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Optik

Lichtausbreitung, Schatten und Finsternisse

Warum Schatten scharfe Ränder haben, was das Modell Lichtstrahl leistet und wie Sonnen- und Mondfinsternis entstehen.

Einführung

Halte die Hand in einen Sonnenstrahl und schau dir den Schatten an: Er hat einen erstaunlich scharfen Rand, und er hat genau die Form deiner Hand. Beides ist kein Zufall, sondern verrät etwas über das Licht selbst.

Aus dieser einfachen Alltagsbeobachtung lässt sich nämlich schließen, wie Licht sich ausbreitet, ohne dass man das Licht selbst je zu Gesicht bekommt. Und dieselbe Überlegung erklärt dann etwas, das die Menschen jahrtausendelang erschreckt hat: warum die Sonne am helllichten Tag verschwinden kann.

Das kannst du nach diesem Kapitel

  • Lichtquellen und beleuchtete Körper unterscheiden.

  • aus dem scharfen Schattenrand auf die geradlinige Ausbreitung des Lichts schließen.

  • das Modell Lichtstrahl benutzen und seine Grenzen benennen.

  • Schattenbilder zeichnerisch konstruieren, auch Kern- und Halbschatten.

  • Sonnen- und Mondfinsternis erklären und im Bild darstellen.

  • begründen, warum es nicht bei jedem Neumond eine Sonnenfinsternis gibt.

Wie sich Licht ausbreitet

Lichtquellen und beleuchtete Körper

Sichtbar wird ein Gegenstand nur, wenn Licht von ihm in unser Auge gelangt. Dafür gibt es zwei Möglichkeiten:

  • Lichtquellen (auch selbstleuchtende Körper) erzeugen Licht selbst: Sonne, Kerze, Glühlampe, LED, Bildschirm, Glühwürmchen.
  • Beleuchtete Körper senden kein eigenes Licht aus, sie werfen fremdes Licht zurück: Buch, Wand, Tisch, Mond, Planeten.

Der Mond ist das bekannteste Beispiel für die Verwechslung: Er leuchtet nicht, er wird von der Sonne beleuchtet. In einem völlig dunklen Zimmer bleibt ein weißes Blatt Papier unsichtbar. Es ist nicht schwarz geworden, es kommt nur kein Licht mehr an, das es zurückwerfen könnte.

Licht breitet sich allseitig aus

Eine Kerze im dunklen Raum ist von jeder Stelle aus zu sehen, von vorn, von der Seite, von oben. Also geht das Licht in alle Richtungen gleichzeitig weg. Das nennt man die allseitige Ausbreitung.

Woher wir wissen, dass Licht geradeaus läuft

Jetzt die entscheidende Frage: Läuft das Licht auf geraden Bahnen oder irgendwie krumm? Man kann das Licht selbst nicht beobachten, nur seine Wirkung. Also nimmt man einen Umweg über den Schatten.

Beobachtung: Eine kleine, weit entfernte Lichtquelle wirft von einem Kreisscheibchen einen Schatten mit scharfem Rand und derselben Form wie das Scheibchen.

Überlegung: Wäre das Licht um Hindernisse herumgelaufen, hätte es hinter der Scheibe wieder zusammenfinden können; der Schatten wäre unscharf oder ganz verschwunden. Wäre es auf krummen Bahnen gelaufen, hätte der Schatten eine andere Form als das Hindernis. Beides ist nicht der Fall.

Schluss: In einem gleichbleibenden Stoff, etwa in Luft, breitet sich Licht geradlinig aus.

🔴 Ehrlich dazugesagt: Das ist ein Schluss aus einer Beobachtung, kein Beweis. Er gilt genau so weit, wie die Beobachtung reicht. Tatsächlich zeigen sehr feine Versuche (Beugung am schmalen Spalt, Klasse 12), dass Licht die geradlinige Bahn ein winziges Stück verlässt. Für alles, was du hier zeichnest und berechnest, ist der Effekt völlig bedeutungslos, aber man sollte wissen, dass die Regel eine Näherung ist und keine ewige Wahrheit.

