Bei ihrem jährlichen Umlauf um die Sonne bewegt sie die Erde in einer Bahnebene, die man als Ekliptik bezeichnet. Die Erdbahn hat die Form einer Ellipse: die Entfernung zwischen Sonne und Erde ändert sich zwischen 152,1 Mio km und 147,1 Mio km. Die durch den Nord- und Südpol verlaufende Drehachse der Erde steht dabei nicht senkrecht auf der Ebene der Ekliptik, sondern ist um den Winkel e=23.5 Grad geneigt. Um diesen Winkel ist auch die Äquatorebene gegen die Ekliptik geneigt (Schiefe der Ekliptik). Während des Umlaufs um die Sonne behält die Drehachse ihre Richtung im Raum bei. Der Winkel d (Deklination der Sonne) gibt den Winkel an, den der Sonnenstrahl zum Erdmittelpunkt mit der Äquatorebene einschließt. er ändert sich zwischen -23,5° am 21. Dezember und +23,5° am 21. Juni.

Wegen der Schrägstellung der Erdachse sind am 21. Juni der Nordpol und die Nordhalbkugel mehr der Sonne zugeneigt: dort ist Sommer. Am 21. Dezember sind der Südpol der Erde und ihre südliche Halbkugel zur Sonne geneigt: jetzt ist dort Sommer und bei uns Winter.

Die Schiefe der Ekliptik und ihr Wert von 23,5° legen auf der Erdkugel vier besondere Breitenkreise fest, die auf der Weltkarte als Parallelen zum Äquator erscheinen:
Die blauen Linien in der Karte markieren den nördlichen Polarkreis (geografische Breite 66,5° Nord =90° - 23,5°) und den südlichen Polarkreis (geografische Breite 66,5° Süd). Die roten Linien stellen den nördlichen Wendekreis der Sonne (23,5 ° Nord, Wendekreis des Krebses) und ihren südlichen Wendekreis (23,5 ° Süd, Wendekreis des Steinbocks) dar.

Orte, die zwischen Polarkreis und Pol liegen, also zwischen 66,5° und 90° nördlicher oder südlicher Breite, haben zu bestimmten Zeiten des Jahres "Polartag" und "Polarnacht": bei z.B. 70° nördlicher Breite geht die Sonne von Mitte Mai und Ende Juli nicht unter, und bei 70° südlicher Breite geht sie in dieser Zeit nicht auf.

Eine gerade Linie, von der Sonne zum Mittelpunkt der Erde gezogen, durchstößt deren Oberfläche in einem Punkt, den man den Bildpunkt der Sonne nennt. Ein Beobachter, der sich dort befindet, sieht die Sonne genau senkrecht über seinem Kopf (im Zenit). Der Bildpunkt befindet sich je nach Jahreszeit zwischen dem nördlichen und südlichen Wendekreis und bewegt sich im Tageslauf parallel zum Äquator. Am 21. Juni liegt der Bildpunkt genau auf dem nördlichen Wendekreis, am 21. Dezember auf dem südlichen Wendekreis. Die geographische Breite des Bildpunktes stimmt mit dem Deklinationswinkel (s.o.) der Sonne überein. Ein Film zeigt den Ablauf eines Tages.

Die Bildfolge zeigt den Ablauf eines Jahres in monatlichen Abständen:

Je nach Datum und Ort auf der Erde ergeben sich einige Besonderheiten für den Sonnenstand.

21. Dezember

21. März

21. Juni

23. September

Die Zeitgleichung

21. Dezember:

Am 21. Dezember (Beginn des Winters für die Nordhalbkugel) befindet sich der Bildpunkt der Sonne auf dem südlichen Wendekreis. Für alle Orte dieser Linie steht die Sonne mittags genau senkrecht (im Zenit, Höhenwinkel 90 °). An diesem Tag ist es für alle Orte nördlich des nördlichen Polarkreises (Breitengrad größer als 66,5 °) immer dunkel. Die Sonne geht dort nicht auf (Polarnacht).
Beispiel: 70 ° Nord, 0 ° Ost: nur mittags steigt die Sonne bis knapp unter den Horizont auf.

Für alle Orte südlich des südlichen Polarkreises bleibt es den ganzen Tag hell: die Sonne geht nicht unter (Polartag).
Beispiel: 70 ° Süd, 0 ° Ost:

Am kürzesten Tag des Jahres geht in Berlin die Sonne um 8:15 Uhr auf und um 15:54 Uhr unter. Der Höhenwinkel der Sonne erreicht mittags nur 14,1°.

21. März:

Der Bildpunkt der Sonne läuft an diesem Tag genau den Äquator entlang.

