Über dieses Experiment
Verschieben Sie einen Beobachtungsort für den Sonnenhöchststand zwischen verschiedenen Breitengraden und durch einen näherungsweisen Jahreskalender. Vergleichen Sie den Einfallswinkel des Sonnenlichts, die Einstrahlung am Sonnenhöchststand, die Tageslänge und die tägliche mittlere Einstrahlung. Dieselbe Sonne kann in hohen Breitengraden eine geringere Einstrahlung am Sonnenhöchststand, aber einen längeren Tag bewirken. Das Diagramm vergleicht das ausgewählte Datum mit einer Referenz zur Tagundnachtgleiche oberhalb der Atmosphäre.
Lernziele
- Breitengrad und Sonnendeklination mit der Sonnenhöhe am Sonnenhöchststand in Beziehung setzen
- Einstrahlung am Sonnenhöchststand mit der über den ganzen Tag empfangenen Energie vergleichen
- Polartag und Polarnacht im idealisierten geometrischen Modell erkennen
- Erkläre anhand des Einfallswinkels des Sonnenlichts, warum es in den Tropen wärmer ist als an den Polen.
- Erkläre die Jahreszeiten als Folge der Neigung der Erdachse und nicht des Abstands zur Sonne.
Anleitung
- 1Wählen Sie die Tagundnachtgleiche aus und vergleichen Sie den Äquator mit 40 Grad nördlicher und 40 Grad südlicher Breite.
- 2Vergleichen Sie bei 40 Grad nördlicher Breite die Einstellungen für die Sonnenwende im Juni und im Dezember.
- 3Wechseln Sie im Juni und im Dezember zu 80 Grad nördlicher Breite. Vergleichen Sie die Tageslänge und die Sonnenhöhe zur Mittagszeit.
- 4Lassen Sie ein Jahr ablaufen und vergleichen Sie die jahreszeitlichen Veränderungen auf demselben Breitengrad. Beachten Sie, dass Kalender und Umlaufbahn Näherungen sind.
- 5Vergleiche die tägliche mittlere Bestrahlungsstärke am Nordpol und am Äquator zur Juni-Sonnenwende. Welche ist größer und warum?
Das Modell
Annahmen
- Die senkrecht zu den Sonnenstrahlen gemessene Bestrahlungsstärke beträgt konstant 1361 W/m². Die Erde folgt einer kreisförmigen Umlaufbahn, daher werden Entfernungsänderungen nicht berücksichtigt.
- Die Deklination folgt einem sinusförmigen Lehrkalender mit 365 Tagen. Dies ist kein präziser Rechner für Sonnenaufgangszeiten oder Kalender.
- Atmosphärische Absorption, Wolken, atmosphärische Refraktion, Oberflächenalbedo und Gelände werden nicht berücksichtigt.
- Der Breitengrad ist auf höchstens 80 Grad nördlicher oder südlicher Breite begrenzt. Winkel und Tageslänge beziehen sich auf das geometrische Zentrum der Sonne, nicht auf die durch atmosphärische Refraktion scheinbar sichtbare Sonnenscheibe.
Im Unterricht ausprobieren
- Q1Warum kann ein polarer Sommer lange Tage haben, obwohl die Mittagssonne relativ tief steht?
- Q2Warum sind nördliche und südliche Breitengrade auf der Äquinoktialkurve symmetrisch?
- Q3Reicht eine hohe Bestrahlungsstärke am Mittag aus, um auf die täglich empfangene Energie zu schließen?
- Q4Warum ist in Australien Sommer, wenn in Kanada Winter ist?
- Q5Warum ist es in der Arktis selbst im Hochsommer noch kalt, obwohl sie pro Tag viel Sonnenlicht erhält?
Häufig gestellte Fragen
Sind das die Sonnenwatt, die den Boden erreichen?
Nein. Es handelt sich um geometrische Werte oberhalb der Atmosphäre auf einer horizontalen Fläche. Die tatsächliche Bestrahlungsstärke an der Oberfläche hängt auch von der Atmosphäre, dem Wetter und dem örtlichen Gelände ab.
Warum kann der Sonnenstand zur Mittagszeit negativ sein?
Während der Polarnacht kann die Sonne sogar zum Sonnenmittag unter dem Horizont bleiben. Die Bestrahlungsstärke zur Mittagszeit wird dann auf null gesetzt, und die geometrische Tageslänge beträgt null.
Werden die Jahreszeiten dadurch verursacht, dass die Erde der Sonne näher ist?
Nein. Tatsächlich ist die Erde Anfang Januar, während des Winters auf der Nordhalbkugel, der Sonne am nächsten. Die Jahreszeiten entstehen durch die Neigung der Erdachse um 23,4°, die im Laufe des Jahres den Einfallswinkel des Sonnenlichts und die Tageslänge verändert.