Warum sind die heißesten Tage die „Hundstage“ und nicht die Zeit der Sommersonnenwende?

Wir haben das Glück, im Paradies des Lebens zu leben – der Erde. Hier herrschen nicht nur Bedingungen, die für das Überleben und die Fortpflanzung von Organismen geeignet sind, sondern es gibt auch einen Wechsel der vier Jahreszeiten. Im Frühling gibt es bunte Blumen; Im Herbst gibt es Büschel roter Blätter und reichlich Früchte. Im Sommer können Sie schwimmen gehen und gegen die Wellen ankämpfen; Im Winter können Sie der Kälte trotzen und Schlittschuhlaufen und Skifahren gehen. Warum können wir am selben Ort der Erde das ganze Jahr über periodische Temperaturschwankungen erleben?

Die Umlaufbahn der Erde um die Sonne ist kein perfekter Kreis, sondern eine Ellipse. Manchmal ist die Erde näher an der Sonne und manchmal weiter entfernt. Könnte es sein, dass die Veränderung der Entfernung zwischen Erde und Sonne den Wechsel der Jahreszeiten verursacht? Anfang Januar ist die Erde der Sonne am nächsten, ihre Entfernung beträgt 147 Millionen Kilometer. Das ist die kälteste Zeit auf der Nordhalbkugel. Anfang Juli ist die Erde mit 152 Millionen Kilometern am weitesten von der Sonne entfernt. Zu dieser Zeit ist es auf der Nordhalbkugel sehr heiß. Daher ist die veränderliche Entfernung zwischen Erde und Sonne nicht die Ursache für die vier Jahreszeiten.

Der farbenprächtige und farbenfrohe Wechsel der vier Jahreszeiten auf der Erde wird durch die Tatsache verursacht, dass die Rotationsachse der Erde gegenüber ihrer Umlaufebene um die Sonne um 23,5 Grad geneigt ist. Im Sommer ist die nördliche Hemisphäre zur Sonne geneigt und die Richtung des Sonnenlichts ist fast senkrecht zum Boden, sodass wir die Sonne als sehr „hoch“ am Himmel stehend empfinden. Im Winter ist die südliche Hemisphäre zur Sonne geneigt, sodass die Menschen auf der nördlichen Hemisphäre die Sonne als „tief“ am Himmel stehend empfinden. Das Sonnenlicht fällt sehr „schräg“ ein.

Der Unterschied wird deutlich, wenn einer hoch und der andere niedrig ist. Wenn Sie nachts mit einer Taschenlampe auf den Boden leuchten, werden Sie feststellen, dass der beleuchtete Bereich am kleinsten ist, wenn die Taschenlampe senkrecht nach unten gerichtet ist. Je schräger das Licht ist, desto größer ist der beleuchtete Bereich. Wenn die Sonne hoch steht, konzentriert sich die Wärme des Sonnenlichts auf einen kleinen Bereich, sodass der Boden in diesem Bereich natürlich mehr Wärme erhält. Bei „schrägem“ Sonnenlicht muss die gleiche Wärmemenge über eine größere Fläche verteilt werden, so dass die pro Flächeneinheit aufgenommene Wärmemenge naturgemäß geringer ist. Und wenn die Sonne „hoch“ steht, sind auch die Tageslichtstunden länger. Je schräger die Sonne steht, desto kürzer sind die Tageslichtstunden. Die Kombination dieser beiden Faktoren ist die Ursache für die vier Jahreszeiten auf der Erde. Nicht nur die Erde, sondern auch andere Planeten im Sonnensystem haben geneigte Rotationsachsen, beispielsweise Mars (25,2 Grad) und Saturn (26,7 Grad). Sie verfügen außerdem über vier Jahreszeiten.

Damit scheint alles klar zu sein. Doch wenn man genauer darüber nachdenkt, taucht das Problem erneut auf. Zur Sommersonnenwende steht die Sonne am höchsten am Himmel, es dürfte also der heißeste Tag sein. Tatsächlich ist der heißeste Tag jedoch nicht die Sommersonnenwende (um den 22. Juni), sondern die „Hundstage“ mehr als einen Monat später, also etwa vom 12. Juli bis 27. August. Zur Wintersonnenwende steht die Sonne auf der Nordhalbkugel am niedrigsten, daher sollte es der kälteste Tag sein. Der kälteste Tag ist hier allerdings nicht die Wintersonnenwende (um den 22. Dezember), sondern die „Drei Neun Tage“ einen Monat später, die Ende Januar des Folgejahres beginnen. Was ist hier los?

Der Hauptgrund ist, dass die Erde von einer dichten Atmosphäre umgeben ist. Sonnenlicht erwärmt die Luft in Bodennähe nicht direkt, sondern erwärmt zuerst den Boden. Der Boden überträgt die Wärme dann durch Infrarotstrahlung, Luftkonvektion und Wasserverdunstung an die Luft. Über jedem Quadratmeter Erdboden befinden sich etwa 10 Tonnen Luft, die eine große Menge Wärme speichern können. Dadurch wird verhindert, dass die Oberflächentemperatur zu hoch wird. Nachts verhindert diese Wärme, dass die Oberflächentemperatur zu stark absinkt. Auf diese Weise beträgt der Temperaturunterschied zwischen Tag und Nacht auf der Erde nur wenige Grad bis über zehn Grad. Die Luft auf dem Mars ist dünn und der Temperaturunterschied zwischen Tag und Nacht kann über 100 Grad betragen. Bei künstlichen Satelliten in der Weltraumumlaufbahn kann die Temperatur dort, wo die Sonne scheint, 100 bis 200 Grad erreichen, während sie dort, wo die Sonne nicht scheint, auf minus 100 bis 200 Grad sinken kann. Dies liegt daran, dass keine Luft vorhanden ist, die als Puffer dienen könnte.

