Wie funktioniert eine Sonnenuhr?
Auf dieser Seite erklären wir die grundlegende Funktionsweise der Sonnenuhr, den Einfluss der Erdrotation und der Beleuchtung sowie die richtige Ausrichtung des Schattenstabs beziehungsweise Gnomons.
Bewegung der Erde und Beleuchtung
Die Erde dreht sich um ihre eigene Achse und umkreist gleichzeitig die Sonne. Die Sonnenstrahlen fallen auf die Erde praktisch parallel ein, daher ist zu jedem Zeitpunkt ungefähr die Hälfte der Erde beleuchtet, also Tag, während die andere Hälfte im Schatten liegt, also Nacht. Die Grenze zwischen Tag und Nacht nennt man Terminator.
Die Erdachse ist um ungefähr 23,4° geneigt. Dadurch verändern sich im Laufe des Jahres die Deklination der Sonne und ihre Höhe über dem Horizont. Das beeinflusst die Länge des Tages und die Sonnenbahn am Himmel. Bei der Sonnenuhr zeigt sich diese jährliche Veränderung als Änderung der Richtung und der Länge des Schattens.
Die Erde umkreist die Sonne, während die Erdachse geneigt bleibt, ungefähr um 23,4°. Der blaue Teil stellt die beleuchtete Tageshälfte dar, der schwarze Teil die unbeleuchtete Nachthälfte. Markiert sind Sommer- und Wintersonnenwende sowie Frühlings- und Herbstäquinoktium, die den jährlichen Verlauf der Beleuchtung und die damit verbundene Veränderung der Sonnenbahn am Himmel veranschaulichen.
Was ist eine Sonnenuhr?
Eine Sonnenuhr ist ein Gerät zur Zeitmessung. Sie misst die Zeit anhand der Veränderung der Lage des Schattens, den ein von der Sonne beleuchteter Gegenstand wirft. Den Gegenstand, der seinen Schatten auf die Ebene der Uhr wirft, nennt man Schattenstab oder Gnomon. Meistens ist der Gnomon einfach ein gerader Stab. Wichtig ist zu verstehen, dass die Richtung des Schattens nicht nur von der Tageszeit, sondern auch von der Jahreszeit, also von der Deklination der Sonne, abhängt.
Wenn man die Stundenlinien einer Sonnenuhr allein durch Beobachtung des Schattens im Tagesverlauf bestimmen wollte, müsste man zunächst wissen, wie der Gnomon richtig ausgerichtet werden muss, damit seine Richtung an die Erdachse gebunden ist. Dadurch wird vermieden, dass die jährliche Veränderung der Sonnenbahn, also die Deklination, die Geometrie der Stundenlinien verzerrt. Wie der Gnomon ausgerichtet sein muss, wird im nächsten Kapitel beschrieben.
Schattenstab
Die obige Abbildung zeigt die Erde und die einfallenden Sonnenstrahlen. Die Sonne ist von der Erde so weit entfernt, dass die Sonnenstrahlen auf die Erdoberfläche praktisch parallel einfallen. Aus der Abbildung ist ersichtlich, dass der Gnomon der Sonnenuhr parallel zur Erdachse verlaufen muss. Ein so ausgerichteter Gnomon behält bei der Drehung der Erde seine feste Orientierung zur Erdachse, daher ist die Richtung des Schattens korrekt an die Erdrotation gebunden.
In anderen geografischen Breiten gilt dieselbe Regel. Der Gnomon muss parallel zur Erdachse ausgerichtet sein. Aus der Abbildung ist außerdem ersichtlich, dass der Neigungswinkel des Gnomons der geografischen Breite des Ortes entspricht, an dem die Sonnenuhr stehen wird.
Rotation der Erde
Wie die obige Abbildung zeigt, dreht sich die Erde in 24 Stunden um 360°, was im Mittel einer Winkeländerung von 15° pro Stunde entspricht. Das ist eine direkte Folge der gleichförmigen Erdrotation und stellt die grundlegende geometrische Beziehung zwischen Zeit und Winkel dar. Da die Richtung des Schattens des Gnomons durch die relative Richtung der Sonnenstrahlen zur Erdoberfläche bestimmt wird, ändert sich diese Richtung bei der Drehung der Erde im idealisierten Fall in einer Stunde um ungefähr 15°. Am Nordpol ist diese Beziehung am unmittelbarsten, weil sich dort die Schattenrichtung nahezu gleichförmig um die Vertikale dreht und die stündliche Drehung des Schattens praktisch der stündlichen Drehung der Erde entspricht.
Auf der Registerkarte Zeitbereich erfahren Sie mehr darüber, wann eine Sonnenuhr beginnt und wann sie aufhört, die Zeit anzuzeigen.
Auf der Registerkarte Genauigkeit wird erklärt, warum eine Sonnenuhr im Laufe des Jahres gegenüber der Uhr vor- oder nachgehen kann, also aufgrund der Zeitgleichung.