Was wäre, wenn Ihnen jemand sagen würde, dass Sie zu einem bestimmten Zeitpunkt mit einer Geschwindigkeit unterwegs sind, die weit über der Schallgeschwindigkeit liegt? Sie würden diese Person vielleicht für verrückt halten, da Sie – soweit Sie das beurteilen können – auf festem Boden stehen und nicht im Cockpit eines Überschallflugzeugs sitzen. Dennoch ist die Aussage richtig. Zu jedem Zeitpunkt bewegen wir uns dank der Erdrotation mit einer Geschwindigkeit von etwa 1.674 Kilometern pro Stunde.
Laut Definition ist die Erdrotation die Zeit, die die Erde braucht, um sich einmal um ihre Achse zu drehen. Das geschieht offenbar einmal am Tag, also alle 24 Stunden. Es gibt jedoch zwei verschiedene Arten der Rotation, die hier berücksichtigt werden müssen. Da ist zum einen die Zeit, die die Erde braucht, um sich einmal um ihre Achse zu drehen, so dass sie im Vergleich zum Rest des Universums wieder die gleiche Ausrichtung hat. Dann gibt es noch die Zeit, die die Erde braucht, um sich so zu drehen, dass die Sonne an denselben Punkt am Himmel zurückkehrt.
Solarer vs. siderischer Tag:
Wie wir alle wissen, dauert es genau 24 Stunden, bis die Sonne an denselben Punkt am Himmel zurückkehrt, was offensichtlich ist. 24 Stunden sind das, was wir für einen kompletten Tag halten, und die Zeit, die es braucht, um vom Tag zur Nacht und wieder zurück zu wechseln. Aber in Wahrheit braucht die Erde 23 Stunden, 56 Minuten und 4,09 Sekunden, um sich einmal um ihre Achse zu drehen, verglichen mit den Hintergrundsternen.
Warum der Unterschied? Nun, das liegt daran, dass die Erde um die Sonne kreist und eine Umrundung in etwas mehr als 365 Tagen vollzieht. Wenn man 24 Stunden durch 365 Tage teilt, verbleiben etwa 4 Minuten pro Tag. Mit anderen Worten: Die Erde dreht sich um ihre Achse, aber sie kreist auch um die Sonne, so dass sich die Position der Sonne am Himmel jeden Tag um 4 Minuten verschiebt.
Die Zeitspanne, die die Erde braucht, um sich einmal um ihre Achse zu drehen, wird als siderischer Tag bezeichnet – er dauert 23,9344696 Stunden. Da diese Art der Tagesmessung auf der Position der Erde im Verhältnis zu den Sternen beruht, verwenden die Astronomen sie als Zeitmesssystem, um zu wissen, wo die Sterne am Nachthimmel erscheinen werden, vor allem, um zu wissen, in welche Richtung sie ihre Teleskope ausrichten müssen.
Die Zeit, die die Sonne braucht, um an dieselbe Stelle des Himmels zurückzukehren, wird als Sonnentag bezeichnet und beträgt 24 Stunden. Diese Zeitspanne variiert jedoch im Laufe des Jahres, und der kumulierte Effekt führt zu saisonalen Abweichungen von bis zu 16 Minuten vom Durchschnitt. Dies wird durch zwei Faktoren verursacht, zu denen die elliptische Umlaufbahn der Erde um die Sonne und ihre axiale Neigung gehören.
Bahn und axiale Neigung:
Wie Johannes Kepler in seiner Astronomia Nova (1609) feststellte, drehen sich die Erde und die Sonnenplaneten nicht in perfekten Kreisen um die Sonne. Dies ist als Keplersches erstes Gesetz bekannt, das besagt, dass „die Bahn eines Planeten um die Sonne eine Ellipse mit dem Massenschwerpunkt der Sonne in einem Brennpunkt ist“. Im Perihel (d.h. dem sonnennächsten Punkt) ist die Erde 147.095.000 km von der Sonne entfernt, während sie im Aphel 152.100.000 km von der Sonne entfernt ist.