Allerdings hängt in diesem Fall die durchschnittliche Tagestemperatur nicht ausschließlich von der Wärmemenge ab, die von der Sonne aufgenommen wird, sondern von der Differenz zwischen der aufgenommenen Wärme und der täglich verlorenen Wärme, also der Nettoänderung der gespeicherten Wärme. Die Nordhalbkugel erhält zur Sommersonnenwende zwar die meiste Wärme von der Sonne, doch in den Dutzenden von Tagen nach der Sommersonnenwende steht die Sonne zwar nicht am höchsten, aber immer noch ziemlich hoch. Die Tageslichtstunden sind zwar nicht die längsten, aber dennoch ziemlich lang. Da die täglich aufgenommene Wärme immer noch die abgegebene Wärme übersteigt, steigt die durchschnittliche Tagestemperatur weiter an und erreicht während der „Hundstage“ ihren Höchststand. Erst wenn die Sonne so tief steht, dass die täglich aufgenommene Wärmemenge geringer ist als der Wärmeverlust, beginnt die Temperatur zu sinken. Auch nach der Wintersonnenwende nimmt die Sonneneinstrahlung zwar allmählich zu, doch reicht die täglich aufgenommene Wärme nicht aus, um den Wärmeverlust auszugleichen. Daher sind die „Drei Neunen“ die kältesten. Erst wenn die Sonneneinstrahlung stark genug ist, um den täglichen Wärmeverlust zu übersteigen, wird es Frühling, wenn man „am 59. und 69. Tag des Winters die Weiden entlang des Flusses sehen kann“.

Es ist, als würde man einen Topf Wasser zum Kochen bringen. Bei Verwendung der größten Feuerstufe kann das Wasser natürlich schnell erhitzt werden, bei einer etwas kleineren Feuerstufe steigt die Wassertemperatur jedoch trotzdem an, da der Wärmeverlust durch die Außenwand des Topfes und die Wasseroberfläche immer noch geringer ist als die durch das Feuer erzeugte Wärme. Nur wenn das Feuer niedrig genug ist (sofern der Herd das kann), kühlt das Wasser im Topf allmählich ab. Wenn das Feuer am kleinsten ist, sinkt die Wassertemperatur auf natürliche Weise. Ein Feuer, das nur geringfügig größer ist als das kleinste Feuer, kann jedoch nicht verhindern, dass die Wassertemperatur weiter sinkt.

Ebenso steht die Sonne täglich um 12 Uhr mittags am „Höchsten“, die höchste Tagestemperatur wird jedoch nicht mittags, sondern gegen 14 Uhr erreicht.

Wenn Sie sich in Innenräumen aufhalten und keine Klimaanlage haben, sind die Temperaturschwankungen noch ungleicher vom Sonnenstand abhängig, da das Haus (Wände und Möbel) viel Wärme speichern kann. Im Sommer ist es in Innenräumen nicht mittags am heißesten, sondern abends. Obwohl es zu dieser Zeit draußen relativ kühl war, gaben Wände und Möbel die tagsüber gespeicherte Wärme ständig ab und „backten“ uns in Form von Infrarotstrahlung, sodass uns selbst bei Luftzug keine Kühle auffiel. Orte in der Nähe großer Flüsse, wie Chongqing, Wuhan und Nanjing in China, sind abends besonders heiß, weil das Flusswasser tagsüber von der Sonne erwärmt wird und die Wärme nach Sonnenuntergang verdunstet, wodurch die berühmten „Hochofenstädte“ entstehen.

Interessanterweise ändert sich auch die Temperatur unter der Erde nicht synchron zur Temperatur an der Oberfläche. Beispielsweise ist die durchschnittliche tägliche Oberflächentemperatur am 6. August normalerweise am höchsten. Doch in 60 Zentimetern Tiefe wird die Temperatur erst am 20. August am höchsten sein. In 1,5 Metern Tiefe muss man bis zum 10. September warten. Bei 3,5 U-Bahn müssen Sie bis zum 29. Oktober warten. In 9,4 Metern Tiefe sind Sommer und Winter im Vergleich zur Oberfläche umgekehrt. Aus diesem Grund sind Höhlenwohnungen im Winter warm und im Sommer kühl. Da sich darüber hinaus die Winter- und Sommerzeiten unter der Erde stark von denen an der Oberfläche unterscheiden können, findet die Reproduktion der Wurzelzellen mancher Pflanzen tatsächlich im Winter statt und hört im Sommer auf.

Die Luft auf dem Mars ist dünn und es gibt nicht nur große Temperaturunterschiede zwischen Tag und Nacht, sondern auch keine erkennbare Verzögerung zwischen der täglichen Durchschnittstemperatur und der Sonnenscheindauer. Auf der Venus sieht die Szene ganz anders aus. Da die Atmosphäre zu dicht ist (90-mal so hoch wie der Luftdruck auf der Erde) und hauptsächlich aus dem Treibhausgas Kohlendioxid besteht, kann die Wärme der Sonne nur schwer „entweichen“, wodurch die Oberfläche der Venus so heiß wird wie das Fegefeuer und sogar Blei auf ihr schmilzt. Verglichen damit können wir uns wirklich glücklich schätzen, in der Erdatmosphäre zu leben.