Einleitung
Bist du schwindelfrei? Prima! Denn jetzt geht’s rund! Und das kannst du wörtlich nehmen. Wir schauen uns nämlich an, wie sich die Erde um sich selbst dreht. Und da drehen wir uns ja alle mit – auch wenn wir feste auf dem Boden stehen und nichts davon merken. Doch damit noch nicht genug: Schließlich sausen wir mit unserem Planeten auch noch ziemlich flott um die Sonne herum. Wieso sich alles dreht, wie dabei Tag und Nacht und auch die Jahreszeiten entstehen – das alles erklären wir dir hier. Und den Mond schauen wir uns am Ende auch noch an, wie er um die Erde kreist und sich dabei zugleich um sich selbst dreht.
Sieh dir zum Einstieg in das Thema zuerst mal dieses Video mit Sina an. Unsere Physikerin erklärt da schon eine ganze Menge zu Erde, Sonne und Mond. Danach betrachten wir einige Sachen nochmal etwas genauer. Viel Spaß beim Video!
Die Rotation der Erde
Die Erde dreht sich um sich selbst. Genauer um ihre Achse. Man sagt auch, dass die Erde „rotiert“ und diese Drehbewegung nennt man „Rotation“. Die Erdachse kannst du dir wie einen längeren Holzspieß vorstellen, den du durch einen Apfel steckst: oben am Nordpol rein und unten am Südpol wieder raus. Du kannst das als Mini-Versuch ja mal nachmachen – oder du stellst es dir nur in Gedanken vor. Wenn du eine Taschenlampe als Sonne nimmst und es ansonsten ganz dunkel im Zimmer ist, siehst du, wie es auf der Apfel-Erde Tag und Nacht wird. Leg die Taschenlampe auf einen Tisch, sodass sie deine Apfel-Erde von der Seite anstrahlt. Auf der einen Hälfte der Erde ist Tag, auf der anderen Nacht. Drehst du jetzt langsam oben oder unten am Holzspieß, kommen allmählich andere Gebiete deiner Apfel-Erde auf die Sonnenseite. Du kannst ja mal irgendwo einen Ort markieren – vielleicht mit einem kleinen Loch, das du in die Schale stichst. Dann siehst du, wie sich diese Stelle mal in der Sonne befindet und es dort Tag ist und wie sich der Ort dann nach einiger Zeit mit der Apfel-Erde auf die Nachtseite dreht. Noch ein Satz zu der Richtung, in der du die Apfel-Erde drehen musst: Wenn du von oben auf den Nordpol der Erde schaust, dreht sie sich gegen den Uhrzeigersinn.
Für eine ganze Umdrehung braucht die Erde 24 Stunden. Und wir alle drehen uns mit ihr mit. Wie schnell sind wir wohl dabei? In diesem kleinen Gedankenspiel bleiben wir an einem Ort stehen, laufen also nicht über die Erdoberfläche. Jetzt drehen wir uns zusammen mit der Erdkugel. Stell dir mal vor, du würdest am Äquator stehen – also an der Linie, die am „Bauch“ um die ganze Erde herumführt und die wir hier mal eingezeichnet haben.
