnahmen der blauen Erde, die über dem Mond aufgeht. Dadurch wurde der Menschheit zum ersten Mal klar, dass wir auf einem im Grunde genommen winzigen Himmelskörper leben, der auch verletzlich ist, und wir auf unsere Erde achtgeben sollten. Es gibt erdähnliche Planeten, die um andere Sterne kreisen, aber die sind so weit von uns entfernt, dass eine Reise dorthin mit der derzeit modernsten Technik mehrere Zehntausend Jahre dauern würde.

Erde über dem Mondhorizont. Aufnahme B. Anders 24. Dez. 1968, Apollo 8.

Unsere Erde, aufgenommen von der Apollo 17 Mission.

WAS BEZEICHNET MAN ALS PLANET?

Das Wort „Planet“ kommt aus dem Griechischen und bedeutet „Wandelstern“. Planeten erscheinen nicht feststehend am Himmel, sondern sie wandern im Lauf der Zeit zwischen den Sternbildern. Im Altertum kannte man fünf Planeten: Merkur, Venus, Erde, Mars, Jupiter und Saturn. Diese sind mit freiem Auge zu sehen.

Venus ist nach Sonne und Mond das hellste Objekt am Himmel. Auch Merkur kann entweder als Morgen- oder Abendstern gesehen werden, allerdings ist er viel näher an der Sonne und maximal 1 ½ Stunden nach Sonnenuntergang oder vor Sonnenaufgang zu sehen und bei Weitem nicht so auffällig wie Venus.

Nach Venus ist Jupiter das hellste Objekt am Himmel. Er wird nur selten von Mars übertroffen, der auffällig rötlich leuchtet. Saturn ist etwa so hell wie die hellsten anderen Sterne und fällt nur Kennern des Sternhimmels auf.

WIE SIEHT DIE ERDE VOM WELTRAUM AUS?

Die Erde wird immer als der „blaue Planet“ bezeichnet. Vom Weltall aus betrachtet ist sie blau-weiß gefärbt. Ganz richtig ist die Bezeichnung aber nicht, der Planet mit der intensivsten Blaufärbung in unserem Sonnensystem ist nämlich nicht die Erde, sondern Neptun.

Die blaue Farbe unseres Planeten rührt von der Atmosphäre und den Ozeanen her. Man erkennt auch die weißen Wolken. Auch die Kontinente, sofern sie nicht teilweise durch Wolken abgedeckt sind, kann man gut erkennen.

Die Erdoberfläche besteht aus den Ozeanen und Kontinenten. Sie umfasst etwa 510 Millionen Quadratkilometer, den größten Teil nimmt die Wasserfläche mit etwa 70,7 Prozent der Gesamtoberfläche ein. Die Landfläche beträgt nur 29,3 Prozent. In der folgenden Tabelle ist die Größe der einzelnen Kontinente in Millionen Quadratkilometern angegeben sowie deren Prozentanteil in Bezug auf die Gesamtlandfläche.

Kontinent	Mio. Quadratkilometer	ca. %
Asien (ohne Polarinseln)	44,4	31
Amerika (ohne Polargebiete)	38,3	27
Afrika	29,3	20
Antarktika	13,3	9
Europa (ohne Island)	9,9	7
Australien	7,7	5

Der größte Ozean ist der Pazifik mit 47 Prozent der Gesamtwasserfläche, dann folgen der Atlantik (24 %), der indische Ozean (20 %), der südliche Ozean (5 %) sowie der Arktische Ozean (4 %).

WIE GROSS IST DIE ERDOBERFLÄCHE VERGLICHEN MIT ANDEREN HIMMELSKÖRPERN?

Im Vergleich zur Oberfläche des größten Planeten des Sonnensystems, Jupiter, ist die Erdoberfläche klein. Sie macht nur etwa 1/100 der Jupiteroberfläche aus. Jupiter ist jedoch ein Gasplanet, das heißt, er besitzt keine feste Oberfläche. Die gesamte Oberfläche unseres Nachbarplaneten Mars macht etwa die gesamte Landfläche der Erde aus. Die gesamte Oberfläche des Mondes macht etwa die Fläche des Doppelkontinents Amerika aus (also Nord- und Südamerika zusammen).

WARUM GIBT ES JAHRESZEITEN?

Als mein achtjähriger Sohn die Volksschule besuchte, wurde dort erklärt, dass die Jahreszeiten dadurch entstehen, weil die Erde im Sommer näher an der Sonne steht als im Winter. Er protestierte sofort. Viele Menschen glauben jedoch daran, eine Umfrage unter Harvard-Absolvent*innen ergab, dass 80 Prozent die Entstehung der Jahreszeiten falsch erklärten.

Aber die Erde ist im Sommer (Beginn Juli) sogar weiter von der Sonne entfernt als im Winter (Beginn Januar). Das kann also nicht der Grund sein. Außerdem sind die Jahreszeiten auf der Nord- und Südhalbkugel der Erde ja gegengleich. Es kann also nach dieser Überlegung nicht sein, dass etwa auf der Nordhalbkugel Sommer und gleichzeitig auf der Südhalbkugel Winter ist, wenn dies von der Entfernung des Planeten zur Sonne abhinge.

Überlegen wir uns, wo die Sonne zu Mittag im Winter und im Sommer steht. Im Sommer steht sie relativ hoch am Himmel, die Tage sind lang. Es ist also viel Zeit für langen Sonnenschein und die wärmende Wirkung der Sonnenstrahlen ist größer, als wenn sie wie im Winter flach zu uns kommen, da die Sonne tief steht.

Die Bahn der Erde um die Sonne ist eine Ellipse, die Entfernung zur Sonne, die sich in einem der Brennpunkte der Ellipse befindet, ändert sich also.

Die Entstehung der Jahreszeiten durch die Neigung der Erdachse. Nach H. Frank

Grund dafür ist, dass die Erdachse um etwa 23,5 Grad zur Senkrechten auf ihrer Bahnebene geneigt ist. Die Neigung der Erdachse bleibt während eines Erdumlaufs um die Sonne erhalten.

Im Somme zeigt der Nordpol zur Sonne, wir haben also dort niemals Nacht, die Sonne bleibt immer über dem Horizont, im Winter liegt der Nordpol stets im Schatten, die Sonne geht also niemals auf. Auf der Südhalbkugel ist es genau umgekehrt.

UNSER MOND

AUF DEM MOND HÜPFENDE ASTRONAUTEN?

Die Erde ist von der Sonne aus gesehen der dritte Planet und der erste, der einen Mond besitzt; im Vergleich zur Erde ist unser Mond relativ groß, sein Durchmesser beträgt 3 474 Kilometer, also etwa ¼ des Durchmessers der Erde. Die Masse ist etwa 1/81 der Masse der Erde und deshalb ist auch seine Anziehungskraft geringer. Die Beschleunigung an der Mondoberfläche beträgt nur 1,62 m/s². Würde man sich aus einem Haus aus einer Höhe von 10 Metern auf die Mondoberfläche stürzen, dann würde man erst nach etwa 3,5 Sekunden aufprallen, sich aber wahrscheinlich immer noch schwer verletzen, daher bitte nicht ausprobieren. Die geringe Anziehungskraft des Mondes bewirkt, dass eine Person auf dem Mond nur 1/6 des Gewichtes auf der Erde besitzt. Deshalb schienen die Astronauten auf der Mondoberfläche zu hüpfen.

DER MOND ALS RAUMSTATION?

Die geringe Anziehungskraft macht unseren Mond zu einer idealen Basis für künftige Raumfahrtmissionen zu anderen Planeten. Man muss wesentlich weniger Energie aufwenden, um seine Anziehung zu überwinden. Darüber hinaus wäre unser Mond ein wundervoller Ort für ein Observatorium. Es gibt keine Atmosphäre, die die Sicht auf Sterne und Galaxien beeinträchtigt, und die Montage schwerer Geräte gestaltet sich wegen seiner geringen Schwerkraft weniger kompliziert und aufwendig.

Größenvergleich Mond-Erde

WIE WEIT IST DER MOND VON UNS ENTFERNT?

Der Mond ist im Mittel etwa 384 400 Kilometer von der Erde entfernt und somit unser nächster Himmelskörper. Die Bahn des Mondes um die Erde ist nicht kreisförmig, sondern eine Ellipse. Die geringste Entfernung des Mondes, in den Kalendern als Erdnähe bezeichnet, beträgt 362 000 Kilometer. In der Astronomie spricht man auch von Perigäum. Die größte Entfernung des Mondes zur Erde beträgt 405 000 Kilometer. Das wird als Mondferne, in der Astronomie als Apogäum, bezeichnet. Eine genaue Beobachtung des Mondes zeigt, dass sich seine scheinbare Größe am Himmel entsprechend seiner Entfernung ändert. In Erdferne beträgt sein Durchmesser am Himmel etwa 29 Bogenminuten, in Erdnähe jedoch 33 Bogenminuten, was aufmerksame Beobachter auch sehen können. Der kleinste Winkel, der mit guten Augen gesehen werden kann, beträgt 1 Bogenminute (1/60 eines Grades).

Ein Vollmond erscheint etwas größer und heller, wenn sich der Mond bei dieser Phase in Erdnähe befindet. Dann spricht man auch von einem Supermond.

Steht der Mond in Erdnähe, bewegt er sich etwas schneller als in Erdferne. Die Geschwindigkeit des Mondes zur Zeit seines Perigäums liegt bei 1,076 km/s, im Apogäum bei 0,964 km/s.

Die Sonne ist etwa 400 mal weiter entfernt, erscheint aber gleich groß wie der Mond am Himmel. Ihre wahre Größe muss daher rund das 400-Fache des Mondes betragen.

