Mondphasen

Der Mond zeigt uns zwar immer die gleiche Seite, jedoch kennen wir mit den Mondphasen verschiedene Beleuchtungen des Mondes. In diesem Abschnitt möchten wir uns genauer anschauen wie die Mondphasen entstehen.

Mondbahn

Die Mondbahn ist die fast kreisförmige Bahn, auf welcher sich der Mond um die Erde bewegt. Der Radius dieses Fast-Kreises beträgt im Schnitt 383’000 km. Eigentlich ist die Mondbahn gemäss Keplers Erstem Gesetz eine Ellipse. Die beiden Brennpunkte der Ellipse sind aber sehr nahe bei einander, so dass wir mit dem Kreis eine meist genügend genaue Approximation haben.

Im Vergleich zur Ebene, auf welcher sich die Erdbahn befindet, ist die Ebene der Mondbahn um 5.2° geneigt. Aus diesem Grund sind Sonne, Erde und Mond nicht bei jedem Neu- oder Vollmond in einer Linie aufgestellt. Ansonsten hätten wir bei jedem Neumond eine Sonnenfinsternis und bei Vollmond immer gleich auch eine Mondfinsternis. Diese beiden Ereignisse sind jedoch viel seltener als Neumond oder Vollmond.

Der Mond bewegt sich auf einer fast kreisförmigen Bahn in einem Abstand von ca. 383’000 km um die Erde herum. Diese Mondbahn ist gegenüber der Erdbahn um die Sonne herum, um 5.2° geneigt. Wegen dieser Neigung stehen Sonne, Erde und Mond etwas seltener in einer Linie, nämlich nur dann, wenn eine Sonnen- bzw. Mondfinsternis herrscht.

Entstehung der Mondphasen

Der Mond ist, wie jeder andere Mond und Planet im Sonnensystem, immer genau zur Hälfte beleuchtet. Die beleuchtete Seite des Mondes ist aber nicht immer die gleiche, weil der Mond sich um die Erde dreht und sich diese wiederum um die Sonne dreht. Wenn wir die viel langsamere Bewegung der Erde im Vergleich zur Bewegung des Mondes um sie herum vernachlässigen, d.h. wir nehmen an, dass die Erde still steht, dann erhalten wir das folgende Bild für acht verschiedene Stationen auf der Mondbahn:

Wie sehen die verschiedenen Mondpositionen von der Erde aus?

• Position 1: Das ist wohl die Einfachste: Von der Erde aus sehen wir die beleuchtete Hälfte des Mondes, weil die Sonne gerade uns “im Rücken” steht. Diese Mondphase ist natürlich der Vollmond.
• Position 5: Sie ist genau das Umgekehrte: Wenn wir Tag haben, ist der Mond am Himmel, nur sehen wir ihn nicht. Erstens weil es zu hell ist und zweitens, weil wir (wenn schon) nur seine Schattenseite sehen würden und die sendet ja kein Licht aus. Wir haben Neumond. Am Nachhimmel ist der Mond nicht etwa nicht sichtbar, weil wir die dunkle Seite sehen, sondern weil er gar nicht am Nachthimmel ist.
• Position 3: Das ist der halbe Weg zwischen Vollmond und Neumond. Wir schauen genau seitlich den Mond an und sehen deshalb die und zugewandte Seite, wovon eine Hälfte davon beleuchtet ist und die andere Hälfte zur Schattenseite gehört. Für Beobachter auf der nördlichen Halbkugel ist die beleuchtete Hälfte auf der linken Seite. Diese Mondphase heisst letztes Viertel.
• Position 7: Sie ist das Gegenstück zur Position 3, jedoch schaut der Beobachter auf die andere Seite, so dass die beleuchtete Seite für einen Beobachter auf der nördlichen Halbkugel rechts ist. Diese Mondphase sehen wir auf halbem Weg von Neumond zu Vollmond, d.h. wir haben einen zunehmenden Mond. Die Mondphase heisst Erstes Viertel.

Siderischer und synodischer Monat

Wie lange hat der Mond für eine Umdrehung? Wahrscheinlich weisst du, dass das etwas weniger als ein Monat dauert. Die genaue Beantwortung dieser Frage ist aber gar nicht so einfach. Im oberen Abschnitt haben wir eine Vereinfachung gemacht: Wir haben gesagt, dass die Erde quasi still steht. Nun wissen wir, dass sie nie still steht, sondern in einem Monat etwa einen Zwölftel ihrer Erdbahn um die Sonne hinter sich lässt. Dieser Effekt hat zur Folge, dass wir auf die Frage “Wie lange” eigentlich zwei Antworten haben:

Nach einer siderischen Periode, d.h. 27.3 Tage, hat der Mond eine ganze Umdrehung der Erde vollbracht

Nach einer synodischen Periode, d.h. 29.5 Tagen, sehen wir von der Erde aus wieder die gleiche Mondphase

Diese beiden Perioden dauern unterschiedlich lange, weil die Erde sich um die Sonne dreht. Sobald der Mond eine Umdrehung gemacht hat, fehlt ihm ein Stückchen auf seiner Mondbahn. Der fehlende Winkel auf dem Kreis entspricht ist der “Z-Winkel” zum Winkel, den die Erde in dieser Zeit auf ihrer Bahn hinter sich gebracht hat.

Da der Mond in Bezug auf das Universum eine ganze Umdrehung gemacht hat, in Bezug auf Erde und Sonne aber noch nicht in der gleichen Stellung ist, haben wir deshalb noch nicht ganz die gleiche Mondphase, wie 27.3 Tage zuvor. Erst nach 29.5 Tagen ist es soweit: Der Mond steht im Bezug zur Sonne wieder gleich zur Erde.

In der obigen Grafik ist der Unterschied zwischen der siderischen Periode (ganze Umdrehung) und der synodischen Periode (wieder gleiche Mondphase) dargestellt. Beachte, dass die Grafik nicht massstäblich ist. Die Grössen und Abstände stimmen nicht und auch der Winkel auf der Erdbahn ist hier zu gross.

Aus der synodischen Periode folgt auch die Länge eines Mondtages, d.h. wie lange es dauert, bis die Sonne wieder den gleichen Stand hat. Auf der Erde beträgt ein Erdtag ja 24 Stunden. Auf dem Mond beträgt ein Mondtag ganze 29.5 Tage! Im Schnitt scheint die Sonne auf dem Mond knapp 15 Tage lang bevor sie untergeht. Eine Mondnacht dauert dann wieder knapp 15 Tage, bis die Sonne wieder aufgeht.

Auch der Mond hat eine Eigenrotation – nicht um seine eigene Achse, sondern um die Erde herum. Genau genommen rotiert der Mond um den gemeinsamen Schwerpunkt von Erde und Mond herum. Dieser Schwerpunkt befindet sich aber unter der Erdoberfläche, so dass wir nicht ganz falsch liegen, wenn wir sagen, dass der Mond um die Erde dreht. Im Vergleich zur Erde ist die Winkelgeschwindigkeit \(\omega\) der Rotation des Mondes viel kleiner als die Winkelgeschwindigkeit der Erdrotation. Wenn wir aber den Drehimpuls berechnen, dann hat der Mond einen Drehimpuls in der gleichen Grössenordnung wie die Erde. Wenn wir also bedenken, dass der Mond sehr wahrscheinlich nach einer gewaltigen Kollision sich aus der Erde gelöst hat, dann hat er durch den grösseren Abstand zur Erde seine Winkelgeschwindigkeit verloren, wie eine Eiskunstläuferin, die ihre Arme ausstreckt und so ihre Pirouette verlangsamt.