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- Herausgeber: Verlag Anton Pustet
- Kategorie: Wissenschaft und neue Technologien
- Sprache: Deutsch
- Veröffentlichungsjahr: 2021
ALLes in ALLem … Dass sich das Universum ausdehnt, ist eine der ganz großen Entdeckungen der Menschheit. Daraus folgt, dass es einen Ursprung gegeben haben muss, in dem die gesamte Materie auf einen winzigen Punkt konzentriert war. Doch wann und wo hat dieser Urknall stattgefunden? Wie groß ist das Weltall? Wie ist die Sonne entstanden? Haben sich die Planeten ebenfalls zur gleichen Zeit wie die Sonne gebildet? Wir können nur etwa fünf Prozent des Universums beobachten, woraus bestehen die restlichen 95 Prozent? Gibt es außerirdisches Leben? Finden wir Spuren vielleicht sogar in unserem Sonnensystem? Die Astronomie ist eine Wissenschaft, die im Gegensatz zu den anderen Naturwissenschaften keine Experimente im klassischen Sinn machen kann. Wir können nicht in andere Galaxien fliegen und dort Sterne untersuchen. Die einzige uns zugängliche Information von Sternen, Galaxien und anderen Himmelskörpern ist deren Licht. Der bekannte Grazer Astronomie-Professor Arnold Hanslmeier zeigt, wie man durch einfache Beobachtungen Aussagen über ferne Sterne und Galaxien machen kann und erklärt erklärt die Dimensionen des Weltalls einfach und klar, um die zugrundeliegenden Theorien dem interessierten Publikum näherzubringen. - 100 schwierige Fragen einfach beantwortet - Praktische Tipps zur eigenen Himmelsbeobachtung - Neueste Erkenntnisse
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Seitenzahl: 313
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Impressum
Bibliografische Information der Deutschen NationalbibliothekDie Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar.
© 2021 Verlag Anton Pustet
5020 Salzburg, Bergstraße 12
Sämtliche Rechte vorbehalten.
Lektorat: Martina Schneider
Grafik und Produktion: Nadine Kaschnig-Löbel
Coversujet: Explodierende Galaxie M 82 © Rochus Hess, www.astrofotografie-hess.at; Kapiteltrennseiten: Rochus Hess; Seite 182–183 Rochus Hess und Marcel Drechsler
eISBN 978-3-7025-8085-8
auch als gedrucktes Buch erhältlich: ISBN 978-3-7025-1028-2
www.pustet.at
Arnold Hanslmeier
DIMENSIONEN DES WELTALLS
INHALT
Einleitung
Unsere Erde
Ist die Erde eine Kugel?
Kann man die Erdkrümmung sehen?
Wie groß ist die Erdkugel?
Wieso schweben Astronauten im All?
Gibt es auch auf der Erde Schwerelosigkeit?
Wie schwer ist die Erde?
Was sind astronomische Zahlen?
Wie schwer ist die Menschheit?
Die Kanonenkugel und die Erdanziehung
Wie sieht die Erde vom Mond aus?
Was bezeichnet man als Planet?
Wie sieht die Erde vom Weltraum aus?
Wie groß ist die Erdoberfläche verglichen mit anderen Himmelskörpern?
Warum gibt es Jahreszeiten?
Unser Mond
Auf dem Mond hüpfende Astronauten?
Der Mond als Raumstation?
Wie weit ist der Mond von uns entfernt?
Woher kommt das Wort „Monat“?
Was ist ein Blauer Mond?
Wie entstehen die Mondphasen?
Was ist das Mondgesicht?
Meere und Gebirge auf dem Mond?
Weshalb besitzt der Mond Krater?
Wie kommt es zu Mond- und Sonnenfinsternissen?
Weshalb dauern Finsternisse unterschiedlich lange?
Was ist ein Blutmond?
Wie entstehen die Gezeiten?
Was ist eine Springflut?
Die Kraft des Mondes
Der Mond und die Entstehung des Lebens?
Die Erdachse als Kreisel
Was ist der Polarstern?
Woher kommt unser Mond?
Unser Kalender
Woher kommen das Jahr, der Monat und der Tag?
Wie lange dauert ein Jahr?
Der Tag, an dem elf Tage verstrichen
Gibt es Kalender, die nach dem Mond gehen?
Der Nullpunkt des Kalenders?
Die Sonne, unser Stern
Wie heißt unser nächster Stern?
Was macht die Sonne so besonders?
Weshalb stürzen wir nicht in die Sonne?
Wie kann man die Sonne beobachten?
Was sieht man auf der Sonne?
Hat die Sonne Flecken?
Wie weit ist die Sonne entfernt?
Wieviel Energie strahlt die Sonne ab?
Wie erzeugt die Sonne ihre Energie?
Masse in Energie umwandeln?
Die Sonne – eine Atombombe?
Wird die Sonne leichter?
Kann man in das Innere der Sonne blicken?
Die schwingende Sonne?
Kann man Neutrinos nachweisen?
Zu wenig Neutrinos von der Sonne?
Ist die Sonne magnetisch?
Warum sind Sonnenflecken kühl?
Warum ist die höhere Sonnenatmosphäre heißer als die Oberfläche?
Eine Heizung für die Sonnenatmosphäre?
Gefahr von der Sonne?
Polarlichter von der Sonne erzeugt?
Funkstille durch erhöhte Sonnenaktivität?
Gefahr durch Sonnenstrahlung?
Das Zittern der Kompassnadel
Gibt es ein Wetter im Weltraum?
Beeinflusst die Sonnenaktivität unser Klima?
Wann hört die Sonne auf zu leuchten?
