Die ringförmige Sonnenfinsternis vom 10.06.2021


Liebe Mitlesenden

aus aktuellem Anlass unterbrechen wir unsere Serie zu den Schwarzen Löchern für einen Moment.
Morgen, 10.06.2021 findet eine ringförmige Sonnenfinsternis statt, die in Deutschland mit geeigneter Ausrüstung in den Mittagsstunden als partielle Sonnenfinsternis zu sehen sein wird, wenn das Wetter mitspielt.

Schon viel habe ich über Sonnenfinsternisse geschrieben und festgestellt, dass ich auf diesem Blog in keinem Artikel mal richtig erklärt habe, wie die unterschiedlichen Spielarten eigentlich funktionieren.
Das hole ich jetzt nach, indem ich Texte recycle, die ich zu anderen Sonnenfinsternissen schrieb, als mein Blog nur eine Mailingliste war.

Wie funktionieren Sonnenfinsternisse

Beginnen wir also am Anfang und erklären erst mal generell, wie so eine Finsternis überhaupt entsteht.

  1. Eine Sonnenfinsternis kann nur bei Neumond stattfinden. Es ist verrückt, aber Neumond ist, wenn der Mond direkt zwischen Erde und Sonne steht. Man sollte meinen, dass er dann doch gleißend hell von ihr beschienen wird und gut sichtbar sein sollte. Tja, genau das ist das Problem. Unser Mutterstern überstrahlt den Mond. Er ist so klein, dass wir ihn so in dieser Position nicht sehen können.
  2. Vollmond ist immer dann, wenn der Mond auf der anderen Seite der Erde ist als die Sonne.
    Berechtig gefragt ist, wieso das dann keine Mondfinsternis ist. Anders herum könnte man auch fragen, wieso nicht jeder Neumond zu einer Sonnenfinsternis führt.
  3. Die Mondbahn um die Erde verläuft nicht parallel zum Äquator und leider auch nicht parallel zur Ekliptik, der Bahn, auf der alle Körper des Sonnensystems sich bewegen.
    Der Äquator ist um etwa 23 Grad gegen unsere Ekliptik geneigt. Diesem Winkel verdanken wir unsere Jahreszeiten.
    Die Mondbahn ist um etwa 5 Grad gegen die Ekliptik geneigt. Noch schlimmer. Dieser quasi gekippte Teller dreht sich noch um eine gewisse Achse. Das soll aber hier mal keine Rolle spielen.
    Es kommt also vor, dass sich unser Mond manchmal etwas unterhalb und manchmal etwas oberhalt des Tellers, der Ekliptik bewegt. Das bewirkt, dass er in diesem Fall nicht ganz in den Erdschatten gerät, wenn er sich auf der anderen Seite der erde, als die Sonne befindet. Aus diesem Grund wird er dann auch von der Sonne beleuchtet und wir nehmen den Vollmond wahr.
  4. Finsternisse können immer nur dann entstehen, wenn sich Neumond oder Vollmond auf dem Schnittpunkt der Mondbahn mit der Ekliptik befinden. Diese Punkte nennt man Knotenpunkte. Sticht der Mond quasi von unten her durch die Ekliptik, so sprechen Astronomen von einem aufsteigenden, in andern Fall von einem absteigenden Mond.
    Neben der gekippten Perspektive des Äquators zur Mondbahn ist auch diese Tatsache mit dafür verantwortlich, dass die Mondsichel manchmal eher stehend, oder liegend, fast als Schiffchen, wahrgenommen wird.

Spielarten von Finsternissen

Nun kommen wir dazu, welche verschiedenen Arten von Sonnenfinsternissen es gibt.

  1. Je nach Sonnenstand, Erdenstand und Mondstand ist der Mond perspektivisch ungefähr so groß, wie wir auch die Sonnenscheibe wahrnehmen. Die Sonne ist zwar unvergleichlich viel größer, als der Mond, aber dafür ist sie auch viel weiter von uns weg, 150 Mio Kilometer, wo hingegen der Mond grob nur 380.000 Kilometer von der Erde entfernt ist.
    Schafft es die Mondscheibe, die Sonne zu verdecken, spricht man von einer totalen Sonnenfinsternis. Die gleißend helle Sonne wird vom schwarzen Mond bedeckt. Nun tritt die wunderbare schwach leuchtende Korona hervor, Blüten schließen ihre Kelche, Vögel stellen ihren Gesang ein, bzw. stimmen ihr Morgenlied an, Nachtluft scheint zu wehen
    und Protuberanzen am Rand der Mondscheibe werden sichtbar. So ein Spektakel kann niemals länger als 8 Minuten dauern, weil die gegenseitige Drehung der Körper, deren Abstände zueinander und deren Größenverhältnisse bezüglich des Schattenwurfs nicht mehr zulassen.

    Die Corona kann man bei unverdeckter Sonne nur mit speziellen Instrumenten erblicken, weil sie vom Licht der Sonne überstrahlt wird. Dieser Lichtkranz entsteht durch Plasma-Ballen, die in den Magnetfeldern der Sonne hängen. Wie genau, wäre ein extra Artikel wert.

  2. Die Erde bewegt sich elliptisch um die Sonne. Das bedeutet, dass sie im Jahreslauf mal der Sonne etwas näher (149 Mio km) und mal etwas weiter (152 Mio km) steht.
    Somit erscheint sie uns leicht größer bei nahem Abstand und etwas kleiner bei fernem Abstand.
    Der Mond tut das ebenso. Er bewegt sich elliptisch um die Erde. Auch er erscheint uns bei größerer Entfernung etwas kleiner und bei Erdnähe etwas größer.
    Nun überlegen wir uns die Kombination dieser Tatsachen.
    Ist die Sonne eher fern von uns, also kleiner, und der Mond eher nahe bei uns, also größer, kann er ganz wunderbar die Sonnenscheibe abdecken. Eine totale Sonnenfinsternis findet statt.
    Ist die Sonne erdnah und der Mond erdfern, vermag der perspektivisch kleinere Mond es nicht, die ganze Sonnenscheibe zu verdecken. Er erzeugt lediglich ein Loch in der Sonnenscheibe. Eine ringförmige Finsternis ist entstanden.
  3. Ich schrieb oben über die Tatsache mit der leicht gekippten Mondbahn. So kommt es vor, dass der Mond etwas oberhalb oder unterhalb der Sonne steht. Auch hier vermag er nicht, die ganze Scheibe abzudecken. Er beißt nur quasi ein Stück ab, wie man das ungefähr vom Logo des Apfels her kennt. Das ist dann eine partielle Finsternis. Und so eine dürfen wir am 10.06. erwarten.

