Rekorde im Sonnensystem – Tag und Nacht

Heute mal ein Blog zu einem anderen Thema, aber ich hoffe, er kommt trotzdem an.- Es geht um unser Sonnensystem und seine Extreme. Ich will dies auch nutzen, um etwas zu erklären. Heute geht es um die Tageslänge

Schon mit der Definition der Tageslänge geht es los. Was ist ein Tag? Man könnte meinen, es wäre die Rotationsdauer eines Himmelskörpers. Doch so einfach ist es nicht. Nehmen wir die Erde. Sie rotiert in 23 Stunden, 56 Minuten und 4 Sekunden um die eigene Achse. Ja, nicht in 24 Stunden. Sind deswegen alle unsere Uhren falsch?

Nein es ist ein Phänomen, mit dem an es in der Astronomie immer zu tun hat und für das es die Fachbegriffe „siderisch“ und „synodisch“ gibt. Um eine Rotationsperiode zu bestimmen, braucht man einen Fixpunkt. Man kann z. B. definieren das ein Punkt am Äquator eine Rotationsperiode durchlaufen hat, wenn er sich wieder auf der direkten Linie Bezugspunkt – Oberfläche – Erdmittelpunkt befindet. Macht man dies mit den Sternen als Bezugspunkt, so kommt man auf die obigen 23 Stunden, 56 Minuten und 4 Sekunden. Wer mal Zeit hat, kann ja mal mit der Uhr bestimmen, wann ein Stern gerade über dem Horizont aufgeht und die Beobachtung in den folgenden Tagen wiederholen. Er wird feststellen, dass ich recht habe. Da es nicht 24 Stunden sind, verändert sich auch der Sternenhimmel und es gibt Sommer-, Herbst-, Winter- und Frühlingssternbilder.

Wir definieren aber einen Tag als den Zeitraum zwischen zwei gleichen Sonnenständen, also z. B. zwischen Sonnenaufgang und Sonnenaufgang oder Erreichen des Zenits, also höchsten Standes. Und das sind eben die 24 Stunden. Die Ursache liegt darin, das sich die Erde um die Sonne bewegt, und zwar in Rotationsrichtung. Wenn sie eine volle Rotation relativ zu den Sternen vollzieht hat, ist sie auf ihrer Bahn um die Sonde etwas weiter gewandert und diesen Winkel muss sie noch aufholen, was knapp 4 Minuten dauert.

Astronomen sprechen von einer siderischen Periode, wenn etwas relativ zu den Sternen bestimmt wird und von einer synodischen Periode, wenn der Bezug die Sonne ist. Bei der Erde und den meisten Planeten ist die Differenz klein, zumal die Umlaufdauer um die Sonne immer länger wird je weiter man sich von der Sonne entfernt. Je kleiner aber eine Umlaufperiode ist, desto eher nähern sich die Perioden an und es kommt zu deutlichen Effekten.

Unser Mond vollzieht auch eine Rotation, nicht nur um die Sonne, sondern auch um die Erde. Gegenüber der Erde hat sich die Rotationsperiode so eingependelt, dass sie gleich hoch ist wie die Umlaufdauer. Das liegt daran, dass die Gezeitenkraft dauernd an dem Mond zerrt und wenn er mit einer anderen Periode rotiert bewegt sich ein Teil auf die Erde zu, wird beschleunigt und ein anderer Teil der sich entfernt wird abgebremst. Das erzeugt Reibung im Inneren und bremst über Milliarden von Jahren den Mond ab. Nicht nur den Mond, sondern – wenngleich da der Mond nur ein ¹/₈₁ der Erde wiegt – nicht im selben Maße auch die Erde. Als der Mond entstand, war ein Tag auf der Erde noch 6 bis 12 Stunden lang. Alleine in den letzten rund 500 Millionen Jahren ist die Jahresdauer von 400 auf 365 Tagen gesunken. Als Nebeneffekt bleibt das Erdinnere durch die Reibung flüssig und erzeugt das uns schützende Magnetfeld. Nun ist aber die Rotationsperiode des Mondes von 27,3 Tagen schon bedeutend kürzer als ein Jahr und der Unterschied zur synodischen Periode von 29,5 Tagen mit 2 Tagen schon deutlich größer. Die synodische Periode entspricht der Zeit zwischen zwei Beleuchtungsphasen, also z. B. von Neumond zu Neumond. Die siderische Periode dagegen der Position relativ zu den Sternen. Durch den Unterschied von 2 Tagen geht der Mond auch jeden Tag deutlich später, nämlich fast eine Stunde später, auf.

