Im Januar machte man sich in Grönland Sorgen. Die Polarnacht ging viel früher zu Ende als erwartet. In Ilulissat sollte die Sonne eigentlich erst am 13. Januar wieder über dem Horizont erscheinen. Stattdessen war sie schon am Mittag des 11. Januar zu sehen. Was war da los? Wenn die Astronomen eines können, dann vorherzusagen, wann die Sonne auf und untergeht! Immerhin machen sie das schon seit Jahrhunderten ohne Probleme. Warum klappt das auf einmal nicht mehr?

In der einschlägigen Szene wurden natürlich sofort über die wildesten Ursachen spekuliert. Die Erdachse hat sich verschoben! Der Weltuntergang naht!! Wir werden alle sterben!!!

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Weltuntergang bei Sonnenaufgang? (Bild: Angeoun (CC-BY 2.0)

Aber natürlich hat die Erdachse damit nichts zu tun. Wenn sich die Erdachse merklich verschiebt, dann bemerkt man das nicht nur in einer kleinern westgrönlandischen Stadt. Das merkt jeder Astronom auf diesem Planeten; jeder Meteorologe, jeder Pilot und all die anderen zehntausenden Menschen die ständig auf eine exakte Positionsbestimmung oder Satellitendaten angewiesen sind. Aber wenn die Achse der Erde gleich geblieben ist, wieso geht die Sonne dann zu früh auf? Können die Astronomen die Bewegung der Himmelskörper und deren Auf- und Untergang doch nicht so exakt vorhersagen wie man immer denkt?

Naja – die Sache ist ein wenig komplizierter als man denkt. Die eigentlichen Gleichungen zur Berechnung von Sonnenauf- und untergangszeiten sind dabei aber nicht so schwierig. Mit ein wenig Trigonometrie kann man sie leicht aus der sphärischen Astronomie ableiten. Dazu reicht die Oberstufenmathematik locker aus. Aber was berechnet man da eigentlich? Man bestimmt den Zeitpunkt, an dem die Sonne sich genau am Horizont befindet bzw. den Zeitpunkt, an dem sie das erste Mal dort erscheint (Aufgang) oder an dem sie komplett dahinter verschwunden ist (Untergang). Im idealisierten Fall der Gleichungen ist die Erde dabei ein Kugel ohne Eigenschaften. Es gibt keine Gebirge, keine Täler usw. Der Horizont ist überall gleich und überall komplett frei. In der Realität ist das aber natürlich nicht so. Es nützt einem nicht das geringste dass gerade Hochsommer ist und die Tage lang und voller Sonnenschein sind wenn man blöderweise gerade in einem tiefen Bergtal wohnt und die Sonne nur mal kurz mittags, wenn sie genau darüber steht, rein scheint und danach gleich wieder hinter den Bergen – der lokale Horizont! – verschwindet. Will man also die Sonnenauf- und untergangszeiten für einen ganz spezifischen Ort auf der Erde bestimmen und das auch noch sehr exakt: dann muss man auf jeden Fall den lokalen Horizont berücksichtigen.

Aber im Normalfall (tiefe Bergtäler gehören jetzt mal nicht dazu) sollte das ja nicht so eine große Rolle spielen! Vielleicht verschätzt man sich beim Auf- oder Untergang um ein paar Minuten und selbst wenn die Sonne hinter nem Hügel aufgeht sieht man ja doch ein bisschen Streulicht. Wenn die Sonne ganze zwei Tage zu früh aufgeht, dann muss da schon was anderes passiert sein. Aber was?

