Astronomie

Unser Mond – seine Umlaufbahn

Er ist sicherlich bei vielen Leuten der Auslöser für das Interesse an der Astronomie.

Mond vor Einbruch der Dunkelheit (18. August 2018, 20:31 Uhr)

Durch die Nähe zur Erde kann man bereits mit bloßem Auge die Strukturen auf seiner Oberfläche erkennen. Im Vergleich zu Sternen und Planeten, den vielen kleinen Leuchtpunkten, nimmt man ihn deshalb viel bewußter wahr. Kaum jemand ist nicht von seinem Anblick fasziniert.

Zum Mond gibt es sehr viel zu sagen – die vielen Krater auf seiner Oberfläche, Ebbe und Flut auf der Erde, Mondmissionen und vieles mehr. Zukünftige Beiträge werden auf diese Dinge vielleicht einmal eingehen, hier und jetzt geht es aber erst mal nur um seine Umlaufbahn.

Wenn man sich noch nicht genauer mit dem Mond oder der Astronomie auseinandergesetzt hat, ist einem der Mond meist etwas suspekt. Mal geht er am östlichen Horizont früh abends als Vollmond oder tief in der Nacht als abnehmender Mond auf oder er steht plötzlich bei Einbruch der Dunkelheit als Halbmond im Südosten hoch am Himmel und wird rasch immer heller. Dann gibt es wieder Abende, wo er gar nicht zu sehen ist, dafür aber am nächsten Morgen bei Tageslicht schwach sichtbar als untergehender Vollmond. Das blanke Chaos könnte man meinen, denkt sich noch „ist halt so!“ und hinterfragt es nicht weiter.

In diesem Beitrag möchte ich versuchen, zwei wesentliche Dinge zu erklären um dieses vermeintliche Chaos zu enträtseln.

Wie bewegt sich der Mond an unserem Himmel?

Seine Himmelsposition verändert sich relativ schnell. Das merkt man sehr deutlich, wenn man ihn mit einem Teleobjektiv und Stativ fotografieren möchte und etwas Zeit braucht um die richtige Belichtungszeit herauszufinden. Man meint er läuft einem förmlich davon.

Der Mond benötigt zur Umrundung der Erde ca. 28 Tage. Wie kommt es bei dieser langen Umlaufzeit dazu, dass man sich beim Fotografieren so hetzen muss damit der Mond in der Bildmitte bleibt?
Könnte man die Drehung der Erde anhalten, so würde sich der Mond über mehrere Tage hinweg langsam von Westen nach Osten bewegen, wodurch seine eigene/echte Bewegungsgeschwindigkeit/-richtung klar erkennbar wäre. Nach ca. 28 Tagen würde er wieder an seiner Ausgangsposition stehen.

Weil sich unsere Erde (und somit unser Blickfeld in den Weltraum hinein) aber in 24 Stunden einmal komplett um ihre eigene Achse in Richtung Osten dreht (360°/24h), also in dieselbe Richtung in die sich auch der Mond im Weltraum fortbewegt, deswegen erhalten wir einen völlig anderen Geschwindigkeitseindruck vom Mond.
Der Mond umkreist die Erde auf seiner Umlaufbahn in ca. 28 Tagen. Er hat demnach eine Umlaufgeschwindigkeit von ca. 360°/28Tage, was in etwa 13°/24h entspricht.
Weil die Richtung der Erddrehung (d.h. unseres Blickfeldes in den Weltraum hinein) und die Richtung der tatsächlichen Mondbewegung identisch ist, haben wir eine Situation wie auf einer Autobahn. Unser Blick in den Weltraum rast auf der linken Spur mit 360°/24h am langsamen Mond vorbei, der auf der rechten Spur nur mit 13°/24h voran kommt. Für uns auf der linken Spur (auf der Erde) sieht es folglich so aus, als würde sich der Mond mit (360°-13°)/24h = 347°/24h fortbewegen, aber in die entgegengesetzte Richtung von Osten nach Westen (auf der rechten Spur im Rückwärtsgang).

