Astronomie & Kalender @ PS-Trainer

Astronomie
Die Ursachen für die Grundlagen unseres Kalenders liegen in der zufälligen momentanen Anordnung des Sonnensystems. ► Mit dem Umlauf der Erde um die Sonne ändern sich die Jahreszeiten, die Sonnenhöhe zu Mittag, sowie die Richtung zum Sonnenaufgang und -Untergang. ► Durch den Umlauf des Mondes um die Erde entstehen die sichtbaren Mondphasen sowie Ebbe und Flut ► Wegen der Rotation der Erde um die eigene Achse erleben wir Tag und Nacht.	Diese Erscheinungen prägten die Erde bereits lange vor den ersten Lebewesen, sie beeinflussten durch Millionen von Jahren (fast) alle Organismen und sie bestimmen noch immer das Leben der meisten Menschen - Selbst bei elektrischer Beleuchtung in geheizten Zimmern. Ein Kalender versucht, Jahr, Monat und Tag durch ein System von Regeln zu beschreiben. Das hatte schon für die Urmenschen große praktische und spirituelle Bedeutung. Durch genaue astronomische Beobachtung fanden die Menschen aller Kulturen zahlreiche Hinweise zur Gestaltung guter Kalender. Auf dieser Seite werden einige dieser empirisch gefundenen Regeln und die daraus abgeleiteten Theorien dargestellt.
■ Es wäre ein extrem unwahrscheinlicher Zufall, wenn etwa die Umlaufzeit des Mondes oder der Erde ganzzahlige Vielfache der Tageslänge wären. Ein Monat (Zeit zwischen gleichen Mondphasen) fällt zwischen 29 und 30 Tage, ein Jahr zwischen 356 und 366 Tage sowie zwischen 12 und 13 Monate.	■ Daher ist es prinzipiell unmöglich, ein Jahr in eine konstante Anzahl gleich langer Monate oder Tage aufzustellen, oder Monate mit einer konstanten Anzahl von Tagen. Alle Versuche, derartige Systeme durchzusetzen, scheiterten: Die solcherart berechneten Monate oder Jahreszeiten stimmten bald nicht mehr mit der beobachteten Realität überein.
■ Alle Bemühungen, welche die Menschheit seit Jahrtausenden anstellte, um zuverlässige Kalender zu entwickeln, drehen sich um die Aufstellung von Regeln zur näherungsweisen Beschreibung der astronomisch begründeten Erscheinungen. ■ Die ältesten Bauwerke aller Kulturen haben ausnahmslos Bezüge zu astronomischen Kalender-Daten. Sie selbst oder bestimmte Achsen sind nach den Richtungen von Tag- und Nachtgleiche oder der Sonnenwende ausgerichtet. Die Kalender weit entfernter Kulturen gelangten auch ohne Kontakt miteinander zu ganz ähnlichen Ergebnissen.
Kalender und Zeit sind höchst lokale Aspekte einer erdgebundenen Zivilisation. Es ist schon schwierig, diese Begriffe auf mittlerweile alltägliche wie die Raumfahrt zu übertragen. Auf Raumstationen gibt es "täglich" ca. 16mal Sonnenaufgang und "Mittag".	Es ist interessant, wenn "Außerirdische" in SF-Filmen von Jahren, Monaten oder Tagen 'sprechen' - Die Rotationszeiten und Umlaufzeiten auf anderen Welten sind sicher unterschiedlich, und das Vorhandensein von genau einem großen Mond wäre ein extrem unwahrscheinlicher Zufall. Aber auch sonst beschränken sich ja die Unterschiede zu irdischen Menschen oft auf spitze Ohren ...
Verbesserte Technik erlaubt immer genauere Messung der astronomisch relevanten Zeiten: Heute ist bekannt, dass auch die Rotationszeit der Erde veränderlich ist, ebenso wie die Umlaufzeiten des Mondes und der Erde.	Eine eigene internationale Behörde ( IERS) ist damit befasst, unseren Kalender an die real gemessenen Veränderungen der astronomischen Daten anzupassen: Die letzte Schaltsekunde wurde 2008 eingefügt.
Beobachtungen In vielen Kapiteln dieses und anderer Webs werden Beobachtungen beschrieben, die mit Datum und Zeit in Zusammenhang stehen. Die beobachteten und gemessenen Ereignisse dienen einerseits als Anregung zur Aufstellung von Hypothesen, andererseits kann man die Brauchbarkeit von Kalender-Regeln daran messen, ob und wie genau man damit zukünftige Ereignisse voraussagen kann.	Astronomie Die genaue Beobachtung der Himmelskörper liefert zahlreiche Daten. Bei kluger Interpretation kann man daraus Theorien entwickeln und die Bewegungen der Körper beschreiben und vorhersagen. Die Astronomie hat den Vorteil, dass sie viele Ereignisse mit sehr großer Genauigkeit und über sehr lange Zeiträume berechnen kann. Gute Kalender-Regeln kann man u.a. daran messen, ob es möglich ist, sie auf andere Himmelskörper zu übertragen, wenn man deren Bewegungs-Daten kennt. Deshalb werden viele der hier vorgestellten Regeln zumindest im Gedanken-Experiment auf andere Himmelkörper übertragen.