Diese Entfernungsänderung bedeutet, dass die Umlaufgeschwindigkeit der Erde zunimmt, wenn sie der Sonne am nächsten ist. Während ihre Durchschnittsgeschwindigkeit etwa 29,8 km/s (18,5 mps) oder 107.000 km/h (66487 mph) beträgt, schwankt sie im Laufe des Jahres tatsächlich um einen vollen km pro Sekunde – zwischen 30,29 km/s und 29.29 km/s (109.044 – 105.444 km/h; 67.756,8 – 65.519,864 mph).
Bei dieser Geschwindigkeit benötigt die Sonne das Äquivalent von 24 Stunden – d.h. einen Sonnentag – um eine volle Umdrehung um die Erdachse zu vollenden und zum Meridian zurückzukehren (ein Punkt auf der Erdkugel, der von Norden nach Süden durch die Pole verläuft). Vom Standpunkt oberhalb der Nordpole der Sonne und der Erde aus betrachtet, kreist die Erde gegen den Uhrzeigersinn um die Sonne.
Diese Erdrotation um die Sonne oder die Präzession der Sonne durch die Tagundnachtgleichen ist der Grund dafür, dass ein Jahr ungefähr 365,2 Tage dauert. Aus diesem Grund wird auch alle vier Jahre ein zusätzlicher Tag benötigt (ein 29. Februar in jedem Schaltjahr). Außerdem unterliegt die Rotation der Erde um die Sonne einer leichten Exzentrizität von (0,0167°), was bedeutet, dass sie sich zu bestimmten Zeiten des Jahres periodisch näher oder weiter von der Sonne entfernt.
Die Erdachse ist außerdem um etwa 23,439° zur Ekliptik geneigt. Das bedeutet, dass die Sonne, wenn sie den Äquator zu den beiden Tagundnachtgleichen überquert, ihre tägliche Verschiebung relativ zu den Hintergrundsternen in einem Winkel zum Äquator erfolgt. Im Juni und Dezember, wenn die Sonne am weitesten vom Himmelsäquator entfernt ist, entspricht eine bestimmte Verschiebung entlang der Ekliptik einer großen Verschiebung am Äquator.
Die scheinbaren Sonnentage sind also im März und September kürzer als im Juni oder Dezember. In den nördlichen gemäßigten Breiten geht die Sonne während der Sommersonnenwende nördlich des wahren Ostens auf und geht nördlich des wahren Westens unter, was sich im Winter umkehrt. In den südlichen gemäßigten Breiten geht die Sonne im Sommer südlich des wahren Ostens auf und geht südlich des wahren Westens unter.
Rotationsgeschwindigkeit:
Wie bereits erwähnt, dreht sich die Erde ziemlich schnell. Tatsächlich haben Wissenschaftler festgestellt, dass die Rotationsgeschwindigkeit der Erde am Äquator 1.674,4 km/h beträgt. Das bedeutet, dass ein Mensch, der auf dem Äquator steht, bereits mit einer Geschwindigkeit unterwegs ist, die über der Schallgeschwindigkeit im Kreis liegt. Aber ähnlich wie die Messung eines Tages kann auch die Erdrotation auf zwei verschiedene Arten gemessen werden.
Die Rotationsperiode der Erde im Verhältnis zu den Fixsternen wird als „Sterntag“ bezeichnet und entspricht 86.164,098903691 Sekunden mittlerer Sonnenzeit (oder 23 Stunden, 56 Minuten und 4,0989 Sekunden). Die Rotationsperiode der Erde in Bezug auf den sich vorwärts bewegenden Frühlingspunkt beträgt dagegen 23 Stunden, 56 Minuten und 4,0905 Sekunden der mittleren Sonnenzeit. Das ist kein großer Unterschied, aber doch ein Unterschied.