Das System der Planeten
Was sind Planeten?
Schleifen am Himmel?
Was ist der Morgenstern, was ist der Abendstern?
Gibt es eine Venussichel?
Gibt es etwas Neues von Merkur?
Venus: Die Hölle im Sonnensystem?
Wo geht die Sonne verkehrt auf?
Gibt es Leben auf der Venus?
Mars – der rote Planet
Kanäle auf dem Mars, errichtet von Marsbewohnern?
Grüne Marsmännchen?
Spielzeugautos auf dem Mars?
Auf dem Mars (über)leben?
Wann regnete es auf dem Mars zum letzten Mal?
Sonnenfinsternisse auf dem Mars?
Jupiter – ein Miniatursonnensystem?
Monde, neue Kandidaten für Leben?
Saturn – der einzige Planet mit Ring?
Titan – Baden im Alkohol?
Eine Sonde landet auf Titan
Enceladus: Eisvulkane?
Uranus und Neptun, die Eisriesen?
Gab es eine weitere Planetenkollision im Sonnensystem?
Ein Planet wird vorausberechnet
Weshalb ist Pluto kein Planet mehr?
Was wissen wir über Pluto?
Kometen – Unheilsbringer?
Was ist der Halley’sche Komet?
Kometen- und Sternschnuppenschauer
Das Sonnensystem mit dem Flugzeug
Wie groß sind die Planeten?
Der Kosmos der Sterne
Wie viele Sterne sehen wir am Himmel?
Wie erscheint uns der Sternenhimmel?
Wie hell leuchten Sterne?
Was sind Größenklassen?
Wie weit sind die Sterne von uns entfernt?
Was ist ein Lichtjahr?
Eine Reise zu Alpha Centauri?
Wie unterscheiden wir Sterne von Planeten am Himmel?
Wo entstehen Sterne?
Was ist das Siebengestirn?
Weshalb rotieren Sterne?
Wie entstehen Sterne und Planeten?
Was sind Rote Riesen?
Wie lange leben Sterne?
Bestehen wir aus Sternenstaub?
Was ist eine Supernova?
Was sind Weiße Zwerge?
Das Rätsel des Sirius
Was wird einmal aus der Sonne?
Was wird aus weißen Zwergen?
Was sind Neutronensterne?
Leuchttürme am Himmel oder was sind Pulsare?
Ein heller Stern am Himmel
Schwarze Löcher – gibt es sie wirklich?
Ab wann wird man von einem Schwarzen Loch gefangen?
Unsere Erde, ein Schwarzes Loch?
Schwarze Löcher als Sternleichen?
Zusammenfassung: Wie enden die Sterne?
Kann man Schwarze Löcher sehen?
Was sind Wurmlöcher?
Eine Reise in ein Schwarzes Loch
Was ist hinter dem Ereignishorizont?
Ewig gefangen im Schwarzen Loch?
Die quantenmechanische Radarfalle?
Quantenphysik, alles wird unscharf?
Warum leben wir überhaupt in einer geordneten Welt?
Geisterteilchen aus dem Nichts?
Ist moderne Technik ohne Quantenphysik denkbar?
Die Quantenphysik und Schwarze Löcher
Wie lange leben Schwarze Löcher?
Hunderte Milliarden von Sternen: Unsere Milchstraße
Ist unsere Sonne ein besonderer Stern?
Verspritzte Milch am Himmel?
Die Milchstraße – viele Sterne?
Wo befinden wir uns in der Milchstraße?
Wie ist die Milchstraße aufgebaut?
Radiostrahlung von der Milchstraße?
Dem Monster im Zentrum auf der Spur
Was ist die Umgebung der Sonne und des Sonnensystems?
Leben wir in einer Blase?
Kein leerer Raum zwischen den Sternen?
Aus (fast) nichts entstehen Sterne?
Gasnebel – Geburtsstätten neuer Sterne?
Leuchtender Wasserstoff?
Staub in der Milchstraße?
Galaxien Welteninseln
Wie groß ist das Universum?
Eine einfache Abschätzung – wie weit ist der Andromedanebel von uns entfernt?
Wie weit ist der Andromedanebel wirklich entfernt?
Edwin Powell Hubble – Genie ohne Nobelpreis
Haufen von Galaxien?
Ein Schwarzes Loch sichtbar machen?
Die fehlende Masse bei Galaxienhaufen?
Was sind Superhaufen?
Sterne, die sich zu schnell um das Zentrum bewegen?
Dunkle Materie auch in der Milchstraße?
Woraus besteht die Dunkle Materie?
Dunkle Planeten verbiegen den Raum?
Aktive Galaxien – wenn das Schwarze Loch Materie verschlingt
Galaxienkannibalismus
Wie ist alles entstanden?
Weshalb schauen die Menschen seit jeher nach oben?
Wo befinden wir uns im Universum?
Eine Galaxie unter vielen?
Sind wir im Mittelpunkt des Universums?
Dehnt sich das Universum aus?
Wie alt ist das Universum?
Wie bestimmt man die Hubble-Konstante?
Inflation im Universum?
Gibt es Dunkle Energie?
Das Universum und die Fahrradpumpe?
Wie heiß ist das heutige Universum?
Ein Rauschen im Hintergrund?
Können wir in die Vergangenheit blicken?
War das Universum undurchsichtig?
Woraus besteht das Universum?
Der Urknall – Sinn oder Unsinn?
Was ist die Kosmologische Konstante?
Wie gesichert ist die Urknalltheorie eigentlich?
Wie entwickelt sich das Universum weiter?
Wie viel Masse gibt es im Universum – oder Expansion auf ewig?