Jede Sonnenfinsternis beginnt und endet als partielle Finsterniss. Ob sie dann totalitär oder ringförmig im Kern wird, hängt, wie beschrieben von den Abständen, Erde, Sonne Mond, ab.
Kurz vor der totalen Bedeckung bei einer totalen Finsternis tritt ein Phänomen auf, das man Perlenkette nennt. Der Mond als Scheibe gedacht ist etwas leicht ausgefranst, weil er ja auch Berge und Täler hat und nicht Rund, wie ein Kreis ist.
Das bedeutet, dass zwischen den Bergen am Rand der Mondscheibe kurz vor der totalen Bedeckung der Sonne perlenartig noch die Sonne durchscheinen kann, bis sich dann der ganze Mond davor schiebt.

Wo die Finsternisse Stattfinden hängt vom Jahreslauf und der Kipprichtung der Erdachse und dem Zeitpunkt, bei dem Neumond beginnt ab. Das ist ohne Simulation kaum zu erklären.

Auch ich habe viele Jahre nicht wirklich verstanden, wieso Finsternisse so verlaufen, wie sie es eben tun.
Sie verlaufen in der Regel von West nach Ost. Lange dachte ich, es wäre umgekehrt. Man kann das nur verstehen, wenn man sich mathematisch die Geschwindigkeiten von Erde und Mond betrachtet. Ich hänge diese Herleitung als Anhang ganz unten für interessierte Mathe-Nerds hier dran.

Finstere Geschichten

Nun waren die Astronomen stets daran interessiert, vorher zu wissen, wann eine Finsternis ins Haus steht. Wurden sie doch häufig mit Unglück und Verderben in Verbindung gebracht. In alter Zeit wurden die beiden chinesischen Hofastronomen, Hi und Ho, geköpft, weil sie vergaßen, eine Finsternis vorauszusagen. Somit konnten die Menschen nicht rechtzeitig mit Trommeln und Geschrei den Himmelsdrachen vertreiben, der von Zeit zu Zeit die Sonne zu verschlucken, bzw. sie mit seinem Schwanz einzufangen versuchte.
Dass die Sonne wenige Minuten später wieder voll am Himmel stand, half den beiden leider auch nicht mehr.

Geschichten werden um so besser, desto öfter sie erzählt werden. Aus diesem Grunde sind in der Bibel beschriebene Finsternisse, z. B. beim Propheten Amos dann plötzlich stundenlang. Auch zeitlich passen die Beschreibungen nicht immer zu den tatsächlich stattgefundenen Finsternissen. Oft werden sie mit der Zeit günstig hin zu einer Regierungszeit eines bestimmten Imperators oder Königs verschoben, oder mit einem Unglück, z. B. einer Epidemie oder einem Krieg in Verbindung gebracht.

Ein Krieg zwischen den beiden Völkern der Meder und Lüder wurde durch die Sonnenfinsternis vom 28. Mai 585 v.Chr. angeblich beendet, und zwar aus Angst, die Götter zürnten ihnen, da die Sonnenfinsternis direkt in das Kampfgetümmel fiel.

Nicht zuletzt fanden Finsternisse sogar in die Literatur hinein. Dazu darf ich euch meinen Artikel “Finsternisse in der Literatur” wärmstens empfehlen. Ihr glaubt ja gar nicht, welchen Autoren ihr dort begegnen werdet. Außerdem findet ihr dort die wohl schönste und eindrucksvollste Beschreibung einer Sonnenfinsternis, die wahrscheinlich je im deutschsprachigen Raum niedergeschrieben wurde.

Finsternisse können letztlich auch Lebensretter sein. Dazu empfehle ich meinen Artikel “Eine Mondfinsternis als Lebensretterin”.

Wann geschehen sie und wieviele?

Tatsächlich geschehen Finsternisse nicht einfach zufällig. Die Astronomen fanden mehr als eine Regelmäßigkeit bei der Durchsicht alter historischer Finsternisse.
Eine heute ganz verbreitete Regelmäßigkeit ist der Saros-Zyklus.
Betrachtet man eine Sonnen- oder Mondfinsternis, so sagt dieser Zyklus eine weitere Finsternis in 18 Jahren und 11 Tagen voraus. Es gibt natürlich öfter welche, denn verschiedene Zyklen laufen parallel und gleichzeitig ab. Es gibt Jahre mit keiner und maximal Jahre mit bis zu fünf Finsternissen, wobei in diesem Falle nicht alles Sonnenfinsternisse oder Mondfinsternisse sein können. Außerdem ist auch nicht jede Reihenfolge, wie Sonnen- und Mondfinsternisse innerhalb eines Jahres aufeinander folgen, möglich.
Wie funktioniert dieser Saros-Zyklus?

Hierfür müssen wir erst einmal definieren, was ein Monat überhaupt ist.

