Jahreszeit

Animation von Satellitenbildern im Verlauf des Jahres 2004.

Die Jahreszeiten unterteilen das Jahr in verschiedene Perioden, die sich durch charakteristische astronomische oder klimatische Eigenschaften auszeichnen. Im alltäglichen Sprachgebrauch sind damit hauptsächlich meteorologisch deutlich voneinander unterscheidbare Jahresabschnitte gemeint; in gemäßigten Breiten sind dies Frühling, Sommer, Herbst und Winter, in den Tropen sind es Trockenzeit und Regenzeit. Die Beschreibung der Jahreszeiten bezieht sich in diesem Artikel auf die Nordhalbkugel der Erde, auf der Südhalbkugel sind sie kalendarisch um ein halbes Jahr versetzt. Sommer und Winter können je auch als Hälften eines Jahres verstanden werden, beispielsweise als das Nordsommerhalbjahr beziehungsweise das Südwinterhalbjahr.

Allgemeines

Im Laufe eines Jahres, also während eines ganzen Laufes um die Sonne, wird zum einen die revoltierende Erde wegen der Exzentrizität ihrer Umlaufbahn nun aus verschiedener Entfernung angestrahlt sowie zum zweiten ein Ort auf der Oberfläche der um sich selbst rotierenden Erde infolge der Neigung von Äquatorebene zur Bahnebene um etwa 23,44° dann auch in unterschiedlicher Weise wechselnd belichtet. Für einen bestimmten geographischen Ort werden diese Umstände bemerkbar als Unterschiede in der Intensität sowie der Dauer – als Länge eines lichten Tages – und dem Winkel von Belichtung durch die Sonne.

Kurvenverlauf berechnet auf Basis der von Jones et. al. publizierten Daten[1] (Mittelwerte + Magnitude).

Die Abbildung zeigt die von Jones et al. publizierte Grafik.[1]

Während der Zeit zwischen den Tag-und-Nacht-Gleichen im März und September ist die Nordhalbkugel stärker der Sonne zugeneigt, so dass die Sonne für einen dort befindlichen Beobachter einen hohen Bogen durchläuft. Bei hochstehender Sonne trifft die Sonnenstrahlung steil auf die Erdoberfläche und liefert so einen relativ hohen Energieeintrag pro Fläche. Weiterhin liegt der größere Teil der täglich durchlaufenen scheinbaren Sonnenbahn um die Erde als Tagesbogen oberhalb des Horizonts, sodass die Tage lang sind und viel Zeit für den Energieeintrag zur Verfügung steht. Der somit erhöhte Energieeintrag bewirkt in diesem Zeitraum eine Erwärmung der nördlichen Hemisphäre.

Befindet sich die Erde ein halbes Jahr später am gegenüberliegenden Punkt ihrer Bahn, so ist die Nordhalbkugel der Sonne abgeneigt – infolge der abgesehen von Präzession und Nutation relativ raumfesten Lage der Erdachse. Für einen Beobachter auf der Nordhalbkugel ergibt sich dann eine niedrig verlaufende tägliche Sonnenbahn. Steht die Sonne tief, so trifft die Sonnenstrahlung flacher auf die Erdoberfläche, so dass sie sich auf eine größere Fläche verteilt und weniger Energie einträgt. Außerdem liegt nur der kleinere Teil der täglichen Sonnenbahn oberhalb des Horizonts, so dass der Energieeintrag nur für eine kurze Zeitspanne erfolgen kann. Die Folge ist eine Abkühlung der nördlichen Erdhalbkugel.

Wegen der thermischen Trägheit der Erde folgen Erwärmung und Abkühlung den Höchst- und Tiefstständen der Sonne mit einer Verzögerung von ein bis zwei Monaten. Die Unterschiede im Tagesbogen des Sonnenlaufes nehmen mit höherer geografischer Breite zu und haben zunehmend stärkere Auswirkungen (bis hin zur Polarnacht), zum Äquator zu werden die jahreszeitlichen Schwankungen geringer.