WOHER KOMMT DAS WORT „MONAT“?

Der Mond umläuft in etwa einem Monat die Erde, so wurde auch die Zeiteinheit Monat festgelegt; allerdings ist die Sache etwas komplizierter. Wenn zum Beispiel heute Vollmond wäre, dann ist der nächste Vollmond nach 29 ½ Tagen (genauer 29,53 Tage), dies bezeichnet man auch als synodischen Monat. Allerdings steht der Mond dann nicht im selben Sternbild, da sich die Erde in der Zwischenzeit um die Sonne weiterbewegt hat. Der siderische Monat, wenn der Mond wieder in demselben Sternbild nach einem Umlauf zu finden ist, beträgt nur 27,3 Tage.

Unsere Monate sind 30 beziehungsweise 31 Tage lang. Der Februar hat nur 28 oder alle vier Jahre 29 Tage. Dies hängt damit zusammen, dass man den Kalender möglichst eng an den Lauf des Mondes binden wollte, das Jahr zwölf Monate dauern sollte und andererseits natürlich auch die Länge des Jahres mit dem Umlauf der Erde um die Sonne, der genau 365,2422 Tage dauert, zusammenfallen sollte. [ Woher kommen das Jahr, der Monat und der Tag? S. 44]

Der Unterschied zwischen siderischem und synodischem Monat. Nach einem synodischen Monat zeigt uns der Mond wieder dieselbe Phase (grüne Linien), dieselbe Position am Himmel wird aber wegen des Umlaufs der Erde um die Sonne schon früher erreicht (blaue Pfeile).

Ist also etwa heute Vollmond und der Mond befindet sich im Sternbild Wassermann, so wird der nächste Vollmond im Sternbild der Fische stehen.

WAS IST EIN BLAUER MOND?

Die Zeitdauer zwischen zwei aufeinander folgenden Vollmonden beträgt 29 ½ Tage. Dieser Zeitraum ist kürzer als die Länge eines Monats mit 30 oder 31 Tagen. Aus diesem Grunde kann es hin und wieder vorkommen, dass innerhalb eines Monats zweimal ein Vollmond zu sehen ist. Man nennt dies auch den Blauen Mond. Ursprünglich bedeutete dies einfach das nicht so häufige Auftreten zweier Vollmonde in einem Monat, der englische Ausdruck once in a blue moon drückt aus, dass etwas selten vorkommt. Früher zählte man die Vollmonde in einer Jahreszeit durch. Normalerweise gibt es drei Vollmonde pro Jahreszeit. Wenn aber dieses Ereignis viermal eintritt, wurde der dritte Vollmond in früheren Zeiten als blue moon bezeichnet.

Noch etwas Statistik: Ein Blauer Mond tritt im Mittel alle 2,4 Jahre auf. In einem konkreten Monat mit 31 Tagen alle 20 Jahre, in einem konkreten Monat mit 30 Tagen alle 60 Jahre. Wenn wir also zum Beispiel heuer im März einen Blauen Mond hatten, so tritt dies das nächste Mal erst wieder in 20 Jahren ein. Alle 19 Jahre kommt es vor, dass der Monat Februar ohne Vollmond ist, wenn die Länge des Februar 28 Tage beträgt. Bei einem Schaltjahr, wenn die Monatslänge des Februar 29 Tage beträgt, kommt dies statistisch gesehen alle 55 Jahre vor.

Pro Jahrhundert gibt es insgesamt 41 Blaue Monde.

WIE ENTSTEHEN DIE MONDPHASEN?

Die Mondphasen kennen wir alle: Neumond, erstes Viertel (dabei ist der Mond nicht zu einem Viertel, sondern zur Hälfte beleuchtet, die Bezeichnung erstes Viertel bezieht sich darauf, dass der Mond ¼ seiner Erdumlaufbahn zurückgelegt hat), Vollmond, letztes Viertel.

Bei Neumond steht der Mond ganz dicht neben der Sonne, meistens ober- oder unterhalb, nur wenn er genau vor der Sonne steht, kommt es zu einer Finsternis. Meist geht also der Mond bei Neumond nördlich oder südlich der Sonne vorbei, da die Bahn des Mondes zur Erdbahnebene (Ekliptik) geneigt ist. Deshalb ist nicht bei jedem Neumond eine Sonnenfinsternis zu sehen. Beim ersten oder letzten Viertel beträgt vom Mond aus gesehen der Winkel zwischen Erde und Sonne genau 90 Grad. Wir sehen den Mond zur Hälfte beleuchtet. Diese Phasen sind die besten Phasen für eine Mondbeobachtung mit einem Teleskop. Man erkennt dann bereits in kleinen Teleskopen viele Krater, die Schatten werfen. Bei der Phase Vollmond ist der Mond die ganze Nacht hindurch zu sehen, er geht am Tag, an dem Vollmond ist, im Osten auf, wenn die Sonne untergeht, und er geht im Westen am Morgen unter, wenn die Sonne aufgeht.

WAS IST DAS MONDGESICHT?

Bei Vollmond erkennt man keine Krater und Berge auf der Mondoberfläche, da der Mond einerseits sehr hell erscheint und es andererseits keine Kontraste gibt. Mit freiem Auge sieht man dunkle Flecken auf dem Mond, das sind ausgedehnte Lavaebenen. Diese Ebenen lassen sich dann mit etwas Fantasie als ein Gesicht deuten. In manchen Kulturkreisen glaubt man auch eine alte Frau zu erkennen, die Holz sammelt oder einen Hasen.

Verschiedene Deutungen der Mondformationen. Nach D. Helber.

MEERE UND GEBIRGE AUF DEM MOND?

Was sind die dunklen Flecken auf dem Mond wirklich?

Früher dachte man, dass es sich dabei um Meere und Ozeane handelt, und deshalb wurden diese Erscheinungen als Mare, Mehrzahl Maria beziehungsweise Ozeane bezeichnet. So finden wir auf dem Mond das Regenmeer (Mare Imbrium), das Honigmeer (Mare Nectaris) oder den Ozean der Stürme (Oceanus Procellarum).

Es gibt auch Gebirgsketten auf dem Mond, die nach Gebirgsketten auf der Erde benannt sind, wie die Alpen, Karpaten …

WESHALB BESITZT DER MOND KRATER?

Wie sind diese Oberflächenformationen entstanden? Im Unterschied zur Erde, wo es auch jetzt noch aktive Vulkane gibt, sich die Kontinente langsam gegeneinander verschieben (z.B. entfernt sich der amerikanische Kontinent vom europäischen mit etwa 1,4 cm pro Jahr), ist unser Mond ein inaktiver Himmelskörper. Die Energie für all diese Aktivitäten auf der Erde stammt vom heißen Erdinneren. Auch das Innere des Mondes war vor mehr als drei Milliarden Jahren heiß, aber da der Mond deutlich kleiner als die Erde ist, ist sein Inneres weitgehend erkaltet und nicht mehr heiß. Alle Krater und selbst die großen Mondmeere sind durch Einschläge von anderen kleineren Himmelskörpern entstanden. Auch heute noch kommt es zu Einschlägen, allerdings waren diese Einschläge vor etwa 3,8 Milliarden Jahren viel häufiger. Man spricht auch vom kosmischen Bombardement. Auch die Mondgebirge sind keine Gebirge im irdischen Sinne (diese entstehen durch Auffaltungen, wenn zwei Kontinentalplatten aneinanderdrücken, etwa die afrikanische Platte gegen die europäische, wodurch sich die Alpen bildeten und auch jetzt noch einige Millimeter pro Jahr höher werden). Die Mondgebirge finden wir an den Rändern der großen Mondmeere, es handelt sich dabei um aufgeworfenes Material von dem jeweiligen Einschlag.

rechts: Der Mond bei der Phase Vollmond. Man erkennt die dunklen Lavaebenen, also die Mondmeere, aber kaum Krater. links: Bei der Phase erstes Viertel sieht man sehr schön die Krater, die durch Meteoriteneinschläge entstanden sind, die meisten Krater sind sehr alt, mehr als 3,8 Milliarden Jahre.

WIE KOMMT ES ZU MOND- UND SONNENFINSTERNISSEN?

Seit jeher haben Finsternisse die Menschheit beeindruckt. Besonders natürlich totale Sonnenfinsternisse, wenn es plötzlich für einige Minuten mitten am Tage dunkel wurde. Man kann sich vorstellen, welche ungeheure Macht Astronomen hatten, die in der Lage waren, solche Ereignisse vorherzusagen.

Mond und Sonne erscheinen am Himmel, wie gesagt, gleich groß. Der Mond umläuft die Erde in einer zur Erdbahn (Ekliptik) um etwa 6 Grad geneigten Bahn. Eine totale Sonnenfinsternis kann nur eintreten, wenn der Neumond genau zwischen Erde und Sonne steht, eine totale Mondfinsternis tritt ein, wenn der Mond bei Vollmond in den Schatten der Erde eintaucht, die Erde also genau zwischen Sonne und Mond steht. Wir haben somit nur dann mit einer Finsternis zu rechnen, wenn sich der Mond bei Voll- oder Neumond in der Erdbahnebene befindet. Die Schnittpunkte der Mondbahn mit der Erdbahnebene, die auch Ekliptik genannt wird, nennt man Drachenpunkte. Diese Bezeichnung geht auf eine Vorstellung der alten Chinesen zurück: Sie glaubten, die Sonne würde bei einer Finsternis von einem Drachen gefressen.

Zur Geometrie einer Sonnenfinsternis. Im Kleinen Kernschattenbereich erscheint die Sonne total verfinstert, im Halbschattenbereich sieht man nur eine partielle Finsternis.