Richtig drastisch wird der Unterschied bei den beiden innersten Planeten. Auch sie wurden durch die Gezeitenreibung ausgebremst. Die Venus rotiert sogar retrograd, also entgegen der Richtung in der sie um die Sonne kreist. Dafür wird eine Kollision mit einem anderen Körper in der Frühzeit des Sonnensystems verantwortlich gemacht. So etwas gab es ja auch bei der Erde, aus der Kollision entstand unser Mond, bei der Venus kam der Körper aber aus der „falschen“ Richtung nämlich der in der sie rotierte. Der bei dem Zusammenstoß übertragene Impuls reichte aus, sie in die entgegengesetzte Richtung rotieren zu lassen. Die Venus rotiert in 224 Tagen um die Sonne und in 243 Tagen um die eigene Achse, entgegengesetzt zur Sonne. Kleine Ratestunde – wie lange dauert ein Tag auf der Venus?

Es sind 116 Tage. Das hießt, durch die retrograde Rotation ist ein Tag wesentlich kürzer als die Rotationsperiode um die eigene Achse. Auch interessant: In zwei Venusjahren gibt es genau drei Venustage. Dieses feste Verhältnis ist auch eine Folge der Abbremsung, es ist nicht das Verhältnis 1:1 das der Mond erreicht hat, aber es ist ein stabiles Verhältnis.

Etwas ähnliches beobachten wir beim Merkur. Er rotiert in 58 Tagen um die eigene Achse und in 88 Tagen um die Sonne. Ein Tag dauert bei ihm 176 Tage. Auch hier finden wir die Verhältnisse „2“ und „3“ wieder – die siderische Rotationsperiode ist genau ¹/₃ der Tageslänge und die Umlaufperiode ½ der Tageslänge. Auch hier haben wir eine gebundene Rotation, auch wenn die Perioden nicht gleich groß sind und eine der Folgen ist, das auf dem Merkur ein Tag doppelt so lang ist wie ein Jahr.

Eine der positiven Konsequenzen dieser Tatsache ist, das sie erst eine Merkurmission an der Oberfläche möglich macht. Der Planet ist so nah der Sonne, das es auf der Oberfläche bis zu 427 Grad Celsius heiß werden kann. Da die ganze Oberfläche so heiß wird, kann man sich kaum von der Hitze abschirmen, denn die Strahlung kommt von überall her. Nachts sinken ohne Atmosphäre und bei einer Nacht die über 80 Tage dauert die Temperaturen aber stark ab auf bis zu -173 °C. Die einzige Möglichkeit wie wir bei heutiger Technologie einen Roboter länger am Betrieb halten könnten, wäre das er kurz nach Sonnenaufgang, bei niedrigem Sonnenstand, aber auch kaum Erwärmung des Bodens, operiert. Er müsste sich dann permanent bewegen, immer dem Sonnenaufgang folgend. Der Merkur hat einen Äquatordurchmesser von 4.878 km, bei 176 irdischen Tagen Rotationsdauer müsste der Roboter am Äquator sich pro Tag um 87 km weiterbewegen, heute wohl jenseits der Regeltechnik, wenn die maximalen Distanzen von Marsrovern weit unter 100 m pro Tag liegen, aber vielleicht bei einer bemannten Mission mit einigen Stunden Fahrt pro Tag schaffbar, das würde genügend Zeit für die Forschung, Schlafen und andere Tätigkeiten lassen. In höheren Breiten wird die Distanz kleiner und auch die thermische Belastung durch den schrägeren Sonneneinfall. Die erlaubte Zone wäre so auch breiter. Allerdings – fällt der Antrieb aus, so müsste man die Mission sofort abbrechen.