Das Modell Lichtstrahl

Damit man Licht zeichnen kann, benutzt man das Modell Lichtstrahl: ein gerader Pfeil, der die Ausbreitungsrichtung des Lichts angibt.

Was das Modell leistet: Schatten, Spiegelbilder, Bilder an und der ganze Aufbau optischer Geräte lassen sich damit vollständig konstruieren.

Was es nicht ist: Einen einzelnen Lichtstrahl gibt es in der Natur nicht. Blendet man Licht immer weiter ein, um „einen einzigen Strahl" zu bekommen, wird das Lichtbündel ab einer bestimmten Feinheit wieder breiter statt schmaler. Der Lichtstrahl ist also eine Rechenhilfe, keine Sache.

Ein Lichtbündel ist dagegen etwas Reales: die Gesamtheit vieler Strahlen. Man unterscheidet divergente (auseinanderlaufende), parallele und konvergente (zusammenlaufende) Bündel.

divergentläuft auseinanderparallelbleibt gleich breitkonvergentläuft zusammen

Ein Lichtstrahl ist eine Rechenhilfe, ein Lichtbündel dagegen etwas Reales. Diese drei Bündelarten reichen für alles, was du in der Optik zeichnen wirst.

Schatten konstruieren

Ein Schatten ist der Raum hinter einem undurchsichtigen Körper, in den kein Licht gelangt. Der Schattenrand entsteht dort, wo Strahlen gerade noch am Hindernis vorbeikommen.

Punktförmige Lichtquelle: Es gibt nur einen einzigen Schatten mit scharfem Rand, den Kernschatten. Zum Konstruieren zieht man von der Lichtquelle aus Geraden, die die Ränder des Hindernisses streifen.

Ausgedehnte Lichtquelle: Jetzt hat man mehrere Ausgangspunkte, und dadurch entstehen zwei Bereiche:

  • Kernschatten: Von hier aus ist kein Teil der Lichtquelle zu sehen. Ganz dunkel.
  • Halbschatten: Von hier aus ist ein Teil der Lichtquelle zu sehen. Teilweise beleuchtet, mit weichem Übergang.

Das ist der Grund, warum Schatten in einem Zimmer mit großer Deckenleuchte weiche Ränder haben, im direkten Sonnenlicht aber ziemlich scharfe: Die Sonne ist zwar riesig, aber so weit weg, dass sie am Himmel klein erscheint.

Praktische Anwendung: Operationsleuchten bestehen aus vielen Einzellampen. Jede erzeugt zwar Schatten, aber die Bereiche überlagern sich so, dass über dem Operationsfeld kein Kernschatten entsteht.

LichtquellepunktförmigKörperSchirmKernschattenNur ein Schattenbereich, Rand scharf

Bei einer punktförmigen Lichtquelle gibt es nur einen Schattenbereich. Seine Grenzen sind genau die zwei Strahlen, die gerade noch am Körper vorbeikommen. Genau so konstruierst du ihn auch im Heft.

LichtquelleausgedehntKörperHalbschattenKernschattenHalbschattenKernschatten: nichts von der Quelle. Halbschatten: ein Teil.

Bei einer ausgedehnten Lichtquelle braucht man vier Randstrahlen statt zwei. Im Kernschatten ist kein Punkt der Lampe zu sehen, im Halbschatten ein Teil von ihr. Deshalb hat der Schatten dort einen weichen Rand und nicht, weil das Licht „schwächer“ würde.

Sonnenfinsternis

Bei einer Sonnenfinsternis steht der Mond zwischen Sonne und Erde. Der Mond wirft einen Schatten auf die Erdoberfläche.

  • Wer im Kernschatten steht, sieht eine totale Sonnenfinsternis: Die Sonne ist vollständig verdeckt.
  • Wer im Halbschatten steht, sieht eine partielle Sonnenfinsternis: Ein Stück der Sonne bleibt sichtbar.

