Zeitgleichung.gif Als Zeitgleichung wird die Differenz zwischen der mittleren Sonnenzeit (MOZ, mittlere Ortszeit) und der von einer Sonnenuhr angezeigten Zeit (WOZ, wahre Ortszeit, Sonnentag) bezeichnet (jeweils auf den Längengrad bezogen). Sie wird
Die Ortszeit (oder Sonnenzeit) wird vom Sonnenstand abgeleitet: 12 Uhr Ortszeit ist für einen gegebenen Ort der Zeitpunkt, zu dem die Sonne den Himmelsmeridian überschreitet (Meridiandurchgang, Transit). Dieser Zeitpunkt tritt für alle Orte auf demselben geographischen Meridian gleichzeitig ein. Für östlich davon gelegene Orte ist der Meridiandurchgang und damit 12 Uhr Ortszeit in diesem Augenblick schon vorbei, den westlich davon gelegenen Orten steht er noch bevor. Orte, die nicht auf dem selben Meridian liegen, haben also in ein und demselben Zeitpunkt verschiedene Ortszeiten. (Zur Vereinheitlichung der Zeitmessung wurden Zeitzonen eingeführt: für alle innerhalb einer Zeitzone gelegenen Orte gilt dieselbe Zonenzeit, welche identisch ist mit der Ortszeit auf dem Referenzmeridian der Zeitzone. Für die Mitteleuropäische Zonenzeit ist der Referenzmeridian 15° Ost.)
Sidereal_day_(prograde).png Der Zeitraum zwischen zwei Meridiandurchgängen ist ein Sonnentag; er beträgt im Mittel 24 Stunden. Die Erde dreht sich aber in 23 Stunden 56 Minuten und 4 Sekunden (einem Sterntag) einmal um sich selbst. Dies ist also auch der Zeitraum zwischen zwei Meridiandurchgängen eines Sternes. Der Unterschied zwischen der Länge des Sterntages und der Länge des Sonnentages resultiert aus der jährlichen Bewegung der Erde um die Sonne. Nach einer vollständigen Umdrehung (Rotation) ist die Erde auf ihrer Bahn fast ein Bogengrad weitergelaufen (360 Grad in 365 Tagen). Um den gleichen Winkel muss die Erde sich über die volle Umdrehung hinaus noch weiterdrehen, bis die Sonne wieder exakt im Süden steht. Dies benötigt im Mittel etwa 4 Minuten.
Aus den im Folgenden erläuterten Gründen kann der Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Meridiandurchgängen im Laufe eines Jahres um bis zu 20 Sekunden kürzer und um bis zu 30 Sekunden länger sein als exakt 24 Stunden. Man unterscheidet daher die Wahre Sonnenzeit, die von den tatsächlich beobachteten Sonnenständen abgleitet wird und mit leicht variabler Geschwindigkeit verläuft, von der Mittleren Sonnenzeit, welche zur Gewinnung eines gleichmäßigen Zeitmaßes eingeführt wurde. Der Unterschied zwischen Wahrer und Mittlerer Sonnenzeit bezeichnet man als die Zeitgleichung. Da die Abweichungen des wahren Sonnentages von 24 Stunden sich jeweils über etwa drei Monate hinweg aufsummieren, bevor sie ihr Vorzeichen wechseln, kann die Zeitgleichung bis zu etwa einer Viertelstunde betragen.
In der Umgebung des Perihels – dem sonnennächsten Punkt – bewegt sich die Sonne jedoch schneller als im Mittel und legt während eines Tages eine größere Strecke zurück, so dass die Erde etwas mehr als vier Minuten braucht, um mit ihrer Drehung die Sonne wieder einzuholen. In Aphelnähe gilt das umgekehrte. Dieses Phänomen beschreibt das zweite Kepler-Gesetz.
