Читать книгу: «Dimensionen des Weltalls», страница 4

Шрифт:

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.