6 UNSER SONNENSYSTEM ALS KLEINER TEIL EINER GALAXIE

Zeitmessung

Zeit ist eine der grundlegendsten physikalischen Größen. Sie hat das menschliche Leben seit der Antike beeinflusst, und ist auch eines der Themen, dass die Menschen schon früh wissenschaftlich erforschten. Die Zeit unterscheidet sich von anderen grundlegenden physikalischen Größen dahingehend, dass der Fluss der Zeit nur in eine Richtung verläuft. Wenn wir die Zeit aus dem Blick der Quantenmechanik betrachten, beobachten wir die Zeit anders als in der klassischen Physik. Die Zeit wird in winzigen Teilchen (10-35s Quantum) quantifiziert, wie ein prominenter deutscher Physiker des 19. und 20. Jahrhunderts Max Planck beschrieb. Auch bemerkenswert ist, dass die Zeit ihren Ursprung in dem Moment hat, in dem sie sich, zusammen mit dem gesamten Universum, entwickelt hat. Dieser Moment ist der Big Bang (Urknall). Ob die Zeit irgendwann endet, hängt auch mit der Existenz des gesamten Universums zusammen. Wenn das Universum endet, tut es das mit einem großen Zusammenbruch der Big Crunch genannt wird und gleichzeitig wird auch die Zeit enden.

Wahrnehmung der Zeit

Wie oben erwähnt, gehört die Zeit zu den physikalischen Größen, deren Existenz vom Menschen als erstes wahrgenommen wurde. Dies geschah, als zum ersten Mal der regelmäßige Tages- und Nachtwechsel bemerkt wurde. Die Ursache dieses Phänomens, d.h. die Rotation der Erde um ihre eigene Achse wurde allerdings erst viel später entdeckt. Das zweite Zeitintervall, das dem Menschen früh bewusst wurde, war der allmähliche Wechsel der Mondphasen.

Einheiten der Zeit

Einfach ausgedrückt, waren die ersten, vom Menschen entdeckten Zeiteinheiten Tag/ Nacht und die Zyklen des Mondes. Die Existenz dieser Einheiten ermöglichte es erst, längere Zeitintervalle zu erkennen, wie das Jahr mit 365 Tagen. Mit einem Kalender lässt sich mit Hilfe der Länge der Tage und der Monate bestimmen, wie lange das Jahr ist. In diesem Kapitel werden die historische Entwicklung und der Einfluss von Kalendern auf die fortschreitende Erschließung des Wissens über das Universum und die darin stattfindenden Prozesse erörtert.

Längere Zeiträume aufzuzeichnen ist schon relativ früh möglich gewesen, später waren die Menschen dann daran interessiert, Zeitintervalle zu bestimmen, die sich durch kürzere Zeitspannen charakterisieren lassen als der Tag-und Nachtwechsel. Alle Messungen von Zeitintervallen beziehen sich auf die Natur, meist in Form von astronomischen Prozessen., die die Zeitmessung bestimmen und die Genauigkeit der Messmethoden auch eindeutig bestätigen (oder im Gegenteil ausschließen). Mit zunehmendem Wissen über astronomische Prozesse, wurde auch die Genauigkeit von Zeitmessverfahren verbessert.

Messung der Zeit

Im Unterricht müssen zwei grundlegende Messarten unterschieden werden:

1. Ein Maß dafür „wie spät es grade ist“. Hier verwenden wir üblicherweise Uhren. In der Vergangenheit wurden verschiedene Arten von Sonnenuhren verwendet.

2. Die Messung der Länge des Zeitintervalls, d. h. die Messung einer Stunde als 60 Minuten oder 3600 Sekunden. Hierzu können wir auch Uhren verwenden, um den Beginn und das Ende des Zeitintervalls aufzuzeichnen und daraus zu ersehen, wie kurz oder lang es war. Meist werden jedoch Stoppuhren verwendet, früher auch Sanduhren, Wasseruhren oder Kerzenuhren.

Historische Zeitskalen, wie im vorigen Abschnitt erwähnt, sind sehr nützlich um die Zeitmessung zu erklären, aber es ist auch notwendig die heutigen Methoden zur Zeitmessung zu kennen, z.B. eine normale Uhr mit Zeiger.

Jahr und Monat

Aus astronomischer Sicht ist die Grundeinheit ein Jahr, dessen Länge von der Bewegung der Erde um die Sonne bestimmt wird. Astronomen unterscheiden einige Definitionen des Jahres, die mit einem anderen Bezugssystem verbunden sind. Von diesen sind die wichtigste das tropische Jahr (meistens im Alltag benutzt und kalendergebunden), das siderische Jahr und das anomalistische Jahr.