Der Effekt führt also dazu, dass die wahre Sonne ab Jahresbeginn (Perihel: 3.Januar) östlich der mittleren Sonne steht (wahre Sonnenzeit geht gegenüber der mittleren Sonnenzeit nach), dass sie ab Juli (Aphel) westlich der mittleren Sonne steht (wahre Sonnenzeit geht gegenüber der mittleren Sonnenzeit vor) und ab nächstem Jahresbeginn wieder östlich der mittleren Sonne.
Zu den Tagundnachtgleichen kreuzt die Ekliptik den Äquator unter einem Winkel von 23,4° und die Bewegung der Sonne während 24 Stunden hat eine Komponente von sin(23,4°)·0,986° = 0,397° senkrecht zum Äquator und nur eine Komponente cos(23,4°)·0,986° = 0,905° entlang des Äquators.
Zu den Sonnenwenden bewegt sich die Sonne zwar parallel zum Äquator, aber den in dieser Entfernung vom Äquator pro Tag zurückgelegten 0,986° entsprechen auf dem Äquator 0,986°/cos(23,4°) = 1,074°. (Zum Vergleich: mit der Strecke, mit der man auf dem Erdäquator einen Längenunterschied von 1° bewältigt, erzielt man auf einer geographischen Breite von 23,4° einen Längenunterschied von 1,09°, weil die Längengrade dort einen etwas geringeren Abstand haben.)
Das einzuholende Wegstück ist also klein zu den Tagundnachtgleichen (wahre Sonne steht westlich der mittleren Sonne, wahre Sonnenzeit geht gegenüber der mittleren Sonnenzeit vor) und groß zu den Sonnenwenden (wahre Sonne steht östlich der mittleren Sonne, wahre Sonnenzeit geht gegenüber der mittleren Sonnenzeit nach).
Die Wirkungen dieser beiden Erscheinungen (e) und (s) auf den scheinbaren Sonnenlauf überlagern sich, und dadurch hat die Zeitgleichung derzeit
Durch Präzession der Erdachse verändert sie sich über die Jahrtausende allmählich.
Als Zeitkoordinate wird die Anzahl der Tage seit dem Standardäquinoktium J2000.0 (1. Januar 2000, 12 Uhr TT ≈ 12 Uhr UT) verwendet, gegebenenfalls inklusive Tagesbruchteil. Ist das Julianische Datum des gewünschten Zeitpunkts, so gilt
.
Zunächst ist die Position der Sonne auf der Ekliptik zu bestimmen. Sieht man vorerst von den durch die Bahnelliptizität verursachten Geschwindigkeitsschwankungen ab und setzt eine mittlere Geschwindigkeit der Sonne an (360° in ca. 365,2422 Tagen), so erhält man die mittlere ekliptikale Länge der Sonne (in dieser Formel ist auch der Einfluss der Aberration bereits enthalten):
.
Um den Einfluss der Bahnelliptizität nachträglich zu berücksichtigen und die ekliptikale Länge zu erhalten, ist hierzu als Korrektur die so genannte Mittelpunktsgleichung zu addieren. Diese Korrektur hängt vom Winkel zwischen Sonne und Perihel ab, der so genannten Anomalie. Die Mittelpunktsgleichung erwartet als Eingabewert die gleichförmig anwachsende mittlere Anomalie . Diese wächst um 360° in einem anomalistischen Jahr zu ca. 365,2596 Tagen:
.
Die Mittelpunktsgleichung ist eine periodische Funktion der mittleren Anomalie und kann daher in eine Fourierreihe zerlegt werden. Bei kleinen Bahnexzentrizitäten kann die Reihe nach wenigen Termen abgebrochen werden. Berücksichtigt man nur in der Exzentrizität lineare und quadratische Terme, so lautet die Mittelpunktsgleichung
,
und für den Fall der Sonnenbahn mit ergibt sich daraus für die ekliptikale Länge der Sonne:
.
und sollten vorher durch Addition oder Subtraktion geeigneter Vielfacher von 360° in den Bereich zwischen 0° und 360° gebracht werden. Die zu zu addierende Korrektur beschreibt den auf der Elliptizität der Erdbahn beruhenden Anteil der Zeitgleichung.