  • Die älteste Definition eines Monat ist die Zeitspanne zwischen einem und dem darauf folgenden Neumond. Das sind grob vier Wochen. Diesen Mond nennt man den synodischen Monat.
  • Eine weitere Definition erhält man, indem man den Umlauf des Mondes vor dem Sternenhintergrund betrachtet. Man nimmt sich einen Stern und definiert den Monat als die Zeit, bis der Mond wieder auf den Stern zeigt. Diesen Monat nennt man den Siderischen Monat. Er ist zeitlich etwas unterschiedlich zu unserem gewohnten Synodischen Monat.
  • Eine dritte Definition hängt mit der gekippten Mondbahn zur Ekliptik zusammen.
    Die Knotenpunkte, Schnittpunkte der Mondbahn mit der Ekliptik, haben wir schon erwähnt.
    Durchsticht der Mond von unten her kommend an einem Knotenpunkt die Ekliptik, spricht man von einem aufsteigenden Mond, denn er bewegt sich jetzt etwas oberhalb der Erdbahn, bis er am anderen Knotenpunkt die Ekliptik wieder durchsticht, um seine Bahn unterhalb der Erdbahn bis zum anderen Knotenpunkt zu vollenden.
    In Anlehnung an obige Geschichte mit dem Drachen, nennt man diesen Umlauf den Drakonitischen Monat.

Wer aufmerksam gelesen hat, dem fällt sofort ein, dass ich vom Zusammenhang der Finsternisse mit den Knotenpunkten sprach. Das riecht doch förmlich danach, dass man den Drakonitischen Monat mit in die Voraussage von Finsternissen einbeziehen muss.
Außerdem sprach ich davon, dass Sonnenfinsternisse nur bei Neumond und Mondfinsternisse nur bei Vollmond stattfinden. Dieses wiederum schmeckt nach Synodischem Monat.
Wenn beides gegeben ist, sowohl Neumond, als auch Mond auf dem Knotenpunkt, dann findet eine Sf statt.
Das gleiche gilt auch für gleichzeitigen Vollmond und Mond auf Knotenpunkt istgleich Mondfinsternis.

Nehmen wir nun als Startpunkt eine beliebige Sonnenfinsternis und lassen wir den Mond seine Bahn ziehen. Drakonitischer Monat und Synodischer Monat sind nicht gleich lang. Das bedeutet, dass der eine immer etwas früher zu Ende geht, als der andere. Diese Lücke wird zunächst immer größer, bis sie dann von hinten her gesehen wieder kleiner wird und beide Monatsanfänge wieder einmal zusammenfallen.
Wäre der eine Monat genau doppelt so lange, als der andere, würde dies alle zwei Monate geschehen. So kann man sich alle möglichen Zahlenverhältnisse 1/2, 1/4, 3/4 etc. vorstellen.
So einfach macht es uns die Natur nicht. Der Längenunterschied ist ein ganz unschöner Bruch mit vielen Nachkommastellen.
Es müssen 12 * 18 Monate und 11 Tage vergehen, bis wieder beide zu einer Sonnenfinsternis nötigen Bedingungen zusammentreffen.
Alle anderen Finsternisse dazwischen gehören nicht zu unserem beobachteten Zyklus.

Finsternisse als Klang

Wann Sonnenfinsternisse auftreten und wann es sich um normale Neumonde handelt, kann man sich akustisch vielleicht so vorstellen:

Jeder weiß, dass Kirchenglocken sehr chaotisch und unregelmäßig durcheinander klingen. Das liegt daran, dass die großen Glocken langsamer in ihrem Turm schwingen, als das kleine Betzeit-Glöckchen, das ganz aufgeregt auch noch mitbimmeln darf.
Manchmal hört man auch, dass zwei Glocken ab und zu gleichzeitig erklingen, um dann wieder auseinander zu driften.
Im Grunde genommen ist das genau, wie mit den unterschiedlichen Monatslängen, die mehr und mehr auseinander driften, um irgendwann mal wieder für eine Finsternis zusammen zu kommen, gemeinsam zu erklingen, Wer noch die alten Wecker mit Federwerk kennt, konnte das auch erleben.
Ich war stets fasziniert, wie die beiden Wecker meiner Eltern gegeneinander tickten, wie der Abstand zwischen ihnen immer größer wurde, dann wieder kleiner und schließlich hatten die Wecker immer wieder mal ein oder zwei aufeinander folgende Ticks gemeinsam, um sich dann wieder voneinander zu entfernen.

Was passiert also morgen am Himmel über Deutschland

Am 10. Juni 2021 findet eine Sonnenfinsternis statt, die auch aus Deutschland zu sehen ist. Allerdings kann man hierzulande nicht die spektakuläre ringförmige Sonnenfinsternis sehen, die hoch oben im Norden am Himmel bewundert werden kann. Im Gegenteil. Wer nicht weiß, dass gerade eine Sonnenfinsternis (Sofi) stattfindet, wird mit bloßem Auge nichts bemerken.
Doch mit einer geeigneten Ausrüstung kann man das Himmels-Phänomen beobachten und genießen. Ohne bitte nicht versuchen. Das kann zur Erblindung führen.

Die Sonnenfinsternis kann am 10. Juni 2021 hauptsächlich in der nördlichen Polarregion beobachtet werden. In Teilen Kanadas, Grönlands und über dem Nordpol ist die ringförmige Finsternis zu sehen, auch Teile Russlands liegen in der Zone der ringförmigen Sonnenfinsternis. Je weiter südlich man sich beim Blick zum Himmel befindet, desto geringer wird die Bedeckung der Sonne. In Deutschland kann man – ganz im Norden, auf der Insel Sylt – maximal eine Sonnenbedeckung von 21,3 Prozent sehen, bereits in München ist der Prozentsatz der Bedeckung nur noch einstellig (6,3 Prozent).
Hier kommt ein kleiner Fahrplan, was wann zu sehen sein wird.

Ort Bedeckung Zeit Maximale Bedeckung
List (auf Sylt) 21,3 Prozent 11.25-13.43 Uhr 12.33 Uhr
Hamburg 17,3 Prozent 11.28-13.41 Uhr 12.33 Uhr
Berlin 13,4 Prozent 11.36-13.43 Uhr 12.38 Uhr
Frankfurt 11,3 Prozent 11.27-13.27 Uhr 12.25 Uhr
München 6,3 Prozent 11.37-13.22 Uhr 12.28 Uhr

Um die Sonnenfinsternis am 10. Juni 2021 zu beobachten, benötigt man zwingend eine geeignete Schutzausrüstung. Ein Blick in die Sonne ohne passenden Schutzfilter ist gefährlich – Augenschäden bis hin zur Erblindung drohen. Eine Sonnenfinsternisbrille ist die Mindestausstattung für die sichere Beobachtung einer Sonnenfinsternis.

