Das Analemma erklärt: Wie man's ganz einfach macht
Diese atemberaubenden Bilder von den seltsamen Kurven der Sonne am Himmel zu machen, ist keine schnelle Aufgabe – es dauert ein ganzes Jahr! In diesem Artikel erklären wir Ihnen, wie diese Kurven funktionieren und wie Sie Ihre eigenen Kurven mit ein paar Fingertipps erstellen können.
Inhalt
- Was ist ein Analemma?
- So erstellen Sie Ihr eigenes Analemma
- Was bedeutet Analemma?
- Warum hat das Analemma die Form einer Acht?
- Wie sah das Analemma früher aus?
- Wie sieht Analemma auf anderen Planeten aus?
- Zum Abschluss
Was ist ein Analemma?
Ein Analemma ist die geschlossene Kurve, die einer langgestreckten Acht ähnelt, die die Sonne im Laufe eines Jahres am Himmel bildet, wenn man ihre Position jeden Tag zur gleichen Zeit von einem festen Punkt aus markiert. In der Astronomie wird der Begriff „Analemma“ für die Sonne verwendet, aber auch die Achterkurven des Mondes werden im Allgemeinen als Analemma bezeichnet, obwohl sie etwas anders aufgebaut sind.
Das Fotografieren eines Analemmas gilt als eine der schwierigsten und zeitaufwändigsten Aufgaben in der Astrofotografie! Man muss eine Kamera an einem bestimmten Ort aufstellen und die Sonne ein Jahr lang mehrmals fotografieren, immer genau zur gleichen Tageszeit*. Dann muss man alle diese Bilder übereinanderlegen, um das Endergebnis zu erhalten. Das Ergebnis hängt übrigens von mehreren Faktoren ab, die wir weiter unten besprechen werden.
Das Analemma aus der Nordhalbkugel vs. Südhalbkugel
Sprechen wir darüber, wie das Analemma an verschiedenen Orten der Erde aussieht. Nehmen wir an, wir erstellen ein Analemma um die Sonnenmittagszeit, wenn die Sonne am höchsten steht.
Das Analemma auf der Nordhalbkugel erscheint als eine Acht-förmige Kurve mit einer kleineren Schleife oben. Wird ein Analemma über dem Nordpol gefangen, sieht man nur die obere Hälfte einer aufrechten Acht.
Auf der Südhalbkugel liegt die kleinere Schleife unterhalb der größeren. Am Südpol wäre nur die obere Hälfte (die größere Schleife) über dem Horizont sichtbar.
Denken Sie daran, dass die Sonne auf dem Analemma im Sommer am höchsten steht (im Juni auf der Nordhalbkugel und im Dezember auf der Südhalbkugel) und im Winter am niedrigsten. Die Zeiten dazwischen bilden den Rest des Musters. Um eine aufrechte Acht einzufangen, erstellt man ein Analemma zur Sonnenmittagszeit. Um ein schräges Analemma zu erfassen, wählen Sie den Zeitpunkt vor oder nach dem Sonnenhöchststand.
So erstellen Sie Ihr eigenes Analemma
Es gibt zwei Möglichkeiten, ein Analemma selbst zu erstellen: den schwierigen und den einfachen Weg. Wir bleiben hier beim einfachen Weg, aber wenn Sie abenteuerlustig sind, finden Sie alle schwierigen Schritte auf Instructables.com. So kann man in nur einer Minute ein Analemma für jeden Ort erstellen:
- Öffnen Sie die kostenlose App Sky Tonight (laden Sie sie hier herunter, wenn Sie sie noch nicht haben);
- Suchen Sie die Sonne auf der Himmelskarte und tippen Sie darauf.
- Tippen Sie auf das kleine Kamerasymbol, das unten angezeigt wird.
- Voilà, Sie haben ein Sonnenanalemma!
- Überlagern Sie das Analemma mit dem Bild Ihrer Kamera, indem Sie zweimal auf das große blaue runde Symbol tippen.
Sie können das Aussehen des Analemmas über das Bedienfeld unten anpassen. Vier der fünf Symbole im unteren Bereich steuern die Datumsanzeige, die Sichtbarkeit unter dem Horizont, die Musterdichte und die Linienanzeige. Das erste Symbol in der Zeile schaltet zwischen den verschiedenen Kurventypen um.
So erstellen Sie Kurven für den Mond und andere Himmelsobjekte
Aber der Spaß geht noch weiter. Mit der Sky Tonight App können Sie auch coole Kurven für andere Himmelsobjekte wie den Mond, Planeten, Zwergplaneten (außer Pluto), Asteroiden und Kometen erstellen!