Der Kernschatten des Mondes ist auf der Erde nur etwa 100 km100\,\text{km} bis 270 km270\,\text{km} breit. Deshalb ist eine totale Sonnenfinsternis an einem festen Ort so selten, im Mittel etwa alle 375 Jahre, während irgendwo auf der Erde etwa alle 18 Monate eine stattfindet.

Ein bemerkenswerter Zufall macht die totale Finsternis überhaupt möglich: Die Sonne hat einen rund 400-mal größeren Durchmesser als der Mond, ist aber auch rund 400-mal weiter weg. Deshalb erscheinen beide am Himmel fast genau gleich groß.

SonneMondErdeKernschatten: total. Halbschatten: partiell.Größen und Abstände nicht maßstäblich

Dieselbe Konstruktion, nur am Himmel: Der Kernschatten des Mondes läuft spitz zu und trifft die Erde gerade eben. Genau deshalb ist die totale Finsternis nur auf einem schmalen Streifen zu sehen, während ringsherum der Halbschatten liegt.

Mondfinsternis

Bei einer Mondfinsternis steht die Erde zwischen Sonne und Mond. Der Mond taucht in den Schatten der Erde ein und wird dunkel.

Zwei Unterschiede zur Sonnenfinsternis fallen auf:

  • Eine Mondfinsternis ist von der ganzen Nachtseite der Erde aus zu sehen, nicht nur aus einem schmalen Streifen. Deshalb erlebt man sie viel häufiger.
  • Der verfinsterte Mond wird nicht schwarz, sondern kupferrot. Die Erdatmosphäre lenkt rotes Sonnenlicht in den Schattenbereich hinein. Das ist bereits eine Wirkung der , die im übernächsten Kapitel drankommt.
SonneErdeMondDer Mond wird dunkel im Kernschatten der Erde.Größen und Abstände nicht maßstäblich

Jetzt wirft die Erde den Schatten. Ihr Kernschatten ist am Ort des Mondes noch breit, deshalb kann der ganze Mond hineintauchen und die Finsternis ist von der ganzen Nachtseite aus zu sehen.

Warum nicht jeden Monat eine Finsternis

Der Mond läuft einmal im Monat um die Erde. Bei Neumond steht er zwischen Sonne und Erde, bei Vollmond auf der anderen Seite. Warum gibt es dann nicht jeden Monat beide Finsternisse?

Weil die Mondbahn um etwa 5°5° gegen die Erdbahn geneigt ist. Meistens läuft der Mond deshalb oberhalb oder unterhalb der Verbindungslinie Sonne-Erde vorbei, und sein Schatten verfehlt die Erde. Nur wenn Neu- oder Vollmond gerade dann eintritt, wenn der Mond die Erdbahnebene kreuzt, stehen alle drei Körper wirklich auf einer Linie.

Genau daran sieht man, wie weit das einfache Schattenmodell trägt: Es erklärt nicht nur, was passiert, sondern auch, warum es meistens nicht passiert.

Schattenlänge berechnen

Eine Lampe hängt 2,4 m2{,}4\,\text{m} über dem Boden. Ein Stab von 0,6 m0{,}6\,\text{m} Höhe steht senkrecht auf dem Boden, 1,5 m1{,}5\,\text{m} von der Stelle direkt unter der Lampe entfernt. Wie lang ist sein Schatten?

  1. 1

    Die Situation zeichnen und die Strahlengeometrie erkennen. Der Strahl, der die Spitze des Stabes streift, läuft von der Lampe geradeaus weiter bis zum Boden. Dort endet der Schatten.

    Es entstehen zwei ähnliche Dreiecke: das große von der Lampe bis zum Schattenende und das kleine, das die Stabspitze bildet.