Wie schnell du dich mit der Erde drehst, kann man leicht ausrechnen. Kommst du selbst auf den Rechenweg und die Lösung? Wenn ja, prima! Wenn nein, auch kein Problem! Wir gehen die kleine Rechnung schnell zusammen mit dir durch:
Die Erde hat am Äquator einen Umfang von rund 40.000 Kilometern (der Umfang ist die Strecke einmal ganz um die Kugel herum). Ein Ort am Äquator legt also mit der Erdrotation in 24 Stunden etwa 40.000 Kilometer zurück. Daher legt er in 1 Stunde ein Vierundzwanzigstel dieser Strecke zurück. Man muss also 40.000 durch 24 teilen – dann weiß man, wie viele Kilometer es pro Stunde sind. Rechnet man das aus, ergibt es ungefähr 1670. Und da wir Kilometer durch Stunden geteilt haben, sind das also 1670 Kilometer pro Stunde. Das ist die Geschwindigkeit, mit der man sich aufgrund der Erdrotation bewegt, wenn man am Äquator steht. Weiter nördlich – etwa bei uns in Europa – und auch weiter unten auf der Südhalbkugel ist die Strecke kürzer, die man in 24 Stunden zurücklegt. Das kannst du dir ganz einfach verdeutlichen: Leg mal einen Faden um den Äquator deiner Apfel-Erde. Wenn du zum Vergleich einen zweiten Faden etwas weiter oben oder unten um die Erde legst, wirst du sehen: Da genügt ein kürzerer Faden. Auch das haben wir hier für dich mal aufgezeichnet:
Da die Strecke im Norden oder Süden kürzer ist, die man bei einer Erddrehung in 24 Stunden zurücklegt, ist auch die Geschwindigkeit etwas geringer als am Äquator. Logisch, oder? Wenn du in derselben Zeit eine kürzere Strecke zurücklegen musst, kannst du ja auch langsamer gehen als bei einer langen Strecke. In Deutschland ergibt das etwa 1000 Kilometer pro Stunde. Wenn du zum Lesen dieses Textes bis hierhin also etwa eine Viertelstunde gebraucht hast, hast du 1000 Kilometer geteilt durch 4 zurückgelegt, also ungefähr 250 Kilometer. Aber wiegesagt: Wir merken davon nichts. Dein Computer, dein Zimmer und alles um dich herum hat sich ja mit der Erde ebenfalls weiterbewegt. Das ist ungefähr so, als ob sich eine Fliege in ein Flugzeug verirrt hat: Sie merkt ja auch nicht, dass sie sich mit ziemlich hohem Tempo fortbewegt.
Satelliten umkreisen die Erde
So, jetzt aber genug mit den Rechenspielereien. Wobei interessant ist: Die Geschwindigkeit, mit der die Erde rotiert, spielt auch in der Raumfahrt eine große Rolle. Zum Beispiel bei Satelliten. Nehmen wir mal einen Fernsehsatelliten. Er sendet Signale aus, die du mit einer Antenne empfängst. Damit das klappt, umkreist der Satellit die Erde auf eine bestimmte Weise: nämlich hoch über dem Äquator und genauso schnell, wie sich die Erde dreht. Das heißt: Er benötigt für eine Umkreisung der Erde 24 Stunden. Da er sich genau so schnell bewegt wie die Drehgeschwindigkeit der Erde, bedeutet das: Er befindet sich immer über demselben Ort. Zur Verdeutlichung kannst du Folgendes machen oder dir wieder nur in Gedanken vorstellen: Steck mal ein Streichholz oder eine Stecknadel mit einem kleinen „Kopf“ in deine Apfel-Erde – irgendwo am Äquator. Der „Kopf“ des Streichholzes oder der Nadel ist jetzt der Satellit. Wenn du die Erde drehst, dreht er sich mit und steht praktisch immer über demselben Ort. Stell dir mal vor, du würdest da unten stehen und zum Satelliten hochschauen: Dann würdest du ihn genau über dir sehen – immer exakt über dir. Aber auch wenn du dich etwas weiter nördlich oder südlich befinden würdest: Immer steht der Satellit am selben Fleck am Himmel. Natürlich kann man in Wirklichkeit einen so weit entfernten Satelliten nicht sehen (immerhin umkreisen Fernsehsatelliten die Erde in 36.000 Kilometern Höhe). Doch darum geht es auch gar nicht. Man will ihn ja nicht betrachten, sondern mit einer Antenne seine Signale empfangen. Und weil der Satellit immer am selben Fleck am Himmel steht, muss man die Antennenschüssel auf dem Dach oder Balkon nur ein einziges Mal auf ihn ausrichten und kann dann immer seine Signale empfangen. Würde sich der Satellit schneller oder langsamer bewegen, würde er seine Position am Himmel verändern und du müsstest die Antenne immer wieder neu ausrichten. Nur ganz nebenbei: Solche Satelliten gibt es auch, aber sie haben ganz andere Aufgaben.