Dunkle Materie, Dunkle Energie …
Dehnt sich das Universum für immer aus?
Verbotene Frage: Was war vor dem Urknall?
Wohin dehnt sich das Universum aus?
Ist der Raum gekrümmt?
Ist der Raum wirklich gekrümmt?
Riesenteleskope im Universum?
Periheldrehung, was ist das?
Raumkrümmung im täglichen Leben?
Gefahr aus dem All?
Weshalb sind die Dinosaurier ausgestorben?
Ein Asteroid schlägt ein?
Gab es auch andere Massensterben in der Erdgeschichte?
Welche Ursachen für Massensterben gibt es?
Gab es Klimaänderungen?
Gefahr durch Sonnenstürme?
Eine nahe Supernova explodiert?
Gibt es Kandidaten für Supernovae?
Gammastrahlenblitze
Was weiß man über die rätselhaften Blitze aus dem All?
Was sind Gravitationswellen?
Was passiert, wenn Neutronensterne kollidieren?
Kann man den Kollaps zweier
Neutronensterne beobachten?
Blitze aus dem All als Gefahr für die Erde?
Invasion aus dem All?
Leben auf der Venus?
Denkmäler auf dem Mars?
Lebensspuren in Marsmeteoriten?
Auf einem Mond leben?
Leben außerhalb des Sonnensystems?
Werden wir von Außerirdischen abgehört?
Wie Sand am Meer?
Die Kontaktaufnahme
Wo sind sie?
Gibt es heiße Jupiter?
Spuren des Lebens im Spektrum?
Auf der Suche nach Leben auf Exoplaneten
Eine Schallplatte unterwegs zu den Sternen?
Was können wir am Himmel sehen?
Warum ist es nachts dunkel?
Was ist Lichtverschmutzung?
Das Sterben der Insekten
Bei Vollmond schlecht schlafen?
Wie weit wirkt die Lichtverschmutzung von Städten?
Gibt es Abhilfe gegen Lichtverschmutzung?
Licht und Sicherheit?
Licht zum Hinsehen
Was ist Scotobiologie?
Kosten sparen durch weniger Beleuchtung?
Nachthimmelsbeobachtungen von einer Stadt aus?
Was ist der große Wagen?
Den Polarstern finden
Eine Prinzessin und der Teufelsstern
Sirius, der hellste Stern am Himmel
Der Himmelsjäger Orion
Das Wintersechseck
Das Sommerdreieck
Was sieht man bei vollkommener Dunkelheit?
Welches Teleskop sollte man kaufen?
Was sieht man mit einem Teleskop am Himmel?
Welche Nebel sieht man gut?
Planetarische Nebel
Sternhaufen am Himmel
Zusammenfassung: Was sieht man am Abendhimmel zu einer bestimmten Jahreszeit
Dank, Bildnachweis
EINLEITUNG
Als ich mich mit dem Enkel meines Nachbarn unterhielt und dieser erfuhr, dass ich nachts Sterne beobachte, tauchte sofort die Frage auf, was ein Schwarzes Loch sei. Schwarze Löcher, explodierende Sterne, Planeten, Leben auf anderen Planeten, Entstehung des Universums und viele weitere Fragen in Zusammenhang mit der Astrophysik, der Wissenschaft, die sich mit diesen Dingen beschäftigt, faszinieren die Menschen. Einige davon sind auch die grundlegenden Fragen, die sich die Menschen bereits in sehr frühen Kulturen vor mehreren Tausenden von Jahren stellten.
Die Antworten auf diese Fragen sind auch heute nur teilweise möglich, aber gehen doch weiter über die Deutung der Phänomene durch göttliches Wirken hinaus, was nach Meinung vieler Naturwissenschaftler*innen die Existenz eines Gottes jedoch keineswegs ausschließt.
In diesem Buch werden derartige Fragen gestellt und beantwortet. Es beginnt mit Dingen, die uns täglich begegnen. Wie kommt ein Kalender zustande, weshalb hat das Jahr 365 Tage und alle vier Jahre ist ein Schalttag? Woher kommen die Monate und Wochentage? Unsere Erde ist ein Spielball kosmischer Kräfte. Die Anziehungskräfte von Mond und Sonne bewirken die Gezeiten. Kann uns die Sonne gefährlich werden? Was sind überhaupt Sterne? Warum erscheint uns der Planet Venus einmal als Abend- und einmal als Morgenstern?
Moderne Astrophysik geht an die Grenzen der Erkenntnis, und um die Entstehung des Universums sowie die Struktur von Raum und Zeit zu verstehen, benötigen wir Grundkenntnisse der beiden großen modernen Theorien der Physik: der Relativitätstheorie und der Quantenphysik. Doch keine Angst, beide Theorien werden anhand einleuchtender Beispiele erklärt (so richtig verstanden haben einiges davon auch viele Physiker*innen nicht). Mit diesen beiden Theorien werden dann wundersame Dinge erklärt, zum Beispiel was passiert, wenn man in ein Schwarzes Loch fällt.
Schließlich kommen wir auch zur Frage der Entstehung des Universums. Welche Antworten hat die Wissenschaft und wird es jemals eine endgültige Antwort geben? Und wohin wird sich das Universum weiterentwickeln, was bringt die Zukunft? Wie lange wird es unsere Erde noch geben?
Eine letzte große Frage ist, ob es anderswo Leben gibt und natürlich im Besonderen Lebewesen, mit denen wir in Kontakt treten könnten. Auch hier stehen endgültige Antworten aus, aber man ist gerade in den letzten drei Jahrzehnten durch die Entdeckung von Planetensystemen außerhalb unseres Sonnensystems ein großes Stück in der Beantwortung dieser Frage weitergekommen.
