Die Bahnen von Sonne und Mond über unseren Himmel sind in mancher Hinsicht ähnlich, aber es gibt auch mehrere Unterschiede. Die Mondbahn ist deutlich komplizierter, hat aber deswegen auch interessantere Besonderheiten, die sich gut beobachten lassen und die schon in frühgeschichtlichen Zeiten von unseren Vorfahren aufmerksam verfolgt wurden.
In den gemäßigten und den tropischen Breiten der Erde beobachten wir, dass Sonne und Mond in (grob) östlicher Richtung aufgehen, bis zur oberen Kulmination (Höchststand) aufsteigen und in westlicher Richtung untergehen. In den Polarregionen gibt es phasenweise das Phänomen, dass die Sonne bzw. der Mond bei der oberen Kulmination unter dem Horizont oder bei der unteren Kulmination (Tiefststand) über dem Horizont stehen (bei der Sonne bedeutet das, dass sie ganztägig unsichtbar oder ganztägig sichtbar ist). Die Kulminationen beider Himmelskörper unterliegen einer (mehr oder weniger) regelmäßigen Schwankung, was ihre Höhe über oder unter dem Horizont betrifft. Hier treffen wir auf den ersten Unterschied. Die Schwankung in der Kulminationshöhe der Sonne hat einen Jahresrhythmus; zu Sommeranfang steht die Sonne am höchsten und zu Winteranfang am tiefsten. Die Kulminationshöhe des Mondes dagegen schwankt in einem (ungefähr) monatlichen Rhythmus.
Das Thema dieser Seite "Große Mondwende" hat mit einem zweiten Unterschied zwischen Sonne und Mond zu tun. Die Mondbahn verläuft nämlich nicht konstant im selben Winkel zum Äquator, sondern dieser Winkel hat ebenfalls eine periodische Schwankung. Dies führt dazu, dass die höchste und die niedrigste obere Kulmination innerhalb eines Mondumlaufs um die Erde mal mehr und mal weniger weit auseinander liegen (wogegen diese Differenz bei der Sonne weitgehend gleichmäßig bei etwa \(~46,9°\) innerhalb eines Jahres liegt).
Diese Problemseite wird sich vorwiegend damit beschäftigen, wann und von welchen Punkten der Erde der Mond zu sehen ist. Dabei kommt ein dritter Unterschied zur Sonne ins Spiel. Da die Sonne groß und weit entfernt ist, beleuchtet sie immer fast genau eine Hälfte der Erde. Der Mond dagegen ist klein und nahe und beleuchtet nennenswert weniger als eine Hälfte der Erde.
Im Folgenden werden geomathematische Grundkenntnisse nicht vorausgesetzt, da alles Wesentliche, das für die Bearbeitung der Aufgaben erforderlich ist, erläutert wird. Dennoch erleichtert es das Verständnis, wenn man mit den Grundbegriffen bereits vertraut ist. Die Literaturverweise (Links) am Ende der Seite können dabei helfen.
Die Mondbahn aus Sicht eines irdischen Beobachters : Die wichtigsten Zahlen
Der Mond umläuft die Erde auf einer elliptischen Bahn, hat also keinen konstanten Abstand zur Erde. Da die Schwankung im Abstand keinen bedeutsamen Einfluss auf unsere Problemstellung haben wird, rechnen wir mit dem mittleren Abstand \(~a~\):
\(a \approx 385.000~\text{km}\)
Der Radius des Mondes wird hier vernachlässigt, und wir meinen die Mitte der Mondscheibe, wenn wir von "Sichtbarkeit" sprechen. Den Radius der Erde \(~r~\) werden wir für unsere Berechnungen benötigen, wobei die Polabplattung unberücksichtigt bleibt:
\(r\approx 6.371~\text{km}\)
Für den Standort des Beobachters benötigen wir nur seine geographische Breite φ :
φ\(~\in [-90°,~90°]\)
Die Mondbahn ist gegenüber der Äquatorebene abgewinkelt, und zwar im Mittel um ca. \(~23,45°\); die Mondbahn liegt also im Mittel in der Ekliptik (Bahnebene der Erde um die Sonne), siehe Bild 1.