Auf der Südhalbkugel der Erde herrschen jeweils denen der Nordhalbkugel entgegengesetzte Jahreszeiten: Ist es im Süden Sommer, so im Norden Winter, und umgekehrt. In tropischen und subtropischen Gebieten unterscheidet man stattdessen zwischen Regen- und Trockenzeit. In den Tropen gibt es zwei Regenzeiten pro Jahr, die sich jedoch mit zunehmender geografischer Breite zu einer einzelnen, zweigipfeligen und schließlich in den Subtropen zu einer eingipfeligen Regenzeit wandeln.

Die im Jahresverlauf wegen des exzentrischen Umlaufes leicht veränderte Entfernung der Erde von der Sonne ist nicht die Ursache für die Jahreszeiten. Sie macht lediglich die Südwinter etwas strenger und die Nordwinter etwas milder als sie es bei kreisförmiger Erdbahn wären. Die Erde ist nämlich im Nordwinter an ihrem sonnennächsten Punkt (Perihel, ca. 3. Januar), während sie im Südwinter etwas weiter von der Sonne entfernt ist (Aphel, ca. 5. Juli). Stattdessen liegt der Grund für die Jahreszeiten im Winkel und der Dauer der Sonneneinstrahlung. Für Europa beträgt der Winkel im Sommer 60-65° und die Sonnenscheindauer in Mitteldeutschland (geographische Breite 50°) 16-17 Stunden, im Winter sind es hingegen 7-8 Stunden bei einem Winkel von nur 13 bis 18°.

Auf Grund kleiner Bahnstörungen durch die anderen Planeten wandert die Apsidenlinie (die Linie zwischen Aphel und Perihel) in gut 111.000 Jahren einmal rechtläufig (d. h. in der Bewegungsrichtung der Planeten) rund um die ganze Erdbahn. Auf Grund der Störungen durch die Planeten und den Mond führt außerdem die Erdachse eine Präzessionsbewegung aus, so dass die Sonnwend- und Tag-und-Nacht-Gleichenpunkte in etwa 26.000 Jahren einmal rückläufig (d. h. gegen die Bewegungsrichtung der Planeten) rund um die ganze Erdbahn wandern. Wegen dieser gegenläufigen Bewegungen läuft das Perihel in rund 21.000 Jahren einmal durch alle Jahreszeiten. In etwa zehntausend Jahren wird das Perihel mit dem Sommeranfang zusammenfallen. Die Jahreszeiten der Nordhalbkugel werden dann etwas extremer ausfallen als das heute der Fall ist. Im Gegenzug wird die Südhalbkugel im Vergleich zu heute mildere Winter und kühlere Sommer bekommen.

Astronomische Jahreszeiten

Definitionen

Astronomisch werden die Jahreszeiten nach der scheinbaren geozentrischen ekliptikalen Länge des Sonnenstandes bestimmt. Unter Berücksichtigung von Aberration und Nutation wird dafür die scheinbare jährliche Bahn der Sonne von einem hypothetischen Beobachtungsort im Erdmittelpunkt aus betrachtet und in vier Abschnitte unterteilt. Jeder der Bahnabschnitte ist durch je einen Äquinoktial-Punkt (von Tagundnachtgleiche, bei 0° bzw. bei 180°) und je einen Solstitial-Punkt (von Sonnenwende, bei 90° bzw. bei 270°) begrenzt.

Die astronomischen Jahreszeiten sind definiert als jene Zeitspannen, die während des Durchlaufens eines bestimmten der vier Abschnitte jeweils vergehen und dauern wegen der unterschiedlichen Winkelgeschwindigkeit nicht gleich lange. Aufgrund der geozentrischen, auf den Erdmittelpunkt bezogenen Definition beginnt oder endet eine astronomische Jahreszeit standortunabhängig weltweit zum selben Zeitpunkt (dem aber in verschiedenen Zeitzonen unterschiedliche Uhrzeiten entsprechen).

