Ein Tag ist nicht 24 Stunden

Unser System der Zeitangabe basiert auf der Prämisse, dass jeder Tag genau 24 Stunden lang ist - ganz genau, ohne Ausnahmen. Dieses Konzept ist vollständig in unserer Kultur verankert, einem Kernprinzip unserer modernen technologischen Gesellschaft. Gleichzeitig wird uns in der Schule beigebracht, dass ein Tag einer vollständigen Umdrehung der Erde um ihre Achse entspricht. Leider stimmen diese beiden Konzepte nicht ganz überein - und die Nichtübereinstimmung beträgt mehr als nur wenige Millisekunden. Tatsächlich beträgt die Nichtübereinstimmung jeden Tag mehrere Minuten. Da unser traditionelles Konzept eines „Tages“ tatsächlich durch den Zyklus von Sonnenlicht und Dunkelheit definiert wird - und nicht durch eine Umdrehung der Erde -, ist die Länge eines realen Tages nicht konsistent, sondern variiert im Laufe des Jahres etwas. Wir geben nur vor, dass alle Tage gleich lang sind - indem wir die Länge aller Tage im Jahr mitteln und diesen Durchschnitt dann als „Standardtag“ von genau 24 Stunden definieren.

Das ist keine schlechte Sache. Tatsächlich war es sehr hilfreich, unser Zeitsystem auf diese Weise zu definieren. Aber sobald Sie verstehen, warum dieses System nicht ganz mit der realen Welt übereinstimmt, können Sie beginnen, einige interessante Phänomene zu verstehen. Sie würden beispielsweise denken, dass sowohl der früheste Sonnenuntergang als auch der späteste Sonnenaufgang am kürzesten Tag des Jahres, dem ersten Wintertag, stattfinden würden. Dies ist jedoch überhaupt nicht der Fall.

Wenn unsere Definition eines Tages wirklich auf einer vollständigen Drehung der Erde um ihre Achse basieren würde - einer 360-Grad-Drehung - dann wäre ein Tag 23 Stunden, 56 Minuten und 4 Sekunden. Dies ist fast 4 Minuten kürzer als unser 24-Stunden-Standardtag. Unser Konzept eines „Tages“ basiert jedoch seit langem auf dem natürlichen Zyklus des Sonnenlichts - einer Periode des Tageslichts, gefolgt von einer Periode ohne Tageslicht. Die Nichtübereinstimmung von fast 4 Minuten ist darauf zurückzuführen, dass sich die Erde zwischen einer Morgendämmerung und der nächsten um mehr als 360 Grad drehen muss. Wie Sie wissen, erfährt die Erde zwei gleichzeitige Bewegungen - sie dreht sich nicht nur um ihre Achse, sondern bewegt sich auch im Orbit um die Sonne. In einem Zeitraum von einem Tag bewegt sich die Erde ungefähr 1/365 des Weges um die Sonne (weil es ungefähr 365 Tage dauert, um den ganzen Weg zu gehen, so definieren wir ein Jahr). Dieser tägliche Fortschritt in der Erdumlaufbahn beträgt fast genau einen Grad (definiert als 1/360 eines Kreises). Daher muss sich die Erde um einen zusätzlichen Grad drehen, um sich jeden Tag wieder mit der Sonne auszurichten. Das Ergebnis ist, dass ein vollständiger Zyklus von Sonnenlicht und Dunkelheit - eines Tages - eine Drehung von etwa 361 Grad und nicht von 360 Grad darstellt. Obwohl ein Jahr aus 365 und einem Viertel der Tage besteht, dreht sich die Erde tatsächlich 366 und ein Viertel des Jahres. Unter dem Gesichtspunkt von Sonnenaufgängen und Sonnenuntergängen wird jedes Jahr eine vollständige Drehung durch die Reise um die Sonne negiert.