Besonders interessant sind die Mondachterkurven. Sie ähneln dem Analemma, aber um sie zu erstellen, markiert man die Position des Mondes mit einer leichten Verzögerung – alle 24 Stunden und 51 Minuten statt der üblichen 24 Stunden. Das ist die Zeit, die der Mond braucht, um an dieselbe Position am Himmel zurückzukehren. Die gesamte Kurve entspricht einem Mondmonat.
Um Kurven für andere Objekte zu erstellen, gehen Sie genauso vor wie bei der Sonne. Sie können die Parameter auch mit den Symbolen unten in der Dropdown-Liste ändern.
Was bedeutet Analemma?
Es gibt eine wahre Sonnenzeit, die aufgrund der Umlaufbahn der Erde um die Sonne das ganze Jahr über unterschiedlich schnell verläuft. Es gibt auch eine mittlere Sonnenzeit – eine konstante Zeit, die von den meisten Uhren gemessen wird und die durch Beobachtung gemessen würde, wenn sich die Sonne das ganze Jahr über mit einer konstanten scheinbaren Geschwindigkeit bewegen würde. Die Differenz zwischen der wahren Sonnenzeit und der mittleren Sonnenzeit wird als Zeitgleichung bezeichnet. Ein Analemma, das jeden Tag zur gleichen mittleren Sonnenzeit aufgenommen wird, ist im Wesentlichen ein Diagramm der Zeitgleichung.
Die Erde hat eine leicht verlängerte elliptische Umlaufbahn, und wenn sie sich der Sonne nähert (etwa im Januar jeden Jahres), bewegt sie sich aufgrund der Schwerkraft schneller. Außerdem ist die Erdachse geneigt: Die Nordhalbkugel unseres Planeten ist von März bis September zur Sonne geneigt, die Südhalbkugel von September bis März.
Das Zusammenspiel von elliptischer Bahn und Neigung führt dazu, dass sich die Länge eines jeden Sonnentages geringfügig vom Vortag unterscheidet. Aus diesem Grund schwankt die wahre Sonnenzeit im Laufe des Jahres. So kann die wahre Sonnenzeit im November 16 Minuten vor der mittleren Sonnenzeit liegen, im Februar 14 Minuten dahinter und im April und September überlappen sich die beiden Zeiten und bilden einen endlosen Zyklus.
Warum hat das Analemma die Form einer Acht?
Das Analemma erscheint wegen der Neigung der Erdachse gegenüber der Erdbahnebene und der elliptischen Umlaufbahn als leicht verlängerte Acht. So funktioniert es.
Die Achterform des Analemmas ergibt sich hauptsächlich aus der Neigung der Erdachse. Aufgrund dieser Neigung scheint die Erde von der Sonne aus gesehen zu wackeln, während sie sich um die Sonne dreht. Und wegen dieses Wackelns scheint die Sonne, von einer festen Position auf der Erde aus gesehen, das Muster einer Acht auf den Himmel der Erde zu zeichnen. Ohne die Achsneigung wäre das Analemma oval. Am Äquator wäre es eine gerade Linie von West nach Ost.
Die Asymmetrie des Analemmas ist auf die verlängerte Erdumlaufbahn zurückzuführen. Wäre die Erdumlaufbahn kreisförmig, wären die obere und die untere Schleife des Analemmas identisch.
Die Erde entfernt sich von der Sonne oder nähert sich ihr zu verschiedenen Zeiten des Jahres. In der Nähe des sonnennächsten Punktes (Perihel im Januar) beschleunigt unser Planet, sodass die Sonne eine größere Schleife über unseren Himmel zieht. Wenn man sich Analemmas von verschiedenen Orten ansieht, wird man feststellen, dass das Analemma-Muster überall um den Januar herum weniger dicht und breiter wird.
Die Erde dreht sich in etwa 23 Stunden und 56 Minuten einmal um ihre eigene Achse. Die Sonne benötigt jedoch weitere 4 Minuten, um wieder am gleichen Punkt des Himmels oder des lokalen Meridians zu stehen (dies wird als Sonnentag bezeichnet). Wenn man eine Sonnenuhr aufstellt und die Stoppuhr an einem Tag um 12 Uhr mittags startet und am nächsten Tag um 12 Uhr mittags stoppt, misst man einen Sonnentag.
An zwei aufeinanderfolgenden Tagen muss sich unsere Erde ein wenig weiter um die eigene Achse drehen, damit die Sonne wieder am gleichen Ort steht. An einem Sterntag dreht sich die Erde um 360°, und um den Sonnentag zu vollenden, muss sie sich um 1° weiter drehen (insgesamt 361°). Und wenn sich die Umlaufgeschwindigkeit der Erde ändert, ändert sich auch der zusätzliche Winkel, den die Erde drehen muss, um die Sonne wieder über den Meridian zu bringen.