  2. 2

    Die passenden Seiten einander zuordnen. Sei xx die gesuchte Schattenlänge (vom Stab bis zum Schattenende). Dann gilt für die beiden Dreiecke, dass sich die Höhen wie die zugehörigen waagerechten Strecken verhalten:

    Lampenho¨heStabho¨he=Abstand Lampe bis SchattenendeSchattenla¨nge\frac{\text{Lampenhöhe}}{\text{Stabhöhe}} = \frac{\text{Abstand Lampe bis Schattenende}}{\text{Schattenlänge}} 2,4 m0,6 m=1,5 m+xx\frac{2{,}4\,\text{m}}{0{,}6\,\text{m}} = \frac{1{,}5\,\text{m} + x}{x}
  3. 3

    Gleichung lösen. Links steht 44:

    4=1,5 m+xx⇒4x=1,5 m+x⇒3x=1,5 m⇒x=0,5 m4 = \frac{1{,}5\,\text{m} + x}{x} \quad \Rightarrow \quad 4x = 1{,}5\,\text{m} + x \quad \Rightarrow \quad 3x = 1{,}5\,\text{m} \quad \Rightarrow \quad x = 0{,}5\,\text{m}
  4. 4

    Prüfen. Der Stab ist ein Viertel so hoch wie die Lampe. Also muss auch der Abstand vom Stab zum Schattenende ein Viertel des Abstands von der Lampe zum Schattenende sein: 0,52,0=14\frac{0{,}5}{2{,}0} = \frac{1}{4}. Stimmt.

Der Schatten ist 0,5 m0{,}5\,\text{m} lang. Solche Rechnungen funktionieren nur, weil Licht geradlinig läuft; liefe es krumm, gäbe es keine ähnlichen Dreiecke und nichts zu rechnen.

Sonnenfinsternis erklären

Erkläre, warum bei einer Sonnenfinsternis nur ein schmaler Streifen der Erde die Sonne vollständig verdeckt sieht, während sie in weiten Gebieten drumherum nur teilweise verdeckt erscheint.

  1. 1

    Die Stellung der drei Körper festhalten. Der Mond steht zwischen Sonne und Erde. Die Sonne ist eine ausgedehnte Lichtquelle, kein Punkt. Das ist der Schlüssel zur ganzen Erklärung.

  2. 2

    Warum bei ausgedehnter Quelle zwei Schattenbereiche entstehen. Man zeichnet Strahlen vom oberen und vom unteren Sonnenrand, die jeweils am Mond vorbeistreifen. Diese Strahlen kreuzen sich hinter dem Mond und grenzen zwei Bereiche ab.

  3. 3

    Kernschatten benennen. Im inneren Kegel ist kein Punkt der Sonne mehr sichtbar, weil der Mond jede Sichtlinie blockiert. Wer hier steht, sieht eine totale Sonnenfinsternis. Auf der Erdoberfläche ist dieser Bereich nur 100 km100\,\text{km} bis 270 km270\,\text{km} breit.

  4. 4

    Halbschatten benennen. Rundherum liegt ein Bereich, in dem der Mond nur einen Teil der Sonnenscheibe verdeckt. Wer hier steht, sieht eine partielle Sonnenfinsternis, und es bleibt spürbar hell. Dieser Bereich ist mehrere tausend Kilometer breit.

  5. 5

    Die Bewegung ergänzt das Bild. Mond und Erde bewegen sich, deshalb wandert der Kernschatten als schmaler Streifen über die Erdoberfläche. An einem festen Ort dauert die Totalität deshalb höchstens etwa siebeneinhalb Minuten.

Weil die Sonne eine ausgedehnte Lichtquelle ist, wirft der Mond einen schmalen Kernschatten und einen weiten Halbschatten. Der Unterschied zwischen totaler und partieller Finsternis ist also nichts anderes als der Unterschied zwischen Kern- und Halbschatten aus dem Schulversuch, nur in astronomischer Größe.

Typischer Fehler

„Der Mond leuchtet nachts."

Der Mond ist ein beleuchteter Körper, keine Lichtquelle. Er wirft Sonnenlicht zurück, und zwar sehr schlecht: Seine Oberfläche ist etwa so hell wie alter Asphalt und reflektiert nur rund 12 %12\,\% des ankommenden Lichts. Der Vollmond wirkt trotzdem hell, weil er der einzige helle Punkt am dunklen Nachthimmel ist.