Diese mit 347°/24h recht „schnelle“ und scheinbar nach Westen gerichtete Mondbewegung wird also ausschließlich durch die schnelle Erddrehung verursacht. In Wirklichkeit (also absolut und nicht relativ von der sich drehenden Erde aus gesehen) bewegt er sich viel langsamer in Richtung Osten – mit besagten ca. 13°/24h.

Man kann sich das Spektakel auch mit einem Leuchtturm (Erde) und einem großen Containerschiff (Mond) verdeutlichen. Das Schiff fährt von West nach Ost (vom Ärmelkanal nach Hamburg). Der Lichtkegel des Leuchtturms (unser Blickfeld) bewegt sich ebenfalls von West nach Ost und rast mit hoher Geschwindigkeit über das weite Meer – viel schneller als das Schiff aber in dieselbe Richtung. Würde man sich in der Kuppel des Leuchtturms befinden, sich synchron zum Lichtkegel mit starrem geraden Blick mitdrehen und dabei das Schiff erblicken, dann hätte man den Eindruck, dass Schiff würde mit hohem Tempo rückwärts von Ost nach West fahren. Erst bei stehendem Leuchtturm könnte man die richtige Geschwindigkeit und die Fahrtrichtung des Schiffs erkennen.

Das Leuchtturm-Beispiel habe ich deswegen noch einmal aufgeführt, weil nahezu jeder schon einmal dessen langen Lichtstrahl gesehen hat und seine Kegelform (mehr oder weniger stark geweitet) dem Blickfeld unseres Auges oder dem Blick durch ein Fernglas/Teleskop entspricht. Meine künftig erscheinenden Videos werden nämlich Kegelobjekte enthalten, um aus einer Übersichts-Perspektive heraus unsere Blickrichtung in den Weltraum zu verdeutlichen.

Was verrät uns die Mondphase über die Position von Sonne, Mond und Erde zueinander?

Beim Blick auf den Mond sieht man sofort, von welcher Seite er von der Sonne beschienen wird, d.h. die Lage von Sonne, Mond und Erde zueinander im Weltraum ist mit einem Blick erkennbar.

Auf dem oberen Foto, welches ich vor Einbruch der Dunkelheit gemacht habe, erkennt man gleich, dass die Sonne von rechts auf den kugelrunden Mond scheint. Als das Foto gemacht wurde, ging die Sonne gerade im Westen unter, d.h. der Mond muss zu der Zeit ziemlich genau im Süden gestanden sein (weil das Sonnenlicht von rechts kommt). Denkt man sich zwei Verbindungslinien, eine zwischen Mond und Erde, die andere zwischen Erde und Sonne, dann sollten diese Linien annähernd einen rechten Winkel bilden.

Mein folgendes Video zeigt die Gegebenheiten zum Zeitpunkt der Fotoaufnahme und startet ca. 10.000 km über Deutschland. Am Schattenverlauf erkennt man, dass in Mitteleuropa gerade der Tag zu Ende geht. Am Ende des Videos kann man den (fast) rechten Winkel der gedachten Verbindungslinien erkennen.

Will man sich das Ganze von der Erd-Perspektive aus ansehen, so bietet sich die online Version von Stellarium an.

https://stellarium-web.org/

Stellt man in Stellarium die Zeit unten rechts auf den 18.08.2018 – 20:31 Uhr ein (bzw. 19:31 Uhr wenn gerade Winterzeit ist) und wählt unten links einen Ort im Raum Frankfurt, dann sieht man genau, wo Mond und Sonne zum Zeitpunkt der Aufnahme am Himmel standen. Falls der Mond aufgrund des restlichen Sonnenlichts nicht sofort zu sehen ist, kann man unter „Search“ nach ihm/“Moon“ suchen lassen. Die in Stellarium gezeigte Mondphase sollte identisch mit meiner Aufnahme sein.

Je mehr der Mond in den Folgetagen zunimmt (seine linke Hälfte also immer heller wird), desto größer wird der Winkel zwischen den zwei gedachten Verbindungslinien. Bei Vollmod ist der Winkel in etwa 180°, d.h. die Erde befindet sich ziemlich genau auf einer gedachten (dritten) Verbindungslinie zwischen Sonne und Mond. Wenn wir also zum Vollmond schauen, wissen wir, dass sich die Sonne im Weltraum hinter unserem Rücken befindet, obschon wir sie gar nicht sehen können. In Stellarium kann man das ganz einfach simulieren, indem man bei der Uhrzeit auf „Pause“ drückt und den Tag des Datums schrittweise um 1 erhöht. Der Mond wandert in den Folgetagen immer weiter nach Osten, wird immer voller und verschwindet am 26.08.2018 unter dem Horizont (im größeren Umkreis um Frankfurt).