Das Buch ist also voll von Fragen, auf die es mehr oder weniger gute, aber möglichst verständlich ausgedrückte Antworten gibt. Für alle Leser*innen, die gerne auch selbst mit Zahlen experimentieren möchten, gibt es ein paar mathematische Einschübe, die auch übergangen werden können, ohne den Zusammenhang zu verlieren. Generell war es meine Absicht, ein Buch zu schreiben, in das man an jeder beliebigen Stelle „quereinsteigen“ kann, man muss also nicht brav von der Seite 1 bis Seite 100 gelesen haben, um das, was auf Seite 101 steht, zu verstehen.
Ich wünsche Ihnen viel Freude und Spaß bei der Beschäftigung mit den modernsten Erkenntnissen der modernen Naturwissenschaften! Physik ist ein bei vielen Schüler*innen unbeliebtes Unterrichtsfach. Ich hoffe, Ihnen mit diesem Buch das Gegenteil zu beweisen.
Arnold Hanslmeier
UNSERE ERDE
IST DIE ERDE EINE KUGEL?
Für uns erscheint es selbstverständlich, und nahezu jedes Kind weiß es: Wir leben auf einem Planeten. Von der Sonne aus gesehen ist unsere Erde der dritte Planet. Doch was ist ein Planet? [Was bezeichnet man als Planet?S. 22]
Noch lange bis in die Neuzeit herrschte der Glaube vor, die Erde sei eine Scheibe. Über diese Scheibe breite sich das Himmelsgewölbe mit seinen Sternen, Sonne und Mond aus. Blicken wir von Horizont zu Horizont, dann finden wir scheinbar nirgendwo Anzeichen einer gekrümmten Erdoberfläche, wie sie es bei einer Kugelgestalt der Erde aber sein muss.
Die Krümmung einer Kugel hängt aber natürlich von deren Größe ab. Je kleiner die Kugel, desto größer die Krümmung. Stellen wir uns vor, wir würden auf einem kleinen Planeten leben oder gar auf einem der kleineren Monde eines Planeten, etwa dem Saturnmond Enceladus. Dieser Mond ist nur etwa 500 Kilometer groß. Man würde dann nur sehr nahe Berge sehen, die weiter entfernten wären wegen der starken Krümmung unterhalb des Horizontes. Befände man sich auf der Oberfläche von Enceladus, dann könnte man selbst 2 500 Meter hohe Berge wegen der viel stärkeren Krümmung der Oberfläche aus einer Entfernung von 10 Kilometern bereits nicht mehr sehen.
Da unsere Erde relativ groß ist, fällt die Krümmung zunächst kaum auf. Die Krümmung der Erdoberfläche macht 7,8 Zentimeter auf einer Distanz von einem Kilometer aus.
Der Saturnmond Enceladus. Der Horizont ist hier stark eingeschränkt wegen der Krümmung.
Die Krümmung der Erde fällt erst bei größeren Abständen der Objekte auf.
Ein bisschen Mathematik dazu: Sei L die Distanz, also beispielsweise der Abstand eines Berges vom Beobachter und R der Erdradius, errechnet sich die Krümmung y gemäß der Formel
Die Krümmung wirkt sich auf weitere Distanzen immer stärker aus. Bei 100 Kilometern macht sie bereits 784 Meter aus. Dies ist in der Abbildung dargestellt.
KANN MAN DIE ERDKRÜMMUNG SEHEN?
Obwohl die Erdkrümmung erst bei größeren Entfernungen zu den Objekten sichtbar wird, gab es bereits im Altertum Beweise dafür, dass die Erde Kugelgestalt haben muss. Für uns ist dies heute selbstverständlich, wir kennen die Bilder der im Weltraum freischwebenden Erdkugel. Doch auf der Erdoberfläche lässt sich dies nicht so ohne Weiteres erkennen. Ein Hinweis auf die Kugelgestalt der Erde war jedoch die schon im Altertum bekannte Tatsache, dass man bei weit entfernten Schiffen infolge der Erdkrümmung zuerst den Schiffsmast erkennt. Wir sehen in der Abbildung, dass für ein 10 Kilometer entferntes Schiff wegen der Erdkrümmung dieser Wert bereits 7,8 Metern beträgt. Damit man also den Mast eines Schiffes aus dieser Entfernung noch erkennen kann, muss dieser mindestens acht Meter hoch über die Wasserfläche aufragen.
Übrigens gefiel die Vorstellung, die Erde sei eine Kugel, den Menschen auch aus folgendem Grund: Eine Kugel ist ein perfekter Körper, alle Punkte auf der Oberfläche besitzen denselben Abstand vom Mittelpunkt.
WIE GROSS IST DIE ERDKUGEL?
Die nächste naheliegende Frage war, wie groß die Erdkugel eigentlich sei. Man versuchte sogar schon im Altertum anhand einer sehr einfachen Überlegung diesen Wert, also den Umfang der Erdkugel, zu bestimmen. Dazu benötigte man keine komplizierten Messinstrumente, zwei Beobachtungen reichten aus. So war in Ägypten im Altertum bekannt, dass die Sonne zur Zeit der Sommersonnenwende zu Mittag von einem tiefen Brunnen aus zu sehen war. Allerdings ging dies nur von der Stadt Syene aus (das heutige Assuan). Um die Sonne von einem tiefen Brunnen aus zu sehen, muss sie sich genau im Zenit, also senkrecht über einem Betrachter befinden.
Von der nördlicher gelegenen Stadt Alexandria aus sieht man die Sonne zur Zeit der Sommersonnenwende nicht im Zenit, sondern etwa 7,2 Grad davon entfernt.