Die Zeitdauer eines Mondumlaufs von einem Drachenpunkt zum nächsten nennt man drakonitischer Monat. Sie beträgt 27,21 Tage. Ohne ins Detail zu gehen, kann man sich leicht vorstellen, dass man aus der Kenntnis des synodischen Monats und des drakonitischen Monats Finsternisse vorhersagen kann (man nennt dies auch den Saroszyklus). Tatsächlich war man schon im Altertum in der Lage, Finsternisse vorherzusagen. Auch heute noch erregen vor allem Sonnenfinsternisse großes Aufsehen. So soll es im antiken Griechenland während einer Schlacht zu einer totalen Sonnenfinsternis gekommen sein, von der aber nur die eine Kriegspartei wusste, die dann auch die Schlacht gewonnen hat. Viel gefährlicher war es, wenn eine Finsternis bei der Vorhersage übersehen wurde. Im alten China wurden zwei Astronomenpriester geköpft, weil sie eine Finsternis übersehen hatten. [ Woher kommt das Wort „Monat“? S. 29]

Da der Schatten des kleinen Mondes nur eine Ausdehnung von etwa 200 Kilometern auf der Erdoberfläche besitzt, ist das Auftreten einer totalen Sonnenfinsternis für einen bestimmten Ort auf der Erde relativ selten. Total ist eine Finsternis nur für die Orte innerhalb dieser Zone, weiter außerhalb sieht man eine partielle Finsternis und noch weiter außerhalb ist die Sonne überhaupt nicht verfinstert.

WESHALB DAUERN FINSTERNISSE UNTERSCHIEDLICH LANGE?

Die letzte von Mitteleuropa aus gut sichtbare totale Sonnenfinsternis ereignete sich am 11. August 1999, die nächste wird am 3. September 2081 zu sehen sein. Finsternisse dauern nicht gleich lange. Das liegt einerseits an der Geschwindigkeit des Mondes, die sich ja, wie schon erwähnt, je nach Entfernung zur Erde unterscheidet und von der scheinbar unterschiedlichen Größe der Himmelskörper. Die scheinbare Größe des Mondes ändert sich, je nachdem ob er in Erdnähe oder Erdferne steht. Je größer der Mond bei der Phase Neumond, desto länger dauert eine Sonnenfinsternis. Aber auch die scheinbare Größe der Sonne ändert sich im Lauf eines Jahres, da die Erdbahn eine Ellipse ist. Am kleinsten ist die Sonne Anfang Juli, da sind wir am weitesten von ihr entfernt, am größten ist sie Anfang Januar, da sind wir ihr am nächsten. In Sonnennähe, Perihel, sind es „nur“ 147,1 Millionen Kilometer, in Sonnenferne, Aphel, sind es 152,1 Millionen Kilometer. Am längsten dauert daher eine Sonnenfinsternis, wenn die Sonne relativ klein ist, also in der Nähe des Aphels und der Mond sich im Perigäum, Erdnähe befindet.

Totale Sonnenfinsternis, 2006, Türkei. Die Sonne wird vollständig vom Mond bedeckt, rechts unten leuchtet durch ein Mondtal noch ein wenig grelles Sonnenlicht, man nennt dies Diamantringeffekt.

Da der Erdschatten wesentlich größer ist, sieht man eine Mondfinsternis überall dort auf der Erde, wo der Mond während der Verfinsterung über dem Horizont steht.

WAS IST EIN BLUTMOND?

Für jeden Ort auf der Erde sind Mondfinsternisse wesentlich häufiger zu sehen als Sonnenfinsternisse. Vor allem in der amerikanischen Literatur findet man auch die Bezeichnung Blutmond. Der Mond ist während seines Eintauchens in den Erdschatten nicht völlig dunkel, sondern erscheint orange bis tief dunkelrot. Der Mond wird allerdings nicht mehr von der Sonne beleuchtet, sondern diese Farben ergeben sich durch die Streuung des Sonnenlichts in der Erdatmosphäre. Man kann dadurch aus dem Licht des Mondes während seiner totalen Verfinsterung Rückschlüsse auf die Zusammensetzung der Erdatmosphäre ziehen.

WIE ENTSTEHEN DIE GEZEITEN?

Der Mond übt eine Anziehungskraft auf die Erde aus. Die Stärke der Anziehung nimmt mit dem Quadrat der Entfernung ab. Aus diesem Grund wird derjenige Teil der Erdoberfläche, der direkt zum Mond zeigt, stärker vom Mond anzogen als die abgewandte Seite der Erde. Dies bewirkt vereinfacht gesagt einen Flutberg. Auf der gegenüberliegenden Seite der Erde ist die Anziehung des Mondes schwächer. Es bleibt daher, wie man an der Skizze auf der nächsten Seite sieht, eine nach außen gerichtete Kraft übrig. Täglich wandern also zwei Flutberge um die Erde, allerdings kommt es beim Eintreffen der Flut zu Verzögerungen aufgrund besonderer topografischer Umstände wie Meeresengen und Ähnlichem.

Zur Erklärung von Ebbe und Flut

In der Abbildung ist R der Radius der Erde, r der Abstand Erdmittelpunkt–Mondmittelpunkt. Natürlich ist die Zeichnung nicht maßstäblich, da der Mond im Vergleich zum Radius der Erde etwa 50 mal weiter entfernt ist. Der grüne Pfeil zeigt die Kraft des Mondes auf den Erdmittelpunkt an, die schwarzen Pfeile die Kraft, welche der Mond auf der ihm zugewandten Seite der Erde und auf der ihm abgewandten Seite ausübt. Subtrahieren wir von den schwarzen Pfeilen den grünen Pfeil, erhalten wir die roten Pfeile, die in beiden Fällen von der Erde wegzeigen. Das erklärt grob die Entstehung der beiden Flutberge.

WAS IST EINE SPRINGFLUT?

Besonders stark sind die Gezeiten ausgeprägt, wenn Sonne, Mond und Erde in einer Linie stehen. Dann addieren sich die Kräfte von Mond und Sonne. Die Sonne besitzt zwar die 24-millionenfache Masse des Mondes, sie ist jedoch 400 mal weiter entfernt. Deshalb ist ihre Gezeitenkraft nur halb so stark wie die des Mondes.

Sonne und Mond stehen in einer Linie bei den beiden Mondphasen:

•Vollmond

•Neumond

Dann spricht man von einer Springflut, bei der der Unterschied zwischen Ebbe und Flut besonders groß ist. Befindet sich der Mond im ersten oder letzten Viertel, heben sich die Kräfte von Sonne und Mond fast auf und man hat eine Nippflut, der Gezeitenhub ist deutlich geringer.

Ein bisschen Mathematik sei an dieser Stelle wieder erlaubt. Die Gezeitenbeschleunigung, die ein Himmelskörper der Masse m auf die Erde ausübt, ist gegeben durch:

R ist der Radius der Erde, r ist der Abstand Erde-Mond.

Diese Beschleunigung nimmt also mit der Dritten Potenz der Entfernung ab. Obwohl die Sonne die 24-millionenfache Masse des Mondes besitzt, ist ihre Gezeitenkraft auf die Erde nur etwa die Hälfte des Mondes! Das können wir leicht nachrechnen. Die Sonne ist etwa 400 mal weiter von uns entfernt als der Mond, also entspricht ihre Beschleunigung 24 000 000/400³=24 000 000/(400 x 400 x 400) = 24 000 000/(64 000 000), also in etwa 1/2 des Mondes (Zahlen aufgerundet).

DIE KRAFT DES MONDES

Sehr oft wird behauptet: Der Mond verschiebt die riesigen Wassermassen auf der Erde, also ist völlig klar, dass er auch einen Einfluss auf uns und andere Lebewesen und Pflanzen haben muss. Wir zeigen aber, dass solche Einflüsse jedenfalls keine Gezeitenkräfte sein können, denn diese hängen ab von:

•der Ausdehnung des jeweiligen Körpers,

•dessen Masse und

•nehmen mit der dritten Potenz des Abstandes ab.

Die Gezeitenbeschleunigung des Mondes für die Erde beträgt etwa 10^-15m/s², also nur etwa 1/1 000 000 000 000 000 der Beschleunigung durch die Erdanziehung. Nehmen wir nur einen zehn Meter hohen Baum. Die Gezeitenbeschleunigung, die der Mond auf diesen Baum ausübt, beträgt dann nur etwa 9 10^-14 m/s², also nur etwa 1/100 000 000 000 000 der Erdbeschleunigung. Gezeitenkräfte spielen also für diesen Baum überhaupt keine Rolle, für noch kleinere Objekte schon gar nicht, da ja die Größe des Objektes in die Formel eingeht.

Aber wie sieht es mit der vom Mond ausgeübten Anziehungskraft aus, die ja nicht mit der dritten Potenz des Abstandes, sondern nur mit dem Quadrat des Abstandes abnimmt und folglich größer ist als die Gezeitenkraft? Die Anziehungsbeschleunigung, die der Mond auf die Erde ausübt, beträgt bei mittlerer Entfernung 3,39 10^-5 m/s². Das ist immerhin etwas mehr als ein Millionstel der Erdanziehung.