Der Planet verlangsamt sich jedoch im Laufe der Zeit aufgrund der Gezeiteneffekte, die der Mond auf die Erdrotation ausübt, leicht. Atomuhren zeigen, dass ein moderner Tag um etwa 1,7 Millisekunden länger ist als vor einem Jahrhundert, wodurch sich die Rate, mit der die UTC durch Schaltsekunden angepasst wird, langsam erhöht. Die Erdrotation verläuft auch von Westen nach Osten, weshalb die Sonne im Osten aufgeht und im Westen untergeht.
Enstehung der Erde:
Eine weitere interessante Sache über die Erdrotation ist, wie alles angefangen hat. Im Grunde ist die Rotation des Planeten auf den Drehimpuls aller Teilchen zurückzuführen, die vor 4,6 Milliarden Jahren zusammenkamen, um unseren Planeten zu schaffen. Davor waren die Erde, die Sonne und der Rest des Sonnensystems Teil einer riesigen Molekülwolke aus Wasserstoff, Helium und anderen schwereren Elementen.
Als die Wolke in sich zusammenfiel, brachte der Drehimpuls aller Teilchen die Wolke ins Rotieren. Die derzeitige Rotationsperiode der Erde ist das Ergebnis dieser anfänglichen Rotation und anderer Faktoren, einschließlich der Gezeitenreibung und des hypothetischen Theia-Einschlags – einer Kollision mit einem marsgroßen Objekt, die vor ca. 4,5 Milliarden Jahren stattgefunden haben soll und den Mond geformt hat.
Diese schnelle Rotation ist auch der Grund für die Form der Erde, die zu einem abgeflachten Sphäroid abgeflacht ist (oder wie ein gequetschter Ball aussieht). Diese besondere Form unseres Planeten bedeutet, dass Punkte entlang des Äquators weiter vom Erdmittelpunkt entfernt sind als an den Polen.
Geschichte der Studie:
In der Antike glaubten die Astronomen natürlich, dass die Erde ein fester Körper im Kosmos sei und dass die Sonne, der Mond, die Planeten und die Sterne sich alle um sie drehten. In der klassischen Antike wurde dies von Philosophen und Astronomen wie Aristoteles und Ptolemäus in ein kosmologisches System umgesetzt, das später als ptolemäisches Modell (oder geozentrisches Modell) des Universums bekannt wurde.
Allerdings gab es in der Antike auch Menschen, die diese Konvention in Frage stellten. Ein Streitpunkt war die Tatsache, dass die Erde nicht nur fest stand, sondern dass sie sich nicht drehte. So veröffentlichte Aristarchos von Samos (ca. 310 – 230 v. Chr.) Schriften zu diesem Thema, die von seinen Zeitgenossen (wie Archimedes) zitiert wurden. Archimedes zufolge vertrat Aristarchus die Ansicht, dass sich die Erde um die Sonne dreht und dass das Universum um ein Vielfaches größer ist als bisher angenommen.
Und dann war da noch Seleukos von Seleukien (ca. 190 – 150 v. Chr.), ein hellenistischer Astronom, der im vorderasiatischen Seleukidenreich lebte. Seleukos war ein Befürworter des heliozentrischen Systems des Aristarchos und hat möglicherweise sogar dessen Richtigkeit bewiesen, indem er die Positionen der Planeten und die Umdrehung der Erde um den Erde-Mond-Masseschwerpunkt genau berechnete.
Das geozentrische Modell des Universums wurde auch von mittelalterlichen islamischen und indischen Gelehrten in Frage gestellt. So veröffentlichte der indische Astronom Aaryabhata 499 n. Chr. sein Hauptwerk Aryabhatiya, in dem er ein Modell vorschlug, bei dem sich die Erde um ihre Achse drehte und die Perioden der Planeten in Bezug auf die Sonne angegeben wurden.