 

Am Nord- und Südpol bewegt sich die Sonne am Horizont entlang. An allen anderen Orten der Erde dauern Tag- und Nacht jeweils 12 Stunden (Frühjahrs-Tagundnachtgleiche). Die Sonne geht gegen 6:00 Uhr Ortszeit auf und gegen 18:00 Ortszeit unter.

21. Juni:

Am 21. Juni beginnt für die Nordhalbkugel der Sommer (Sommersonnenwende). Der Bildpunkt der Sonne bewegt sich auf dem nördlichen Wendekreis.

Der längste Tag des Jahres beginnt in Berlin um 4:43 Uhr und endet um 21:34 Uhr. Der Höhenwinkel der Sonne erreicht mittags 60,9° und nachts -14,1° (die astronomische Dämmerung wird nicht erreicht, Hinweise Dämmerung).

Für alle Orte auf dem nördlichen Wendekreis bewegt sich die Sonne mittags genau senkrecht durch den Zenit. Der Kompasswinkel schlägt dabei schnell von 90° (Osten) nach 270° (Westen) um.

23. September:

Der Bildpunkt der Sonne läuft wie am 21. März den Äquator entlang. Am Nord- und Südpol bewegt sich die Sonne am Horizont entlang. Überall sonst auf der Erde dauern Tag- und Nacht jeweils 12 Stunden (Herbst-Tagundnachtgleiche). Die Sonne geht gegen 6:00 Uhr Ortszeit auf und gegen 18:00 Ortszeit unter.

Das Diagramm unten zeigt für Berlin Sonnenauf- und -untergang und die Dämmerungen. Die Zahlen geben die Tageslichtstunden an (503 Stunden im Juni, nur 240 Stunden im Dezember). Hinweise Dämmerung

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Berlin: 51,51° ("gemäßigte" Breite):

Für einen Ort 70° nördlicher Breite geht die Sonne zwischen Ende November und Mitte Januar nicht auf (Polarnacht), zwischen Mitte Mai und Ende Juli geht sie nicht unter (Polartag). Am Nordpol dauern Polartag und Polarnacht jeweils ungefähr ein halbes Jahr.

 

Für einen Ort 70° südlicher Breite geht die Sonne zwischen Ende Mai und Mitte Juli nicht auf (Polarnacht), zwischen Mitte November und Ende Januar geht sie nicht unter (Polartag). Am Südpol dauern Polartag und Polarnacht jeweils ungefähr ein halbes Jahr.

Sonnenhöhe für Berlin im Laufe eines Jahres für die Stunden zwischen 0:00 und 12:00 Uhr:

Sonnenhöhe für 70° Nord im Laufe eines Jahres für die Stunden zwischen 0:00 und 12:00 Uhr:

Sonnenhöhe für 70° Süd im Laufe eines Jahres für die Stunden zwischen 0:00 und 12:00 Uhr:

Sonnenhöhe am Nordpol:
Während des Polartages, der vom 21. März bis zum 23. Sept. dauert, ändert die Sonne ihre Höhe während 24 Stunden kaum:

Sonnenhöhe am Äquator:

 

Da die Erdachse geneigt ist und da sich die Erde auf ihrer Ellipsenbahn nicht mit gleichmäßiger Umlaufgeschwindigkeit bewegt, ändert sich der Zeitabstand zwischen dem Höchststand der Sonne (Kulmination) an einem Tag bis zum Höchststand am folgenden Tag im Laufe eines Jahres. Unsere Zeitrechnung beruht aber auf einer (gedachten) gleichmäßig auf einer Kreisbahn umlaufenden Erde.

Die Differenz zwischen der Sonnenzeit und der mittleren Zeit wird als Zeitgleichung bezeichnet:

Die Zeitgleichung hat ihre Extremwerte von etwa +16 ¹/₂ Minuten am 4.11. und -14 ¹/₄ Minuten am 12.2. Eine Sonnenuhr geht um die Werte der Zeitgleichung falsch, wenn diese nicht in geeigneter Weise berücksichtigt wird.

Für eine feste Uhrzeit (z.B. 12 Uhr) beschreibt die Sonne im Laufe des Jahres eine Figur, die einer "8" gleicht uns als Analemma bezeichnet wird (siehe auch "Sonnenuhr"):

Bei einer östlichen Abweichung von der gedachten Mittellinie geht eine Sonnenuhr nach und bei einer Abweichung nach Westen vor.

Die Zeitgleichung wird vom Applet "Erde und Sonne" im Fenster "Java-Nachrichten" (Menü "Ansicht") des Browsers ausgegeben, wenn die entsprechende Option in den Voreinstellungen des Browsers aktiviert ist (Menü "Extras": "Internetoptionen").

Links:

Applet "Tageslicht-Stunden" (J. Giesen): http://www.jgiesen.de/daylight/

Applet "Jahreszeiten" (J. Giesen): http://www.jgiesen.de/seasons/