Trotzdem gibt es sehr viele, die an die Kraft des Mondes glauben. Statistisch lässt es sich jedoch nicht nach weisen, dass bei Vollmond mehr Verkehrsunfälle, Straftaten etcetera geschehen. Vielleicht ist es eine Art subjektiver Wahrnehmung. Wir haben schlecht geschlafen, aus irgendeinem Grund. Wir stehen nachts auf und blicken aus dem Fenster, und erkennen sofort den Grund: Es ist Vollmond. Möglicherweise gibt es auch andere Tage, an denen wir schlecht schlafen, aber man assoziiert die Phase Vollmond mit „Schlecht Schlafen“ und macht den Mond dafür verantwortlich. [ Bei Vollmond schlecht schlafen? S. 216]

Die Anziehungskraft des Mondes auf die Erde, wenn der Mond in Erdnähe oder in Erdferne steht, beträgt:

Mond in Erdnähe	0,000037
Mond in Erdferne	0,000030

Der Unterschied zwischen der Mondanziehung bei Erdnähe beziehungsweise Erdferne beträgt weniger als ein Millionstel der Anziehungskraft durch die Erde!

Mit diesen Überlegungen wird es schwer, sich vorzustellen, dass von den Gezeitenwirkungen des Mondes oder seiner Beschleunigung auf die Erde irgendwelche geheimnisvollen Kräfte ausgehen sollen, die das Leben, Wachstum und Ähnliches beeinflussen, was aber nicht heißt, dass es nicht doch Einflüsse, die wir derzeit nicht kennen, geben könnte; gute wissenschaftliche Praxis bedeutet, dass man niemals etwas ausschließen sollte.

DER MOND UND DIE ENTSTEHUNG DES LEBENS?

Große Bedeutung dürfte der Mond für die Entwicklung des Lebens auf der Erde gehabt haben. Das Leben entstand, wie man heute vermutet, in den Ozeanen vor etwa 3,6 Milliarden Jahren. Nur dort waren die ersten einzelligen Lebewesen vor der gefährlichen Ultraviolettstrahlung der Sonne geschützt. Es gab noch keinen Sauerstoff in der Erdatmosphäre und deshalb auch keine Ozonschicht, die das Leben schützte. Erst mit der Photosynthese, bei der Sauerstoff frei wird, reicherte sich die Erdatmosphäre mit Sauerstoff an. Leben konnte sich dadurch auch auf das Land ausbreiten, eine wichtige Rolle spielten dabei sicherlich die Gezeiten, also Ebbe und Flut.

Darüber hinaus stabilisiert der Mond die Erdachse.

DIE ERDACHSE ALS KREISEL

Unsere Erde kann man mit einem Kreisel vergleichen. Stellen wir uns einen Kreisel vor, den wir in rasche Rotation versetzen und dann leicht anstoßen. Was wird passieren? Die Drehachse des Kreisels beginnt zu rotieren. Sie zeigt in verschiedene Richtungen. So verhält es sich auch mit der Erdachse, die um 23,5 Grad geneigt ist. Das Anstoßen übernehmen hier die Kräfte des Mondes und der Sonne. Sie versuchen, die Erdachse aufzurichten, und diese reagiert ähnlich wie der vorher besprochene Kreisel mit einer Kreisbewegung. Das heißt die Rotationsachse der Erde zeigt im Lauf von 26 000 Jahren in verschiedene Richtungen. [ Den Polarstern finden S. 226]

WAS IST DER POLARSTERN?

Verlängert man die Erdachse zum Himmel, dann zeigt sie zu einem relativ hellen Stern, dem Polarstern. Der Polarstern befindet sich in der Nähe des Himmelsnordpols. Aber wie wir gesehen haben, ändert sich das im Lauf der Zeit.

Die alten Griechen kannten keinen Polarstern, die Erdachse zeigte nicht zu unserem Polarstern und in 12 000 Jahren wird der helle Stern Wega der Polarstern sein. Die Erdachse behält aber ihre Schiefe von 23,5 Grad in etwa bei, sie ändert sich nur im Bereich 22,5 bis 24,5 Grad. Größere Änderungen würden deutlich ausgeprägtere Jahreszeiten hervorrufen, was zu Klimaschwankungen führt. Diese Änderungen hätten eine negative Auswirkung für die Entwicklung des Lebens. Die kleine Änderung von etwa 2 Grad hat zusammen mit periodischen Änderungen des Abstandes Erde-Sonne zur Bildung der Eiszeiten geführt (Theorie von Milankovitsch).

WOHER KOMMT UNSER MOND?

Der Mond ist bisher der einzige Himmelskörper, der von Menschen betreten wurde. Ein wichtiges Ziel dieser Mondmissionen war es, Aufschlüsse über die Entstehung des Sonnensystems zu erhalten, sowie über die Entstehung unseres Mondes. Zunächst gab es mehrere Theorien:

Man könnte annehmen, Erde und Mond seien quasi als Doppelplanet gleichzeitig entstanden.

Der Mond könnte auch ein eingefangener Asteroid sein. Asteroiden sind kleine Planeten. Die größten haben einen Durchmesser von etwa 1 000 Kilometern. Das ist jedoch deutlich kleiner als der Mond. Es müsste also eher ein Zwergplanet gewesen sein. Ungewöhnlich sind Einfänge von Himmelskörpern durch andere größere nicht. Wir kennen dies von den großen Planeten. Jupiter besitzt beispielsweise mehr als 70 Monde, von denen die meisten eingefangen wurden. Meist bewegen sich die eingefangenen Monde dann verkehrt (retrograd) um den Planeten.

Der Riesenplanet Jupiter wird von mehr als 70 Monden umkreist. Die inneren Monde wie beispielsweise die 4 Galileischen Monde bewegen sich prograd, im selben Sinne wie die Rotation des Jupiter, die äußeren sind eingefangene Asteroiden und bewegen sich retrograd.

Man bezeichnet solche Monde auch als irreguläre Monde. Sie bewegen sich verkehrt und oft sind ihre Bahnen auch nicht in der Äquatorebene des Planeten. Aus diesem Grund können sie auch nicht in der Gasscheibe entstanden sein, aus der sich der Planet bildete, wie das bei den anderen Jupitermonden der Falls ist. [ Monde, neue Kandidaten für Leben? S. 91]

Könnte es sein, dass sich unser Mond bei der Bildung der Erde vor etwa 4,5 Milliarden Jahren abspaltete, weil diese sehr schnell rotierte?

Am unwahrscheinlichsten schien die Theorie, dass der Mond durch eine Kollision der jungen Erde mit einem nicht mehr vorhandenen etwa marsgroßen Planeten entstanden sei. Nun wird diese Theorie aber als die wahrscheinlichste Erklärung zur Entstehung des Mondes angenommen. In der Frühphase des Sonnensystems, vor etwa 4,5 Milliarden Jahren gab es schon die Sonne sowie die Planeten, daneben jedoch auch noch viel Material, das zwischen den Planeten als größere und kleinere asteroidenartige Objekte umherflog. Deshalb hagelte es laufend Meteoriten und Asteroiden auf die jungen Planetenoberflächen. Es kann also durchaus sein, dass die junge Erde mit einem etwa marsgroßen Planeten, auch als Theia bezeichnet, kollidierte und sich dabei unser Mond bildete. Hinweise auf solche Ereignisse im frühen Sonnensystem finden wir auch bei anderen Planeten. Alle Planeten rotieren im selben Sinne, wie sie sich um die Sonne bewegen. Venus und Uranus sind jedoch Ausnahmen. Sie rotieren verkehrt, man bezeichnet dies als retrograde Rotation. Außerdem rotiert Venus sehr langsam, ein Venustag dauert etwa 240 Erdtage.

Man kann dies leicht erklären, in dem man annimmt, Venus sei von einem Planeten gestreift worden und so wurde deren Rotation abgebremst und in die verkehrte Richtung gebracht.

Künstlerische Darstellung der Kollision von Erde und Theia.

UNSER KALENDER

WOHER KOMMEN DAS JAHR, DER MONAT UND DER TAG?

Stellen Sie sich eine Welt ohne Kalender vor. Unsere Gesellschaft würde sofort kippen. Es war schon den ersten Menschen klar, dass es eine natürliche Uhr am Himmel gibt: Der Wechsel zwischen Tag und Nacht durch die Rotation der Erde. Ein weiterer wichtiger Taktgeber ist der Mond, der in etwa einem Monat die Erde umläuft. Die Zeiteinteilung Monat stammt daher. Und dann ist da noch das Jahr, das definiert ist durch einen Umlauf der Erde um die Sonne. Natürlich wusste man das zunächst im Altertum nicht. Man stellte sich vor, die Erde befinde sich im Zentrum des Universums und alles drehe sich im Lauf eines Tages um die Erde, die Sonne laufe in einem Jahr um die Erde. Dieses geozentrische Weltbild ist auch heute noch in unserem Denken verankert. Wir sagen: Die Sonne geht im Osten auf und im Westen unter, was natürlich Unsinn ist. Nicht die Sonne bewegt sich, sondern die Erde rotiert von West nach Ost. [ Woher kommt das Wort „Monat“? S. 29]

WIE LANGE DAUERT EIN JAHR?

Aber nun wird es wesentlich komplizierter. Ein Umlauf der Erde um die Sonne dauert nämlich 365,2422 Tage, diesen Zeitraum nennt man auch tropisches Jahr. Er ist wichtig für die Jahreszeiten. Beginnt zum Beispiel genau heute um 12 Uhr mittags der Sommer, dann fängt der nächste Sommer in 365,2422 Tagen an, also etwa in 365 Tagen um 18 Uhr. Damit der Beginn der Jahreszeiten auch nach längerer Zeit einigermaßen auf denselben Tag fällt, hat man daher das Jahr so eingeteilt, dass es eine ganze Zahl an Tagen enthält. Rechnet man ein Jahr mit 360 Tagen und 5 Zusatztagen, dann beträgt der Fehler alle 4 Jahre etwa 1 Tag. Das fällt zunächst nicht weiter auf, aber es summiert sich. Nach 40 Jahren verschieben sich die Jahreszeiten um 10 Tage, nach 400 Jahren um 100 Tage (also gut drei Monate). Deshalb gab es schon im alten Ägypten eine Kalenderreform. Im Dekret von Kanopus, im Jahr 238 v. Chr. wurde festgelegt:

•ein Jahr solle 365 Tage enthalten,

•sowie alle 4 Jahre ein Zusatztag eingeschoben werden.