Andere Planeten
Schon in der für astronomische Verhältnisse winzigen Entfernung anderer Planeten wird deutlich, wie stark unsere gewohnten Vorstellungen von Datum & Zeit von unserem zufälligen Standort auf dem Planeten Erde geprägt sind. Die astronomischen Grundlagen der Zeitmessung orientieren sich an der Bewegung der Himmelskörper und müssen folgerichtig auf anderen Planeten andere Werte aufweisen.	Aus diesem Grund ist man dazu übergegangen, die exakten Definitionen von der Astronomie zu entkoppeln und an physikalische Effekte zu binden (von denen man annimmt, dass sie im gesamten Kosmos gelten). Da unser tägliches Leben jedoch weiterhin durch Tageslicht und Jahreszeiten bestimmt wird, muss die physikalisch definierte Zeit regelmäßig mit der astronomischen Realität synchronisiert werden.
Exzentrizität und Jahreszeiten Alle bis jetzt beobachteten Himmelskörper bewegen sich auf elliptischen (ganz wenige auf hyperbolischen) Bahnen. Die Exzentrizität ist ein Maß für das Achsenverhältnis der Ellipse. Ellipsen mit geringer Exzentrizität (z.B. Erdbahn) unterscheiden sich nur wenig von einem Kreis, solche mit großer Exzentrizität (z.B. Kometenbahnen) haben die Form langgestreckter Zigarren. Je nach Exzentrizität seiner Bahn ändert sich der Abstand r eines Planeten von der Sonne und mit 1/r² die Strahlungsleistung der Sonne. In doppelter Entfernung sinkt daher die Strahlungsleistung der Sonne auf 1/4 usw. Bei stark exzentrischen Bahnen ergeben sich Jahreszeiten unabhängig von der Neigung der Rotationsachse, d.h. gleichzeitig auf Nord- und Südhalbkugel.	■ Die Venus-Bahn ist fast kreisrund. Die Strahlungsleistung ändert sich nur um ca. +/- 1.4%, es gibt daher keine Jahreszeiten. ■ Die Erdbahn weicht etwas von einem Kreis ab. Der sonnen-nächste Punkt wird Anfang Jänner erreicht, der sonnenfernste Anfang Juli. Dabei ändert sich die Strahlungsleistung (Solar-'Konstante' 1.366 W/m²) um ca. +/- 3.35%. Dieser geringe Wert reicht nicht für Klima-Schwankungen - Im Jänner ist bekanntlich nicht Nord-Sommer ! Die Erdbahn ist daher nicht für die Jahreszeiten verantwortlich ! ■ Der Mars bewegt sich auf einer stärker elliptischen Bahn. Die Strahlungsleistung ändert sich daher in einem Marsjahr von -16% bis +22%. Die Wirkung ist überdies wegen des längeren Mars-Jahres stärker. Die Mars-Bahn beeinflusst das Mars-Klima erheblich. ■ Am stärksten ist der Einfluss der Bahn-Exzentrizität bei Pluto, wo sich die Strahlungsleistung von -36% bis +77% ändert. In diesem Fall werden die Jahreszeiten vorwiegend durch die Bahn bestimmt.
Neigung der Rotations-Achse ■ Wenn die Rotationsachse eines Planeten genau senkrecht auf dessen Bahn-Ebene steht, dann bleibt die Tageslänge an beliebigen Punkten der Oberfläche während eines Umlaufs (Jahres) konstant. ■ Wenn die Rotationsachse geneigt ist, dann ändert sich die Tageslänge: Während der halben Umlaufzeit sind die Tage länger (Sommer), da die Achse mehr zur Sonne zeigt, während der anderen Hälfte der Umlaufzeit ist dort Winter. Auf Nord- und Südhalbkugel finden die Jahreszeiten genau gegenläufig statt. ■ Die Intensität der Jahreszeiten hängt von der Breite ab. In der Nähe der Pole ist die Sonne im Sommer ständig sichtbar, im Winter niemals. Am Äquator ist dagegen die Tageslänge stets gleich. ■ Mit der Tageslänge ändert sich die durchschnittliche Strahlungsleistung, bei veränderlicher Tageslänge gibt es daher Jahreszeiten !	