Weltkarte aus der Zeit des Eratosthenes. Die beiden Städte Alexandria und Syene liegen am Nil. Nach Bunbury, E.H. (1811–1895), A History of Ancient Geography among the Greeks and Romans from the Earliest Ages till the Fall of the Roman Empire, S. 667. London: John Murray, 1883
Nun kann man eine einfache Rechnung anstellen. Kennt man den Abstand wischen den beiden Städten, nennen wir ihn s, dann findet man den Erdumfang ganz einfach aus der Formel:
360 Grad ist dabei die Anzahl der Grade bei einem Vollkreis, 7,2 Grad der gemessene Abstand. Diese Methode wurde von dem griechischen Gelehrter Eratosthenes (zwischen 276 und 273 v. Chr. bis 194 v. Chr.) angewandt. Der Winkel 7,2 Grad entspricht 1/50 eines Kreises, also muss der Erdumfang etwa das 50-Fache der gemessenen Distanz zwischen den beiden Städten betragen. Wichtig dabei ist auch, dass die beiden Städte ungefähr auf dem gleichen Längenkreis liegen. Die Entfernung gab man damals in Stadien an, eine Stadie entspricht etwa 157,5 Metern, der Abstand wurde mit 5 000 Stadien angegeben. Der Umfang der Erde muss also 50 mal 5 000 Stadien betragen, dem entsprechen etwa 39 Millionen Meter oder 39 000 Kilometer. Der richtige Wert liegt bei 40 000 Kilometer, weicht also nur wenige Prozent vom vor über 2 100 Jahren errechneten Wert ab!
WIESO SCHWEBEN ASTRONAUTEN IM ALL?
Die Erde zieht uns an, egal wo wir uns auf der Oberfläche befinden. Dies hatte bereits der große Physiker Isaac Newton (1643–1727) in seinem berühmten Gravitationsgesetz formuliert. Alle Körper mit Massen ziehen einander an, diese Kraft nennen wir die Schwerkraft oder Gravitation (das Wort kommt aus dem Lateinischen: gravis bedeutet schwer). Da die Erde eine riesige Masse besitzt, ist auch ihre Anziehung enorm. Sie reicht auch aus, um den Erdmond in einer Bahn um die Erde zu halten. Wenn Astronaut*innen schwerelos in ihrem Raumschiff schweben, bedeutet das allerdings nicht, dass auf sie keine Erdanziehung mehr wirkt, sie sind nur deshalb schwerelos, weil sie quasi auf ihrer Umlaufbahn um die Erde herumfallen. Die Erdanziehung wirkt auch auf eine Raumsonde, die sich auf einer Erdumlaufbahn befindet. Ansonsten würde die Sonde von der Erde wegfliegen.
Ab einer bestimmten Geschwindigkeit kann man jedoch der Schwerkraft der Erde entkommen, diese Geschwindigkeit beträgt 11,2 km/s. Wir sind eher mit Geschwindigkeitsangaben von km/h vertraut. 11,2 km/s entspricht einer Geschwindigkeit von 40 000 km/h. Mit dieser Geschwindigkeit könnte man mit einem Auto in einer Stunde die Erde umrunden.
Sobald eine Raumsonde diese Geschwindigkeit erreicht hat, kann sie die Erdanziehung überwinden.
GIBT ES AUCH AUF DER ERDE SCHWERELOSIGKEIT?
Kennen Sie das Gefühl? Sie fahren in einem Fahrstuhl, der sehr schnell unterwegs ist, nach unten. In den ersten Momenten, in denen er beschleunigt, hat man ein komisches Gefühl, man fühlt sich leichter und ist es auch tatsächlich. Fährt der Fahrstuhl in den ersten Momenten beschleunigt nach unten, beschleunigt er gegen die Erdanziehung, man ist also etwas leichter. Das Gegenteil ist der Fall, wenn der Fahrstuhl beschleunigt und nach oben fährt.
Die Schwerelosigkeit kann man auch auf der Erde empfinden, wenn man sich zum Beispiel im freien Fall zur Erdoberfläche befindet, allerdings bitte rechtzeitig den Fallschirm betätigt! Mit einem Flugzeug kann man eine Parabelbahn fliegen und befindet sich dann ebenfalls eine gewisse Zeit in Schwerelosigkeit. Bestimmt haben einige Leser*innen es schon erlebt, wie es sich in einem Flugzeug anfühlt, wenn man in ein „Luftloch“ gerät.
WIE SCHWER IST DIE ERDE?
Wie bestimmt man eigentlich die Masse der Erde? Dazu muss man die Fallbeschleunigung kennen. Beschleunigung bedeutet immer eine Geschwindigkeitsänderung. Wenn sie sich im freien Fall zur Erdoberfläche befinden, nimmt ihre Geschwindigkeit zu. Allerdings fällt man nach einigen Sekunden mit maximal etwa 200 km/h Richtung Erdoberfläche, da der Körper durch die Luft abgebremst wird. Aus der Geschwindigkeitsänderung folgt die Erdbeschleunigung g=9,81 m/s2 Die Erklärung für diese Formel ist einfach: In der ersten Sekunde fällt man mit einer Geschwindigkeit von 9,81 m/s, das bedeutet: Würde man von einem etwa 10 Meter (genauer 9,81 m) hohen Balkon springen, wäre man in etwas mehr als einer Sekunde unten angelangt. Nach einer weiteren Sekunde hat man dann schon 2 x 9,81 m/s an Geschwindigkeit und so fort.