Der beste Beleg für diese Einordnung sind die Mondphasen. Wäre der Mond selbstleuchtend, gäbe es keinen Grund, warum er mal Sichel, mal Halbkreis, mal voll aussieht. Die Phasen entstehen, weil wir je nach Stellung von Erde, Mond und Sonne einen anderen Teil der beleuchteten Mondhälfte sehen. Immer ist genau eine Hälfte des Mondes von der Sonne beleuchtet; wir sehen nur unterschiedlich viel davon.

🔴 Nicht verwechseln: Mondphasen und Mondfinsternis sind zwei verschiedene Dinge. Die Phasen entstehen durch die Blickrichtung auf die beleuchtete Hälfte und laufen jeden Monat durch. Eine Mondfinsternis entsteht, wenn der Mond in den Erdschatten eintritt, und das passiert nur wenige Male im Jahr.

Übung 1

leicht

Ordne zu: Lichtquelle oder beleuchteter Körper?

a) Kerzenflamme b) Mond c) Fahrraddynamolampe d) Rückstrahler am Fahrrad e) Bildschirm f) Buchseite

Tipp anzeigen

Frage: Würde der Körper in einem völlig dunklen Raum sichtbar sein?

Lösung anzeigen

Lichtquellen: a) Kerzenflamme, c) Fahrraddynamolampe, e) Bildschirm

Beleuchtete Körper: b) Mond, d) Rückstrahler, f) Buchseite

Der Rückstrahler ist ein besonders schönes Beispiel: Er sieht im Autoscheinwerfer sehr hell aus und wirkt fast wie eine Lampe. Er erzeugt aber kein eigenes Licht, sondern wirft das Scheinwerferlicht besonders gezielt genau dorthin zurück, wo es herkam. Ohne Scheinwerfer bleibt er unsichtbar.

Detaillierte Schritterklärung anzeigen

Hier wird jeder Schritt einzeln erklärt, vor allem, warum er gemacht wird.

Erklärungstiefe

✦ Empfohlen: Standard – Die normale Erklärungstiefe passt zum Einstieg.

  1. 1

    Die Prüffrage: völlig dunkler Raum

    Der Unterschied liegt nicht darin, wie hell etwas aussieht, sondern woher das Licht kommt. Prüffrage: Wäre der Körper in einem völlig dunklen Raum sichtbar? Nur dann erzeugt er eigenes Licht.

  2. 2

    Die drei Lichtquellen

    Kerzenflamme, Fahrraddynamolampe und Bildschirm erzeugen Licht selbst, chemisch beim Verbrennen, elektrisch im Glühdraht beziehungsweise in den Leuchtdioden. Alle drei bleiben im dunklen Raum sichtbar.

  3. 3

    Die drei beleuchteten Körper, besonders der Rückstrahler

    Mond, Rückstrahler und Buchseite senden kein eigenes Licht aus. Der Rückstrahler ist der lehrreichste Fall: Er sieht im Autoscheinwerfer sehr hell aus, wirft aber nur das Scheinwerferlicht zurück und zwar gezielt dorthin, wo es herkam.

  4. 4

    Ergebnis deuten: warum die Einteilung nützt

    Drei Lichtquellen (a, c, e) und drei beleuchtete Körper (b, d, f). Die Einteilung erklärt zugleich, warum wir überhaupt etwas sehen: Fast alles um uns herum ist beleuchtet, nicht selbstleuchtend.

Übung 2

mittel

Ein Junge (1,6 m1{,}6\,\text{m} groß) steht 3 m3\,\text{m} von einer Straßenlaterne entfernt. Sein Schatten ist 2 m2\,\text{m} lang.

a) Wie hoch ist die Laterne?

b) Wie lang wird der Schatten, wenn er 6 m6\,\text{m} von der Laterne entfernt steht?