Wer zur Beobachtung der Sonne weitere Hilfsmittel wie ein Fernglas oder Teleskop nutzt, muss eine spezielle Filterfolie vor der Öffnung des Geräts anbringen, oder die Sonne auf einen weißen Schirm projezieren. Da die Vergrößerung auch die Strahlenintensität verstärkt, genügt eine Sonnenfinsternisbrille auf der Nase in diesem Fall nicht. Man kann die Sonne auch durch eine Lochkamera auf einen Schirm werfen. Manchmal hat man beispielsweise unter Bäumen Glück, und es entstehen auf dem Boden durch die Blätter hindurch kleine Kopien der Sonnenscheibe. Vielleicht kann man auch mit dieser Methode kleine vom Mond abgebissene Sönnchen erspähen.

Wann ist die nächste Sonnenfinsternis in Deutschland zu sehen?

Nach der partiellen Sonnenfinsternis vom 10. Juni 2021 kann man in Deutschland in den kommenden Jahren mit mehreren Sonnenfinsternissen rechnen:

  • 25. Oktober 2022: Partielle Sonnenfinsternis (22,9 Prozent Bedeckung in Frankfurt)
  • 29. März 2025: Partielle Sonnenfinsternis (sehr geringe Bedeckung – maximal 25 Prozent auf Sylt)
  • 12. August 2026: Totale Sonnenfinsternis in Spanien (88 Prozent Bedeckung in Frankfurt)
  • Erst diese Finsternis ist wieder richtig beeindruckend. Dann wird ein Großteil der Sonnenscheibe von Deutschland (88 Prozent in Frankfurt) aus bedeckt sein, in Teilen Spaniens kann man sogar eine totale Sonnenfinsternis sehen.

In Teilen Deutschlands konnte man dieses seltene Himmels-Spektakel einer totalen Sonnenfinsternis zuletzt am 11. August 1999 bewundern. Wer diese auch erlebt hat und mit mir etwas alten Erinnerungen nachhängen möchte, bitte hier lang. In meinem Buch habe ich dieser Finsternis ein ganzes Kapitel gewidmet. Wie ich die partielle Sonnenfinsternis von 2015 erlebte, könnt ihr hier nachlesen.
die nächste totale Sonnenfinsternis in Deutschland wird erst am 3. September 2081 zu sehen sein. Wenn es gut läuft, kann ich diese vielleicht noch sehr hoch betagt erleben.

Mathematischer Anhang

Da es in Worten sehr schwer ist, den Verlauf einer Sonnenfinsternis zu beschreiben, muss man sich hier, wie so oft, der Mathematik bedienen.
Im Vorfeld zur Sofi von 2015 beantworteten zwei Freunde, die bis heute hier mitlesen mir die Frage nach dem Verlauf, indem sie mir die Mathematik dazu erklärten. Erst danach habe ich das wirklich verstanden.
Hier nun die beiden Ansätze:

  1. Martins Ansatz:
    Betrachtet man nur die Umlaufraten:

    Sonne 360 Grad in 365 Tagen = 0.041 Grad pro Stunde (bezogen auf Himmelshintergrund) 

    Mond 360 Grad in 29 Tagen = 0.54 Grad pro Stunde  (bezogen auf Himmelshintergrund)

    Erde 360 Grad in 24 Stunden = 15 Grad pro Stunde  (bezogen auf Himmelshintergrund; eigentlich 23h56m)

    Da gewinnt die Erde ganz klar das Rennen und der Schatten sollte sich tatsächlich von Ost nach West bewegen. 

    Das wäre aber nur der Fall, wenn der Mond plötlich auf seiner Bahn eingefroren wäre.
    Die Sichtweise / der Standpunkt dieser Betrachtung ist aber irreführend.

    Ein Mensch am Äquator bewegt sich mit ca. 40.000 km / 24 Stunden = 1666 Kilometern pro Stunde von Ost nach West.

    Der Schatten des Mondes bewegt sich in einer Stunde etwas mehr als der Monddurchmesser ca. 3500 Kilometer pro Stunde von West nach Ost. (Etwas mehr, da man eigentlich den überstrichenen Winkel von Sonne-Mond betrachten müsste. Das ist quasi wie ein optisches Hebelgesetz. Je näher der Mond an der Sonne wäre umso größer wäre sein Schatten und umso schneller wäre der Schatten. Da aber dieser Winkel ziemlich klein ist, kann man vereinfachen) Auf jeden Fall ist die Untergrenze der „Schattengeschwindigkeit“ ca. 3500 Kilometer pro Stunde.

    Also bewegt sich der Schatten mit mindestens ca. 1800  (3500 – 1700) Kilometern pro Stunde von West nach Ost. Im hohen Norden und Süden müsste der Schatten noch schneller sein. Habe aber noch nix gefunden, ob das wirklich so ist.

  2. Sebastians Ansatz:
    Vorweg: Ich wollte mir selbst die Lösung überlegen, und habe mir daher den Weg von Martin nicht angeschaut- ich sehe aber, dass wir am Ende auf das gleiche Ergebnis kommen. Sollte also ungefähr passen.