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Ilulissat, mit einem Horizont aus Eisbergen (Bild: Pcb21, CC-BY-SA 3.0)

Der lokale Horizont ändert sich normalerweise nicht. Ein Berg im Osten der die Sonne nach ihrem Aufgang erstmal abblockt verschwindet z.B. nicht plötzlich. Gut, es kann zwar sein dass jemand einen strategisch günstig stehenden Baum fällt oder dass ein Hochhaus irgendwo gebaut wird. Aber das sind nicht wirklich die Veränderungen die groß ins Gewicht fallen und auf jeden Fall nicht das, was in Ilulissat passiert sein muss (dort gibts ja weder Bäume noch Hochhäuser). Was es in Ilulissat aber gibt ist der seltene Fall eines Horizonts der sich tatsächlich ganz unproblematisch ändern kann. Denn dort gibt es jede Menge Eis! Der Blick von Ilulissat Richtung Sonnenaufgang geht zum Ilulissat-Fjord in dem Eisberge schwimmen und dahinter ist ein großer Gletscher. Die erste Vermutung, die zum verfrühten Sonnenaufgang geäußert wurde bezog sich dann auch auf diesen eisigen Horizont. Wenn der nämlich abgschmilzt, dann könnte sich die Sonne früher zeigen. Um die 2 Tage Unterschied zwischen Theorie und Beobachtung zu erklären braucht es nur 20 Meter weniger Eis (etwa 3 Kilometer entfernt von Ilulissat). Ein Foto das am 11 Januar aufgenommen wurde zeigt auch tatsächlich Eisberge im Fjord, die vergleichsweise klein sind und das auch in Grönland dank des Klimawandels immer mehr Eis verschwindet wissen wir ja leider mittlerweile.

Aber es gibt noch eine wesentlich einfachere Erklärung: astronomische Refraktion! Refraktion ist ein bekanntes Phänomen in der Physik. Wenn ein Lichtstrahl sich von einem Medium in ein anderes bewegt deren optische Eigenschaften sich unterscheiden (zum Beispiel von Luft in Wasser), dann ändert er dabei seine Richtung. Dieses Bild demonstriert das schön:

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Wenn der Lichtstrahl auf den Halbkreis aus Plexiglas trifft, dann wird er teilweise reflektiert und teilweise abgelenkt. Und genau das passiert auch, wenn Licht aus dem All auf die Atmosphäre der Erde trifft. Deswegen scheinen für uns die Himmelskörper etwas höher zu stehen als sie es eigentlich tun:

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Aber die Refraktion läuft nicht so simpel ab wie ich es im Bild oben gezeigt habe. Sie hängt von der Beschaffenheit der verschiedenen Luftschichten ab, von der Temperatur, dem Druck, etc. Das alles ändert sich natürlich ständig und damit auch die Refraktion. Deswegen flackern die Sterne übrigens auch ständig: die Refraktion lässt ihre Position scheinbar ständig um eine Kleinigkeit hin- und her springen. Außerdem ist die Refraktion höhenabhängig. Je höher ein Objekt am Himmel steht desto geringer ist sie. Fällt das Licht genau senkrecht ein (also steht ein Stern oder Planet im Zenit), dann gibt es gar keine Refraktion. Je näher man aber dem Horizont kommt, desto stärker wird sie. Das erklärt auch, warum zum Beispiel die Sonne beim Auf- oder Untergang oft so seltsam verformt wirkt. Sie erscheint am Himmel nicht als Lichtpunkt wie ein Stern sondern als ausgedehnte Scheibe und das Licht das uns von ihrer Oberseite erreicht wird in der Atmosphäre weniger stark gebrochen als das Licht von der Unterseite. Deswegen sehen wir sie nicht als schöne Kreis sondern etwas gestaucht. Das sieht man bei dieser Aufnahme vom Mond (fotografiert vom Space Shuttle aus; durch die Atmosphäre der Erde hindurch) recht schön:

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Wie ich schon sagte ist die Refraktion am Horizont besonders groß. Dort wird ein Objekt um etwa 35 Bogenminuten gehoben. Das entspricht auch in etwa der scheinbaren Größe der Sonne am Himmel. Wenn wir also sehen, dass die Sonnenscheibe gerade komplett über dem Horizont steht, dann befindet sie sich in Wirklichkeit noch genau darunter:

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Die Refraktion kann aber noch viel stärker sein! In dem kürzlich erschienen Artikel “Verfrühtes Ende der Polarnacht in Nordwestgrönland” (Der Sternenbote, März 2011) haben sich Thomas Posch von der Unisternwarte Wien und Klaus Bernhard aus Linz mit diesem Thema beschäftigt. Unter den richtigen atmosphärischen Bedingungen kann die Refraktion bei Sonnenaufgang bis zu 120 Bogenminuten betragen! In Ilulissat musste die Refraktion nur um 20 Bogenminuten größer sein als normal um das verfrühte Aufgehen zu erklären. Das hätte ausgereicht um die eigentlich noch unter dem Horizont stehende Sonne weit genug zu heben um sie 2 Tage früher aufgehen zu lassen. Diese These wird durch Luftdruckmessungen bestätigt die zeigen, dass der am 11. Januar 2011 tatsächlich viel höher war als in den Jahren davor. Außerdem zeigen Fotos vom Sonnenaufgang, dass sie Sonnenscheibe deutlich verformt ist; bestätigen also die starke Refraktion.

Die Autoren weisen außerdem darauf hin, dass so ein verfrühtes Ende der Polarnacht kein unbekanntes Phänomen ist. Man kennt schon seit längerem den “Novaya Zemlya-Effekt”. Wenn in der Arktis der Lichtweg besonders lang ist und das Licht an genau den richtigen Inversionsschichten (d.h. dass die Temperatur der Luft weiter oben wärmer ist als weiter unten) gebrochen wird, dann kann die Sonne beim Aufgang um bis zu 5 Grad (das wären 1800 Bogenminuten!) gehoben werden was dazu führen kann dass die Polarnacht bis zu 10 Tagen früher endet als normalerweise. Das hat man das erste Mal 1596 in der Nähe der Insel Novaya Zemla beobachtet.

Also: kein Weltuntergang, keine verschobene Erdachse und keine geheimnisvollen Phänomene. “Nur” ein äußerst interessanter physikalischer Effekt den wir jede Nacht beobachten können wenn wir die funkelnden Sterne betrachten und der durch das Zusammenspiel verschiedener Faktoren diesmal für eine Überraschung in Grönland gesorgt hat!


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Kommentare (17)

  1. #1 falsch
    4. März 2011

    dann sind wir ja nochmal davon gekommen. puh!

  2. #2 Unwissend
    4. März 2011

    wir werden alle ste…….. ähhh leben

  3. #3 maxi
    4. März 2011

    Kleiner Tipp-Fehler, vorletzter Absatz: “das erstem 1596”
    Super Artikel! Danke

  4. #4 physicus
    4. März 2011

    Ich wusste bisher nicht, dass diese kleine Brechungsindexdifferenz zwischen Luft und Vakuum zu so starken sichtbaren Efekkten führen kann. Da stellen sich mir jetzt aber zwei Fragen, gibt es dann auch folglich eine Totalreflexion an der Erdathmosphäre für Licht das von der Erdoberfläche kommt und lässt sich dass irgendwie in der Natur beobachten. Und zweitens führt ja eine Grenzschicht zwischen zwei Medien mit unterschiedlichen Brechungsinizes zu einer Polarisationsabhängigkeit der Transmission und Reflektion von Licht. Wenn ich nun Sterne beobachte deren Licht einen Einfallswinkel auf die Erdatmosphäre nahe dem Brewsterwinkel haben müsste deren Licht ja teilweise Polarisiert sein,lässt sich das beobachten oder sind diese Effekte zu schwach.

  5. #5 Christian
    4. März 2011

    wie lange brauchst du eigentlich um so einen artikel schreiben. deine tagen haben ja auch nur 24 stunden 😉

  6. #6 ec
    4. März 2011

    Was sind denn das für Leute die bei der Sache denken dass alle sterben werden? Kannst du da bitte beispielhaft einen Link angeben Florian, würde mich interessieren! Danke :)

  7. #7 Maethes
    5. März 2011

    Hallo

    Sehr schönen Artikel!

    Das ist der gleichen Phenomen, daß der Mond manchmal rot und riesig aussehen lässt. Oder?

    grüsse.

    M.

  8. #8 Christian
    5. März 2011

    Kein Weltuntergang? Schade!

    Na ja. Alternativ haben wir ja noch die Erderwärumng oder den Klimawandel anzubieten.

    Wenn das Eis in Grönland endlich schmilzt werden wir alle jämmerlich versaufen. :)

  9. #9 Florian Freistetter
    5. März 2011

    @Maethes: “Das ist der gleichen Phenomen, daß der Mond manchmal rot und riesig aussehen lässt. Oder?”