Dies wurde dann unter der Herrschaft von Julius Cäsar übernommen und ist bis heute als Julianischer Kalender erhalten geblieben. Allerdings ist auch dieser Kalender nicht genau, denn hier hat das Jahr 365 ¼=365,25 Tage. Man macht also gegenüber dem tropischen Jahr welches 365,2422 Tage hat pro Jahr einen Fehler von 0,0078 Tagen. Auch das fällt niemanden auf, aber in 1000 Jahren beträgt der Fehler immerhin 7,8 Tage.

DER TAG, AN DEM ELF TAGE VERSTRICHEN …

Daher versuchte man, den Kalender nochmals zu verbessern. Papst Gregor XIII legte Folgendes fest: Auf den Donnerstag, den 4. Oktober 1582 folgte unmittelbar der Freitag, 15. Oktober. Man kann sich vorstellen, was dies bei den Menschen damals auslöste, die nichts von den Gründen für diese gregorianische Reform verstanden. Viele glaubten, es würden ihnen 11 Tage ihres Lebens gestohlen.

Wie sieht nun der gregorianische Kalender aus?

•Das Jahr hat 365 Tage,

•alle 4 Jahre, wenn die Jahreszahl durch 4 ohne Rest teilbar ist, hat es 366 Tage (Schaltjahr).

•Die vollen Jahrhunderte sind aber nur dann ein Schaltjahr, wenn diese durch 400 ohne Rest teilbar sind.

Papst Gregor XIII (1502–1585)

Daher ist das Jahr 2000 ein Schaltjahr gewesen, da durch 400 ohne Rest teilbar, das Jahr 1900 hingegen nicht (nach dem Julianischen Kalender wäre es ein Schaltjahr).

GIBT ES KALENDER, DIE NACH DEM MOND GEHEN?

Der Gregorianische Kalender wird heute weltweit im Geschäftsleben verwendet, aber in den unterschiedlichen Kulturkreisen wird vor allem für religiöse Zwecke ein eigener Kalender verwendet, wie beispielsweise der an den Mond angelehnte islamische Kalender oder der jüdische Kalender. In beiden Fällen beginnt ein neuer Monat mit dem ersten Sichtbarwerden der Mondsichel nach Neumond am Abendhimmel. Im islamischen Kalender gibt es zwölf Mondmonate zu 29 und 30 Tagen, das Jahr hat 354 oder manchmal 355 Tage. Die mittlere Jahreslänge in diesem Kalender beträgt 354 1/3 Tage. Wir sehen also, dass diese deutlich von der Länge des tropischen Jahres abweicht. Was bedeutet dies? Wie bereits erläutert, bestimmt das tropische Jahr die Jahreszeiten. Da im islamischen Kalender der Unterschied zum tropischen Jahr etwa 10 Tage beträgt, verschiebt sich der Beginn der Jahreszeiten von Jahr zu Jahr.

DER NULLPUNKT DES KALENDERS?

Jeder Kalender braucht einen Nullpunkt für die Zählung der Jahre. Beim Gregorianischen Kalender ist dies die Geburt Christi, allerdings muss man beachten, dass es kein Jahr Null gibt. Diese Zählung geht zurück auf den Mönch Dionysius Exiguus. Um 525 legte er den Zeitpunkt der Geburt Christi auf das Jahr 753 ab urbe condita fest (seit der Gründung Roms). Langsam wurde diese Zählung dann im Abendland übernommen. Hermann von Reichenau beschrieb etwa alle historischen Ereignisse in seinem Werk Chronicon in dieser Zeitrechnung. Was sich heute mit Sicherheit sagen lässt, ist, dass die Angabe der Geburt Christi falsch ist. Mit größter Wahrscheinlichkeit wurde Jesus vor dem Jahr 1 geboren. Dies folgt aus dem Vergleich der Angaben in der Bibel mit historischen Quellen, aber selbst den Urchristen war der genaue Zeitpunkt der Geburt Christi nicht klar.

Im Römischen Reich zählte man die Jahre nach der Gründung Roms.

Im koptischen Kalender beginnt die Jahreszählung ab der Thronbesteigung Diokletians, 29. 8. 284.

Papst Gregor (der Große) führte eine Jahreszählung ab Erschaffung der Welt ein. Die Welt sollte im Jahre 5184 v. Chr. erschaffen worden sein (annus creationis mundi). Im oströmischen Reich zählte man bis zum Jahr 1699 ab der Erschaffung der Welt, wobei man hier annahm, dass die Welt 5501 v. Chr., nach anderen Angaben 5508 v. Chr., erschaffen worden wäre. Zar Peter I führte dann die Zählung nach dem julianischen Kalender ein.

Nach dem jüdischen Kalender soll die Welt am 7. Oktober 3761 v. Chr. erschaffen worden sein und ab diesem Datum beginnt hier die Jahreszählung. Im islamischen Kalender beginnt die Jahreszählung mit der Auswanderung des Propheten Mohammed von Mekka nach Medina im Jahr 622 n. Chr. Dies wird als Hidschra bezeichnet. Man schreibt dann AH (anno hegirae) oder dH (der Hidschra).

Der Monat Ramadan ist im islamischen Kalender der Fastenmonat und der 9. Monat im Mondjahr. Auch dieser verschiebt sich um etwa 10 Tage pro Jahr nach vorne.

Im christlichen Kalender gibt es bewegliche Feste (Osterfest) sowie fixe Feste wie Weihnachten. Grob gesagt ist der Ostersonntag am Sonntag nach dem ersten Vollmond nach Frühlingsbeginn. Deshalb kann Ostern sehr früh oder deutlich später sein, frühestens am 22. März, spätesten am 25. April. Nach Ostern richten sich dann die anderen Feste im christlichen Kalender.

DIE SONNE, UNSER STERN

WIE HEISST UNSER NÄCHSTER STERN?

Wenn man eine allgemeine Umfrage durchführt, wie unser nächster Stern heißt, dann bekommt man interessante Antworten. Natürlich haben viele keine Ahnung, einige meinen, es sei Alpha Centauri, andere wieder Proxima Centauri. Dabei ist die Antwort sehr simpel: Es ist natürlich unsere Sonne. Die Sonne ist der uns am nächsten gelegene Stern. Nur bei der Sonne lassen sich mit speziellen Teleskopen (versuchen Sie bitte NIEMALS durch ein Fernglas oder Teleskop auf die Sonne zu blicken, ihr Auge wäre sofort zerstört und blind) Details erkennen, die anderen Sterne sind so weit entfernt, sodass sie auch in den größten Teleskopen nur als Punkte erscheinen.

WAS MACHT DIE SONNE SO BESONDERS?

Doch was ist eigentlich ein Stern, was macht die Sonne so besonders? Sterne leuchten. Unsere Erde wäre ein kalter Planet ohne Leben, gäbe es nicht das wärmende Sonnenlicht. Die Sonne ist auch der größte Himmelskörper im Sonnensystem. Wir haben schon die großen Planeten erwähnt, von denen fünf mit freiem Auge gesehen werden können: Merkur, Venus, Mars, Jupiter und Saturn. Mit einem Fernglas sind auch die beiden anderen Planeten Uranus und Neptun zu sehen. Und natürlich zählt unsere Erde zu den großen Planeten. Stellen wir uns nun vor, wir würden die Massen dieser Planeten zusammenaddieren. Und nicht nur das, auch die Massen der Monde der Planeten, der Kleinplaneten, der Zwergplaneten in unserem Sonnensystem.

Nun vergleichen wir diese Massen mit der Masse der Sonne und stellen fest: Die Sonne enthält 99,8 Prozent der Masse des Sonnensystems. Alle anderen Planeten sind also winzig im Vergleich zur Sonne, die Sonne ist der dominierende Himmelskörper im Sonnensystem.

Was meinen Sie? Wie viele Glühbirnen ergeben dieselbe Strahlung, die von einem Quadratmeter Sonnenoberfläche kommt?

Die Sonne spendet uns Licht und Wärme. Ein Quadratmeter Sonnenoberfläche liefert so viel Licht wie eine Million 60-Watt-Glühbirnen, die den meisten von Ihnen sicher noch ein Begriff sind.

WESHALB STÜRZEN WIR NICHT IN DIE SONNE?

Wir haben schon von der Schwerkraft oder Gravitation gesprochen. Massen ziehen einander an, je größer die Masse, desto größer auch die Anziehungskraft. Da die Sonne die bei Weitem größte Masse besitzt, zieht sie alle Planeten an. Wir würden in kurzer Zeit auf die Sonne stürzen, gäbe es da nicht eine Gegenkraft, die Zentrifugalkraft. Wenn Sie nicht wissen, was die Zentrifugalkraft ist, denken Sie einmal daran, was passiert, wenn man mit einem Fahrzeug zu schnell in eine enge Kurve fährt. Oder denken Sie an ein Karussell, das sich immer schneller dreht.

Die Zentrifugalkraft entsteht durch die Bewegung der Planeten um die Sonne. Je näher sich ein Planet bei der Sonne befindet, desto stärker wird er von ihr angezogen, wir wissen ja, dass die Stärke der Gravitation mit dem Quadrat der Entfernung abnimmt. Merkur ist der sonnennächste Planet, er ist nur 58 Millionen Kilometer von ihr entfernt. Deshalb muss er sich schneller um die Sonne bewegen als beispielsweise die Erde, die immerhin 150 Millionen Kilometer von der Sonne entfernt ist.