• Der astronomische Frühling beginnt, wenn die scheinbare geozentrische Länge der Sonne 0° beträgt. Dies ist der Zeitpunkt der Frühlings-Tag-und-Nacht-Gleiche (Primaräquinoktium). Er fällt bis auf wenige Sekunden mit dem Zeitpunkt zusammen, in dem die Sonne den Himmelsäquator von Süden nach Norden überschreitet.

• Der astronomische Sommer beginnt, wenn die scheinbare geozentrische Länge der Sonne 90° beträgt. Dies ist der Zeitpunkt der Sommer-Sonnenwende. Er fällt bis auf wenige Minuten mit dem Zeitpunkt zusammen, in dem die Sonne ihre größte nördliche Deklination und damit ihre nördlichste Stellung auf der Himmelskugel erreicht.

• Der astronomische Herbst beginnt, wenn die scheinbare geozentrische Länge der Sonne 180° beträgt. Dies ist der Zeitpunkt der Herbst-Tag-und-Nacht-Gleiche (Sekundaräquinoktium). Er fällt bis auf wenige Sekunden mit dem Zeitpunkt zusammen, in dem die Sonne den Himmelsäquator von Norden nach Süden durchschreitet.

• Der astronomische Winter beginnt, wenn die scheinbare geozentrische Länge der Sonne 270° beträgt. Dies ist der Zeitpunkt der Wintersonnenwende. Er fällt bis auf wenige Minuten mit dem Zeitpunkt zusammen, in dem die Sonne ihre größte südliche Deklination und damit ihre südlichste Stellung auf der Himmelskugel erreicht.

Die Jahreszeitenanfänge sind nicht exakt identisch mit dem Überschreiten des Himmelsäquators oder dem Erreichen der größten Deklination, weil es eigentlich der Schwerpunkt des Erde-Mond-Systems ist, der sich gleichmäßig in der „Erdbahnebene“ um die Sonne bewegt, während die Erde selbst diesen Schwerpunkt umkreist und sich in Regel etwas oberhalb oder unterhalb dieser Ebene befindet. Vom geozentrischen Beobachter aus gesehen läuft die Sonne daher nicht exakt auf der Ekliptik (sie hat eine ekliptikale Breite ungleich Null). Sie passiert deshalb zum einen nicht exakt durch Frühlings- und Herbstpunkt, zum anderen führt ihre veränderliche ekliptikale Breite dazu, dass die maximale Deklination in der Regel nicht genau an den Sonnwendpunkten angenommen wird.

Beginn der Jahreszeiten

Die Tabelle^[2] listet die astronomischen Jahreszeitenanfänge bis 2018 für die Mitteleuropäische Zeitzone auf (Schaltjahre hervorgehoben):^{[Anm. 1]}

Zwischen zwei Frühlingsanfängen liegt im Mittel ein Zeitraum von 365 Tagen 5 Stunden und 49 Minuten (siehe tropisches Jahr). Jeder Frühlingsanfang fällt daher auf eine um knapp 6 Stunden spätere Uhrzeit als der vorhergehende. Diese systematische Drift zeigt sich auch in der Tabelle beim Vergleich der Zeitangaben für aufeinanderfolgende Jahre. Abweichungen der einzelnen Zeitabstände vom Mittelwert werden durch die von anderen Planeten bewirkten Bahnstörungen sowie den bereits erwähnten Unterschied zwischen Erdmittelpunkt und Erde-Mond-Schwerpunkt verursacht.

Nach vier Jahren hat sich der Frühlingsanfang um knapp 24 Stunden zu späteren Uhrzeiten verschoben. Der julianische Kalender führte nun einen Schalttag ein (in der Tabelle: 2008, 2012, 2016), um den Frühlingsanfang wieder um 24 Stunden auf frühere Zeitpunkte zu verschieben. Da die Korrektur durch den Schalttag 24 Stunden beträgt, der Frühlingsanfang aber erst um knapp 24 Stunden verschoben ist (nämlich im Mittel um 4 · 5 h 49 m = 23 h 16 m), hat der Schalttag eine Überkompensation zur Folge, so dass der Frühlingsanfang nach einem Schaltjahrzyklus von vier Jahren im Mittel um etwa 44 Minuten zu früheren Zeitpunkten verschoben ist. Auch dies zeigt sich in der Tabelle beim Vergleich zweier Frühlingsanfänge, die um vier Jahre auseinanderliegen. Diese Überkompensation wird im gregorianischen Kalender langfristig korrigiert, indem in drei von vier Hunderterjahren der Schalttag ausfällt (das nächste Mal im Jahr 2100).