Diese Umlaufbahn von Satelliten, die immer am selben Fleck über der Erde stehen, nennt man übrigens eine geostationäre Umlaufbahn. Weil das etwas kompliziert ist, haben wir das hier für dich in einer Animation dargestellt: Zuerst siehst du da zum Vergleich einen Satelliten, der die Erde auf einer anderen Bahn umkreist. Danach zeigen wir dir dann einen Satelliten, der sich auf einer geostationären Bahn befindet. Der Abstand des geostationären Satelliten ist allerdings nicht maßstabsgetreu – dann wäre er nämlich außerhalb des Bildbereichs der Animation.
Warum die Erde eine Kugel ist
Nochmal zurück zur Erde, genauer zu ihrer Kugelform. Klar, es gibt Berge und Täler, doch insgesamt ist die Erde ziemlich kugelrund. Aber warum ist das so? Nimm nochmal den Apfel zur Hand. Streck den Arm aus. Und jetzt lass den Apfel los. Ach ja, fast vergessen: Leg am besten ein Kissen unter. Solltest du keinen Apfel haben, kannst du dir das wieder nur vorstellen – und dann darfst du das Kissen gerne auch weglassen. ;-) Spaß beiseite: Was passiert, wenn du den Apfel loslässt? Logisch, er fällt nach unten. Warum? Das liegt an der Anziehungskraft der Erde – auch Gravitation genannt. Dass der Apfel nach unten fällt, hat dich sicher nicht besonders überrascht. Logisch: Alles fällt nach unten, wenn man es loslässt. Und zwar genau nach unten und nicht irgendwie schräg zur Seite. Der Apfel fällt praktisch zum Mittelpunkt der Erdkugel hin. Auch alle anderen Dinge und auch alles Gestein wird in diese Richtung angezogen. Und wenn alle Materie auf diese Weise zum Mittelpunkt hin angezogen wird – tja, dann entsteht eben die Kugelform.
Das ist auch bei den anderen Planeten unseres Sonnensystems so: Sie alle haben die Form einer Kugel. Es gibt allerdings auch einige Himmelskörper, die keine Kugelform besitzen. Denn die Anziehungskraft muss stark genug wirken, um alles zur Mitte zu ziehen. Und dafür muss ein Himmelskörper genug Masse haben. Bei kleineren Himmelskörpern wie zum Beispiel Asteroiden oder Kometen, die weniger Masse haben, ist die Anziehungskraft zu gering: Diese kleinen „Brocken“ sehen dann zum Beispiel wie Kartoffeln aus. Oder wie ein Badewannen-Entchen. Doch wirklich! Hier einige Fotos eines solchen Kometen:
Zurück zur Erdkugel: Wie die Menschen schon vor über 2000 Jahren herausgefunden haben, dass die Erde eine Kugel ist, hat Sina in ihrem Video erklärt. Da erwähnt sie auch das Mini-Experiment mit den beiden Zahnstochern, mit dem du einen berühmten Versuch aus der damaligen Zeit (hier stark vereinfacht und etwas abgewandelt) selbst im Kleinen nachmachen kannst. Beim ersten Durchgang steckst du die Zahnstocher senkrecht in eine Scheibe, beim zweiten in eine Kugel. Wenn du dann mit einer Taschenlampe als Sonne von oben darauf leuchtest, wirst du sehen: Bei einer Scheibe als „Erde“ wirft keiner der beiden Zahnstocher einen Schatten – sie zeigen ja beide genau zur Sonne hoch über ihnen. Aber bei einer Kugel, auf der einer der beiden Zahnstocher exakt zur „Sonne“ zeigt, steht der andere immer etwas „schief“, sodass er einen kurzen Schatten wirft. Genau das ist auch bei dem historischen Experiment vor über 2000 Jahren passiert: In einer Stadt warf eine Säule keinen Schatten, weil die Sonnenstrahlen genau senkrecht von oben auf sie fielen. In einer anderen weiter entfernten Stadt sah man dagegen zur selben Zeit einen kurzen Schatten. Und weil das nur bei einer Kugel klappt, war damit die Kugelform der Erde bewiesen. Hier nochmal der Versuchsaufbau für dein Zahnstocher-Experiment:
Im Sonnensystem: Warum sich alles dreht
Wenn du noch den Apfel und die Taschenlampe hast, lauf mal mit dem Apfel um die Lampe herum. Das ist im Prinzip die Bewegung, mit der die Erde die Sonne umkreist. Wobei eine Taschenlampe natürlich den Nachteil hat, nur in eine Richtung zu leuchten. Besser wäre hier eine kugelförmige Lampe, die wie die Sonne in alle Richtungen strahlt. Die Zeit, die unser Planet für eine Umrundung benötigt, nennen wir ein Jahr. Auch die anderen Planeten des Sonnensystems umkreisen die Sonne. Ist ein Planet näher an der Sonne dran, ist dort ein Jahr kürzer als bei uns, weil er schneller um die Sonne herum ist. Bei weiter entfernten Planeten dauert ein Jahr länger: Auf dem Mars, der im Vergleich zur Erde doppelt so lang für eine Umrundung der Sonne braucht, dauert ein Jahr zwei Erden-Jahre.
Könntest du von weit oben aufs Sonnensystem schauen, würdest du bemerken: Alle Planeten bewegen sich gegen den Uhrzeigersinn um die Sonne herum. Alle in derselben Richtung. Warum das so ist? Es hat mit der Entstehung unseres Sonnensystems zu tun. Spulen wir die Zeit mal eben zurück: Vor etwa 4,6 Milliarden Jahren entstand unser Sonnensystem aus einer großen „Wolke“. Natürlich war das keine Wolke, wie wir sie bei uns am Himmel sehen. Sie bestand aus kleinen Gas- und Staubteilchen und schwebte durchs All. Solche „kosmischen Wolken“ gibt es an vielen Stellen in unserer Galaxie, der Milchstraße. Hier siehst du eine Aufnahme des Weltraum-Teleskops Hubble, die eine kosmische Wolke zeigt:
Die kleinen Teilchen, aus denen solche Wolken bestehen, ziehen sich gegenseitig an und stoßen zusammen. So formen sich immer wieder neue Sterne und so war das auch bei der Entstehung unseres Sonnensystems. Meistens knallen die Teilchen – man sagt auch „Partikel“ – dabei nicht direkt aufeinander, sondern umkreisen sich erst eine Weile, nähern sich immer weiter an und kleben dann aneinander. Du kannst dir zwei solcher Teilchen wie zwei Tänzer vorstellen, die sich erst weiter entfernt umeinander bewegen und dann an den Händen halten und am Ende eng umschlungen im Kreis drehen. Komischer Tanz, zugegeben. Aber es ist ja auch bloß ein Beispiel. Wichtig ist hier nur: Dadurch hat sich von Anfang an alles im Sonnensystem gedreht. Zugleich zog es dabei immer mehr Teilchen in die Mitte der „Wolke“. So wurde es im Zentrum immer enger und dichter. Immer mehr Materie klumpte hier zusammen – und so entstand dort schließlich die Sonne. Auch sie drehte sich um ihre Achse, was sie übrigens auch heute noch tut. Aus der weiter entfernten Materie, die nicht zur Sonne „verklumpte“, entstanden die Planeten. Sie nahmen die Drehbewegung mit auf ihre Reise und deshalb umkreisen sie bis heute die Sonne.
Nur mal ganz nebenbei: Auch die Sonne selbst hat den „Drehwurm“ von Anfang an bis heute beibehalten und rotiert um ihre Achse. Und zwar auf eine ganz seltsame Weise. Wenn du mehr dazu wissen willst, lies dir mal unsere Geschichte zur „Kartoffelbrei-Sonne“ durch.