•Umlaufszeit des Merkur um die Sonne: 88 Tage

•Umlaufszeit der Erde um die Sonne: 1 Jahr

Je schneller sich ein Karussell dreht, desto stärker werden wir nach außen gedrückt.

Größenvergleich. Welche der kleinen Kugeln ist die Erde?

Seit etwa 4,5 Milliarden Jahren herrscht ein Gleichgewicht zwischen der Zentrifugalkraft, hervorgerufen durch den Umlauf eines Planeten und dessen Anziehung durch die Sonne. Übrigens müssen aus demselben Grund Satelliten und die Weltraumstation um die Erde kreisen, sonst würden sie sofort in der Erdatmosphäre verglühen.

oben: Die Planeten laufen um die Sonne, so entsteht ein Gleichgewicht zwischen ihrer Anziehung durch die Sonne und der Zentrifugalkraft. unten: Größenvergleich Sonne (links) und die Planeten. Die Größen der Objekte sind im richtigen Abstand, die Distanzen von der Sonne nicht.

WIE KANN MAN DIE SONNE BEOBACHTEN?

Zunächst kann nicht oft genug bekräftigt werden, niemals direkt in die Sonne zu blicken, egal ob mit freiem Auge, Fernglas oder gar Teleskop. Blickt man durch ein Teleskop auf die Sonne, erblindet man innerhalb von Millisekunden, da das Teleskop das starke Sonnenlicht bündelt und so die Netzhaut des Auges verbrennt. Eine einfache und sichere Methode, mit einem Fernglas oder Linsenteleskop die Sonne zu beobachten, ist die Projektion des Bildes der Sonne auf einen hinter dem Teleskop befestigten Schirm. Dann können auch mehrere Personen gleichzeitig die Sonne beobachten. Die Methode der Projektion ist in der Skizze dargestellt.

WAS SIEHT MAN AUF DER SONNE?

Nun wenden wir uns der Frage zu, was man mit einfachen Mitteln auf der Sonne erkennen kann. Wie gesagt, die Methode der Projektion zur Beobachtung der Sonne ist die einfachste und auch sicherste.

Zunächst erscheint das Sonnenbild ziemlich gleichmäßig hell, aber wenn man es genauer betrachtet, sieht man die Mitte-Rand-Variation oder auch Randverdunkelung. Die abgebildete Sonnenscheibe erscheint in der Mitte heller als am Rand. Und meistens erkennt man auch dunkle Flecken, die sogenannten Sonnenflecken.

Betrachten wir als erstes die Randverdunkelung. Stellen wir uns das heiße Sonnengas wie einen Nebel vor. Man kann in eine Nebelwand bis in eine bestimmte Tiefe hineinblicken, alles was dahinter liegt, bleibt verborgen. Die Sonnenkugel bedingt, dass man in der Mitte etwas tiefer in den „Nebel“ blicken kann als am Rand, was anhand der Skizze (Seite 54) deutlich wird. Die Sonne ist ja eine Art leuchtende Gaskugel, an der Oberfläche herrscht eine Temperatur von fast 6 000 Grad. Blicken wir nun zum Rand der Sonnenscheibe, dann sehen wir dort so tief hinein, wie es das heiße Sonnengas (bzw. der Nebel) zulässt, das ist aber nicht dieselbe geometrische Tiefe, wie in der Mitte der Sonnenscheibe, sondern weniger, da wegen der Abschwächung der Lichtweg nahe dem Sonnenrand in weniger tiefe Schichten geht als in der Mitte.

Wir sehen also in der Mitte der Sonnenscheibe tiefer in das Sonneninnere als am Rand. Die Temperatur nimmt im Inneren der Sonne zu, und deshalb erscheint uns die Mitte der Sonnenscheibe heller als der Rand. Eine einfache Beobachtung der Sonnenscheibe und ihrer Randverdunkelung beweist also: Die Sonne ist im Inneren heißer als außen.

HAT DIE SONNE FLECKEN?

Die Beobachtung, dass die Sonne Flecken hat, erregte großes Aufsehen. Die ersten, die diese Sonnenflecken mit einem Teleskop beobachteten, waren Galileo Galilei, Christoph Scheiner und Johann Fabricius um 1610. Es wurden Zeichnungen dieser Flecken gemacht, die zeigten, dass sie sich von Tag zu Tag änderten, sowohl ihre Lage auf der Sonnenscheibe als auch ihr Aussehen. Nach der damaligen kirchlichen Lehrmeinung sollte die Sonne ein makelloser Körper sein, da passten die Sonnenflecken überhaupt nicht in die Vorstellung. Galilei schrieb sehr zum Missfallen der damaligen kirchlichen Lehrmeinung, dass die Sonnenflecken tatsächlich Oberflächenerscheinungen der Sonne seien. [ Warum sind Sonnenflecken kühl? S. 66]

Einige hielten die Sonnenflecken für vorbeiziehende Planeten (Transit), andere sprachen von Wolken in der Atmosphäre der Sonne. Doch bald wurde klar, dass es sich um Erscheinungen auf der Sonne selbst handeln musste.

Sonnenflecken erscheinen dunkel. Sie strahlen also weniger ab als die etwa 6 000 Grad heiße Oberfläche der Sonne. Deshalb müssen sie auch kühler sein als die als Photosphäre bezeichnete Oberfläche der Sonne.

Photosphäre bedeutet wörtlich übersetzt Lichtkugel. Aus dieser nur etwa 400 Kilometer dicken Schicht der Sonne stammt fast die gesamte Strahlung.

WIE WEIT IST DIE SONNE ENTFERNT?

Betrachten wir einmal die Abstandsverhältnisse und Dimensionen, mit denen wir es hier zu tun haben. Bereits im alten Griechenland konnte Aristarch von Samos (310–230 v. Chr.) zeigen, dass die Sonne weiter entfernt sein muss als der Mond. Er untersuchte den Winkelabstand des Mondes bei der Phase erstes oder letztes Viertel . Vom Mond aus gesehen stehen dann Sonne und Erde exakt im rechten Winkel, jedoch ist der Abstand des Mondes von der Sonne am Himmel etwas kleiner als 90 Grad. Sei d der Abstand Erde–Mond, dann folgt für den Abstand Erde–Sonne s:

cos β = d/s

Wir müssen also nur den Winkel genau kennen, um auszurechnen, um welchen Betrag die Sonne weiter von uns entfernt ist als der Mond. Doch das ist die Schwierigkeit: Erstens muss genau bekannt sein, wann das erste oder letzte Viertel erreicht ist und zweitens muss man den Winkel exakt kennen. Diesen Winkel hat Aristarch mit 87 Grad bestimmt. Die Tabelle zeigt, wie sich das Entfernungsverhältnis Erde–Mond zu Erde–Sonne ändert, je näher der gemessene Winkel zu 90 Grad geht:

Winkel	Sonne ist um das … -fache entfernt, s
87,0	19
87,5	23
88	29
88,5	38
89	57
89,5	113

Aristarch stellte also fest: Die Sonne ist etwa 19 mal weiter von uns entfernt als der Mond. Da sie am Himmel etwa gleich groß wie der Mond erscheint, ca. 0,5 Grad, muss sie daher die 19-fache Größe des Mondes besitzen. Aristarch analysierte auch Mondfinsternisse. Aus der Größe des Erdschattens leitete er ab, dass die Erde 2,85 mal so groß wie der Mond sein muss.

Beide Werte sind natürlich nicht richtig: Wir wissen heute, dass die Erde etwa 3,67 mal so groß wie der Mond ist und die Sonne fast 400 mal so weit von uns entfernt wie der Mond. Aber Aristarch konnte immerhin zeigen:

•Die Erde ist größer als der Mond.

•Die Sonne ist größer als der Mond und auch größer als die Erde.

•Die Sonne ist deutlich weiter von uns entfernt als der Mond.

Für Aristarch war klar, dass sich die Erde nicht im Zentrum befinden kann, und er war der erste, der das heliozentrische Weltsystem vertrat: Die Sonne ist im Zentrum, um sie bewegen sich die Erde und die anderen Planeten.

Beachten wir, mit welch einfachen Mitteln diese Erkenntnisse möglich waren, ohne genaue Messinstrumente, ohne Teleskope, allein durch Beobachtungen mit freiem Auge.

Methode des Aristarch zur Berechnung des Abstandsverhältnisses Erde–Mond zu Erde–Sonne. Der Winkel β muss bestimmt werden, er ist nahe 90 Grad. rechts: Aristarch von Samos.

Leider gerieten die Arbeiten Aristarchs in Vergessenheit. Das geozentrische Weltsystem dominierte bis 1543, als Nikolaus Kopernikus sein Hauptwerk veröffentlichte, in dem er das heliozentrische Weltsystem vorstellte.

WIEVIEL ENERGIE STRAHLT DIE SONNE AB?

Unsere Sonne leuchtet, wie wir aus geologischen Aufzeichnungen wissen, seit etwa 4,5 Milliarden Jahren nahezu konstant. Die pro Sekunde von der Sonne abgestrahlte Strahlungsleistung ist unvorstellbar groß. Auf der Erde, die immerhin 150 Millionen Kilometer von der Sonne entfernt ist, erhalten wir immer noch etwa 1367 Watt/m².