Tipp anzeigen

Zeichne die beiden ähnlichen Dreiecke. Der Abstand Laterne bis Schattenende ist Standort plus Schattenlänge.

Lösung anzeigen

a) Der Abstand von der Laterne bis zum Schattenende beträgt 3 m+2 m=5 m3\,\text{m} + 2\,\text{m} = 5\,\text{m}. Für die ähnlichen Dreiecke gilt:

hLaterne1,6 m=5 m2 m⇒hLaterne=1,6 m⋅2,5=4,0 m\frac{h_{\text{Laterne}}}{1{,}6\,\text{m}} = \frac{5\,\text{m}}{2\,\text{m}} \quad \Rightarrow \quad h_{\text{Laterne}} = 1{,}6\,\text{m} \cdot 2{,}5 = 4{,}0\,\text{m}

b) Jetzt ist xx die neue Schattenlänge und der Abstand bis zum Schattenende 6 m+x6\,\text{m} + x:

4,0 m1,6 m=6 m+xx⇒2,5 x=6 m+x⇒1,5 x=6 m⇒x=4 m\frac{4{,}0\,\text{m}}{1{,}6\,\text{m}} = \frac{6\,\text{m} + x}{x} \quad \Rightarrow \quad 2{,}5\,x = 6\,\text{m} + x \quad \Rightarrow \quad 1{,}5\,x = 6\,\text{m} \quad \Rightarrow \quad x = 4\,\text{m}

Der Schatten wird also doppelt so lang, wenn der Abstand sich verdoppelt. Das kennt man vom abendlichen Spaziergang: Je weiter man sich von der Laterne entfernt, desto länger wird der eigene Schatten.

Detaillierte Schritterklärung anzeigen

Hier wird jeder Schritt einzeln erklärt, vor allem, warum er gemacht wird.

Erklärungstiefe

✦ Empfohlen: Standard – Die normale Erklärungstiefe passt zum Einstieg.

  1. 1

    Gegeben und Gesucht und die Skizze zuerst

    Gegeben: Körpergröße 1,6 m1{,}6\,\text{m}, Abstand zur Laterne 3 m3\,\text{m}, Schattenlänge 2 m2\,\text{m}. Gesucht: a) die Höhe der Laterne, b) die Schattenlänge bei 6 m6\,\text{m} Abstand. Zeichne zuerst Laterne, Junge und Schattenende auf eine Grundlinie.

  2. 2

    Warum hier ähnliche Dreiecke entstehen

    Licht breitet sich geradlinig aus. Der Strahl von der Lampenspitze über den Kopf des Jungen bis zum Schattenende ist deshalb eine Gerade. Zusammen mit den beiden senkrechten Körpern entstehen zwei Dreiecke mit gleichen Winkeln. Sie sind ähnlich, und ihre Seiten stehen im gleichen Verhältnis.

  3. 3

    a) Die Laternenhöhe über das Verhältnis

    Höhe verhält sich zu Höhe wie Grundlinie zu Grundlinie: h1,6 m=5 m2 m\frac{h}{1{,}6\,\text{m}} = \frac{5\,\text{m}}{2\,\text{m}}. Rechts steht 2,52{,}5, also ist die Laterne 2,52{,}5-mal so hoch wie der Junge.

    h1,6 m=5 m2 m=2,5\frac{h}{1{,}6\,\text{m}} = \frac{5\,\text{m}}{2\,\text{m}} = 2{,}5, also h=1,6 m⋅2,5=4,0 mh = 1{,}6\,\text{m} \cdot 2{,}5 = 4{,}0\,\text{m}

    Zwischenergebnis

    h=4,0 mh = 4{,}0\,\text{m}

  4. 4

    b) Der neue Schatten als Gleichung

    Jetzt ist die Schattenlänge xx unbekannt, und der Abstand bis zum Schattenende beträgt 6 m+x6\,\text{m} + x. Das Verhältnis der Höhen bleibt 4,01,6=2,5\frac{4{,}0}{1{,}6} = 2{,}5.