    Ne, das ist was anderes: http://www.scienceblogs.de/astrodicticum-simplex/2009/06/grosser-mond-kleiner-mond-die-mondtauschung.php

  10. #10 Florian Freistetter
    5. März 2011

    @ec: Hier z.B. diskutiert man über die Verbindung zwischen Grönland und 2012: http://www.allmystery.de/themen/gw69589

    Ganz besonders “schön” ist die Seite der “Galaktischen Föderation des Lichts”: http://www.ashtor2012.de/aktuelle-botschaften-neu/januar-2011/venusjahr-2011/

    Der verfrühte Sonnenaufgang zeigt, dass es unsere Welt „aus den Angeln hebt“. Die fixe, starre, beharrende und besitzergreifende Grundhaltung des Menschen muss endlich aufgegeben werden. Nur so können wir auf die dynamischen Transformationsprozesse, die um uns und vor allem auch in uns selbst stattfinden, angemessen reagieren.

  11. #11 Quixottel
    5. März 2011

    @physicus:
    Ich bin jetzt einfach mal so frei, es mir herauszunehmen dir darauf total laienhaft zu antworten, aber ich bin ebenso laienhaft der Überzeugung, dass es richtig ist, was ich dir anzubieten habe.
    Wir sehen andauernd polarisiertes Licht, bemerken es aber kaum. Eigentlich ist doch jede Reflektion auf Wasser polarisiertes Licht. Der BrewsterWinkel ist um uns! Nur sind Menschen nicht wirklich fähig damit was anzufangen, denn das einzige was polarisiertes Licht ausmacht, ist ja wohl die eine Schwingebene des E-Feldes der Lichtwelle – aber es bleibt Licht. Für physikalische Effekte und Anwendungen ist das hilfreich – aber für unser Auge bleibt es Licht. Manche behaupten sie könnten polarisiertes Licht wahrnehmen, wenn sie zunächst in den polarisierten Strahl schauen und dann den Kopf schnell neigen – aber da das bei mir selbst nicht klappt, oder ich zu blöd bin es nachzuvollziehen, halte ich das jetzt nicht für hundertprozentig überzeugend.

    Für deine erste Frage bin ich jetzt allerdings vermutlich doch der Falsche, da ich so was bisher nie genau durchdacht habe – jedoch hieß es doch gern mal, dass der blaue Himmel eine Reflektion der Meere sei – was zwar nicht stimmt, da es nur das gestreute Licht (wegen Dispersion) der Sonne ist (Am Tag dominiert Blau, am Abend, die Sonne steht nahe dem Horizont, wenn der Weg für die Lichtwellen länger ist, das Rote) aber irgendwoher müsste diese Behauptung auch mal gekommen sein. Reflektion an unserer eigenen Atmosphäre halte ich also durchaus für möglich… (hier kann gern jemand mehr Weisheit einsetzen zu reden… 😉 )

    Anmerkung zum Artikel: Kann sich eigentlich überhaupt jemand auf Anhieb alle möglichen Phänomene die es alltäglich um uns herum gibt so merken, dass er sie in einem spontanen Gespräch mal eintröpfeln könnte?! Ich denke dass viele die jemals was von Strahlenoptik gehört haben diesen Effekt erkennen könnten – aber wer denkt dann an sowas allezeit? Ich bin jetzt einfach mal der Hoffnung es mir länger als 20std behalten zu können … um irgendwann bei einem romantischen Sonnenaufgang sagen zu können: “Weißt Du, eigentlich ist die Sonne noch gar nicht wirklich über dem Horizont, das liegt nämlich an der astronomischen Refraktion….” hach… da kommt Romantik auf…
    ;P

  12. #12 Florian Freistetter
    5. März 2011

    @physicus: Sorry, deine Frage hatte ich ganz übersehen. So auf die schnelle kann ich da aber gar nicht drauf antworten; da muss ich mich erstmal ein bisschen schlau machen 😉 Aber vielleicht kommt ja in der Zwischenzeit ein Physiker/Astronom vorbei und kann dir schneller antworten als ich.