Mithilfe des gefundenen Wertes für die Erdbeschleunigung und des Erdradius R kann man dann die Masse der Erde aus der folgenden Beziehung errechnen:
Wobei G die Gravitationskonstante ist. Falls sie die Erdbeschleunigung nicht durch Springen von hohen Balkonen (Werfen von Steinen wäre sicherer) ermitteln möchten, gäbe es noch einen anderen relativ einfachen Weg. Die Schwingungsdauer eines Pendels der Länge l ist nämlich ebenfalls von der Erdbeschleunigung abhängig:
Aus der Schwingung eines Pendels der Länge l lässt sich die Erdbeschleunigung und damit die Erdmasse ableiten.
WAS SIND ASTRONOMISCHE ZAHLEN?
Mit astronomischen Zahlen meinen wir sehr große Zahlenwerte. Wir alle kennen große Zahlen, 1 000,
Diese Schreibweise wird sehr schnell unübersichtlich. Deshalb gibt es die Exponentialschreibweise. Diese ist einfach zu verstehen.
Langsam erahnen wir, wie praktisch diese Schreibweise ist. Anstatt eine Milliarde als 1 000 000 000 zu schreiben, gibt man einfach 109 an.
Das Prinzip funktioniert übrigens mit jeder beliebigen Zahl:
Die Masse ist eine physikalische Grundgröße und wird in Kilogramm angegeben. Unsere Erde besitzt eine Masse von etwa 6 x 1024 Kilogramm.
Versuchen wir diese Zahl in herkömmlicher Art anzugeben; wir müssen also 24 mal die Multiplikation der Zahl 10 mit sich selbst machen.
10 x 10 x 10 x 10 x 10 x 10 x 10 x 10 x 10 x 10 x 10 x 10 x 10 x 10 x 10 x 10 x 10 x 10 x 10 x 10 x 10 x 10 x 10 x 10
Jeder Mensch auf der Erde würde also so viele 1-Euro-Münzen bekommen, dass übereinander gestapelt diese 2 500 mal den Erdumfang ausmachen.
Willkommen im Reich der berühmten astronomischen Zahlen!
WIE SCHWER IST DIE MENSCHHEIT?
Diejenigen unter Ihnen, die genau gelesen haben, werden einwenden, dass wir nicht vom Gewicht der Erde gesprochen haben, sondern von deren Masse. In der Alltagssprache wird dies meist vermischt. Wir sagen auch, ein Mensch ist beispielsweise 70 Kilogramm schwer, obwohl das seine Masse ist, Kilogramm ist eine Masseneinheit.
Wichtig ist festzuhalten, dass alle Massen die Eigenschaft haben einander anzuziehen. Die Schwerkraftwirkung ist umso größer, je größer die Masse ist.
DIE KANONENKUGEL UND DIE ERDANZIEHUNG
Aber wir sind nicht auf der Erdoberfläche gefangen. Der schon zitierte Physiker Isaac Newton fragte sich, was passiert, wenn man eine Kanonenkugel abschießt. Sie wird eine Zeitlang geradeaus fliegen, dann aber auf die Erde fallen. Schießt man die Kugel mit sehr hoher Geschwindigkeit ab, dann kann sie theoretisch um die Erde kreisen, die Anziehung der Erde und die Fliehkraft, die sich aufgrund der Bewegung der Kugel um die Erde ergibt, halten einander die Waage. Die Fliehkraft kennen wir alle, wenn wir schnell in eine Kurve fahren.
Man kann ausrechnen, dass man, sobald eine Geschwindigkeit von 7,9 km/s erreicht wird, nicht mehr auf die Erde fällt, sondern quasi schwerelos um die Erde kreist. Diese Geschwindigkeit nennt man auch erste kosmische Geschwindigkeit.
Um jedoch die Erdanziehung zu überwinden, braucht man eine Geschwindigkeit von 11,2 km/s. Diese Geschwindigkeit nennt man zweite kosmische Geschwindigkeit oder einfach Fluchtgeschwindigkeit. In einem Zug, der mit dieser Geschwindigkeit unterwegs wäre, würde man eine Distanz von Graz–Wien, die etwa 200 Kilometer beträgt, in nur 20 Sekunden zurücklegen.
Isaak Newton, einer der größten Physiker. Sir Godfrey Kneller, Nat. Port. Gallery
Start einer Saturn-V-Rakete zum Mond. Apollo 11, gestartet am 16. Juli 1969.
Um die Erdanziehung überwinden zu können, müssen wir also eine Geschwindigkeit von 11,2 km/s aufbringen. Man kann sich vorstellen, wie viel Energie dazu notwendig ist, um eine Saturn-V-Rakete, die in den 1970er-Jahren im Zuge des US-Apollo-Programms für bemannte Flüge zum Mond verwendet wurde, auf diese Geschwindigkeit zu bringen. Die Rakete ist mehr als 100 Meter lang und in drei Stufen, die nacheinander abgesprengt wurden, geteilt. In der ersten Stufe befinden sich etwa 800 000 Liter Treibstoff. Da es im Weltall keinen Sauerstoff zum Verbrennen gibt, mussten mehr als 1 Million Liter flüssiger Sauerstoff mitgeführt werden. Die erste Stufe hatte eine Länge von 42 Metern und einen Durchmesser von 10 Metern. Die zweite Stufe enthielt als Brennstoff Wasserstoff (etwa 1 Million Liter) und etwa 330 000 Liter flüssigen Sauerstoff. Die dritte Stufe enthielt 250 000 Liter flüssigen Wasserstoff und etwa 90 000 Liter flüssigen Sauerstoff.
Mit dieser Rakete konnte man etwa 50 Tonnen Nutzlast zum Mond bringen oder 130 Tonnen in den Erdorbit.