Das tropische Jahr kann man vereinfacht als die Zeit zwischen zwei gleichen Zeitpunkten im Ablauf der Jahreszeiten beschreiben, zum Beispiel von einer FrühlingsTagundnachtgleiche (Frühlingsanfang) zur nächsten oder von einer Sommersonnenwende (Sommeranfang) zur nächsten. Es dauert 365.242 192 129 Tage (365 Tage, 5 Stunden, 48 Minuten, 45 Sekunden).
Das siderische Jahr oder Sternenjahr ist die Zeitspanne, die vergeht, bis die Sonne von der Erde aus gesehen die gleiche Stellung am Himmel in Bezug auf einen fiktiven unendlich weit entfernten Fixstern ohne Eigenbewegung einnimmt. Es dauert 365.256 363 051 Tage (365 Tage, 6 Stunden, 9 Minuten, 9 Sekunden).
Das anomalistische Jahr ist die Zeit, die zwischen den beiden Durchgängen der Erde durch den Periapsis (der Punkt, an dem die Erde der Sonne am nächsten ist) vergeht. Es dauert 365.259 635 864 Tage (365 Tage, 6 Stunden, 13 Minuten, 53 Sekunden).

Ebenso ist es auch möglich, den Monat unterschiedlich zu definieren. Der synodische Monat beschreibt die Formänderungen der Mondscheibe aus Sicht des Erdbeobachters. Seine Länge beträgt 29.5 Tage. Der siderische Monat beschreibt den mittleren Zeitraum, bis der Mond, von der Erde aus gesehen, wieder vor dem gleichen Fixstern erscheint. Diese Periode dauert etwa 27,3 Tage. Der tropische Monat bezieht sich auf den Frühlingsanfang und dauert 27.32 Tage, der anomalistische Monat ist die bezeichnet die Periode zweier Perigäums-Durchgänge (der Punkt, an dem der Mond der Erde am nächsten ist) mit einer Länge von 27.554 549 878 Tagen, und der drakonische Monat bezieht sich auf die Durchgänge durch den Mondknoten und beträgt 27.2 Tage.

Meist sind allerdings kürzere Zeiteinheiten von Bedeutung. Die Basiseinheit der Zeit ist die Sekunde: Die Sekunde ist das Vielfache der Periode einer Mikrowelle, die mit einem ausgewählten Niveauübergang im Caesiumatom in Resonanz ist. Daher wird sie als Atomsekunde bezeichnet. (Neudefinition der Basiseinheiten der Generalkonferenz für Maß und Gewicht mit Wirkung vom 20. Mai 2019) Weitere Einheiten sind Einheiten, die innerhalb dieses Systems abgeleitet werden können: Minute (1 Minute = 60 Sekunden), Stunde (1 Stunde = 60 Minuten = 3600 Sekunden) und Tag (1 Tag = 24 Stunden).

Sonnenuhr

Wie oben erwähnt, ist die Sonnenuhr das grundlegende Maß für die Zeit, in Bezug auf die aktuelle Uhrzeit. Obwohl es mehrere Arten von Sonnenuhren gibt, wird die Zeit meistens am von einer Stange geworfenen Schatten auf das Zifferblatt abgelesen. Die Stange wird, abhängig von ihrer Position, in Bezug auf das Zifferblatt, als Gnomon (die Stange steht senkrecht zur Ebene des Ziffernblattes) oder als Polstab bezeichnet.

Die von der Sonnenuhr gemessene Zeit ergibt sich aus der Bewegung der Sonne am Himmel. Wir nennen dies die echte Sonnenzeit. Es ist eine Zeit, die derjenigen nahekommt, die wir auf unseren Uhren oder Armbanduhren ablesen.

Es gibt drei Hauptgründe für den Unterschied zwischen echter Sonnenzeit und unseren Uhren:

Normalerweise verwenden wir die mittlere Sonnenzeit, eine Zeit, die im Gegensatz zur echten Sonnenzeit gleichmäßig verläuft. Der ungleichmäßige Fluss der echten Sonnenzeit ist auf die Tatsache zurückzuführen, dass die Neigung der Erdachse zur Ekliptik 66,5 Grad beträgt und sich die Erde um die Sonne nicht auf einem Kreis, sondern auf einer Ellipse bewegt. Deshalb sind die Sonnentage unterschiedlich lang: Der kürzeste Sonnentag ist Mitte Februar, der längste Sonnentag Anfang November.
Im Allgemeinen nutzen wir die Zonenzeit. Im Falle der Bundesrepublik Deutschland ist dies die mittlere Sonnenzeit, die dem 15. östlichen Längengrad entspricht. An Orten, die sich westlich dieses Meridians befinden, ist der Wert der echten Sonnenzeit geringer und ändert sich um 4 Minuten für jeden Längengrad. Ebenso ist östlich des 15. Längengrads die echte Sonnenzeit größer (Sie ändert sich ebenfalls um 4 Minuten für jeden Längengrad).
In Deutschland nutzt man zusätzlich noch die Sommerzeit, zwischen Ende März und Ende Oktober, bei der die Uhr um eine Stunde vorgestellt wird.