Bild 1 Erde mit Äquator und Umlaufbahn des Mondes — nicht maßstäblich
Zu jedem Zeitpunkt steht der Mond über einem Punkt der Erde senkrecht; dessen geographische Breite ist die Deklination des Mondes \(~\delta~\). In Bild 2a ist \(~\delta=0°~\), d.h. der Mond (kleiner orangener Punkt) steht über dem Äquator senkrecht. Da der Mond nur den gelben Anteil bescheint, also weniger als die Hälfte der Erde, sieht man den Mond nur in den Breiten φ\(~\in [-90°+\epsilon,~90°-\epsilon]~\). Bild 2b zeigt Deklinationen \(~\delta\gt 0°~\) und \(~\delta\lt 0°~\). — Für die Ermittlung von \(\delta~\) zu einem gegebenen Zeitpunkt kann man ein astronomisches Jahrbuch heranziehen, das in der Regel einen Wert pro Tag angibt. Dort erkennt man gut, wie sehr sich \(~\delta~\) von einem Tag zum nächsten ändert – dies sollte weiter unten bei den Aufgaben beachtet werden.
Bild 2a Nicht maßstäblich
Bild 2b Nicht maßstäblich
Zu den Bildern 1, 2a und 2b ist noch anzumerken, dass während des (annähernd) monatlichen Umlaufs des Mondes sich die Erde täglich um ihre Achse dreht.
Die Deklination ändert sich periodisch (eine Periode entspricht einem Mondumlauf um die Erde) zwischen \(~-\delta_{max}~\) und \(~\delta_{max}~\) – überstreicht also in einem Umlauf einen Winkelbereich von \(~4~\delta_{max}\) . Wie schon erwähnt, ist \(~\delta_{max}~\) im Mittel gleich \(~23,45°\); dies ist auch der konstante Wert für die maximale Deklination der Sonne. Aber die Mondbahnebene (siehe Bild 1) verändert ihren Winkel zur Äquatorebene der Erde um ca. \(~\pm 5,15°~\) in einer Periode von ca. \(18,61\) Jahren. Man beachte, dass \(~\delta_{max}~\) nur in relativ kurzen Zeiträumen (einige Monate) einigermaßen gleich bleibt, da sich \(~\delta_{max}~\) pro Jahr im Durchschnitt um ca. \(~1,1°~\) verändert.
\(\delta_{max} \in [~18,3°,~28,6°]\)
Kurz vor der Veröffentlichung dieser Problemseite hat \(~\delta_{max}~\) den größten Wert von ca. \(~28,6°\) erreicht. Dies nennt man eine Große Mondwende. Beim kleinsten Wert \(~\delta_{max} =18,3°~\) findet eine Kleine Mondwende statt, das nächste Mal im Jahr 2034.
Die genannten Bahndaten erlauben – falls keine hohe Genauigkeit verlangt wird – eine Modellierung von \(~\delta~\) durch zwei Cosinus-Schwingungen: \[\delta \approx \left(23,45°+5,15°\cdot\text{cos}~\frac{2 \pi\cdot x}{6798,4}\right) \cdot \text{cos}~\frac{2 \pi \cdot x}{27,3217}\] Der rechte Cosinus-Term beschreibt den periodischen Verlauf der Deklination mit einem siderischen Monat als Periodenlänge. Der Klammerausdruck steht für die Amplitude \(~\delta_{max~}\), die ihrerseits periodisch um den Wert \(~23,45°\) schwingt, mit einer Periodenlänge von ca. \(18,61~\) Jahren. \(~x~\) ist eine Datumsangabe in Tagen, wobei \(~x=0~\) für einen Zeitpunkt steht, an dem \(~\delta~\) den größtmöglichen Wert (ca. \(28,6°~\)) annimmt. Diese Modellierung gibt ein brauchbares Bild von der Änderung von \(~\delta~\) im zeitlichen Verlauf (siehe Bild 2c für einen Ausschnitt aus einer Periode), berücksichtigt aber nicht die zahlreichen kleinen Bahnstörungen des Mondes (auch die vier Zahlenwerte in der Formel sind nicht konstant, sondern unterliegen kleinen periodischen Schwankungen oder langfristigen Trends).