  13. #13 physicus
    5. März 2011

    @Quixottel
    Danke für die Antwort, mir ist schon klar , dass man die Polarisation nicht mit blosem Auge sehen kann, wie du schon sagtest ist jede Reflektion auf Wasser polarisiertes Licht, deswegen benutzen manche Fotographen auch polarisationsfilter. Fotographiert man z.B. einen See im geigneten Winkel lässt sich durch einen Polfilter die Reflektion von der Wasseroberfläche fast vollständig unterdrücken, was ziemlich Imposant aussieht wenn die gleißende Reflektion von der Sonne “plötzlich einfach so verschwindet”. Mich hätte jetzt nur Interesiert ob so etwas bei Sternen auch geht, dass wenn man sie unter geeignetem Winkel mit Teleskop und Polfilter beobachtet und den Polfilter entsprechend einstellt sie dann “verschwinden”. Da ich aber weder Teleskop noch Polfilter habe kann ich es auch nicht ausprobieren.

    @Florian
    Eigentlich bin ich ja Physiker (zurzeit noch Bachelor) und sollte mir die Frage Wahrscheinlich selber beantworten können. Aber ich habe in der Optik bis jetzt eigentlich immer nur mit einer festen Brechungsindexgrenze zwischen zwei Medien (z.B Luft/Glas) rechnen müssen. Bei der Atmosphäre muss man aber wahrscheinlich mit einem In die höhe kontinuierlichen bis auf 1 abnehmenden Brechungsindex rechnen was das ganze komplizierter macht. Ich dachte villeicht hat sich ja schon mal ein Astronom den Himmel mit einem Polarisationsfilter angeschaut.

  14. #14 Quixottel
    5. März 2011

    @physicus:
    uh, Bachelorsystem… ich habe Bekannte die da drin stecken (auch Physik), die sehen nicht sonderlich glücklich aus.. ich bin am überlegen es mir auch noch “anzutun”… 😉
    Aber noch mal zur Polarisation: So wie die Sterne stehen, bekommen wir ja, wie du selbst im ersten Post gesagt hast, höchstens teilpolarisiertes Licht ab. Das komplett polarsierte, reflektierte Licht laut Brewsterwinkel strahlt ja sozusagen wieder von der Erde weg. Wenn du also mit Polifilter die Sterne betrachtest, so dürftest du die Intensität der Helligkeit abschwächen, aber nicht auslöschen. Ich habe mal ne Rechnung gefunden über den Anteil des polarisierten Lichts .. ich glaube es war was um die 7-8% des gesamten gebrochenen Strahls. Meinste die 7-8% machen sich bei der Beobachtung so stark bemerkbar? Ich denke wohl leider nicht…
    (Was das Wasser angeht – vor allem Segler benutzen wohl solche Sonnenbrillen, die wie ein Polifilter wirken – nicht jeder der zur See fährt fotografiert leidenschaftlich gern…manche stellen “da draußen” noch mehr an… ;P )

    Was die Brechung des Lichts durch die Atmosphäre angeht – ich glaub da gehst du ein bisschen zu sehr ins Detail, bzw. dürfte das höllisch werden, da ne Berechnung anzustellen. Is ja nicht so, dass die Atmosphären ne komplett konstante Dichte hätten und deshalb immer den gleichen Brechungsindex besitzen würden… ich denke da macht es mehr Sinn, eine vorher nachher Betrachtung durchzuführen – also unter dem Motto: Welchen Winkel hat das Licht auf die Erde gerichtet “über” der Atmosphäre und wie sieht das dann auf der Erde aus? … Nur über die Durchführung dieses Experiments bin ich mir nicht so ganz sicher. Aber vermutlich ist die Sonne als Anhaltspunkt schon die leichteste Variante. Mit Satelliten kann man recht genau feststellen in welchem Winkel die Sonne zur Erde steht, und wo sie zu sehen sein dürfte und wo nicht. Auf der Erde kann dann kontrolliert werden ob die Vorraussagen stimmen oder nicht. Und um wie viel die Lichtstrahlen so gebrochen werden, wenn die Sonne sich in Horizontnähe befindet, das steht ja im Artikel…
    Aber uninteressant ist es nicht, was du da gefragt hast.. welchen Brechungsindex besitzt die Atmosphäre in Abhängigkeit zu ihrer Höhe/Zusammensetzung…