Da die Schaltregel erst eine gewisse Verschiebung des Frühlingsanfangs auflaufen lässt, bevor sie sie durch Einlegen eines Schalttages wieder korrigiert, schwankt die Uhrzeit des Frühlingsanfangs (und entsprechend die aller anderen Jahreszeitenanfänge) in einem Bereich von etwa 18 Stunden. Meist liegt eine Mitternacht in diesem Bereich, so dass der betreffende Jahreszeitenbeginn im Laufe der Jahre an zwei unterschiedlichen Kalendertagen stattfinden kann. So fällt gegenwärtig der Herbstbeginn in der Mitteleuropäischen Zeitzone auf den 22. oder 23. September. Falls der Schwankungsbereich sich nicht über eine Mitternacht hinweg erstreckt, finden die betreffenden Jahreszeitenanfänge stets am selben Kalenderdatum statt. So fällt gegenwärtig der Sommeranfang in der Mitteleuropäischen Zeitzone (aber nicht in anderen Zeitzonen) stets auf den 21. Juni.

Diese Verhältnisse bleiben aber nicht konstant, da jeder Schalttag eine Überkompensation bewirkt und sich, wie oben erwähnt, die Jahreszeitenanfänge längerfristig langsam zu früheren Kalenderzeitpunkten hin verschieben, bis diese Verschiebung durch die Schaltregel für Hunderterjahre wieder korrigiert wird:

• Während eines Großteils des 20. Jahrhunderts und der ersten Jahre des 21. Jahrhunderts fiel 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 liegt seither stets auf dem 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.^[3]

• Gegenwärtig findet der Sommeranfang in der Mitteleuropäischen Zeitzone (Sommerzeit) noch am 21. Juni statt. Im Jahr 2020 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.^[3]

• 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.^[3]

• 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.^[3]

Dauer der Jahreszeiten

Die astronomischen Jahreszeiten entsprechen jeweils bestimmten Abschnitten der Erdbahn. Da die Erdbahn leicht elliptisch ist, durchläuft die Erde diese Abschnitte mit variabler Geschwindigkeit, so dass die Jahreszeiten nicht alle gleich lang sind.

Gegenwärtig befindet sich die Erde bei Winterbeginn in der Nähe des Perihels und durchläuft daher Herbst und Winter schneller als Frühling und Sommer. Da das Perihel wegen der Bahnstörungen durch andere Planeten langsam durch die Jahreszeiten wandert, ändern sich auch die Geschwindigkeiten, mit denen die jeweiligen Jahreszeiten durchlaufen werden.

Die Tabelle zeigt die mittlere Dauer der einzelnen Jahreszeiten in Tagen:^[4]

Im Jahr 1246 fielen Perihel und Wintersonnenwende zusammen, der Winter hatte also dieselbe Länge wie der Herbst und der Sommer dieselbe Länge wie der Frühling. Seither ist der Winter die kürzeste Jahreszeit. Er wird seine geringste Länge (88,71 Tage) um das Jahr 3500 erreichen und dann wieder länger werden. Er bleibt die kürzeste Jahreszeit, bis etwa im Jahr 6430 das Perihel mit der Frühjahrs-Tag-und-Nacht-Gleiche zusammenfällt.^[4]

Präzession

Auf Grund der gravitativen Störungen durch die Planeten und den Mond führt, wie erwähnt, die Erdachse eine Präzessionsbewegung aus: ihre Neigung bleibt (im Wesentlichen) konstant; die Richtung, in die sie geneigt ist, schwenkt aber im Verlauf von etwa 26.000 Jahren einmal um 360° herum. Damit ändert sich nichts an der Abfolge der Jahreszeiten, lediglich der Bahnabschnitt, in dem die jeweilige Jahreszeit auftritt, verschiebt sich: die Sommersonnenwende beispielsweise tritt immer dann ein, wenn das nördliche Ende der Erdachse der Sonne exakt zugeneigt ist. Der Einfluss dieser Verschiebung auf Dauer und Strenge der Jahreszeiten wurde bereits erläutert.