Die Bahn der Erde um die Sonne
Schauen wir uns jetzt mal die Bahn der Erde um die Sonne genauer an. Die Bahn ist kreisrund – dachte man jedenfalls früher. Doch dann bemerkten Astronomen, dass das nicht ganz stimmen kann. Die Bahnen der Planeten sind zwar rund, aber nicht ganz perfekt kreisförmig. Das hat als erster ein berühmter Astronom namens Johannes Kepler (1571-1630) herausgefunden. Er bemerkte, dass die Planeten nicht genau an der vorausberechneten Stelle waren, an der sie sich auf einer Kreisbahn hätten befinden müssen. Was war da falsch? Hatte er sich verrechnet? Er grübelte und grübelte … und fand schließlich die Lösung: Die Planetenbahnen sind keine Kreise, sondern sogenannte Ellipsen. Hier haben wir dir mal einen Kreis und eine Ellipse gezeichnet, damit du den Unterschied erkennen kannst:
Das ist auf dem Bild natürlich stark übertrieben gezeigt. Die Erdbahn weicht nur ganz wenig von einem perfekten Kreis ab. Mal ist unser Planet etwa 147 Millionen Kilometer von der Sonne entfernt, an anderen Stellen über 150 Millionen Kilometer. Die Erde ist also manchmal etwas weiter von der Sonne entfernt und manchmal etwas näher dran. Übrigens erreicht unser Planet jedes Jahr im Januar den sonnennächsten Punkt seiner Bahn.
Merkst du etwas? Im Januar, wenn es bei uns Winter und daher eher kalt ist, ist die Erde der Sonne am nächsten. Hmmm … Das bedeutet: Die Jahreszeiten wie Sommer und Winter haben nichts mit der Entfernung der Erde von der Sonne zu tun. Eigentlich logisch: Wenn bei uns auf der Nordhalbkugel Winter ist, ist ja auf der Südhalbkugel – etwa in Südafrika, Brasilien oder Australien – zur gleichen Zeit Sommer. Die Entfernung zur Sonne ist also nicht die Ursache für Sommer oder Winter. Aber wie entstehen dann die Jahreszeiten?
Die Antwort auf diese Frage ist nicht ganz einfach zu verstehen. Es hat mir der Achse zu tun, um die sich die Erde dreht. Hast du noch den Holzspieß, der vom Nordpol zum Südpol durch den Apfel führt? Das war ja anfangs die Achse unserer „Apfel-Erde“. Nimm jetzt die Apfel-Erde und halte sie so über einen Tisch, dass der Holzspieß unten am Südpol die Tischplatte berührt (möglichst ohne sie zu zerkratzen, sonst gibt’s Ärger mit den Eltern). Und jetzt aufgepasst: Die Holzspieß-Achse darf nicht genau senkrecht, also kerzengerade, auf der Tischplatte stehen! Sondern sie ist etwas schief geneigt. Kipp sie also oben leicht zur Seite. Ach ja: Leg vorher noch eine Apfelsine oder etwas anderes als „Sonne“ auf den Tisch. Wenn die Apfel-Erde jetzt auf dem Tisch die Sonne umrundet, bleibt die Erdachse immer schief! Und besonders wichtig: Die Achse zeigt dabei immer in dieselbe Richtung! Das ist jetzt der entscheidende Punkt! Wir zeigen dir es mal hier in einer Grafik, wo die Achse als roter Strich eingezeichnet ist.
Also: Die Erdachse ist geneigt und ändert ihre Richtung nicht, während die Erde die Sonne umrundet. Immer zeigt die Achse stur in dieselbe Richtung. Das hat zur Folge, dass die Erde mal die obere Hälfte – also die Nordhalbkugel – zur Sonne „hinstreckt“ und nach einer halben Umrundung die untere Hälfte – also die Südhalbkugel – mehr zur Sonne zeigt. Die Halbkugel, die mehr zur Sonne ausgerichtet ist, bekommt also mehr Licht ab. Als ob man einen Fußball mal schräg von unten anstrahlt und mal schräg von oben. Und auf der Halbkugel, die voll im Sonnenlicht liegt, ist dann Sommer. Die andere Hälfte wird nur ziemlich flach vom Sonnenlicht gestreift: Dort ist dann Winter. Und zwischendurch gibt es den Übergang, also Frühjahr bzw. Herbst.