Ein großartiger Tag

Eine andere Möglichkeit, diese Idee auszudrücken, besteht darin, dass die Länge eines Tages von unserem Bezugsrahmen abhängt. Aus traditionellen und logischen Gründen verwenden wir normalerweise die Sonne als Referenz, wenn wir einen Tag definieren. Wenn wir jedoch einen Tag als eine vollständige Drehung der Erde um ihre Achse definieren möchten, können wir die Sterne als Referenz verwenden. Indem wir die Positionen der Sterne am Himmel beobachten, können wir feststellen, wann die Erde genau eine Umdrehung vollendet hat. Wir nennen einen auf diese Weise definierten Tag einen Sternentag oder einen Sternentag. (Die beiden Begriffe haben leicht unterschiedliche Definitionen, aber nahezu identische Ergebnisse.)

An einem Sternentag steigt jeder Stern jeden Tag ungefähr zur gleichen Zeit auf. Genauer gesagt erreicht jeder Stern an jedem Sternentag zur gleichen Zeit seinen höchsten Punkt am Himmel. Dies liegt daran, dass zu Beginn und am Ende einer vollständigen Erdrotation jeder Punkt auf der Erde jetzt in die gleiche Richtung im Raum zeigt. (Mit anderen Worten, jeder Punkt auf der Erde zeigt jetzt in Bezug auf die anderen Sterne in unserer Galaxie in dieselbe Richtung.) Da ein Sternentag jedoch etwa 4 Minuten kürzer ist als ein traditioneller Sonnentag, bedeutet dies, dass jeder Stern etwa 4 Minuten aufsteigt jeden Tag Minuten früher. Wenn Sie beispielsweise das Sternbild Orion im Herbst und Winter gerne sehen, werden Sie feststellen, dass es jede Nacht etwas früher ansteigt. Wenn Sie jeden Abend genau um 23:00 Uhr ausgehen, um die Position des Orion zu notieren, werden Sie feststellen, dass die Konstellation am östlichen Himmel jede Nacht etwas höher ist als in der Nacht zuvor.

Im Gegensatz zu einem Sonnentag, dessen wahre Länge im Laufe des Jahres variiert, ist die Länge eines Sternentages ziemlich konstant - immer 23 Stunden, 56 Minuten und 4 Sekunden. Wenn Sie jedoch auf die Millisekunde (1/1000 Sekunde) genau sein möchten, müssen Sie verschiedene Arten von „Wackeln“ berücksichtigen, die die Richtung der Erdachse beeinflussen. (Das größte dieser Wackelbewegungen ist ein 26.000-jähriger Zyklus, der als axiale Präzession bezeichnet wird.) Sie müssen auch die sehr allmähliche Verlangsamung der Erddrehung berücksichtigen. (Eine vollständige Umdrehung dauert etwa 1,7 Millisekunden länger als vor einem Jahrhundert.)

Ein Sonnentag

Im Gegensatz zu einem Sternentag ist ein Sonnentag - ein vollständiger Zyklus aus Sonnenlicht und Dunkelheit - viel variabler in der Länge. Das Ausmaß der Variabilität hängt jedoch teilweise davon ab, wann Sie den Tag als Beginn betrachten. Sie können beispielsweise „einen neuen Tag“ als Beginn im Morgengrauen betrachten, wenn die Sonne aufgeht, oder Sie können den Tag als Ende betrachten, wenn die Sonne untergeht. In diesem Fall beginnt der nächste Tag bei Sonnenuntergang. (Einige prominente Religionen verwenden immer noch das letztere System.) Eine dritte Wahl ist zu sagen, dass der neue Tag genau in der Nacht beginnt - auf halbem Weg zwischen Sonnenuntergang und Sonnenaufgang. (Dieser Moment kann als „echte Mitternacht“ bezeichnet werden.) In jedem dieser Systeme variiert die Länge eines Tages im Laufe des Jahres, die durchschnittliche Länge beträgt jedoch 24 Stunden. Das Mitternachtssystem weist jedoch eine erheblich geringere Variabilität der Tageslänge auf als das Morgen- oder das Dämmerungssystem.