    Halten wir den Moment fest, an dem der Mond zwischen Sonne und Erde steht, und der Kernschatten genau auf mittig auf der Erde liegt, und nehmen den Planeten Erde als Bezugssystem für Geschwindigkeit 0km/h.
    Die Erde hat am Äquator ca. 12’720km Durchmesser, damit ist der Umfang ca. 40’000km, und die Oberflächengeschwindigkeit durch Rotation beträgt (vereinfacht auf die Sonne bezogen und nicht sidirisch) ca. v_E=1’666km/h.
    Der Mond hat einen mittleren Abstand von d_M=384’400km, also eine ungefähre Umlaufbahn von 2’415’256km und eine Umlaufzeit von 27.3d, also bewegt er sich ungefähr mit v_M=3’686km/h in die gleiche Richtung wie die Erde darunter. (Hat natürlich eine viel größere Kreisbahn und überholt deshalb nachts nicht die Erdrotation…)
    Die Erde selbst hat einen Abstand von ca. d_S=149’600’000km von der Sonne, also einen Umkreis von ca. 939’965’000km in 365.25 Tagen, bewegt sich also mit 107’228km/h entgegen der Oberflächengeschwindigkeit oben. Da die Erde als 0km/h gewählt ist, bewegt sich also die Sonne scheinbar mit v_S=107’228km/h in Richtung der betrachteten Oberflächengeschwindigkeit der Erde.

    Die Geschwindigkeiten von Sonne und Mond superponieren sich, d.h. wir können einzeln die Anteile auf die Kernschattengeschwindigkeit berechnen.

    Nach dem Strahlensatz ist die Geschwindigkeit durch die scheinbare Sonnenbewegung v1=(d_M/d_S)*v_S~276km/h.
    Nach dem Strahlensatz ist die Geschwindigkeit durch die Mondbewegung v2=d_S/(d_S-d_M)*v_M~3’695km/h.

    Da sich Mond und Sonne in die gleiche Richtung bewegen, ist die resultierende Geschwindigkeit des Kernschattens zur Erde v=v2-v1~3’419km/h.

    Abzüglich der Geschwindigkeit der mitdrehenden Erdoberfläche erhalten wir in diesem Moment am Äquator die Schattengeschwindigkeit von ca. 1’753km/h. Auf jeden Fall überholt der Schatten die Erdrotation, und damit geht der Schatten tendentiell von Westen nach Osten.

    Natürlich wird der Schatten an den Rändern über der Erdoberfläche “viel schneller”- schon alleine wegen der schrägen Projektion und nach Norden und Süden ist die Oberflächengeschwindigkeit geringer. Und da die Bahnen nicht alle in der gleichen Ebene liegen, verläuft der Schatten auch schräg und alles mögliche. Es kann im Extremfall für einen Punkt auf der Erde der Schatten z.B. von Norden oder Süden kommen- der Schatten ist ja nicht ein “Punkt”, sondern die Fläche kann sich bei diesen Kurven auch “reindrehen”, und so scheinbar komplett von Norden oder Süden kommen.

    Wenn ich mich nicht verrechnet habe, so ist der Anteil durch die Planetenbewegung v_S nicht sehr ausschlaggebend, und die Beschleunigung der Mondgeschwindigkeit durch die Hebelwirkung durch den Abstand sehr gering, da die Sonne so viel weiter weg ist als der Mond von der Erde.

    Die jeweiligen Richtungen der Erde, Mond und Rotationen musste ich nachschlagen, ich hoffe, dass ich da nichts verwechselt habe.

Vielen Dank euch beiden nochmal für diese erhellenden mathematischen Überlegungen.

Die Reise zu den Schwarzen Löchern, Station 6, – das Licht


Seid herzlich gegrüßt,

Unsere Reise führt uns heute zu dem Stoff, in dem wir täglich baden, dem Licht. Es wird, wie versprochen, eine spannende Reise mit vielen Geschichten werden. Licht ist nämlich so etwas seltsames, dass es durchaus wert ist, wenn wir auf unserer Reise an dieser Station etwas verharren, um uns die Eigenschaften des Lichts etwas genauer zu betrachten. Nicht alles, was wir heute behandeln werden, wird später für die schwarzen Löcher gleich wichtig sein, aber das Licht, ihr werdet es erleben, kann sogar blinde Menschen begeistern.

Bis in die Neuzeit hinein war nicht klar, was das Licht ist. Und das ist nicht verwunderlich, denn selbst heute ist es nicht einfach verständlich, dass Licht etwas verschiedenes gleichzeitig sein kann und dazu noch eine konstante Geschwindigkeit besitzt. Es kann, aber alles der Reihe nach.

Licht in der Antike

Schon der alte Platon mit seinem Höhlengleichniss und Pythagoras, den wir von unseren rechtwinkligen Dreiecken her in der Schule kennengelernt haben, machten sich so ihre Vorstellungen, was das Licht denn sei.
Sie dachten, Licht würde quasi in unseren Augen produziert. Dieses Licht würde die Augen sozusagen als Sehstrahlen verlassen. Diese nun würden von den Objekten reflektiert, was wir dann wiederum mit unseren Augen sehen und erkennen könnten.
Der Haupthaken an dieser Vorstellung ist, dass wenn dem so wäre, dann sollten wir auch nachts sehen können, weil wir ja unser Licht selbst produzieren. Heron von Alexandria (um 100) teilte diese Vorstellung. Er dachte außerdem, dass das Licht unendlich schnell sein müsse, weil wir sobald wir die Augen öffnen, sofort und unmittelbar entfernte Objekte, wie die Sterne sehen könnten.

Ein anderer Grieche Namens Empedokles (c. 490-430 v.Chr.) gilt als Erster, der für das Licht eine endliche Geschwindigkeit vermutet hat.
Wie er zu dieser Vorstellung kam, konnte ich leider gerade nicht ausfindig machen.
Es setzte sich die Meinung von Aristoteles, dem vielleicht prägensten griechischen Philosophen durch. Er mutmaßte, dass das Licht von der bloßen Anwesenheit von Objekten herkomme und nicht in Bewegung sei oder sich so schnell bewege, dass dessen Geschwindigkeit außerhalb der menschlichen Vorstellungskraft läge. Dieser Aristoteles sollte uns mit seinen Ansichten bis zum Ende des Mittelalters begleiten.
Die beiden aus dem arabischen Raum stammenden Männer, Avicenna und Alhazen (um 1000) wiederum glaubten an eine endliche Geschwindigkeit des Lichts. Auch von den beiden weiß ich nicht, wie sie zu dieser Überzeugung gelangten.