■ Die Achse der Venus ist nur ca. 3° geneigt. Auf 45° Breite variiert die Tageslänge um +/- 4%. Die Atmosphäre gleicht diese geringen Schwankungen aus, daher gibt es dort keine Jahreszeiten. ■ Die Achsen von Erde (23.5°) und Mars (25°) sind ähnlich geneigt. Auf der Erde variiert die Tageslänge auf 45° Breite um +/- 29%, am Mars um +/- 31%. Auf beiden Planeten gibt es daher gemäßigte Jahreszeiten. ■ Die Achse von Uranus ist 82° geneigt, d.h. dieser Planet rotiert fast 'liegend'. Daraus ergeben sich extreme Jahreszeiten: An den meisten Punkten der Oberfläche herrscht 'Polarnacht' für 42 Erdjahre (1/2 Umlaufzeit), dann 'Mittenachtssonne' für ebenfalls 42 Jahre. Die starken Winde dieses Gas-Planeten dürften jedoch den Unterschied zumindest teilweise ausgleichen.
Präzession ■ Die Richtung der Erdachse zeigt derzeit (!) zum Polarstern. Diese Richtung ändert sich allerdings über längere Zeiträume. Im Laufe von ca. 26000 Jahren beschreibt die Erdachse eine Kreisel-Bewegung. Diese Bewegung (Präzession) wurde bereits in der Antike durch Hipparchos entdeckt und berechnet ! ■ Die Neigung der Erdachse zur Bahn-Ebene beträgt derzeit 23.43°. Sie pendelt mit einer Periode von ca. 40000 Jahren zwischen 21.1° und 24.3° und nimmt derzeit um 0.00013° pro Jahr ab. ■ Der Präzession überlagert ist die Nutation, eine vergleichsweise sehr geringe Schwingung mit ca. 18 Jahren Periode, welche durch den Mond hervorgerufen wird.	■ In der Antike lag der Polarstern erheblich von der Nord-Richtung entfernt. In 9000 Jahren wird der helle Stern Vega genau im Norden liegen. Während lange andauernder Hochkulturen wie z.B. der ägyptischen, hat sich dei Position der Sterne (z.B. der für Ägypten wichtige Sirius) am Himmel erheblich geändert. ■ Die Sonne steht je nach Jahreszeit in einem bestimmten Winkel zur Erde ('in einem bestimmten Sternbild'). Daher sind nachts je nach Jahreszeit andere Sterne sichtbar. Es gibt Winter-Sternbilder (z.B. Orion) und Sommer-Sternbilder (z.B. Krebs). Nach genau einem Jahr wiederholen sich wieder die gleichen Sternbilder (Tierkreis, Zodiak) Die Präzession der Erdachse bewirkt eine langsame scheinbare Kreisbewegung der Sternbilder: Sie haben sich seit der Antike um fast 30° oder 1 Monat verschoben.
Lange Zeiträume • Über Zeiträume von Jahrtausenden ändern sich viele astronomische Beobachtungen bereits deutlich. Die ägyptische Kultur hat bisher als einzige lange genug bestanden, um diese Änderungen zu bemerken. • Über Millionen von Jahren ändern sich die meisten astronomischen Daten des Sonnensystems bereits erheblich, und damit auch die Tageslänge und die Jahreszeiten auf allen Planeten.	Große Entfernung Bei der Kommunikation mit Raumfahrzeugen wird die Laufzeit der Funksignale (Lichtgeschwindigkeit) bereits deutlich. Sie beträgt für Erde-Mond ca. 1.3 Sekunden, für Erde-Mars 4-21 Minuten, zum Saturn 1.5 Stunden und zum Pluto ca. 5.5 Stunden (jeweils in eine Richtung). An der Grenze des Sonnensystems verlieren die Begriffe der Zeitmessung ihre praktische Bedeutung und werden zu rein rechnerischen Größen.
Exotische Orte An Orten mit extremen Bedingungen, wie z.B. in der Nähe von Neutronensternen oder Schwarzen Löchern wird vermutlich auch die derzeitige physikalische Definition der Zeit unscharf.	Hohe Gravitation und relativistische Effekte verändern die meisten der unter irdischen Bedingungen messbaren Effekte. Beim Absturz in ein Schwarzes Loch braucht man allerdings keinen Kalender mehr.