Diese Abweichungen müssen wir bei dem Bau von Sonnenuhren berücksichtigen. Durch das Bewusstsein für die grundsätzlichen Unterschiede zwischen echter und mittlerer Sonnenzeit, können die natürlichen Phänomene die diese verursachen und ihre Wirkweise einfacher erkannt werden. Am einfachsten kann die Differenz zur Sommerzeit durch eine zweite Skalenkurve für den Sommer ergänzt werden. Die Zonenzeit kann durch eine konstante Verschiebung der Skala ausgeglichen werden. Am schwierigsten ist die Abweichung durch die Neigung der Erdachse und die elliptische Umlaufbahn zu kompensieren. Die Skalenkurve gleicht dann einer Acht. Solche Sonnenuhren sind sehr kompliziert zu konstruieren und somit für Unterricht zu anspruchsvoll.

Manche Sonnenuhren können zusätzlich zur Tageszeit auch noch ungefähr die Dauer der Monate anzeigen. Diese Sonnenuhren haben am Ende des Stabes ein rundes Ende, das Nodus genannt wird. Zusätzlich zu den Skalen werden 7 Kurven angezeigt. Die Bereiche zwischen den Linien geben die Tierkreiszeichen wieder, so dass man den Monat ungefähr bestimmen kann, wenn der Nodus in diesem Bereich seinen Schatten wirft. Von innen nach außen im ersten Halbjahr und dann zurück im 2. Halbjahr, so das immer zwei Tierkreiszeichen pro Bereich möglich sind.

Intervallmessung

Es ist möglich, gekaufte Messinstrumente zur Messung von Zeiteinheiten zu verwenden, aber noch besser geeignet sind von den Schülerinnen und Schülern selbst hergestellte Geräte. Am besten geeignet dafür sind Sanduhren, Sonnenuhren und Wasseruhren. (Es gibt auch Kerzenuhren. Diese sind aber bei Schülerinnen und Schülern bis zu 10 Jahren vor allem in größeren Gruppen sehr gefährlich).

Sanduhr

Es ist wichtig, dass man möglichst gleichmäßigen Sand in einer Sanduhr verwendet. Am besten ist Flusssand geeignet, bei dem die einzelnen Körnchen durch die ständige Bewegung des Wassers und die Reibung mit anderen, im Fluss vorhandenen Feststoffen, wie kleineren und größeren Steinen, eine regelmäßige, fast abgerundete Form annehmen. Es ist ratsam, den Sand vor dem Einsatz durch ein Sieb zu schütten, um größere Sandkörner zu entfernen. Trotz einer sorgfältigen Vorbereitung der Sanduhr, muss davon ausgegangen werden, dass der Sand nicht immer in exakt derselben Zeit durchläuft. Daran kann man zeigen, dass in wissenschaftlichen Versuchen oft Ergebnisse bei wiederholten Messungen nicht reproduzierbar sind, obwohl die Bedingungen scheinbar immer gleich sind.

Wasseruhr

Bei Wasseruhren, die aus einer PET-Flasche mit einer Bodenöffnung hergestellt werden, ist es möglich, die Zeit des Austropfens der Flüssigkeit aus der Flasche zu messen nachdem ein kleines oder mehrere kleine Löcher in den Deckel gestochen wurden. Darüber hinaus kann die Flasche mit einer Skala ausgestattet werden, beispielsweise mittels eines Filzstifts, die auch kürzere Zeitintervalle zulässt. Es wird gezeigt, dass die Skala nicht gleichmäßig ist, da die Geschwindigkeit des Flüssigkeitsausflusses mit abnehmender Höhe des Wasserstandes im Behälter, und somit mit abnehmendem Druck abnimmt. Der Flüssigkeitsausfluss wird auch von der Größe der oberen Öffnung der Flasche beeinflusst und es kann gezeigt werden, dass dadurch die Geschwindigkeit des Ausflusses von Wasser aus der Flasche geändert werden kann.