Wie der Mond die Erde umkreist
Kommen wir zum Abschluss noch zu einem anderen Himmelskörper: zu unserem Mond. Er umrundet die Erde in etwa 28 Tagen. In dieser Zeit sehen wir ihn manchmal als Vollmond, manchmal aber auch nur als Halbmond oder als dünne Sichel. Auch das hat Sina in ihrem Video erklärt. Es hängt damit zusammen, wie der Mond auf seinem Weg um die Erde herum von der Sonne angestrahlt wird. Denn er leuchtet ja nicht selbst, sondern erscheint nur so hell, weil die Sonne ihn beleuchtet. Mal fällt dabei das Sonnenlicht genau auf die Seite des Mondes, die wir von der Erde aus sehen – dann ist diese ganze Seite des Mondes hell und wir sprechen vom Vollmond. Wenn die Sonnenstrahlen aber von uns aus gesehen seitlich auf den Mond treffen, liegt ein Teil der „Vorderseite“ des Mondes im Schatten – dann ist Halbmond. Und wenn die Sonne die Rückseite des Mondes anleuchtet – tja, dann ist die Seite des Mondes, die zur Erde gerichtet ist, ganz dunkel und wir sehen den Mond gar nicht mehr: Das nennen wir Neumond.
Zu diesen sogenannten Mondphasen gibt es hier eine tolle interaktive Animation. Da kannst du selbst den Mond auf seiner Bahn um die Erde bewegen und siehst, wie er dabei von der Sonne beschienen wird. Rechts oben im kleinen Fenster wird der Mond dabei so gezeigt, wie wir ihn von der Erde aus sehen.
Und hier noch eine Animation, bei der du siehst, wie der Mond langsam bis zum Vollmond zunimmt und dann wieder abnimmt. Dabei sind auch die einzelnen Krater und auch die Landestellen der Apollo-Missionen genannt.
Du fragst jetzt vielleicht, was das mit den Apollo-Missionen auf sich hat. „Apollo“ war der Name des amerikanischen Raumfahrtprogramms, bei dem vor über 50 Jahren erstmals Menschen zum Mond flogen. Neil Armstrong und Buzz Aldrin waren damals die ersten beiden Menschen, die auf dem Mond gelandet sind. Danach folgten weitere Astronauten – insgesamt waren 12 Menschen auf dem Mond. Zum Abschluss zeigen wir dir hier ein Video, bei dem du dich einfach entspannen kannst: Da haben wir Bilder aus den verschiedenen Apollo-Flügen zusammengefasst. Viel Spaß beim Anschauen!
Wenn du noch mehr zu den Apollo-Flügen wissen willst: Hier haben wir die Mission Apollo 11 – das war die erste Mondlandung – in einem Bordtagebuch nacherzählt. Da erfährst du, wie es fast zu einem Unglück gekommen wäre, als die Mondlandefähre im Anflug auf die Oberfläche des Mondes war. Oder wie ein Filzstift dafür gesorgt hat, dass die beiden Astronauten nach ihrem Aufenthalt auf dem Mond wieder starten konnten. Auch bei diesem abenteuerlichen Ausflug zum Mond wünschen wir dir viel Spaß!
Quiz
Mal sehen, ob wir hier alles verständlich erklärt haben. Hier wie immer auf diesen Seiten ein kleines Quiz, mit dem du dein Wissen überprüfen kannst. Die Antworten findest du hier – aber nicht gleich nachgucken, sonst macht das Quiz ja keinen Spaß!
Leitfaden für Lehrkräfte