Eine durch viele Jahrtausende bestehende Vorstellung geht davon aus, dass Licht sofort überall gleichzeitig anwesend ist, sobald es erzeugt wird. In unserem Alltag erleben wir das auch so. Schalten wir Licht ein, dann ist es für uns gleichzeitig sofort und unmittelbar im ganzen Raum hell.

Erste Lichtversuche der Neuzeit

Galileo Galilei versuchte als einer der ersten, die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichts ernsthaft zu messen, jedoch ohne Erfolg. Dafür waren die ihm zur Verfügung stehenden Mittel viel zu grob. Dies gelang erst dem Astronomen Ole Rømer

Im Jahr 1676 stellte Ole Rømer, fest, dass die Zeiten zu welchen der Mond IO seinen Planeten, Jupiter, verdeckt, je nach der Position der Erde zum Jupiter bis zu mehreren Minuten variiert.
Daraus schloss er, dass das Licht eine endliche Geschwindigkeit haben muss, wenn die Verzögerungen vom Abstand zwischen Jupiter und der Erde abhängig sind.,
Der von Roemer ermittelte Wert für die Geschwindigkeit des Lichtes wich nur um 30 % vom tatsächlichen Wert ab.
Rømers Messwert wurde im Laufe der folgenden 200 Jahre durch immer raffiniertere Verfahren (vor allem durch Hippolyte Fizeau und Léon Foucault) mehr und mehr präzisiert. Die Natur des Lichts blieb jedoch weiter ungeklärt.

Licht als Teilchenstrom

Auch unser alter Bekannte Isaac Newton erforschte das Licht.
Um 1670 stellte Newton den entscheidenden Versuch mit einem Prisma
an, also mit einem dreikantig geschliffenen Stück Glas,
Er beschreibt in seinem im Jahre 1704 erschienenen Buch über Optik:

»Ich habe in meinem verdunkelten Zimmer Licht durch ein kleines Loch im Fensterladen gelassen. In etwa zehn oder
zwölf Fuß setzte ich eine Linse, die das Bild des Loches scharf auf ein weißes Papierblatt in Abständen von sechs, acht, zehn oder zwölf Fuß Abstand von der Linse warf, je nach der Art der Linse, die ich benutzte. Unmittelbar hinter die Linse setzte ich dann ein Prisma mit der Kante nach unten, welches das Licht nach oben ablenkte.«

Newton beobachtete nun statt eines Lichtpunktes einen Streifen. Er bestand aus unzählig vielen kreisförmigen sich gegenseitig überdeckenden Bildern des Loches, die alle verschiedene Farben hatten. Am oberen Ende leuchtete
der Streifen violett, am unteren rot. Das wurde noch deutlicher, als er eine Öffnung im Fensterladen mit einem Stück Pappe abdeckte, in das er einen zur Prismenkante parallelen Spalt geschnitten hatte. Nun lagen verschiedenfarbige Bilder des Spaltes nebeneinander und überdeckten sich gegenseitig. Das Prisma hatte das weiße Sonnenlicht in die Farben des Regenbogens aufgelöst.
Newtons buntes Band, in dem die vom Prisma erzeugten verschiedenfarbigen Bilder des schmalen Spaltes nebeneinander liegen, nennt man das Spektrum. Die Astronomen haben inzwischen gelernt, aus ihm nicht nur die Temperatur der strahlenden Sonnenoberfläche abzulesen, sondern auch ihre Geschwindigkeit, ihre chemische Beschaffenheit, ja sogar die Stärke und Richtung von Magnetfeldern, die für unser Auge unsichtbar sind. Doch davon ahnte Newton natürlich noch
nichts.
Um die Natur des Sonnenlichtes weiter zu ergründen, nahm er ein zweites Prisma, setzte es umgekehrt, also mit der Kante nach oben in den aufgefächerten Strahl. Das zweite Prisma vereinigte die einzelnen bunten Teilstrahlen wieder zu einem einzigen. Das Licht auf dem Papierblatt war wieder weiß.
Aus diesem Experiment, in dem er weißes Licht in verschiedene Farben zerlegte, die er wieder zu weißem Licht zusammensetzen konnte schloss er, dass das weiße Licht aus verschiedenfarbigen Bestandteilen zusammengesetzt ist. Die so von Newton entwickelten Ideen von der Natur des Lichtes gaben ihm die Mittel in die Hand, die Farben des Regenbogens zu erklären. In winzigen Wassertropfen wird Licht an ihrer Rückwand zurückgespiegelt. Dabei muß das Licht zweimal schräg durch die Oberfläche der Flüssigkeit, die wie ein Prisma wirkt.
Newton glaubte, das Licht bestünde aus zahlreichen kleinen, verschiedenfarbigen Teilchen, die mit großer Geschwindigkeit von einer Lichtquelle ausgehen, etwa von der Sonne. In ihrer Gesamtheit erscheinen sie unserem Auge weiß. Das Prisma aber kann sie ihrer Farbe nach trennen. Es lenkt die violetten Lichtkügelchen stärker aus ihrer ursprünglichen Bahn als die roten. Wenn sie aber durch ein zweites Prisma, diesmal Kante nach oben, wieder zusammengebracht werden, erscheinen sie uns wieder weiß.

Goethes Zweifel

Kein Geringerer als Johann Wolfgang von Goethe zweifelte um 100 Jahre danach Newtons Teilchenmodell des Lichtes an.
Es gibt dazu folgende kleine Geschichte:

Goethe hat sich von einem Professor in Jena einige Prismen ausgeliehen, mit denen er gelegentlich experimentieren will. Er vergisst sie in seiner Schublade. Der Professor mahnt und schickt schließlich einen
Boten. Goethe händigt die geschliffenen Gläslein ohne zögern aus. Im letzten Moment jedoch, buchstäblich zwischen Tür und Angel, nimmt er ein Prisma in die Hand … Rasch richtet er das Prisma gegen die Wand … Und siehe da: kein buntes Farbenspiel ergibt sich! Er sieht nur weiß vor der weißen Wand. Wie ein Blitz kommt ihm die Erleuchtung: Newtons Theorie ist falsch.