Auf der anderen Seite der Skala haben wir Jupiter. Jupiter ist der Planet mit der kleinsten Rotationsdauer – knapp unter 10 Stunden, dabei hat er den 11-fachen Erddurchmesser. Die Rotationsgeschwindigkeit beträgt am Äquator rund 12,5 km/s – das würde bei der Erde zu einem direkten Start bis zum Mars reichen. Selbst bei uns rotiert die Atmosphäre noch am Äquator mit eineinhalbfacher Schallgeschwindigkeit. Gottseidank rotiert die ganze Atmosphäre mit, sonst gäbe es einen Dauersturm gegen den ein Orkan ein laues Lüftchen ist. Allerdings bedeutet diese Geschwindigkeit, auch wenn man sie nicht bemerkt, das jeder Wind der nordwärts oder südwärts gerichtet wird nach Osten (Rotationsrichtung) abgelenkt wird. Aus demselben Grund kommen bei uns die Hochs und Tiefs vor allem aus dem Westen nicht dem Osten. Bei der Erde führt diese Corioliskraft dazu, dass aus Winden zu den Polen Wirbel werden – die Hochdruck- und Tiefdruckgebiete.

Doch steigert sich die Rotationsgeschwindigkeit, so klappt dieser Mechanismus nicht mehr. Alle Bewegungen der Atmosphären werden in die Rotationsrichtung umgebogen. Am deutlichsten sieht man dies beim Jupiter der abwechselnd dunkle und helle Bänder aufweist. Sie stehen für Hochdruck und Tiefdruckgebiete. Die hellen Bänder enthalten kühlere, aufsteigende Gase, die dunkleren Bänder absinkende, wärmere Gase. Sie wurden jeweils plattgewalzt. Es gibt zwar auch Wirbel zwischen diesen Bändern, doch dies sind Luftmassen, die zwischen diesen Bändern geraten sind und durch die unterschiedlich schnelle Bewegung in Rotation geraten sind. Sie leben einige Monate lang. Die große Ausnahme ist der große rote Fleck, der schon bei den ersten Beobachtungen mit dem Fernrohr auffiel, also mindestens 400 Jahre alt ist. Er ist nicht konstant, seine rote Farbe variiert über die Zeit sowohl im Farbton wie Intensität, aber er ist riesig. Sein Durchmesser in der kleinen Achse entspricht dem der Erde, in der anderen Achse ist er zwei bis dreimal größer! Diese Größe ist wohl die Ursache für seine Langlebigkeit.

Alle Gasplaneten rotieren schneller als die Erde und alle sind mindestens viermal so groß wie die erde. Entsprechend weisen alle diese Zonenbildung auf. Zurück zu den Perioden die eng beieinander liegen. Denn dann gibt es einige sehr seltsame Effekte. Der Mars rotiert in etwas mehr als 24 Stunden um seine Achse. Der innere Marsmond Phobos braucht weniger als 8 Stunden für einen Umlauf, der äußere Mond Deimos dagegen in rund 30 Stunden. Phobos hat eine kürzere Umlaufszeit als die Rotationsperiode des Mars, er überholt einen Oberflächenpunkt also. So geht er im Westen auf und im Osten unter. Er umrundet den Mars in weniger als 12 Stunden, geht also mindestens zweimal pro Marstag auf und unter. Die Bewegung ist von der Oberfläche aus gesehen nicht linear. Phobos befindet sich deutlich kürzer auf der Tagseite als auf der Nachtseite. Das gilt auch für Deimos, bei dem aber die synodische Periode von knapp 5,5 Tagen erheblich länger als sowohl die Rotationsperiode von Mars wie Deimos ist, das heißt der Deimos befindet sich fast 2,5 Tage am Taghimmel, durchläuft während dieser zweimal alle Phasen.

Den Endzustand der gebundenen Rotation haben im Sonnensystem Pluto und Charon erreicht. Bei uns hat die viel massereichere Erde die Rotation des Mondes an die Umlaufperiode angepasst. Charon hat rund 40 % des Durchmessers von Pluto und dies reichte aus, auch Pluto abzubremsen: Sowohl Pluto wie auch Charon rotieren in knapp 6 ½ Tagen. In 6 ½ Tagen umkreist auch Charon den Pluto. Das hat einige Effekte. Auf einer Seite von Pluto ist Charon nie sichtbar. Auf der anderen Seite ist er dauernd zu sehen. Er bewegt sich dort aber nur langsam um einen Punkt – der Schwerpunkt des Systems liegt nicht innerhalb Plutos, sondern auf der Verbindungsachse zwischen beiden Planeten. Entsprechend schwankt die Distanz zur Oberfläche leicht und damit auch die Position. Wäre dem nicht so, so wäre es wie bei unserem Mond. Vom Mond aus gesehen ist die Erde immer an derselben Stelle am Himmel – oder eben gar nicht zu sehen, wenn man sich auf der erdabgewandten Seite des Mondes befindet.