WIE SIEHT DIE ERDE VOM MOND AUS?
Zu den beeindruckendsten Bildern der US-Mondmissionen zählen sicherlich die Aufnahmen der blauen Erde, die über dem Mond aufgeht. Dadurch wurde der Menschheit zum ersten Mal klar, dass wir auf einem im Grunde genommen winzigen Himmelskörper leben, der auch verletzlich ist, und wir auf unsere Erde achtgeben sollten. Es gibt erdähnliche Planeten, die um andere Sterne kreisen, aber die sind so weit von uns entfernt, dass eine Reise dorthin mit der derzeit modernsten Technik mehrere Zehntausend Jahre dauern würde.
Erde über dem Mondhorizont. Aufnahme B. Anders 24. Dez. 1968, Apollo 8.
Unsere Erde, aufgenommen von der Apollo 17 Mission.
WAS BEZEICHNET MAN ALS PLANET?
Das Wort „Planet“ kommt aus dem Griechischen und bedeutet „Wandelstern“. Planeten erscheinen nicht feststehend am Himmel, sondern sie wandern im Lauf der Zeit zwischen den Sternbildern. Im Altertum kannte man fünf Planeten: Merkur, Venus, Erde, Mars, Jupiter und Saturn. Diese sind mit freiem Auge zu sehen.
Venus ist nach Sonne und Mond das hellste Objekt am Himmel. Auch Merkur kann entweder als Morgen- oder Abendstern gesehen werden, allerdings ist er viel näher an der Sonne und maximal 1 ½ Stunden nach Sonnenuntergang oder vor Sonnenaufgang zu sehen und bei Weitem nicht so auffällig wie Venus.
Nach Venus ist Jupiter das hellste Objekt am Himmel. Er wird nur selten von Mars übertroffen, der auffällig rötlich leuchtet. Saturn ist etwa so hell wie die hellsten anderen Sterne und fällt nur Kennern des Sternhimmels auf.
WIE SIEHT DIE ERDE VOM WELTRAUM AUS?
Die Erde wird immer als der „blaue Planet“ bezeichnet. Vom Weltall aus betrachtet ist sie blau-weiß gefärbt. Ganz richtig ist die Bezeichnung aber nicht, der Planet mit der intensivsten Blaufärbung in unserem Sonnensystem ist nämlich nicht die Erde, sondern Neptun.
Die blaue Farbe unseres Planeten rührt von der Atmosphäre und den Ozeanen her. Man erkennt auch die weißen Wolken. Auch die Kontinente, sofern sie nicht teilweise durch Wolken abgedeckt sind, kann man gut erkennen.
Die Erdoberfläche besteht aus den Ozeanen und Kontinenten. Sie umfasst etwa 510 Millionen Quadratkilometer, den größten Teil nimmt die Wasserfläche mit etwa 70,7 Prozent der Gesamtoberfläche ein. Die Landfläche beträgt nur 29,3 Prozent. In der folgenden Tabelle ist die Größe der einzelnen Kontinente in Millionen Quadratkilometern angegeben sowie deren Prozentanteil in Bezug auf die Gesamtlandfläche.
Kontinent
Mio. Quadratkilometer
ca. %
Asien (ohne Polarinseln)
44,4
31
Amerika (ohne Polargebiete)
38,3
27
Afrika
29,3
20
Antarktika
13,3
9
Europa (ohne Island)
9,9
7
Australien
7,7
5
Der größte Ozean ist der Pazifik mit 47 Prozent der Gesamtwasserfläche, dann folgen der Atlantik (24 %), der indische Ozean (20 %), der südliche Ozean (5 %) sowie der Arktische Ozean (4 %).
WIE GROSS IST DIE ERDOBERFLÄCHE VERGLICHEN MIT ANDEREN HIMMELSKÖRPERN?
Im Vergleich zur Oberfläche des größten Planeten des Sonnensystems, Jupiter, ist die Erdoberfläche klein. Sie macht nur etwa 1/100 der Jupiteroberfläche aus. Jupiter ist jedoch ein Gasplanet, das heißt, er besitzt keine feste Oberfläche. Die gesamte Oberfläche unseres Nachbarplaneten Mars macht etwa die gesamte Landfläche der Erde aus. Die gesamte Oberfläche des Mondes macht etwa die Fläche des Doppelkontinents Amerika aus (also Nord- und Südamerika zusammen).
WARUM GIBT ES JAHRESZEITEN?
Als mein achtjähriger Sohn die Volksschule besuchte, wurde dort erklärt, dass die Jahreszeiten dadurch entstehen, weil die Erde im Sommer näher an der Sonne steht als im Winter. Er protestierte sofort. Viele Menschen glauben jedoch daran, eine Umfrage unter Harvard-Absolvent*innen ergab, dass 80 Prozent die Entstehung der Jahreszeiten falsch erklärten.
Aber die Erde ist im Sommer (Beginn Juli) sogar weiter von der Sonne entfernt als im Winter (Beginn Januar). Das kann also nicht der Grund sein. Außerdem sind die Jahreszeiten auf der Nord- und Südhalbkugel der Erde ja gegengleich. Es kann also nach dieser Überlegung nicht sein, dass etwa auf der Nordhalbkugel Sommer und gleichzeitig auf der Südhalbkugel Winter ist, wenn dies von der Entfernung des Planeten zur Sonne abhinge.
Überlegen wir uns, wo die Sonne zu Mittag im Winter und im Sommer steht. Im Sommer steht sie relativ hoch am Himmel, die Tage sind lang. Es ist also viel Zeit für langen Sonnenschein und die wärmende Wirkung der Sonnenstrahlen ist größer, als wenn sie wie im Winter flach zu uns kommen, da die Sonne tief steht.
