Wie ist das mit den Jahreszeiten?

Warum beginnen sie an einem bestimmten Tag?

Alexander Pikhard

Unsere Jahreszeiten sind ein sehr gutes Beispiel für eine Wechselwirkung zwischen Erde und dem Lauf der Gestirne - genau genommen dem Lauf der Erde um die Sonne. Keine Frage, die Sonne ist der wichtigste Einflußfaktor auf das Klima der Erde. Wie lange sie auf die Oberfläche der Erde einstrahlt und aus welchem Winkel bestimmt, wie stark die Tageserwärmung wird. Es gilt: Je kürzer die Tageserwärmung, desto niedriger wird die Temperatur im Tagesschnitt, je flacher die Sonneneinstrahlung, desto geringer ist die Energieausbeute bei der Tageserwärmung.

Dass die Temperatur im Lauf eines Tages starken Schwankungen unterworfen ist, dafür sorgt die Erdrotation.

Die Erde dreht sich um ihre Achse

In Bezug auf den Sternenhimmel dreht sich die Erde einmal in 23 Stunden, 56 Minuten und 4 Sekunden um ihre eigene Achse (wir nennen das einen Sterntag). Diese Zeit kommt zustande, weil wir definiert haben, dass sich die Erde in Bezug auf die Sonne einmal in genau 24 Stunden um ihre Achse dreht (ein Sonnentag).

Während des Tages steigt die Temperatur, da die Erdoberfläche die von der Sonne absorbierte Energie abstrahlt (die Sonne kann die Luft nicht direkt erwärmen, da diese durchlässig für die Sonnenstrahlung ist). Während der Nacht kühlt die Erdoberfläche wieder ab.

Die Erde umkreist die Sonne einmal in 365,24219052 Tagen = 365 Tage, 5 Stunden, 48 Minuten, 45,261 Sekunden. Wir nennen diesen sehr "unrunden" Wert ein mittleres tropisches Jahr.

Die Erde umkreist die Sonne, ihre Achse ist gegen die Bahn geneigt

Da die Erde die Sonne in keiner ganzen Anzahl von Tagen umkreist, wurden die Schaltregeln im Kalender geschaffen. Mit Hilfe von Schaltjahren wird das mittlere tropische Jahr von unserem Kalender so gut wie möglich angenähert, so dass nach einem Kalenderjahr die Erde wieder fast genau an der gleichen Stelle ihrer Bahn steht.

Jedes durch vier teilbare Jahr ist ein Schaltjahr mit 366 Tagen Länge. Dies allein ergäbe eine mittlere Jahreslänge von 365,25 Tagen und einen Fehler von einem Tag in 128 Jahren gegenüber dem mittleren tropischen Jahr.
Zusätzlich ist jedes durch 100 teilbare Jahr nur dann ein Schaltjahr, wenn es auch durch 400 teilbar ist (1900 ist kein Schaltjahr, 2000 schon, 2100 wieder kein Schaltjahr, etc.). Dies ergibt eine mittlere Jahreslänge von 365,2425 Tagen und einen Fehler von einem Tag in 3231 Jahren gegenüber dem mittleren tropischen Jahr.

Für die Entwicklung der Temperatur im Lauf eines Jahres ist ein Umstand ganz wichtig: Die Erdachse, um die sich die Erde einmal in einem Tag dreht, steht nicht senkrecht zur Bahn der Erde um die Sonne, sondern ist zu ihr um einen Winkel von 66,5° geneigt. Dies bewirkt, dass die Sonne im Lauf eines Jahres nicht gleichmäßig auf die Erdoberfläche einstrahlt. Es entstehen die Jahreszeiten.

Die Entstehung der Jahreszeiten aus astronomischer Sicht

In Bezug auf die Erdachse, die ja auch die Orientierung auf der Erde nach Norden und Süden festlegt, steigt und fällt die Sonne im Lauf eines Jahres. Dabei gibt es vier markante Punkte:

Das Steigen der Sonne hört auf und wendet sich in ein Fallen. Wir sprechen von der Sommersonnenwende.
Die fallende Sonne steht genau in der Ebene des Äquators. Wir sprechen von der Herbst-Tag-und-Nacht-Gleiche.
Das Fallen der Sonne hört auf und wendet sich in ein Steigen. Wir sprechen von der Wintersonnenwende.
Die steigende Sonne steht genau in der Ebene des Äquators. Wir sprechen von der Frühlings-Tag-und-Nacht-Gleiche.

Die vier markanten Punkte markieren auch den astronomischen Beginn der Jahreszeiten:

Der Frühling beginnt mit der Frühlings-Tag-und-Nacht-Gleiche
Der Sommer beginnt mit der Sommensonnenwende
Der Herbst beginnt mit der Herbst-Tag-und-Nacht-Gleiche
Der Winter beginnt mit der Wintersonnenwende

Daraus ergeben sich folgende interessante Aspekte:

Im Sommer fällt die Sonne; erst langsam, dann rasch.
Im Herbst fällt die Sonne weiter, erst rasch, dann langsam.
Im Winter steigt die Sonne, erst langsam, dann rasch.
Im Frühling steigt die Sonne, erst rasch, dann langsam.