Dieser Wert wird jedoch nur bei senkrechtem Einfall der Sonnenstrahlung erreicht und gilt auch nur außerhalb der Erdatmosphäre. Mit dieser Leistung könnte man einen Pool mit 10 000 Litern Wasser in fünf Tagen von zehn Grad auf angenehme 24 Grad heizen. Allerdings müsste die Sonne 24 Stunden hindurch scheinen und es dürften keine Wärmeverluste entstehen. Die Leuchtkraft der Sonne beträgt 3,86 10²⁶ W. Das ist die gesamte Strahlungsleistung der Sonne. Zum Vergleich: Ein mittleres Atomkraftwerk hat eine Leistung von etwa 1 400 Megawatt, das sind also 1400 10⁶ W oder 1,4 10⁹ W. Die von der Sonne abgegebene Leistung entspricht also:

2,75 10¹⁷=275 000 000 000 000 000 mittleren Kernkraftwerken auf der Erde.

Mit der Leistung 1 Watt könnte man 1 Gramm Wasser um 14,3 Grad in einer Minute erwärmen. Mit der Leistung eines mittleren Kernkraftwerks kann man 3,5 Millionen Haushalte mit Strom versorgen (entspricht etwa 11 Milliarden Kilowattstunden).

Ein mittleres Kernkraftwerk, Kernkraftwerk Phillippsburg bei Karlsruhe. Block 1 ging 1979 in Betrieb (etwa 1 000 Megawatt), Block 2 ging 1984 in Betrieb (etwa 1 400 Megawatt). Ab 2020 wird das Kraftwerk langsam stillgelegt, was insgesamt etwa 15 Jahre dauern wird.

WIE ERZEUGT DIE SONNE IHRE ENERGIE?

Woher nimmt die Sonne diese gewaltige Energie. Zunächst dachte man, die Sonne schrumpfe, dabei werde Gravitationsenergie frei. Aber einfach auszuführende Berechnungen zeigen, dass die Sonne mit dieser Energie nur einige 10 000 Jahre lang leuchten könnte. Eine andere Möglichkeit wäre die Verbrennung. Nehmen wir daher an, die Sonne sei ein riesiger Kohlehaufen, der verbrennt. Auch hier würde die zur Verfügung stehende Energie nur einige 10 000 Jahre ausreichen, um die Sonne mit der jetzt gemessenen Helligkeit zum Glühen zu bringen.

Lange Zeit war also die Energiequelle der Sonne unklar. Hier kommt der wohl berühmteste Physiker ins Spiel: Albert Einstein. Viele der Leser*innen kennen wahrscheinlich seine wohl berühmteste Gleichung:

E = mc²

Was besagt diese Gleichung? E steht für Energie, m für die Masse und c für die Geschwindigkeit, mit der sich Licht ausbreitet. Diese Geschwindigkeit beträgt

In nur einer Sekunde umläuft also ein Lichtstrahl siebenmal die Erde, der Erdumfang beträgt bekanntlich etwa 40 000 Kilometer. Das Licht breitet sich also sehr schnell aus. Wichtig ist dabei zu betonen, dass Masse und Energie eigentlich dasselbe sind, bis auf den Faktor Quadrat der Lichtgeschwindigkeit. Mit anderen Worten: Wir können Masse in Energie umwandeln! Nachdem die Lichtgeschwindigkeit eine sehr große Zahl ist, wird auch klar, dass bereits kleine Massenmengen riesige Mengen Energie liefern können.

Albert Einstein (1879–1955)

Wandeln wir beispielsweise 1 Kilogramm Masse in Energie um, dann erhalten wir eine Energie von

In einer Sekunde liefert also eine Masse von 1 Kilogramm in Energie umgewandelt eine Leistung von 90 000 000 000 000 000 Watt, was der Leistung von 64 Millionen mittleren Atomkraftwerken entspricht.

Da die Sonne etwa 3,86 10²⁶ Watt an Strahlungsleistung hat, muss sie in jeder Sekunde 4 288 888 Tonnen Masse in Energie umwandeln. Das klingt sehr viel, aber vergleichen wir diesen Wert mit der Masse der Sonne. Die Masse der Sonne beträgt etwa 2 10³⁰ kg. Nun müssen wir noch berücksichtigen, dass bei der Kernfusion nur etwa ein Prozent der Masse in Energie umgewandelt wird und nur etwa zehn Prozent der gesamten Sonnenmasse überhaupt dafür zur Verfügung stehen. Nur im Kern der Sonne ist es heiß genug. Wenn Sie, liebe Leserin, lieber Leser, dies ins Kalkül ziehen, werden sie herausbekommen, dass die Sonne etwa 13 Milliarden Jahre lang mit der jetzigen Helligkeit leuchten kann, also kein Grund zur Sorge.

Machen wir noch einen Vergleich zu Solarkraftwerken. Die derzeit größte Anlage ist seit 2014 in der Mojave-Wüste im US-Bundestaat Kalifornien in Betrieb. Sie liefert bis zu 400 Megawatt also etwa 1/3 eines mittleren Atomkraftwerks. Die Sonnenstrahlen werden durch 173 000 Reflektoren auf drei Solartürme fokussiert. Dort wird dann Wasser erhitzt und der Wasserdampf treibt Turbinen an, die Strom erzeugen. Die Gesamtreflexionsfläche der drei Einheiten beträgt über 2,6 Millionen Quadratmeter. Es wird auch versucht, die gewonnene Energie zu speichern (z.B. durch Erhitzen von Salzlösungen). Mit einer Reflektorfläche von 13 Milliarden Quadratmetern könnte man die Energie für die gesamte Menschheit erzeugen.

Ivanpah Solar facility in den USA. Die Luftbildaufnahme zeigt die drei Sonnentürme.

MASSE IN ENERGIE UMWANDELN?

Doch die Frage ist, wie kann man Masse in Energie umwandeln? Im Inneren der Sonne ist es extrem heiß, nahe dem Zentrum der Sonne beträgt die Temperatur bis zu 15 Millionen Grad. Wie wir aus dem Physikunterricht wissen, besagt die Temperatur nichts anderes, als mit welcher Geschwindigkeit sich die Atome bewegen; Temperatur ist, wie die Physiker trocken sagen, ein Maß für die mittlere Bewegungsenergie der Teilchen. Je höher die Temperatur, desto schneller fliegen die Teilchen. Im Innern der Sonne ist das Gas sehr dicht, also kommt es immer wieder zu einem Zusammenstoß der Teilchen, und genau das ist der Punkt. Die Teilchen stoßen mit hohen Geschwindigkeiten gegeneinander und vereinigen sich so zu schwereren Teilchen, man nennt dies auch Kernfusion. Das wirklich Spannende daran ist, dass die neuen Teilchen, die aus der Verschmelzung (Fusion) der leichteren Teilchen entstanden sind, etwas leichter als die Massensumme der ursprünglichen Teilchen sind. Es ist also Masse verlorengegangen. Doch eigentlich kann in der Natur nichts verlorengehen. Die fehlende Masse, das Massendefizit, auch Massendefekt genannt, vielleicht erraten Sie es schon, wurde in Energie umgewandelt.

Vereinfacht gesagt, findet im Inneren der Sonne die Fusion von Wasserstoff zu Helium statt: Vier Wasserstoffkerne (Protonen) bilden einen Heliumkern, der aus zwei Protonen und zwei Neutronen besteht. Die Protonen sind positiv geladen, die Neutronen neutral. Es werden also zwei Protonen zu zwei Neutronen umgewandelt. Legen wir nun quasi die vier Protonen auf die Waagschale, und den entstandenen Heliumkern, der aus zwei Protonen und zwei Neutronen besteht, auf die andere, dann sehen wir, dass sich der Waagebalken nach links neigt, die vier Protonen sind etwas schwerer als der Heliumkern. Allerdings ist der Unterschied nicht sehr groß – nur etwa 0,7 Prozent!

Wiederholen wir die Überlegungen mit den genaueren Daten. Um Energie durch Kernfusion zu erzeugen, werden pro Sekunde 620 Millionen Tonnen Wasserstoff zu Helium verschmolzen. Das klingt bedrohlich viel, droht der Sonne der zur Fusion notwendige Wasserstoff bald auszugehen, wird die Sonne bald dunkel?

Eine kurze Rechnung zeigt, dass die Sonne mit 620 10⁹ kg/s bei einer Gesamtmasse von 2 10³⁰kg etwa 3,2 10¹⁸ Sekunden lang leuchten könnte. Da ein Jahr etwa 3 10⁷ Sekunden hat, folgern wir:

Die Sonne kann, unter der Voraussetzung, dass ihre gesamte Masse zu Helium fusioniert wird, etwa 10¹¹ Jahre = 100 Milliarden Jahre lang leuchten. Wenn wir annehmen, dass aber nur etwa zehn Prozent der Masse der Sonne im Inneren zu Helium fusioniert werden, reicht der Brennstoff immer noch für 10 Milliarden Jahre. Die Sonne hat ein Alter von etwa 4,6 Milliarden Jahren, ist also vom Standpunkt der Kernfusion her gesehen in ihrem besten Alter. Auch die genauere Rechnung zeigt also, dass genügend Energiereserven gegeben sind und wir uns in nächster Zeit keine Sorge machen müssen, dass die Sonne erlischt.

Noch eine Zahl zum Schluss: Nehmen wir sämtliche Atomkraftwerke, die 2020 in Betrieb waren. Die Sonne strahlt pro Sekunde so viel Energie ab, wie sämtliche Atomkraftwerke in 25 Millionen Jahren produzieren.

DIE SONNE – EINE ATOMBOMBE?