Wäre das Plutosystem in Erdentfernung, so bräuchte man auf der charonzugewandten Seite von Pluto wohl keine Straßenbeleuchtung. Charon wäre -18 Mag hell, das sind rund 50 Lux, deutlich heller als die Anforderungen für die Straßenbeleuchtung (10 Lux) und in etwa der Helligkeit die eine Flurbeleuchtung aufweisen soll (100 Lux). Doch da er 30 bis 50 mal weiter von der Sonne entfernt ist, ist er in Realität etwa 30-mal leuchtschwächer als der Vollmond.

Die Tageslänge hängt aber nicht nur von den Rotationsperioden ab, sondern auch der Neigung Rotationsachse. Wir kennen das von der Erde, deren Achse knapp 24 Grad zur Senkrechten geneigt ist. Nur am Äquator sind alle Tage gleich lang. Je weiter man zu den Polen kommt, desto größer werden die Unterschiede. Überschreitet man den Polarkreis, so gibt es mindestens eine Nacht und einen Tag die eine volle Rotation andauert. Je weiter man zu den Polen gelangt, desto mehr Tage sind betroffen. Bei den Polen sind es fast sechs Monate. Nur zweimal am Jahr, den Sonnenwenden – am 21.3 (also morgen) und 23.9 ist überall auf dem Planeten es so, dass Nacht und Tag gleich lang sind.

Das nennen wir Jahreszeiten und sie gibt es bei vielen Planeten. Nur Merkur und Jupiter haben Achsenneigungen, die klein sind, bei Merkur kaum messbar, bei Jupiter 3 Grad. Erde, Mars, Saturn und Neptun gehören zu der Gruppe der Planeten mit Achseneigungen zwischen 23 und 29 Grad. Zwei Planeten rotieren retrograd, sie haben Achsneigungen über 90 Grad: Venus mit 177 Grad, also wieder fast senkrecht zur Bahnebene, nur eben eine Rotation in die andere Richtung und Pluto mit richtig schrägen 122 Grad. Auch deswegen konnte New Horizons nicht den ganzen Planeten abbilden.

Am Merkwürdigsten ist aber Uranus mit einer Neigung von 82 Grad. Das sind 8 Grad Abweichung zum rechten Winkel (90 Grad). Nehmen wir an, es wären 90 Grad. Dann würde Uranus in der Bahnebene rotieren. Die Pole schauen dann zur Sonne oder von ihr weg. Auf ihnen ist es ein halbes Uranusjahr, das sind immerhin 42 Erdjahre lang Tag oder Nacht. Nur am Äquator gäbe es einen „normalen Tag“ – Uranus rotiert in knapp 18 Tagen um seine Achse. Wie bei der Erde gäbe es nur zwei Punkte an den Tag- und Nachtgleichen, an denen auf dem ganzen Planeten ein Tag nur 18 Stunden lang dauert. Die 8 Grad Abweichung ändern an der Tatsache wenig, eigentlich nur, dass die Zone in der „normale“ Verhältnisse herrschen etwas breiter ist, und zwar von -8 bis 8 Grad um den Äquator herum.

Diese Merkwürdigkeit hat auch Folgen für die Erforschung. Weniger für Uranus als für die Monde. Urans hat ja keine Oberfläche, so gesehen ist es egal, wie die Achsenneigung ist. Die Monde des Planeten weisen aber genau dieselbe Neigung auf, weil sie den Planeten am Äquator umkreisen. Es gab bisher nur eine Mission zu Uranus – Voyager 2, die ihn im Januar 1986 passierte – 1985 durchlief Uranus die Sommersonnenwende, sodass die Sonde nur die südliche Heimsphäre der Monde erfassen konnte. Hätte eine Sonde Uranus 21 Jahre später, am 7.12.2007 passiert, so wäre sie bei einer der beiden Tag- und Nachtgleichen angekommen. Nur um diese Zeit herum könnte sie die gesamte Oberfläche erfassen. 2028 wird die Wintersommerwende erreicht und eine Sonde könnte dann genau die Gebiete erfassen, die für Voyager 2 unsichtbar waren. Da man dafür schon hätte starten müssen wird auch dieses Datum verstreichen. 2049/2050 ist dann die nächste Tag- / Nachtgleiche, die man nutzen könnte.

Soviel zu den Extremen in der Rotation und ihre Folgen, morgen dann zu den Extremen in der Geographie.