In der Nähe des Perihels beschleunigt die Erde und muss sich etwas weiter drehen. Deshalb dauert es länger, bis die Sonne von einem Sonnenmittag zum nächsten wandert. Wenn unsere Uhren Mittag anzeigen, hat die Sonne den lokalen Meridian noch nicht erreicht. Umgekehrt verhält es sich in der Nähe des Aphels, wenn sich die Erde langsamer auf ihrer Bahn bewegt. Zu diesem Zeitpunkt muss die Erde keinen so großen Winkel bilden, um die Sonne wieder über den lokalen Meridian zu bringen. Wenn unsere Uhr Mittag anzeigt, hat die Sonne den lokalen Meridian bereits überschritten.
Es ist auch wichtig, ob das Perihel der Erde mit einer Sonnenwende oder einer Tagundnachtgleiche zusammenfällt. Als das Perihel der Erde mit der Sonnenwende zusammenfiel, wie vor 750 Jahren, hatte das Analemma eine Nord-Süd-Symmetrieachse. Heute erreicht die Erde ihr Perihel etwa 12 Tage nach der Wintersonnenwende, daher ist das Analemma leicht geneigt.
Wie sah das Analemma früher aus?
Wie bereits erwähnt, hängt das Aussehen des Analemmas von der Erde aus von der geografischen Breite und der Tageszeit ab. Sie haben aber auch in der Vergangenheit anders ausgesehen und werden auch in Zukunft anders aussehen. Werfen wir einen kurzen Blick darauf, was sich im Laufe der Zeit verändert hat.
Durch die langsame Präzession der Erdachse und andere Faktoren verschieben sich die Äquinoktien und der Perihel der Erde allmählich entlang der Ekliptik. Sie nähern sich nun langsam einander an. Im Jahr 1246 fand das Perihel am Tag der Dezembersonnenwende statt; im Jahr 6489 wird es zur März-Tagundnachtgleiche stattfinden, im Jahr 11.732 zur Juni-Sonnenwende und im Jahr 16.974 zur Herbst-Tagundnachtgleiche. Die Schleifen der Analemma-Kurven sind in allen diesen Fällen unterschiedlich.
Sowohl die Exzentrizität als auch die Länge des Perihels sind starken langfristigen Veränderungen unterworfen. Beispielsweise war die Erdbahn vor etwa 100.000 Jahren mit einer Exzentrizität von etwa 0,0473 wesentlich elliptischer als heute. Um 98.500 v. Chr. fiel das Perihel mit dem Septemberäquinoktium zusammen, was zu einer leichten Neigung des Analemmas führte. Um 93.000 v. Chr. fiel das Perihel mit der Dezembersonnenwende zusammen. Aus diesem Grund und wegen der größeren Exzentrizität sah das Analemma wie ein Tropfen aus!
Wie sieht Analemma auf anderen Planeten aus?
Das Analemma, die Form, die sich aus der Stellung der Sonne am Himmel im Laufe eines Jahres ergibt, ist von Planet zu Planet verschieden. Jeder Planet hat sein eigenes, einzigartiges Analemma, das wie folgt erklärt wird.
Nehmen wir zum Beispiel den Mars. Sein Analemma ähnelt einer Träne aufgrund einer Kombination von Faktoren wie seiner hohen Exzentrizität (0,0934 im Vergleich zu 0,0167 auf der Erde) und der Ausrichtung seines Perihels und Aphels auf die Tagundnachtgleiche.
Das Analemma vom Merkur aus gesehen ist sehr einfach. Bei einer geringen axialen Neigung (weniger als ein Grad) ist sein Analemma nur ein Punkt. Die Analemmata von Venus und Jupiter haben eine elliptische Form. Saturn? Denken Sie an eine Träne mit einer kleinen Schleife. Neptun und Uranus? Auch sie haben ein Achtermuster.
Zum Abschluss
Ein Analemma sieht aus wie die scheinbare Sonnenbahn am Himmel während des Jahres, aber in der Welt der Astronomie ist es viel komplizierter. Seine Form wird von vielen Faktoren beeinflusst und seine Erklärung erfordert komplexe Mathematik. In diesem Artikel haben wir dieses Konzept in einfache Worte gefasst. Außerdem haben wir eine schnelle Methode vorgestellt, mit der jeder sein eigenes Analemma in nur einer Minute erstellen kann. Holen Sie sich die Sky Tonight App – Ihr einfacher Weg, Astronomie zu verstehen!