Bild 2c Deklination des Mondes - waagerechte Achse: Tage, senkrechte Achse: \(~\delta\)
Bemerkungen
1. Der Monat hat seine etymologische Wurzel zwar im Mond, aber der Umlauf des Mondes um die Erde passt nicht exakt zum heutigen kalendarischen Monat. Die Zeit zwischen zwei Vollmonden beträgt ca. \(~29,5\) Tage (synodischer Monat) und die Zeit zwischen zwei maximalen oberen Kulminationen, d.h. mit einer Deklination von \(~\delta_{max}~\), beträgt ca. \(~27,3\) Tage (siderischer Monat). Der Unterschied erklärt sich daraus, dass sich nach einem Vollmond und einem anschließenden vollständigen Mondumlauf die Erde ein Stück auf ihrer Bahn um die Sonne weiterbewegt hat, und der Mond noch nicht wieder in einer Linie mit Erde und Sonne steht und deshalb noch nicht ganz voll ist. — Wenn man jeden Tag die obere Kulmination des Mondes misst, erkennt man gut die Abfolge der siderischen Monate; dies war schon in frühgeschichtlichen Kulturen bekannt.
2. Es gibt eine ganze Reihe interessanter Fragestellungen, die den Mond betreffen, die aber hier nicht behandelt werden. Unterschiede zum Sonnenlauf gibt es nämlich noch mehr als bisher erwähnt wurden: Auf- und Untergänge des Monds können zu jeder Zeit des Tages und der Nacht stattfinden, außerdem zeigt der Mond Phasen — diese Phänomene kommen auf dieser Problemseite nicht vor.
3. Die Zahlenangaben im vorigen Abschnitt sind nur gerundet, aber vor allem unterliegen sie langfristigen Schwankungen. Falls man das ganz genau wissen möchte, kann man die Literaturverweise am Ende dieser Seite zu Rate ziehen.
4. Die folgenden Aufgaben sollen für ein mathematisches Erde-Mond-Modell gelöst werden, das von vereinfachenden Annahmen ausgeht. Die Polabplattung der Erde und die Refraktion durch die Atmosphäre werden nicht berücksichtigt, und die Sichtbarkeit des Mondes wird auf seinen Mittelpunkt reduziert. Dadurch ergibt sich eine leichte Verzerrung der Ergebnisse gegenüber den tatsächlich zu beobachtenden Phänomenen. — Bei den Lösungen der Aufgaben ist auch zu beachten, dass sich die Monddeklination viel schneller verändert als die der Sonne: Das gesamte Intervall \(~[-\delta_{max},~\delta_{max}]~\) wird von \(~\delta~\) in knapp zwei Wochen durchlaufen.
Aufgabe 1
Wie groß ist der Winkel \(~\epsilon ~\) in Bild 2a ?
Welcher prozentuale Anteil der Erde wird vom Mond beleuchtet ? Zur Erinnerung: Relevant ist hier immer nur der Mittelpunkt der Mondscheibe.
Aufgabe 2
Eine Änderung der Deklination \(~\delta~\) bewirkt, dass die Berührpunkte der Kreistangenten in den Bildern 2a und 2b die gleiche Winkeländerung erfahren. Warum ist das so ?
D.h. Deklination \(~\delta~\) und Sichtbarkeitsgrenze φ laufen "parallel". Aber Vorsicht: φ kann dabei \(~\pm 90°~\) überschreiten und ist dann durch \(~\pm 180°-\) φ zu ersetzen.