Auch wenn die Erde bei Vollmond auf der Sonne-Mond Verbindungslinie liegt – räumlich gesehen liegt die Erde meistens etwas über/unter der Verbindungslinie. Die Sonne strahlt also unter/über der Erde vorbei den Mond an. Nur wenn die Erde dieser direkten Sonne-Mond Verbindungslinie (von oben oder unten) sehr nah kommt oder diese sogar genau schneidet, dann sehen wir eine partielle (d.h. teilweise) oder sogar vollständige Mondfinsternis.

An den Mondphasen (Neumond, zunehmender Mond, Vollmond, abnehmender Mond) ist sehr schnell erkennbar, wie Sonne, Mond und Erde zueinander stehen und man kann sich deren Lage zueinander bildhaft im Kopf vorstellen.

Wie hängen nun die scheinbare Mond-Geschwindigkeit und die Mondphasen zusammen?

Diese beiden Dinge (Erdrotationsgeschwindigkeit und Mondposition auf seiner Umlaufbahn) sind völlig unabhängig voneinander, denn sie sind nicht starr miteinander gekoppelt wie zum Beispiel in einem mechanischen Zahnrad-Getriebe, wo man nach ein paar Umdrehungen wieder exakt denselben Zustand hat.

Oben wurde erklärt, dass sich der Mond für uns von der Erde aus gesehen mit ca. 347°/24h von Ost nach West bewegt. Weil er also nicht die vollen 360° pro Tag „schafft“, steht er jeden Tag zu einer gewissen Uhrzeit um ca. 13° weiter links (ostwärts) am Himmel als zur selben Uhrzeit des Vortags. Das erklärt, warum er an manchen Abenden gar nicht zu sehen ist (wenn er nämlich schon hinter den Horizont gewandert ist) oder er erst tief in der Nacht bzw. früh morgens aufgeht. Genau dieses tägliche „Wanderverhalten“ von ca. 13° ist der Hauptgrund, weshalb uns der Mond unkalkulierbar und chaotisch vorkommen kann.

Welche Mondphase der Mond hat, hängt ausschließlich davon ab, wo er sich gerade auf seiner ca. 28 tägigen Runde um die Erde befindet, d.h. wie gerade Sonne, Mond und Erde zueinander mit Weltraum stehen.

Ich schreibe ständig, dass der Mond „ca.“ 28 Tage für einen 360° Umlauf benötigt. In Wirklichkeit handelt es sich um eine recht krumme Zahl mit vielen Nachkommastellen, wodurch auch klar ist, dass sich der Mond nicht an unseren 24 stündigen Tagesrythmus hält. Wenn seine Umrundung bei exakt 360° angelangt ist, dann findet das zu einer anderen (irdischen) Uhrzeit statt als der Abschluss seiner vorherigen 360° Umrundung. Oder anders herum ausgedrückt – wenn der Mond seine letzte volle 360° Runde exakt um Mitternacht beendet hätte, so werden seine nächste und viele darauffolgende 360° Runden auf jeden Fall nicht wieder exakt um Mitternacht enden.

Ich hoffe, der Beitrag konnte verständlich machen (und eventuelle Rätsel lösen), welchen Einfluss die Umlaufbewegung des Mondes auf seine von uns beobachtbare Himmelsposition und die Mondphasen hat.

Auf weitere interessante und speziellere Details wie die synodische und siderische Umlaufzeit oder die Ebenenschräglage der Mondumlaufbahn bin ich hier mit Absicht nicht eingegangen. Das werde ich in späteren „Unser Mond“ Kurzbeiträgen machen, damit die einzelnen Beiträge thematisch überschaubar bleiben.
Bis es soweit ist, kann ich zunächst nur auf die umfassenden Informationen bei Wikipedia verweisen.