Man stellt sich vielleicht die Frage, weshalb die Sonne nicht wie eine unvorstellbar große Atombombe explodiert. Die Antwort ist in der Physik zu suchen. Damit Protonen verschmelzen, müssen sie mit sehr hohen Energien aufeinanderprallen, die Kernfusion gelingt also nur bei Sternen in ihrem heißen Inneren. Außerdem gibt es noch ein Problem. Protonen sind positiv geladen, und wie man aus der Physik weiß, stoßen sich gleichnamige Ladungen ab. Die positiv geladenen Protonen würden sich also selbst bei den hohen Geschwindigkeiten abstoßen und es würde zu keiner Fusion kommen. Hier hilft aber ein aus der Quantenphysik her bekanntes Phänomen, der Tunneleffekt. Mit einer zwar geringen, aber doch gewissen Wahrscheinlichkeit vereinigen sich die Protonen. Das ist auch der Grund, weshalb die Sonne nicht wie eine Bombe plötzlich explodiert, sondern die Kernfusion sehr langsam abläuft. Für ein einzelnes Proton dauert es das Milliardenfache des Alters des Universums, bis es mit einem anderen zusammenstößt und fusioniert. Da aber unvorstellbar viele Protonen im Inneren der Sonne vorhanden sind, findet dennoch die Energieerzeugung durch die Fusion statt.

WIRD DIE SONNE LEICHTER?

Die Antwort ist eindeutig „ja“. Die Sonne wandelt, wie wir gezeigt haben, riesige Massenmengen in Energie um und wird dadurch leichter. Aber seit ihrer Entstehung vor 4,6 Milliarden Jahren hat sie nur etwa 1/1000 ihrer Masse verloren. Das hat also kaum einen Einfluss auf die Sonne selbst oder auf die Umlaufbahnen der Planeten. Eine leichter gewordene Sonne hat ja eine geringere Anziehungskraft. Den Masseverlust der Sonne kann man sich folgendermaßen vorstellen: Er entspricht in etwa dem, wenn eine Person mit 100 Kilogramm im Lauf ihres Lebens 100 Gramm an Masse verloren hätte; das fällt wahrlich nicht ins Gewicht.

KANN MAN IN DAS INNERE DER SONNE BLICKEN?

Die Oberfläche der Sonne, auch als Photosphäre bezeichnet, ist die Schicht, aus der die meiste Strahlung der Sonne kommt. Sie ist nur etwa 400 Kilometer dick, weiter innen wird das Gas so dicht, dass wir nicht mehr durchblicken. Ähnlich wie bei Nebel vor einem Wald. Die nächsten Bäume sind noch erkennbar, aber der Blick in das Innere des Waldes ist durch den zunehmend dichter werdenden Nebel nicht mehr möglich. Wir wissen dennoch, dass die Sonne im Inneren aus drei Zonen aufgebaut ist:

•Kernbereich: Er reicht bis zu etwa einem Drittel des Radius der Sonne (etwa 700 000 km beträgt der Sonnenradius). Hier findet die früher besprochen Kernfusion statt.

•Strahlungszone: Sie reicht von einem Drittel des Sonnenradius bis etwa zu zwei Drittel des Sonnenradius.

•Konvektionszone: Sie reicht bis an die Oberfläche der Sonne.

Beobachtet man die Sonne unter sehr guten Bedingungen, dann erkennt man ein zellförmiges Muster, das sich im Lauf weniger Minuten ändert. Dies bezeichnet man als Granulation. Es handelt sich um Konvektionsbewegungen. Stellen wir uns kochendes Wasser vor. Gasblasen steigen von dem an der Unterseite erhitzten Topf an die Oberfläche. Ähnlich ist es bei der Sonne. Heißes Gas steigt von tieferen Schichten bis an die Oberfläche, kühlt sich ab, strömt nach unten und das Ganze beginnt von vorne.

Die „brodelnde“ Oberfläche der Sonne, die Granulation. Jede dieser kleinen Zellen hat etwa 1 000 Kilometer Ausdehnung, also die Größe Deutschlands oder Frankreichs. Dies ist nur ein kleiner Ausschnitt der Sonnenoberfläche.

DIE SCHWINGENDE SONNE?

Doch woher weiß man über den Aufbau der Sonne so gut Bescheid? Es gibt zwei Techniken, das Innere der Sonne zu erforschen:

(1) Die Sonne schwingt, das Sonnengas an der Oberfläche steigt auf und ab. Diese Bewegungen kann man messen. Aus der Analyse der Sonnenschwingungen kann man dann den Verlauf der Temperatur, Dichte, Druck, chemische Zusammensetzung … im Inneren ableiten, da sich diese Schwingungen auch in das Innere der Sonne ausbreiten.

Man stelle sich eine Glocke vor. Aus ihrem Klang kann man feststellen, aus welchem Material sie besteht. Die Methode, das Innere der Sonne durch ihre Schwingungen zu erforschen, nennt man Helioseismologie.

Aber es gibt noch eine weitere Möglichkeit, vor allem den Kern der Sonne zu erforschen.

(2) Bei der Kernfusion, also der Verschmelzung von vier Protonen zu einem Heliumkern entstehen rätselhafte Teilchen, die sogenannten Neutrinos. Neutrinos haben ganz besondere Eigenschaften: Sie besitzen eine extrem geringe Masse, sind also viel leichter als die Elektronen, die nur etwa 1/1800 der Masse eines Protons haben. Neutrinos treten mit dem Rest des Universums nur sehr unwillig in Kontakt. Mit anderen Worten: Neutrinos bewegen sich von ihrem Entstehungsort bei der Kernfusion nahe dem Sonnenzentrum fast ungehindert durch die Sonne hindurch und breiten sich aus.

Das Licht, das wir am heutigen Tag von der Sonne erhalten, wurde vor etwa 100 000 Jahren im Inneren der Sonne durch Kernfusion erzeugt. So lange dauert es, bis ein erzeugtes Lichtteilchen, Photon, nach unzähligen Stoßprozessen mit anderen Teilchen (Elektronen, andere Atome) an die Oberfläche der Sonne gelangt und abgestrahlt wird. Die Neutrinos aber dringen durch die Sonne hindurch, als ob nichts dazwischen wäre, und liefern so Aufschluss über das Innere der Sonne.

Im Gegensatz zu den Photonen (Lichtteilchen) die immer wieder von den Elektronen und Atomen gestreut werden, gehen Neutrinos fast ungehindert durch die Sonne hindurch.

Im sogenannten Borexino Experiment versucht man von Neutrinos verursachte Blitze in einer speziellen Flüssigkeit nachzuweisen.

KANN MAN NEUTRINOS NACHWEISEN?

Pro Sekunde werden wir von Trillionen solcher Neutrinos von der Sonne getroffen, aber sie gehen durch unseren Körper und sogar durch die gesamte Erde, als ob nichts dazwischen wäre. Aber Experimentalphysiker haben gefinkelte Methoden erdacht, einige dieser Neutrinos von der Sonne nachzuweisen. Man hat etwa riesige Tanks mit Perchlorethylen, einer relativ billigen Reinigungsflüssigkeit in große unterirdische Tanks gefüllt. Unterirdisch deshalb, weil die Neutrinos die Erdoberfläche ohne nennenswerten Widerstand durchdringen, andererseits jedoch hier ein Schutz vor anderen Einflüssen gegeben ist. Einige ganz wenige der Sonnenneutrinos reagieren nun mit den Chloratomen dieser Flüssigkeit und wandeln das Chlor in das Element Argon um. Die Kunst besteht nun darin, diese entstandenen Argonatome herauszufiltern. Pro Monat sind das nur einige Dutzend!

ZU WENIG NEUTRINOS VON DER SONNE?

Nun kann man sich leicht überlegen, wie viele Neutrinos bei den herrschenden Temperaturen im Inneren der Sonne entstehen müssten. Man berechnet also den zu erwartenden Neutrinofluss. Dabei stößt man auf folgendes Problem: Man hat nur etwa ein Drittel der zu erwartenden Neutrinos gefunden. Dies wurde als das Neutrinoproblem der Sonne bezeichnet. Weshalb dieser Unterschied? Natürlich dachte man zuerst an Messfehler, aber mit der Zeit wurden diese ausgeschlossen. Stimmen also unsere Vorstellungen vom Aufbau der Sonne nicht? Man bräuchte nur eine geringere Temperatur im Inneren anzunehmen, dann würde es weniger Fusion geben und das Neutrinoproblem wäre gelöst. Aber die Sache ist nicht so einfach. Eine geringere Temperatur bedeutet natürlich auch weniger Energieerzeugung, das heißt, die Sonne würde schwächer leuchten. Jetzt kann man annehmen, es gäbe noch andere Prozesse außer der Kernfusion, die zur Energieerzeugung beitragen. Zum Beispiel könnte die Sonne langsam schrumpfen, und dabei würde Energie frei. Wenn aber die Sonne schrumpfte, sollte ihr Durchmesser abnehmen, was nicht beobachtet wird, wir können heute die Sonne bis zu einer Größenskala von etwa 50 Kilometern genau beobachten. Über die vielen Jahrzehnte genauer Sonnenbeobachtung müsste ein solcher Schrumpfungsprozess aufgefallen sein.

Die einzige Erklärung des Neutrinoproblems liefern die Neutrinos selbst. Es gibt nämlich drei Arten von Neutrinos und diese Arten oszillieren, das bedeutet sie wandeln sich ineinander um. Mit dem Perchlorethylenexperiment konnte man aber nur eine bestimmte Art von Sonnenneutrinos nachweisen. Andere Experimente, die später gemacht wurden, reagierten auf alle drei Neutrinoarten und waren im Einklang mit den Vorhersagen.

Wir sehen hier ein sehr schönes Beispiel, wie moderne Astrophysik neue Erkenntnisse über den Aufbau von Materie liefern kann.