Die Bahn der Erde um die Sonne ist eine Ellipse, die Entfernung zur Sonne, die sich in einem der Brennpunkte der Ellipse befindet, ändert sich also.
Die Entstehung der Jahreszeiten durch die Neigung der Erdachse. Nach H. Frank
Grund dafür ist, dass die Erdachse um etwa 23,5 Grad zur Senkrechten auf ihrer Bahnebene geneigt ist. Die Neigung der Erdachse bleibt während eines Erdumlaufs um die Sonne erhalten.
Im Somme zeigt der Nordpol zur Sonne, wir haben also dort niemals Nacht, die Sonne bleibt immer über dem Horizont, im Winter liegt der Nordpol stets im Schatten, die Sonne geht also niemals auf. Auf der Südhalbkugel ist es genau umgekehrt.
UNSER MOND
AUF DEM MOND HÜPFENDE ASTRONAUTEN?
Die Erde ist von der Sonne aus gesehen der dritte Planet und der erste, der einen Mond besitzt; im Vergleich zur Erde ist unser Mond relativ groß, sein Durchmesser beträgt 3 474 Kilometer, also etwa ¼ des Durchmessers der Erde. Die Masse ist etwa 1/81 der Masse der Erde und deshalb ist auch seine Anziehungskraft geringer. Die Beschleunigung an der Mondoberfläche beträgt nur 1,62 m/s2. Würde man sich aus einem Haus aus einer Höhe von 10 Metern auf die Mondoberfläche stürzen, dann würde man erst nach etwa 3,5 Sekunden aufprallen, sich aber wahrscheinlich immer noch schwer verletzen, daher bitte nicht ausprobieren. Die geringe Anziehungskraft des Mondes bewirkt, dass eine Person auf dem Mond nur 1/6 des Gewichtes auf der Erde besitzt. Deshalb schienen die Astronauten auf der Mondoberfläche zu hüpfen.
DER MOND ALS RAUMSTATION?
Die geringe Anziehungskraft macht unseren Mond zu einer idealen Basis für künftige Raumfahrtmissionen zu anderen Planeten. Man muss wesentlich weniger Energie aufwenden, um seine Anziehung zu überwinden. Darüber hinaus wäre unser Mond ein wundervoller Ort für ein Observatorium. Es gibt keine Atmosphäre, die die Sicht auf Sterne und Galaxien beeinträchtigt, und die Montage schwerer Geräte gestaltet sich wegen seiner geringen Schwerkraft weniger kompliziert und aufwendig.
Größenvergleich Mond-Erde
WIE WEIT IST DER MOND VON UNS ENTFERNT?
Der Mond ist im Mittel etwa 384 400 Kilometer von der Erde entfernt und somit unser nächster Himmelskörper. Die Bahn des Mondes um die Erde ist nicht kreisförmig, sondern eine Ellipse. Die geringste Entfernung des Mondes, in den Kalendern als Erdnähe bezeichnet, beträgt 362 000 Kilometer. In der Astronomie spricht man auch von Perigäum. Die größte Entfernung des Mondes zur Erde beträgt 405 000 Kilometer. Das wird als Mondferne, in der Astronomie als Apogäum, bezeichnet. Eine genaue Beobachtung des Mondes zeigt, dass sich seine scheinbare Größe am Himmel entsprechend seiner Entfernung ändert. In Erdferne beträgt sein Durchmesser am Himmel etwa 29 Bogenminuten, in Erdnähe jedoch 33 Bogenminuten, was aufmerksame Beobachter auch sehen können. Der kleinste Winkel, der mit guten Augen gesehen werden kann, beträgt 1 Bogenminute (1/60 eines Grades).
Ein Vollmond erscheint etwas größer und heller, wenn sich der Mond bei dieser Phase in Erdnähe befindet. Dann spricht man auch von einem Supermond.
Steht der Mond in Erdnähe, bewegt er sich etwas schneller als in Erdferne. Die Geschwindigkeit des Mondes zur Zeit seines Perigäums liegt bei 1,076 km/s, im Apogäum bei 0,964 km/s.
Die Sonne ist etwa 400 mal weiter entfernt, erscheint aber gleich groß wie der Mond am Himmel. Ihre wahre Größe muss daher rund das 400-Fache des Mondes betragen.
WOHER KOMMT DAS WORT „MONAT“?
Der Mond umläuft in etwa einem Monat die Erde, so wurde auch die Zeiteinheit Monat festgelegt; allerdings ist die Sache etwas komplizierter. Wenn zum Beispiel heute Vollmond wäre, dann ist der nächste Vollmond nach 29 ½ Tagen (genauer 29,53 Tage), dies bezeichnet man auch als synodischen Monat. Allerdings steht der Mond dann nicht im selben Sternbild, da sich die Erde in der Zwischenzeit um die Sonne weiterbewegt hat. Der siderische Monat, wenn der Mond wieder in demselben Sternbild nach einem Umlauf zu finden ist, beträgt nur 27,3 Tage.
Unsere Monate sind 30 beziehungsweise 31 Tage lang. Der Februar hat nur 28 oder alle vier Jahre 29 Tage. Dies hängt damit zusammen, dass man den Kalender möglichst eng an den Lauf des Mondes binden wollte, das Jahr zwölf Monate dauern sollte und andererseits natürlich auch die Länge des Jahres mit dem Umlauf der Erde um die Sonne, der genau 365,2422 Tage dauert, zusammenfallen sollte. [Woher kommen das Jahr, der Monat und der Tag?S. 44]