Die Texte dieses Kapitels werden überarbeitet und aufgeteilt.

■ Anlass zur Verwirrung gibt die Tatsache, dass sich BeobachterInnen auf der Erdoberfläche nicht nur um die Erdachse, sondern einmal jährlich auch um die Sonne bewegen. Dadurch ergibt sich eine "unbemerkte" Umdrehung pro Jahr.
Für BeobachterInnen ausserhalb des Sonnensystems (Sternzeit) erscheint

1 Erdumlauf um die Sonne = 366.24219 Erdumdrehungen

Für BeobachterInnen auf der der Erdoberfläche (Sonnenzeit) gilt

1 Erdumlauf um die Sonne = 365.24219 Erdumdrehungen

In den entsprechenden Einheiten bedeutet das

1 Mittlerer Sonnentag = 24:03:56.55 siderische Zeit (Sternzeit)
1 Siderischer (Stern)-Tag = 23:56:04.1 Sonnenzeit.

Die Differenz ergibt im Laufe eines Jahres genau 1 Tag (1 Umdrehung).

■ Als Nullpunkt für die Berechnung von Siderischer und Sonnenzeit wird der Frühlingspunkt gewählt (Tag- und Nachtgleiche). Das ist jener Punkt, an dem Nord- und Südhalbkugel genau gleich viel Licht von der Sonne erhalten.

■ Mittlerweile ist die Genauigkeit der Zeitmessung so groß, dass man Veränderungen in der Rotations- und Umlaufzeit der Erde messen kann. Die Erde verringert ihre Rotationsgeschwindigkeit lamgsam. Daher wird die Zeit heute nicht mehr nach astronomischen sondern nach physikalischen (Cäsium-Uhren) Grundlagen bestimmt.

■ Die irregulären Abweichungen werden mit Schaltsekunden zur Mitte und/oder am Ende eines Kalenderjahres korrigiert. Die derzeit letzte Schaltsekunde wurde zur Jahreswende 2008 eingefügt.
• Schaltsekunden stellen für Computer kein Problem dar, da weltweit alle wichtigen und gut gewarteten Server mit Zeit-Normalen fast beliebig genau synchronisiert werden (→ NTP).
Wenn wegen die unkontrollierten Emissionen der Industrie die Polkappen der Erde schmelzen, kommt es zu einer Verlagerung sehr großer Massen. Das wird u.a. eine deutliche Veränderung der Erdrotation bewirken.

Links: TAI, Wikipedia

Datum & Zeit	Schnittpunkt von uralter Kultur und Informationstechnik
Kalender	Spezielle Aspekte der Informationstechnik
Astronomie
Jahr	Umlauf der Erde um die Sonne
Monat	Umlauf des Mondes um die Erde
Tag	Drehung der Erde um die eigene Achse
Sternzeit	Die Uhren der Astronomen gehen anders
Planeten	Datum & Zeit auf anderen Planeten des Sonnensystems

Astronomie

Sonne, Erde und Mond bestimmen den Kalender

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Beobachtungen

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Andere Planeten