In unserem derzeitigen System der Standardzeit beginnt ein neuer Tag tatsächlich um Mitternacht - außer dass es nicht Mitternacht ist. An jedem Ort und an jedem Tag kann es je nach Standardzeit einen signifikanten Unterschied zwischen Mitternacht und Mitternacht geben. In den USA kann der Unterschied bis zu einer Stunde betragen - und in den Monaten der Sommerzeit kann der Unterschied sogar zwei Stunden betragen. Im äußersten Westen Chinas beträgt der Unterschied zwischen der Standardzeit und der tatsächlichen Zeit drei Stunden, da das gesamte Land in eine einzige Zeitzone eingeteilt wird.

Obwohl Sie die Länge eines echten Sonnentages als die Zeitspanne von einer wahren Mitternacht bis zur nächsten wahren Mitternacht betrachten können, besteht eine vernünftige Alternative darin, sie als die Zeitspanne von einem wahren Mittag bis zum nächsten wahren Mittag zu betrachten. An jedem Ort tritt der wahre Mittag genau in der Mitte zwischen Sonnenaufgang und Sonnenuntergang auf (unter der Annahme eines relativ flachen Horizonts ohne Berge). Es ist auch der Moment, in dem die Sonne an diesem Tag ihren höchsten Punkt am Himmel erreicht. In den gemäßigten nördlichen Regionen der Welt steht die Sonne gegen Mittag im Süden. In den südlichen gemäßigten Regionen der Welt steht die Sonne mittags genau nach Norden. In den Tropen - das heißt an jedem Ort auf der Welt, der südlich des Tropic of Cancer und nördlich des Tropic of Capricorn liegt - steht die Sonne je nach Tag des Jahres mittags entweder im Norden oder genau im Süden ist. Darüber hinaus steht die Sonne in den Tropen zweimal im Jahr mittags direkt über dem Kopf. Die genauen Daten dieses Phänomens variieren je nach Breitengrad des Ortes.

Variationen an einem Sonnentag

Wenn die Erdumlaufbahn um die Sonne perfekt kreisförmig wäre, wäre die Länge eines echten Sonnentages - die Zeit von einem wahren Mittag bis zum nächsten - das ganze Jahr über ziemlich konstant. Die Erdumlaufbahn ist jedoch tatsächlich eine Ellipse, obwohl sie ziemlich kreisförmig ist. Folglich variiert der Abstand zwischen Erde und Sonne im Laufe des Jahres um etwa 3% (ungefähr 3 Millionen Meilen). Die Geschwindigkeit, mit der sich die Erde um die Sonne bewegt, variiert im Laufe des Jahres ebenfalls um etwa 3% und ist am schnellsten, wenn die Erde der Sonne am nächsten ist. Die sich ändernde Entfernung und die sich ändernde Geschwindigkeit wirken sich beide auf die Länge eines echten Sonnentages aus - denn beide beeinflussen, um wie viel Grad sich die Erde zwischen zwei aufeinanderfolgenden Fällen echten Mittags an einem bestimmten Ort drehen muss. Die Länge eines echten Sonnentages Ende Dezember beträgt etwa 24 Stunden plus 30 Sekunden. Die Länge eines echten Sonnentages Mitte September beträgt etwa 24 Stunden minus 21 Sekunden. Somit variiert die Länge eines Sonnentages im Laufe des Jahres um fast eine Minute.