Der iranische Astronom Abu Sa’id al-Sijzi aus dem 10. Jahrhundert widersprach dem ptolemäischen Modell, indem er behauptete, dass sich die Erde um ihre Achse drehte, und erklärte so den scheinbaren Tageszyklus und die Rotation der Sterne relativ zur Erde. Etwa zur gleichen Zeit erörterte Abu Rayhan Biruni (973-1048) die Möglichkeit, dass sich die Erde um ihre eigene Achse und um die Sonne dreht – allerdings betrachtete er dies als eine philosophische und nicht als eine mathematische Frage.
Im Maragha- und Ulugh-Beg-Observatorium (auch bekannt als Samarkand-Observatorium) wurde die Erdrotation zwischen dem 13. und 15. Zu dieser Zeit veröffentlichte auch Nilakantha Somayaji das Aryabhatiyabhasya (einen Kommentar zum Aryabhatiya), in dem er ein teilweise heliozentrisches Planetenmodell vertrat. Im Jahr 1500 folgte das Tantrasangraha, in dem Somayaji die Rotation der Erde um ihre Achse einbezog.
Im 14. Jahrhundert begannen Aspekte des Heliozentrismus und einer sich bewegenden Erde in Europa aufzutauchen. So diskutierte der französische Philosoph Bischof Nicole Oresme (ca. 1320-1325 bis 1382 n. Chr.) die Möglichkeit, dass sich die Erde um ihre Achse dreht. Den größten Einfluss auf die moderne Astronomie hatte jedoch der polnische Astronom Nikolaus Kopernikus, als er 1514 seine Ideen über ein heliozentrisches Universum in einer kurzen Abhandlung mit dem Titel Commentariolus („Kleiner Kommentar“) veröffentlichte.
Wie andere vor ihm baute Kopernikus auf der Arbeit des griechischen Astronomen Atistarchos auf und huldigte der Maragha-Schule und mehreren bedeutenden Philosophen aus der islamischen Welt (siehe unten). Ein wesentlicher Bestandteil seines Modells war die Tatsache, dass sich die Erde und alle anderen Planeten um die Sonne drehen, aber auch, dass sich die Erde um ihre Achse dreht und vom Mond umkreist wird.
Mit der Zeit und dank Wissenschaftlern wie Galileo und Sir Isaac Newton wurden die Bewegung und die Umdrehung unseres Planeten zu einer anerkannten wissenschaftlichen Konvention. Mit dem Aufkommen des Weltraumzeitalters, dem Einsatz von Satelliten und Atomuhren haben wir nicht nur bestätigt, dass er sich ständig bewegt, sondern konnten auch seine Umlaufbahn und Rotation mit unglaublicher Genauigkeit messen.
Kurz gesagt, die Welt dreht sich seit ihrer Entstehung. Und im Gegensatz zu dem, was manche sagen, verlangsamt sie sich tatsächlich, wenn auch unglaublich langsam. Aber natürlich werden wir bis zu dem Zeitpunkt, an dem sie sich deutlich verlangsamt, wahrscheinlich schon aufgehört haben zu existieren oder uns aus ihren „mürrischen Fesseln“ gelöst haben und zu einer interplanetarischen Spezies geworden sein.
Wir haben hier bei Universe Today viele interessante Artikel über die Bewegungen der Erde geschrieben. Hier ist Wie schnell dreht sich die Erde, Die Erdumlaufbahn um die Sonne, Wie schnell dreht sich die Erde, Warum dreht sich die Erde, Was würde passieren, wenn sich die Erde nicht mehr drehen würde und Was ist der Unterschied zwischen dem heliozentrischen und dem geozentrischen Modell des Sonnensystems?
Wenn Sie mehr über die Erdrotation erfahren möchten, lesen Sie den NASA Solar System Exploration Guide on Earth. Und hier ist ein Link zum Erdobservatorium der NASA.
Wir haben auch eine Folge von Astronomy Cast aufgenommen, die sich mit der Erde beschäftigt. Hören Sie hier, Episode 51: Erde.