Aufgabe 3
Auf welchen Breitengraden liegen die Tangenten-Berührpunkte in den Bildern 2a und 2b ? Was folgt daraus für die Extremalwerte \(~\delta = \pm~\delta_{max}~\)?
Aufgabe 4
Für feste Deklination \(~\delta ~\): Auf welchen Breitengraden φ
– geht der Mond auf und unter ?
– bleibt der Mond bei der oberen Kulmination unter dem Horizont (geht also nicht auf) ?
– steht der Mond bei seiner unteren Kulmination über dem Horizont (geht also nicht unter) ?
Wie erscheint der Mond den Beobachtern an den Grenzen dieser drei Zonen ?
Führen Sie eine Beispielrechnung für \(~\delta=0° ~\) und \(~\delta=\delta_{max}=28,6° ~\)(Mitte 2025) durch.
Aufgabe 5
Für feste Breite φ wird ein vollständiger Mondumlauf betrachtet, also ein siderischer Monat: Bei welchen Deklinationen \(~\delta~\)
– geht der Mond auf und unter ?
– bleibt der Mond bei der oberen Kulmination unter dem Horizont ?
– steht der Mond bei seiner unteren Kulmination über dem Horizont ?
Wie erscheint der Mond den Beobachtern an den Grenzen dieser drei Zonen ?
Führen Sie eine Beispielrechnung für \(~\delta_{max}=28,6° ~\)(Mitte 2025) und φ \(=50° ~\) bzw. φ \(=62,3° ~\) bzw. φ \(=70° ~\) durch.
Aufgabe 6
Warum gibt es für das Mondlicht keinen eindeutigen Polarkreis auf der Erde, sondern nur einen "Polarstreifen", der dazu noch "wandert"?
Aufgabe 7
Nun könnte es einen interessanten Vergleich zu anderen Monden (siehe kleine Liste am Ende der Aufgabe) in unserem Sonnensystem geben. Es stellt sich aber heraus, dass das ziemlich langweilig ist.
Der Grund dafür ist, dass unser Mond sich ganz anders verhält als die Monde unserer Nachbarplaneten. Denn diese laufen fast exakt in der Äquatorebene um ihren Planeten und nicht in der Ekliptik. Unser Mond verhält sich in dieser Hinsicht also eher wie ein Planet und hat in der Gesellschaft der Monde eine ausgeprägte Sonderstellung.
Beobachter auf anderen Planeten sehen ihre Monde regelmäßig auf- und untergehen, und die oberen Deklinationen finden immer auf \(~90°\) – φ statt, von sehr kleinen Abweichungen abgesehen. Die Fragestellungen in den Aufgaben 3 bis 6 bieten sich also für die fremden Monde nicht an. Andererseits gibt es unaufhörlich Sonnen- oder Mondfinsternisse, viel mehr als auf der Erde.
Bemerkenswert ist das Phänomen, dass auf den Polen der Nachbarplaneten die Monde nie beobachtet werden können. Wie weit die Region um einen Pol reicht, in der man einen bestimmten Mond nicht (also nie) sehen kann, lässt sich mit dem Winkel \(~\epsilon~\) aus Aufgabe 1 berechnen. Man muss dazu lediglich den Radius des Mutterplaneten und den Abstand der Mittelpunkte von Planet und Mond nachschlagen.
In welchen Regionen des Planeten ist der jeweilige Mond (siehe folgende Liste) unsichtbar? Berechnen Sie dazu \(~\epsilon~\) und den %-Wert für die Kugelkappe wie in Aufgabe 1:
Marsmonde Phobos und Deimos
Die vier Galileischen Jupitermonde
Saturnmond Titan
Die Lösung erscheint Ende Juni.
Weblinks
Prähistorische Astronomie mit Erläuterung zu den Mondwenden
Wikipedia : Bahngestalt Bahnperiode Mondbahn
Mondphasenkalender mit tagesgenauer Deklination
Kategorie: Geomathematik