Obwohl dieser Effekt relativ gering ist, wenn Sie nur einen einzigen Tag betrachten, ist er ziemlich deutlich, wenn er über mehrere Monate akkumuliert wird. Stellen Sie sich vor, Sie haben zwei Uhren. Die erste Uhr, die einfach eine sehr genaue Sonnenuhr ist, zeigt die wahre Ortszeit, einschließlich des wahren Mittags. Die zweite Uhr ist elektrisch, aber anstatt gemäß der lokalen Zeitzone auf die Standardzeit eingestellt zu werden, wird sie auf die lokale Durchschnittszeit eingestellt. Mit anderen Worten, die elektrische Uhr geht davon aus, dass alle Tage genau 24 Stunden sind (das Wort „Mittelwert“ bedeutet Durchschnitt), aber dass die durchschnittliche Mittagszeit mit der lokalen wahren Mittagszeit übereinstimmen sollte, wie durch die Sonnenuhr angezeigt. Viermal im Jahr vereinbaren die beiden Uhren, wann es Mittag ist. Anfang Februar zeigt die elektrische Uhr jedoch volle 14 Minuten vor der Sonnenuhr Mittag an. Anfang November zeigt die elektrische Uhr 16 Minuten später als die Sonnenuhr Mittag an. Das ist ein ziemlich großer Unterschied!

Diese Nichtübereinstimmung ist der Grund, warum der früheste Sonnenuntergang und der späteste Sonnenaufgang des Jahres nicht am kürzesten Tag des Jahres - der Wintersonnenwende - auftreten, der am oder nahe dem 21. Dezember auf der Nordhalbkugel auftritt. (In der südlichen Hemisphäre ist der 21. Dezember der längste Tag des Jahres und damit der erste Tag des Sommers.) Wenn wir tatsächlich die wahre Sonnenzeit verwendet haben (im Gegensatz zur lokalen Durchschnittszeit oder zur Standardzeit), dann ist der späteste Sonnenaufgang und Der früheste Sonnenuntergang des Jahres würde tatsächlich zur Wintersonnenwende am ersten Wintertag eintreten.

Zeitzonen

Die Verwendung der tatsächlichen Sonnenzeit wurde aufgegeben, als mechanische Uhren es uns ermöglichten - oder vielleicht zwangen -, unabhängig vom tatsächlichen Sonnenstand eine Standardlänge von 24 Stunden pro Tag anzunehmen. So wurde die Sonnenzeit vor einigen Jahrhunderten durch die lokale Durchschnittszeit ersetzt. Aber wir verwenden natürlich auch keine lokale Durchschnittszeit mehr. Wenn wir das tun würden, müssten Sie Ihre Uhr immer dann einstellen, wenn Sie ein paar Meilen nach Osten oder Westen reisen. Seit den 1880er Jahren verlassen wir uns stattdessen auf die Standardzeit, basierend auf Zeitzonen. Die Idee ist, die Welt in 24 Nord-Süd-Streifen oder Zonen zu unterteilen. Innerhalb jeder Zone verwendet jeder die gleiche Zeit. Wenn Sie von einer Zone in eine andere wechseln, stellen Sie Ihre Uhren normalerweise um genau eine Stunde ein. Jede Zeitzone hat eine durchschnittliche Breite von 15 Längengraden (durch Teilen von 360 Grad in 24 gleiche Teile). Dies entspricht einer Breite von ungefähr 1000 Meilen am Äquator, aber die Zeitzonen werden immer enger, wenn Sie sich den Polen der Erde nähern.

Innerhalb jeder Zeitzone basiert die Standardzeit auf der lokalen Durchschnittszeit bei einem bestimmten Längengrad innerhalb der Zone. In der östlichen Zeitzone in Nordamerika basiert die Standardzeit beispielsweise auf 75 Grad westlicher Länge - der theoretischen Mittellinie für diese Zeitzone. Für jede Stadt oder Gemeinde mit derselben ungefähren Länge wie Philadelphia gibt es eine nahezu perfekte Übereinstimmung zwischen der lokalen Durchschnittszeit und der Standardzeit. Für eine Stadt mit einer Länge von etwa 80 Grad West wie Charleston (South Carolina) unterscheiden sich die Standardzeit und die lokale Durchschnittszeit jedoch um etwa 20 Minuten. In Indianapolis, das sich um 86 Grad westlicher Länge befindet, beträgt der Unterschied zwischen der Standardzeit und der lokalen Durchschnittszeit etwa 45 Minuten. Während des Sommers, wenn die Sommerzeit gültig ist, wird jedem Ort westlich der Mittellinie eine weitere Stunde Differenz hinzugefügt - obwohl für Orte östlich der Mittellinie (z. B. Boston) eine Stunde abgezogen wird. Das Ergebnis ist, dass sich im Sommer die Standardzeit und die lokale Durchschnittszeit in Indianapolis um fast zwei Stunden unterscheiden.