Und weiter

Im Frühling und Sommer ist die Nordhalbkugel der Erde der Sonne zugewandt; die Tage sind länger als die Nächte.
Im Herbst und Winter ist die Südhalbkugel der Erde der Sonne zugewandt; auf der Nordhalbkugel sind die Tage kürzer als die Nächte.
Um die Wintersonnenwende ist der Einstrahlungswinkel der Sonne auf die Nordhalbkugel am geringsten.
Um die Sommersonnenwende ist der Einstrahlungswinkel der Sonne auf die Nordhalbkugel am größten.

Da die unterschiedliche Entfernung der Erde von der Sonne keine nennenwerten klimatischen Auswirkungen hat (die Erde steht der Sonne Anfang Jänner am nächsten und Anfang Juli am fernsten), ergeben sich die klimatischen Jahreszeiten ausschließlich aus diesen astronomischen Bedingungen.

Die Jahreszeiten machen sich nur in gemäßigten und hohen Breiten bemerkbar, während sie in den Tropen in dieser Form nicht in Erscheinung treten.
Die Jahreszeiten entstehen auf der Südhalbkugel der Erde auf genau gleiche Weise, aber im Kalender um ein halbes Jahr verschoben. Sommer auf der Nordhalbkugel ist Winter auf der Südhalbkugel usw.

Die Ereignisse, die den Beginn der vier Jahreszeiten markieren, können astronomisch auf die Sekunde genau bestimmt werden (und genauer). Da unser Kalender das mittlere tropische Jahr nur annähert, schwankt der Beginn der Jahreszeiten im Kalender etwas (aus Wikipedia, übersetzt aus Jean Meeus, Astronomical Tabels of the Sun, Moon and Planets, p. 100):

Gegenwärtig fällt der Frühlingsanfang in der Mitteleuropäischen Zeitzone auf den 20. oder 21. März. Im Jahr 2011 fand er zum letzten Mal in diesem Jahrhundert am 21. März statt und von da an zunächst immer am 20. März. Im Jahr 2048 wird er erstmals und dann immer öfter auf den 19. März fallen. Gegen Ende des Jahrhunderts werden 19. und 20. März etwa gleich häufig vorkommen. Wegen des im Jahre 2100 ausfallenden Schalttages wird der Frühlingsanfang zu Beginn des 22. Jahrhunderts wieder zwischen dem 20. und 21. März pendeln.

Gegenwärtig findet der Sommeranfang in der Mitteleuropäischen Zeitzone (Sommerzeit) stets am 21. Juni statt. Im Jahr 2016 wird er erstmals und dann immer öfter auf den 20. Juni fallen. Gegen Ende des Jahrhunderts wird der 20. häufiger vorkommen als der 21. Der im Jahre 2100 ausfallende Schalttag verschiebt den Sommeranfang für einige Zeit wieder auf den 21. Juni.

Gegenwärtig trifft der Herbstanfang in der Mitteleuropäischen Zeitzone (Sommerzeit) etwa gleich häufig auf den 22. oder 23. September. Künftig wird der 22. zunehmend häufig vorkommen; im Jahr 2067 wird der 23. zum letzten Mal auftreten (vorausgesetzt, dass es in jenen Jahren noch eine Sommerzeit gibt, sonst im Jahr 2063). Die Jahrhundertschaltregel schiebt dann den Herbstanfang wieder auf den 22. und 23. September.

Gegenwärtig beginnt der Winter etwa gleich häufig am 21. und 22. Dezember. Der 21. wird künftig häufiger werden; im Jahr 2047 wird der 22. zum letzten Mal in diesem Jahrhundert auftreten. Im Jahr 2084 wird erstmals seit 1696 der 20. Dezember Winteranfang sein. Nach dem Jahrhundertwechsel liegt der Winteranfang wieder auf dem 21. und 22. Dezember.

Beginn der Jahreszeiten in der Gegenwart, aus de.wikipedia.org, Quelle US Naval Observatory. Schaltjahre sind fett gedruckt.

Faszinierend. Aber hält sich auch das Klima daran? Die Definition der astronomischen Jahreszeiten erscheint zunächst etwas willkürlich. Werfen wir daher einen Blick auf die Klimastatistik für Wien:

Es passt nicht schlecht, aber auch nicht perfekt. In der Meteorologie werden die Jahreszeiten in unseren Breiten daher etwas anders definiert:

Der meteorologische Frühling beginnt am 1. März;
der meteorologische Sommer beginnt am 1. Juni;
der meteorologische Herbst beginnt am 1. September; und
der meteorologische Winter beginnt am 1. Dezember.

Das stimmt etwas besser mit der langjährigen Klimastatistik überein:

März, April und Mai sind eine Periode steigender Durchschnittstemperatur.
Juni, Juli und August haben annähernd gleich hohe Durchschnittswerte.
September, Oktober und November ist eine Periode mit fallender Durchschnittstemperatur.
Dezember, Jänner und Februar sind Monate mit annäherd gleich niedrigen Mittelwerten.

Interessant ist in diesem Zusammenhang, dass die Niederschlagsmittel, vor allem im Sommerhalbjahr, noch genauer mit dem Sonnenstand korrelieren als die Temperaturmittel.

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