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

Der Mond bewegt sich auf einer fast kreisförmigen Bahn in einem Abstand von ca. 384’400 km um die Erde herum. 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.

Wären sie in der gleichen Ebene, würden wir bei jedem Neumond eine Sonnenfinsternis und bei jedem Vollmond eine Mondfinsternis haben. Diese beiden Ereignisse sind jedoch viel seltener.

Die Neigung der Mondbahn bleibt über ein ganzes Jahr gleich gerichtet, d.h. zwei mal im Jahr besteht die Möglichkeit, dass Sonne, Erde und Mond auf einer Achse liegen. Im folgenden Bild erkennen wir, dass in den anderen Fällen, der Mond über oder unter der Ebene der Erdbahn zu liegen kommt.

Entstehung der Mondphasen

Der zeigt uns zwar immer die gleiche Seite. Jedoch ist der Mond, wie jedes andere Objekt im Weltraum, immer genau zur Hälfte beleuchtet. Die beleuchtete Seite des Mondes ist aber nicht immer die gleiche, weil der Mond sich um die Erde dreht. Folglich sehen wir zwar immer die gleiche Seite des Mondes, die aber verschieden beleuchtet ist.

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? Wir diskutieren sie in der Reihenfolge von einfach zu schwierig:

• 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 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 den Mond seitlich an und sehen deshalb einen Halbmond mit der beleuchteten linken Hälfte (siehe oben). 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 des Monds 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 aber, 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

In der nachfolgenden Grafik wird ersichtlich, warum es zwei Perioden gibt.

Nach 27.3 Tagen (kürzere siderische Periode) hat der Mond tatsächlich eine ganze Umdrehung vollbracht. Da die Beleuchtung der Sonne sich in dieser Zeit verändert hat (die Erde ist knapp einen Zwölftel weiter, auf ihrer Umlaufbahn), sehen wir nach 27.3 Tagen noch nicht die gleiche Mondphase, wie zuvor. Es fehlen:

\[ 360° \; \cdot \; \Big(\frac{27.3\,\text{d}}{365.25\,\text{d}}\Big) \;\; = \;\; 26.9° \]

Der Mond braucht für diesen fehlenden Winkel zusätzliche 2.2 Tage, so dass wir auf 29.5 Tage für die (längere) synodische Periode kommen.

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, vom Mond aus gesehen. Auch der Mond hat eine Eigenrotation – nicht um seine eigene Achse, sondern um die Erde herum.

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.

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.