Doch das Bild von den Lichtteilchen kann nicht alle Eigenschaften des Lichtes erklären. Ehe wir aber dazu kommen, wollen wir uns mit dem Licht befassen, das Newton nicht sah.

Unsichtbares Licht

Das Spektrum, das Newton durch seinen Schlitz im Fensterladen und mit Hilfe von Linse und Prisma erhalten hatte, enthielt mehr, als er ahnen konnte. Das bewies ein ursprünglich aus Hannover stammender englischer Astronom. William Herschel, der damals bereits durch seine Entdeckung des Planeten Uranus weltberühmt war, betrachtete oft die Sonne mit seinem Fernrohr, an das er am Okularende Farbfilter angebracht hatte, die seine Augen vor der starken Sonnenstrahlung schützen sollten. Dabei fiel ihm auf, dass er bei Filtern, die kaum Licht durchließen, oft im Augapfel ein deutliches Wärmegefühl hatte, und er vermutete daher, daß die Wärmestrahlung der Sonne nicht mit dem sichtbaren Licht zuuns kommt, sondern in irgendeiner dem Auge unsichtbaren Form. Den Beweis führte er mit einem Experiment, das sich eng an das Newtonsche anschloss. Er ließ Sonnenlicht in einem verdunkelten Raum durch ein Prisma auf einen Papierstreifen fallen

An das rote Ende des Spektrums, aber außerhalb des Bereiches, in dem man das in Farben zerlegte Sonnenlicht sehen kann, legte er drei Thermometer auf den Tisch. Dort, wo unser Auge kein Licht mehr wahrnimmt, zeigten die Messgeräte erhöhte Temperaturen an. Herschel hatte die Strahlen der Sonne entdeckt, die jenseits des roten Lichtes im Spektrum liegen, das infrarote Licht.Angeregt durch diese Entdeckung setzte der deutsche Physiker johann Wilhelm Ritter (1776-1810) Silberchlorid verschiedenen Bereichen des Sonnenspektrums aus. Diese Verbindung des Silbers wird durch Licht verändert, deshalb verwendete man sie vor den Digitalkameras ebenso wie Silberbromid in der Fotografie. In Brillengläsern, die sich automatisch der Helligkeit anpassen, werden diese Chemikalien ebenfalls eingesetzt.
Ritter fand, dass die stärksten chemischen Reaktionen jenseits des violetten Endes des Spektrums auftraten. So entdeckte er die Ultraviolettstrahlung der Sonne.
Herschel und Ritter hatten für das Auge unsichtbare Sonnenstrahlen gefunden, die das Newtonsche Spektrum sowohl über das rote als auch über das violette Ende hinaus fortsetzten. Heute wissen wir, dass man das Spektrum nach beiden Seiten hin noch viel weiter ausdehnen kann.
Nach dem infraroten Licht kommen die Radiowellen. Nach der anderen Seite des Spektrums, jenseits des violetten Endes liegen hinter dem Ultraviolett noch die Röntgenstrahlen und schließlich die sogenannten Gammastrahlen. Die Sonne sendet alle diese Strahlenarten in den Raum,

Die Frage, was aber das Licht nun eigentlich ist, Teilchen, Welle oder was anderes, war danach noch immer nicht geklärt.

Teilchen, Welle oder beides?

Ungefähr zur gleichen Zeit begründeten Christiaan Huygens und andere die Wellentheorie des Lichts, die sich aber erst Anfang des 19. Jahrhunderts nach den Doppelspalt­experimenten von Thomas Young zunehmend durchsetzte.
Lässt man Licht durch sehr enge Öffnungen fallen, wird es dahinter abgelenkt. Die verschiedenen Lichtzüge hinter den Spalten überlagern sich. Man sieht auf einem sich hinter so einer Spaltenanordnung angebrachten Schirm Stellen, wo das Licht heller ist und andere, die ganz dunkel sind. Diese sog. Interferenzen lassen sich mit Newtons Teilchenmodell nicht erklären. Legt man aber zugrunde, dass das Licht aus Wellen unterschiedlicher Wellenlängen besteht, dann kann man sehr leicht die Analogie zu sich überlagernden Wasserwellen herstellen. Treffen zwei Wellenberge verschiedener Wellenzüge aufeinander, so addieren sie sich zu einer höheren Welle. Trifft Wellenberg auf Wellental, so löschen die beiden Wellen sich an dieser Stelle aus.
Newtons Regenbogen lässt sich mit einem Wellenmodell, bei welchem die verschiedenen Farben des Lichts unterschiedlichen Wellenlängen zugeordnet werden gut erklären. Wer eine CD mit der bespielten Seite ins Licht hält, wird schöne bunte Muster erblicken, denn die Lichtwellen brechen sich unterschiedlich an den Bergen und Tälern der in die CD eingebrannten Daten. Ein Fraunhofer-Gitter ist eine Glasscheibe mit ganz vielen sehr eng nebeneinanderliegenden eingravierten Linien. Von so einem Gitter wird Licht ebenso in seine Farben aufgefächert, wie Newtons Prismen dies taten.
So weit, so gut. Eine Wasserwelle besteht aus Wasser. Wie ist aber das Medium beschaffen, aus welchem Lichtwellen bestehen oder welche Eigenschaften haben Newtons Lichtteilchen?

Weitere Seltsamkeiten

Aber noch weitere Seltsamkeiten des Lichts wurden gefunden, die unter einen “Hut” eines einheitlichen Lichtmodells vereinigt werden mussten, das dann alle Phänomene Welle, Teilchen, Lichtgeschwindigkeit etc. vereinigt.

Michael Faraday erbrachte 1846 als erster den Nachweis, dass Licht und Magnetismus zwei miteinander verbundene physikalische Phänomene sind. Er veröffentlichte den von ihm gefundenen magnetooptischen Effekt, der heute als Faraday-Effekt bezeichnet wird, unter dem Titel Über die Magnetisierung des Lichts und die Belichtung der Magnetkraftlinien.