Indianapolis befand sich zusammen mit dem gesamten Bundesstaat Indiana in der zentralen Zeitzone. Aber jetzt liegt der größte Teil des Staates in der östlichen Zeitzone. Wenn Indianapolis immer noch die Zentralzeit verwendet, würden sich die Standardzeit und die lokale Durchschnittszeit nur um 15 Minuten anstatt um 45 Minuten unterscheiden. Das Problem ist, dass die Sonne im Durchschnitt bereits um 11:45 Uhr auf halber Höhe über dem Himmel steht. Anfang November stand die Sonne aufgrund des Unterschieds zwischen der mittleren und der tatsächlichen Sonnenzeit um 11:30 Uhr auf halber Höhe über dem Himmel. Daher würden Morgengrauen und Sonnenuntergang beide eine halbe Stunde früher als erwartet auftreten. Die meisten Menschen würden es vorziehen, die Sonne um 12:30 Uhr auf halber Höhe über dem Himmel zu haben, anstatt um 11:30 Uhr, damit Sonnenaufgang und Sonnenuntergang etwas später als erwartet sind. Ein ähnliches Problem betrifft jeden anderen Ort, der sich östlich der Mittellinie der entsprechenden Zeitzone befindet. Das Ergebnis ist, dass Politiker ständig versucht sind, die Zeitzonengrenzen nach Westen zu verschieben. Ein Großteil der Orte in den USA (aber sicherlich nicht alle) befindet sich jetzt westlich der Mittellinie für die entsprechende Zeitzone.

Das Analemma

Wie fast jeder weiß, geht die Sonne im Sommer höher am Himmel auf als im Winter. Angenommen, Sie leben auf der Nordhalbkugel, dann erreicht der Höhepunkt jeden Tag um 12.00 Uhr und der höchste Punkt des Jahres an der Sommersonnenwende (dem ersten Tag des Sommers) um den 21. Juni. Wenn Sie eine Kamera an einem montiert haben Die Plattform zeigt genau nach Süden, und Sie haben jeden Tag um 12.00 Uhr ein Bild von Himmel und Horizont gemacht. Dann würde die Sonne auf jedem Foto bis zum 21. Juni höher steigen und dann bis zum 21. Dezember jeden Tag tiefer sinken. Aber was wäre, wenn Sie nicht aufnehmen würden? das foto um mittag, hast du das foto mittags nach der uhr gemacht (ohne sommerzeit)? Während Sie durch die Fotos blätterten, ging die Sonne weiter auf und ab, aber sie bewegte sich auch leicht nach links und rechts, da zwischen der tatsächlichen Sonnenzeit und der mittleren Zeit bis zu 16 Minuten nicht übereinstimmten. Wenn Sie alle Bilder zu einem einzigen Foto kombinieren, sehen Sie eine 8 am Himmel. Wenn Sie die Fotos zu einer anderen Zeit als Mittag aufnehmen, neigt sich die Abbildung 8 zur Seite:

Analemma der Sonne, von György Soponyai

Möglicherweise haben Sie ein Diagramm mit derselben Form gesehen, das als Analemma bezeichnet wird und auf einem Globus gedruckt ist. Die Bedeutung ist im Wesentlichen dieselbe. Wenn Sie ein ganzes Jahr lang in exakten 24-Stunden-Intervallen einen Punkt auf den Globus zeichnen würden, der den Punkt auf der Erde angibt, an dem die Sonne direkt über Ihnen steht, würden Sie dieselbe Zahl 8 auf dem Globus erzeugen:

Jahreszeiten

Im Gegensatz zu den Erwartungen der Menschen auf der Nordhalbkugel ist die Annäherung der Erde an die Sonne (Perihel genannt) Anfang Januar. Die Intensität des Sonnenlichts, das auf die Erde fällt, ist Anfang Januar um 7% höher als Anfang Juli, wenn die Erde am weitesten von der Sonne entfernt ist. Dies führt zu einer leichten Abschwächung der Unterschiede zwischen Sommer- und Wintertemperaturen auf der Nordhalbkugel und zu einem leichten Anstieg der Unterschiede zwischen Sommer- und Wintertemperaturen auf der Südhalbkugel.

Natürlich ist unser Zyklus der Jahreszeiten auf die Neigung der Erdachse zurückzuführen, nicht auf die Entfernung von der Sonne. Der Hauptfaktor, der die Intensität des Sonnenlichts beeinflusst, ist einfach, wie hoch die Sonne über dem Horizont steht. Wenn die Sonne tief am Himmel steht, treffen die Strahlen in einem schrägen Winkel auf die Erde, verteilen die Energie über einen großen Bereich und verringern dadurch die Intensität. Daher ist das Sonnenlicht am Mittag viel intensiver als am frühen Morgen oder am späten Nachmittag. Ebenso ist das Sonnenlicht im Sommer intensiver, wenn die Sonne höher am Himmel aufgeht als im Winter. Im Sommer gibt es auch mehr Stunden Tageslicht, was zu einer längeren täglichen Heizperiode und einer kürzeren nächtlichen Kühlperiode führt. In den Tropen ändert sich die Höhe der Sonne am Mittag im Laufe des Jahres nicht wesentlich, ebenso wenig wie die Länge der Tageslichtperiode. Daher variieren die Durchschnittstemperaturen in den Tropen im Laufe des Jahres kaum.

An Orten, die weit vom Äquator entfernt sind und daher eine scharfe Unterscheidung zwischen Sommer und Winter aufweisen, ist der Effekt an Orten mit kontinentalem Klima im Gegensatz zu einem Meeresklima stark verstärkt. Mit anderen Worten, Orte, die nicht nur weit vom Äquator, sondern auch weit von jedem Ozean entfernt sind, weisen den größten Unterschied zwischen Sommer- und Wintertemperaturen auf. Sibirien auf dem riesigen asiatischen Kontinent ist das beste Beispiel für solche Extreme - aber auch die nördlichen Ebenen Nordamerikas (wie North Dakota und Süd-Saskatchewan) sind ein gutes Beispiel.

Zusammenfassung

Lassen Sie uns abschließend zu unserer ursprünglichen Frage zurückkehren: Wie lang ist ein Tag? Wenn wir einen Tag basierend auf einem tatsächlichen, täglich beobachtbaren physikalischen Phänomen definieren, haben wir zwei mögliche Antworten. Wenn wir einen Tag als eine vollständige Drehung der Erde um ihre Achse definieren - einen Sternentag - dann ist ein Tag ungefähr 4 Minuten weniger als 24 Stunden. Wenn wir einen Tag als die Zeit zwischen dem wahren Mittag eines Tages und dem wahren Mittag des nächsten Tages - einem Sonnentag - definieren, variiert die Länge eines Tages im Laufe des Jahres und reicht von 21 Sekunden weniger als 24 Stunden bis 30 Sekunden mehr als 24 Stunden . Wenn wir jedoch die durchschnittliche Länge aller Sonnentage in einem Jahr nehmen, beträgt das Ergebnis genau 24 Stunden. So sind wir zu unserem Standardtag gekommen. Es gibt jedoch nur viermal pro Jahr, wenn der Standardtag und der wahre Sonnentag gleich lang sind. Das Ergebnis ist, dass der Standard-24-Stunden-Tag nicht in der Natur vorkommt, sondern eine menschliche Erfindung, die nur in etwa den realen Tagen - Sonnentagen oder Sternentagen - entspricht, die wir tatsächlich auf der Erde erleben.