Für die so berechnete entlang der Ekliptik gezählte ekliptikale Länge muss nun die zugehörige entlang des Himmelsäquators gezählte Rektaszension bestimmt werden. Auch die Differenz , die so genannte Reduktion auf den Äquator, läßt sich in eine Fourierreihe entwickeln. Mit der Schiefe der Ekliptik
und
ergibt sich die Rektaszension als
.
Der Unterschied zwischen und ist der auf der Schiefe der Ekliptik beruhende Anteil der Zeitgleichung. Wie man der Gleichung entnehmen kann, entspricht einem gegebenen Längenintervall in der Nähe der Tagundnachtgleichenpunkte ein Rektaszensionsintervall und in der Nähe der Sonnwendpunkte ein Rektaszensionsintervall . Selbst wenn also gleichförmig mit der Zeit anwüchse, so würde dennoch ungleichförmig anwachsen.
Die Bahnstörungen durch die gravitative Wirkung des Mondes und der übrigen Planeten wurden vernachlässigt, ebenso einige langfristige Veränderungen der Erdbahn.
Um die Effekte der Bahnelliptizität und der Schiefe der Erdachse zu vermeiden, denkt man sich die zur Referenz dienende mittlere Sonne als einen gleichmäßig entlang des Äquators (statt der Ekliptik) wandernden Punkt. Sie soll wie die wahre Sonne den Himmel einmal in ca. 365,2422 Tagen umkreisen, also muß ihre Rektaszension um 0,9856474° pro Tag anwachsen (dieselbe Geschwindigkeit, mit der die mittlere Länge der wahren Sonne anwächst). Die Ausgangsstellung zum Zeitpunkt wählt man so, dass die Rektaszension der mittleren Sonne und die mittlere Länge der wahren Sonne zum gleichen Zeitpunkt den Wert Null annehmen (also zum gleichen Zeitpunkt durch den Frühlingspunkt laufen). Dann haben beide Koordinaten, da sie sich mit derselben konstanten Geschwindigkeit bewegen, aber auch zum Zeitpunkt denselben Zahlenwert (nur ist es einmal die mittlere Länge auf der Ekliptik und einmal die Rektaszension auf dem Äquator) und der formelmäßige Zusammenhang ist derselbe wie der für :
.
Nach Übergang zum zugehörigen Zeitintervall durch Multiplikation mit 4min/° liefert diese Formel die Zeitgleichung in Minuten. Die Genauigkeit beträgt etwa 0,1 Minuten für den Zeitraum zwischen 1950 und 2050.
Beispiel: Für den 1. Juni 2006 12h UT () liefert diese Formel einen Wert von 2,194 min für die Zeitgleichung. Laut Astronomical Almanac beträgt der Wert "mit einer Präzision von etwa einer Sekunde" 2,195 min.
Soll die Formel für einen engeren Zeitraum verwendet werden, so können die Koeffizienten für diesen Fall auch explizit vorberechnet werden. Spezialisierung auf den Zeitraum um J2000.0 liefert beispielsweise als Näherungsformel für die Zeitgleichung in Minuten:
Es bezeichne den ab 1. Januar 2000 gezählten Tag, die Periodenlängen in Tagen, Δ die Verschiebungen der Startzeitpunkte der Perioden gegenüber und A die Amplituden. Dann lässt sich die Zeitgleichung mit folgender Formel annähern, wenn und für die durch die Elliptizität der Erdbahn bzw. die Schiefe der Ekliptik verursachten Anteile stehen:
Als Periodendauer sind folgende Parameter einzusetzen: (ein halbes tropisches Jahr) (Zeit zwischen 2 Periheldurchgängen)
Anhand der Tabelle 1 können die Parameter As bis Δe so gewählt werden, dass die Abweichungen der Funktionswerte von den Tabellenwerten minimal werden. Unter Verwendung der Methode der kleinsten Quadrate erhält man folgende Werte: (ungefähr der Zeitpunkt des März-Äquinoktiums) (ungefähr der Zeitpunkt des Periheldurchgangs) Für t kann in die Formel auch der Tag (0 bis 365) eines beliebigen Jahres eingesetzt werden; die Abweichungen vom tatsächlichen Wert werden größer, je weiter man sich vom Jahr 2000 entfernt.