  15. #15 Quixottel
    5. März 2011

    @physicus:
    uh, Bachelorsystem… ich habe Bekannte die da drin stecken (auch Physik), die sehen nicht sonderlich glücklich aus.. ich bin am überlegen es mir auch noch “anzutun”… 😉
    Aber noch mal zur Polarisation: So wie die Sterne stehen, bekommen wir ja, wie du selbst im ersten Post gesagt hast, höchstens teilpolarisiertes Licht ab. Das komplett polarsierte, reflektierte Licht laut Brewsterwinkel strahlt ja sozusagen wieder von der Erde weg. Wenn du also mit Polifilter die Sterne betrachtest, so dürftest du die Intensität der Helligkeit abschwächen, aber nicht auslöschen. Ich habe mal ne Rechnung gefunden über den Anteil des polarisierten Lichts .. ich glaube es war was um die 7-8% des gesamten gebrochenen Strahls. Meinste die 7-8% machen sich bei der Beobachtung so stark bemerkbar? Ich denke wohl leider nicht…
    (Was das Wasser angeht – vor allem Segler benutzen wohl solche Sonnenbrillen, die wie ein Polifilter wirken – nicht jeder der zur See fährt fotografiert leidenschaftlich gern…manche stellen “da draußen” noch mehr an… ;P )

    Was die Brechung des Lichts durch die Atmosphäre angeht – ich glaub da gehst du ein bisschen zu sehr ins Detail, bzw. dürfte das höllisch werden, da ne Berechnung anzustellen. Is ja nicht so, dass die Atmosphären ne komplett konstante Dichte hätten und deshalb immer den gleichen Brechungsindex besitzen würden… ich denke da macht es mehr Sinn, eine vorher nachher Betrachtung durchzuführen – also unter dem Motto: Welchen Winkel hat das Licht auf die Erde gerichtet “über” der Atmosphäre und wie sieht das dann auf der Erde aus? … Nur über die Durchführung dieses Experiments bin ich mir nicht so ganz sicher. Aber vermutlich ist die Sonne als Anhaltspunkt schon die leichteste Variante. Mit Satelliten kann man recht genau feststellen in welchem Winkel die Sonne zur Erde steht, und wo sie zu sehen sein dürfte und wo nicht. Auf der Erde kann dann kontrolliert werden ob die Vorraussagen stimmen oder nicht. Und um wie viel die Lichtstrahlen so gebrochen werden, wenn die Sonne sich in Horizontnähe befindet, das steht ja im Artikel…
    Aber uninteressant ist es nicht, was du da gefragt hast.. welchen Brechungsindex besitzt die Atmosphäre in Abhängigkeit zu ihrer Höhe/Zusammensetzung…

    Möge der BrewsterWinkel mit dir sein….

  16. #16 Quixottel
    5. März 2011

    edit:
    @FF: bitte diesen jetzigen und den eintrag von 17:21 löschen… irgendwie spinnt mein Netz immer mal und so hab ich nicht gemerkt, dass ich doppelt gepostet habe… entschuldigung.

  17. #17 182°Insane in the Membrane
    2. Oktober 2011

    Im Artikel fehlen, zur Aussage, dass es Fotos gäbe, wo die Sonne an diesen zwei Tagen stark verzerrt gewesen sei, eben solch ein Foto. Ebenfalls fehlen die entsprechenden Daten zu den Luftdruckverhältnissen, welche ja seit Jahrzehnten erhoben werden, wo also sind diese Daten?
    In “einschlägigen Internetseiten” ist es doch üblich für etwaige Aussagen Belege vorzubringen und Quellen anzugeben. Warum nicht hier?

    Wenn du nicht lesen kannst und nicht fähig bist, eine Literaturangabe im Text zu erkennen, dann kann ich dir leider auch nicht helfen. Ansonsten bist du hier immer noch gesperrt, also spar dir weitere Kommentare.