Für einen Zeitpunkt in 13.000 Jahren wäre die Erdachse auf obiger Abbildung in allen gezeigten Positionen nach links statt nach rechts geneigt zu zeichnen. Die Erdkugel in der rechten Position hätte dann die Nordhalbkugel der Sonne zugewandt, es wäre der Zeitpunkt der Sommer- statt der Wintersonnenwende. Der Gregorianische Kalender ist so eingerichtet, dass er diese Verschiebung mitmacht: die mittlere Länge seines Kalenderjahres (365,2425 Tage) entspricht ungefähr der Länge des tropischen Jahres (365,2422 Tage), so dass das Kalenderdatum 21. März stets in der Nähe des astronomischen Frühlingsanfangs fixiert bleibt und auch die anderen Jahreszeitenanfänge entsprechend mitwandern. In jener Bahnposition wäre dann also Juni statt Dezember, wie es für einen Sommeranfang zu erwarten ist.

In der Richtung, in welche die Nachtseite dieser Erdkugel zeigt, liegen das Sternbild Orion und andere charakteristische Wintersternbilder. In 13.000 Jahren wird in diesem Bahnabschnitt Sommer herrschen, und Orion wird ein Sommersternbild sein, allerdings auf der Nordhalbkugel dann deutlich niedriger stehen.

Meteorologische Jahreszeiten

Die meteorologischen Jahreszeiten sind nach den Kalendermonaten unterteilt. In der Zeit vor Erfindung des Computers ließen sich so Statistiken einfacher erstellen:

• Frühling: 1. März- 31. Mai
• Sommer: 1. Juni- 31. August
• Herbst: 1. September- 30. November
• Winter: 1. Dezember- 28./ 29. Februar

Frühlings- (1), Sommer- (2), Herbst- (3) und Winterlandschaft (4) in der Eifel bei Monschau:

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Phänologische Jahreszeiten

Jahresringe bilden Jahreszeiten ab.

Um den im Jahresablauf zu beobachtenden saisonalen Entwicklungsstand der Natur durch Jahreszeiten zu beschreiben, ist die Unterteilung in vier Jahreszeiten im Allgemeinen zu grob. In der Phänologie kennt man daher bis zu zehn Jahreszeiten, deren Beginn lokal verschieden durch das Eintreten verschiedener Naturereignisse (zum Beispiel Apfelblüte) gegeben ist.

Sonstiges

Der einschneidende Einfluss, den der Ablauf der Jahreszeiten auf den Lebensrhythmus der Menschen hat, schlägt sich auch sprachlich nieder. Im Deutschen nennt man einen Zeitraum, in dem der Lebensrhythmus in einer Gegend erheblich vom Normalen abweicht, eine fünfte Jahreszeit.

In osteuropäischen Ländern, in denen das Kontinentalklima herrscht, sind die zwei Jahreszeiten Frühling und Herbst extrem kurz und dafür der Sommer und Winter jeweils wesentlich heißer bzw. kälter.

Einzelnachweise

Weblinks

Wikiquote: Jahreszeit – Zitate

Wiktionary: Jahreszeit – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

Commons: Seasons – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

• Erik Oppold: Lernmodul „Erde, Erdbahn, astronomische Jahreszeiten“. Geometrisch-astronomische Grundlagen. In: WEBGEO basics / Klimatologie. Institut für Physische Geographie (IPG) der Universität Freiburg, abgerufen am 14. Dezember 2010.
• Zeitraffer-Filme von Jahreszeiten – Baum über vier Jahreszeiten, Schneeschmelze, Frühling, Verfärbungen im Herbst

Anmerkungen