James Clerk Maxwell formulierte 1864 die noch heute gültigen Grundgleichungen der Elektrodynamik und erkannte, dass dadurch die Existenz freier elektromagnetischer Wellen vorhergesagt wurde. Da deren vorhergesagte Ausbreitungsgeschwindigkeit mit der bekannten Lichtgeschwindigkeit übereinstimmte, schloss er, dass das Licht wohl eine elektromagnetische Welle sei. Er vermutete (wie damals nahezu alle Physiker), dass diese Welle nicht im leeren Raum existieren könne, sondern ein Ausbreitungsmedium brauche. Dieses Medium, das das gesamte Weltall ausfüllen müsste, wurde als Äther bezeichnet.

Gibt es den raum erfüllenden Äther?

1887 führten die beiden Amerikanischen Physiker Michelson und Morley einen Versuch durch, der das Grab des Äthers werden sollte.
Ausgangspunkt ihres Versuches war die Idee, dass wenn es einen Äther gäbe, sollte man in Bewegungsrichtung der Erde um sich selbst, vor allem aber um die Sonne, durch ihn hindurch eine Art Äther-Wind nachweisen können. Das ist dann vergleichbar mit einem Schiff, das durch das Wasser fährt.
Fährt ein Schiff gegen die Strömung, so subtrahieren sich die Geschwindigkeiten von Schiff und Wasser. Mit der Strömung ist es umgekehrt. Die Geschwindigkeiten addieren sich.
Das sollte mit in den Äther einfallendem Licht nicht anders sein.
Solch einen Effekt jedoch konnten die beiden Wissenschaftler nicht nachweisen. Das bedeutet, dass sich Licht mit konstanter Geschwindigkeit von 300.000 km/s durch den Raum, durch das Vakuum bewegt und dass das Vakuum letztlich nicht von einem Äther erfüllt ist.
Licht genügt das Vakuum als Medium. es benötigt keinen weiteren Stoff hierzu, wie der Schall die Luft.

Somit war zum einen bestätigt, dass Licht sich mit konstanter Lichtgeschwindigkeit im Vakuum bewegt und dass es keinen Stoff benötigt, um sich fortzupflanzen.
Durch diese Tatsache, dass es den Äther nicht gibt, war quasi die Türe zu Einsteins Relativitätstheorie, die auf unserer Reise noch wichtig werden wird, aufgestoßen.

Die Vereinigung der Phänomene

Dass unsere Solarzellen auf unseren Dächern funktionieren, dass unsere Sonnenbrillen sich bei Lichteinfall automatisch verdunkeln und dass Licht Fotos schwärzt, konnte aber noch immer nicht erklärt werden.
So entstand eine radikal neue Sichtweise des Lichts, die durch die Quantenhypothese von Max Planck und Albert Einstein begründet wurde. Kernpunkt dieser Hypothese ist der Welle-Teilchen-Dualismus, der das Licht nun nicht mehr ausschließlich als Welle oder ausschließlich als Teilchen beschreibt, sondern als Quantenobjekt. Als solches vereint es Eigenschaften von Welle und von Teilchen, ohne das eine oder das andere zu sein und entzieht sich somit unserer Vorstellung. Je nach dem, welche Frage man an das Licht in einem Experiment stellt, wird es eher als Welle oder eher als Teilchen antworten.

Abspann – Eine Höhlengeschichte

Im flackernden Licht der Fackel scheint es, als würden sich die Tiere an der Felswand bewegen. Stiere, nur mit wenigen Strichen aus schwarzer und roter Farbe hingeworfen, ohne naturalistische Details. Der namenlose Künstler hat die Unebenheiten der Felswand ausgenutzt. Eine Ausbuchtung hat er zum Bauch eines Tieres gemacht. Plötzlich wird mir
bewusst, dass jener Mensch über mehr als zwanzigtausend Jahre hinweg mich mit seiner Kunst bewegt, daß ich nachempfinden kann, was er meinte. Meine innerliche Bewegung wurde durch das ausgelöst, was ich sah.

Wir betrachten Bilder im Museum, freuen uns über das Schauspiel eines Sonnenaufganges über dem Meer, lieben den Anblick einer schönen Landschaft, denn wir Menschen können in der Regel sehen.
Licht fällt in unser Auge, wird in der Netzhaut von Nervenzellen registriert und vom Sehnerv an den Computer unseres Gehirns weitergegeben. Dort entsteht ein Bild, das wir in unserem Inneren empfinden.
Was ist blos dieses Licht, das uns diese Eindrücke vermittelt?
Wir wissen es jetzt ungefähr durch diesen Artikel.

Wir haben wesentliche Meilensteine zur Entschlüsselung dieses Rätsels erlebt.
Wir erinnern uns an die Sehstrahlen von Platon und anderen.
Noch heute benutzen wir Ausdrücke wie »ein Auge darauf werfen«. Der junge Mann, der auf ein Mädchen »nur ein Auge
wirft«, ist also im doppelten Sinn platonisch, einmal, was seine Vorstellung vom Sehen betrifft, zum anderen auch sonst. Es fällt uns schwer, Platon bei diesem Gedanken zu folgen – so großartig dieser Gelehrte
auch in anderen Bereichen gewesen sein mag.

Noch heute senden wir in den Äther, von dem wir wissen, dass es ihn nicht gibt.

Licht ist Welle und Teilchen zu gleich, je nach dem, welche Frage wir ihm stellen.

Naja, gibt es nicht oft auch in unserem Leben z. B. Menschen, die mal so oder so sind?

Dualismus ist ein Naturprinzip.

So, und damit geht unsere Reise durch die Geschichte des Lichtes zu Ende.
In Station sieben werden wir uns den Sternen zuwenden. Wir werden über ihr Leben und vor allem über ihr Lebensende sprechen. Dann sind wir auch schon ganz nah an unserer Endstation, den schwarzen Löchern dran.