Abgesehen von einer leichten Asymmetrie, die davon herrührt, dass Perihel und Frühlingspunkt nicht zusammenfallen, erstreckt sich ein durch Sonnenpositionen zu fester Uhrzeit gebildetes Analemma stets entlang eines Himmelsmeridians: das obere Ende weist in Richtung Himmelsnordpol, das untere Ende in Richtung Himmelssüdpol. Zum Zeitpunkt der Sommer- bzw. Wintersonnwende durchläuft die Sonne jene nördlichsten bzw. südlichsten Punkte des Analemmas.
Betrachtet man ein Sonnenstandsdiagramm, so bilden die Sonnenpositionen für eine fixe Uhrzeit ein Analemma. Auf der Nordhalbkugel ist ein solches Analemma für einen Zeitpunkt am Nachmittag nach rechts geneigt, weil das obere Ende des Analemmas in Richtung des Himmelsnordpols weist, welcher sich rechts oberhalb eines zur untergehenden Sonne blickenden Beobachters befindet. Der tiefste Punkt eines so geneigten Analemmas ist nicht mit dem südlichsten Punkt identisch, in dem sich die Sonne zum Zeitpunkt der Wintersonnwende befindet.
Das Analemma für die Uhrzeit des frühesten Sonnenuntergangs berührt mit seinem tiefsten Punkt gerade den Horizont. Passiert die Sonne auf ihrem Weg zur Wintersonnwende an einem bestimmten Tag diesen tiefsten Punkt, so ist sie an diesem Tag zu dieser Uhrzeit gerade untergegangen. An den vorhergehenden und nachfolgenden Tagen befindet sie sich jedoch auf weniger tiefen Positionen im Analemma und ist um die betreffende Uhrzeit noch nicht untergegangen. Insbesondere liegt ihre Position zur Wintersonnwende zwar auf dem südlichsten, nicht aber auf dem tiefsten Punkt des Analemmas, so dass die Sonne am Tag der Wintersonnwende schon wieder ein Stück später untergeht als am Tag des frühesten Untergangs.
Für Beobachter auf geringeren geographischen Breiten steht der Himmelspol niedriger am Himmel. Entsprechend ist das Analemma für die Uhrzeit des frühesten Sonnenuntergangs stärker geneigt, und der tiefste Punkt des Analemmas wandert zu einem früheren Kalenderdatum. Der Datumsunterschied ist mit zunehmender Äquatornähe also stärker ausgeprägt. Ähnliche Argumente gelten für den spätesten Sonnenaufgang im Winter sowie für den frühesten Aufgang und den spätesten Untergang im Sommer.
Um schnell zu überblicken, was nun wann am frühesten oder spätesten stattfindet, lässt sich eine simple Regel ableiten, deren verbale Logik rein zufällig immer und auch für die Südhalbkugel gilt:
Das früheste Ereignis geschieht vor, das späteste nach der Sonnenwende.
Dass es sich z.B. beim spätesten Ereignis im Sommer nur um einen Sonnenuntergang und im Winter nur um einen Aufgang handeln kann, ist selbstverständlich.
In älteren Jahrbüchern findet sich die Zeitgleichung mit umgekehrtem Vorzeichen. Sie wurde damals zur beobachteten wahren Sonnenzeit addiert, um mittlere Sonnenzeit zu erhalten. Heutzutage liest man die mittlere Zeit von den (stets gleichmäßig laufenden) Uhren ab und addiert die Zeitgleichung, um die wahre Sonnenzeit zu erhalten. In den französischen Jahrbüchern ist die alte Konvention noch üblich.
Zeitbegriff | Astronomische Größe der Zeit | Sonne
Equation of time | Ecuación de tiempo | Équation du temps | Equazione del tempo | Equação do tempo
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