    2,5 x=6 m+x  ⇒  1,5 x=6 m  ⇒  x=4 m2{,}5\,x = 6\,\text{m} + x \;\Rightarrow\; 1{,}5\,x = 6\,\text{m} \;\Rightarrow\; x = 4\,\text{m}

    Zwischenergebnis

    x=4 mx = 4\,\text{m}

  5. 5

    Ergebnisse deuten: doppelter Abstand, doppelter Schatten

    Bei doppeltem Abstand (3 m→6 m3\,\text{m} \to 6\,\text{m}) wird der Schatten doppelt so lang (2 m→4 m2\,\text{m} \to 4\,\text{m}). Das deckt sich mit der Alltagserfahrung: Je weiter man sich von der Laterne entfernt, desto länger wird der eigene Schatten.

Übung 3

schwer

a) Erkläre, warum bei einer Mondfinsternis fast die halbe Erdbevölkerung zuschauen kann, bei einer totalen Sonnenfinsternis aber nur wenige Menschen.

b) Warum wird der Mond bei einer totalen Mondfinsternis nicht schwarz, sondern rot?

c) Der Mond umkreist die Erde etwa alle 29,5 Tage. Warum gibt es nicht in jedem dieser Zyklen sowohl eine Sonnen- als auch eine Mondfinsternis?

d) Der Mond entfernt sich pro Jahr etwa 3,8 cm3{,}8\,\text{cm} von der Erde. Was bedeutet das für totale Sonnenfinsternisse in ferner Zukunft?

Tipp anzeigen

a) Vergleiche die Größe der Schattenbereiche mit der Größe der beschatteten Körper.

Lösung anzeigen

a) Bei der Mondfinsternis taucht der Mond in den Erdschatten. Der Mond ist der beschattete Körper, und weil er verfinstert ist, sehen ihn alle, die ihn gerade am Himmel haben, also die gesamte Nachtseite der Erde.

Bei der Sonnenfinsternis ist die Erde der beschattete Körper, und der Kernschatten des Mondes ist auf ihrer Oberfläche nur 100100 bis 270 km270\,\text{km} breit. Nur wer in diesem schmalen Streifen steht, sieht die Totalität.

Der Unterschied liegt also darin, ob ein großer Schatten auf einen kleinen Körper fällt oder ein kleiner Schatten auf einen großen.

b) Die Erdatmosphäre wirkt wie eine und lenkt Sonnenlicht in den Erdschatten hinein. Dabei wird blaues Licht viel stärker aus dem Strahl herausgestreut als rotes, es bleibt also überwiegend rotes Licht übrig. Genau derselbe Vorgang färbt Sonnenauf- und -untergänge rot. Der verfinsterte Mond wird damit von einem gewaltigen Ring aus Sonnenaufgängen und -untergängen beleuchtet.

c) Die Mondbahn ist um etwa 5°5° gegen die Erdbahnebene geneigt. Bei den meisten Neu- und Vollmonden läuft der Mond deshalb oberhalb oder unterhalb der Verbindungslinie Sonne-Erde vorbei, und sein Schatten verfehlt die Erde beziehungsweise er verfehlt den Erdschatten. Nur wenn Neu- oder Vollmond ungefähr dann eintritt, wenn der Mond die Erdbahnebene kreuzt, kommt eine Finsternis zustande. Deshalb treten Finsternisse in Serien auf, nicht monatlich.

d) Totale Sonnenfinsternisse sind nur möglich, weil Sonne und Mond von der Erde aus fast gleich groß erscheinen. Entfernt sich der Mond, wird seine scheinbare Größe kleiner, und irgendwann reicht sie nicht mehr aus, die Sonnenscheibe vollständig zu bedecken. Dann bleibt immer ein heller Ring stehen (eine ringförmige Finsternis), die letzte totale Sonnenfinsternis liegt nach heutiger Schätzung in ungefähr 600 Millionen Jahren. Wir leben also in einer astronomisch gesehen kurzen Epoche, in der es sie überhaupt gibt.

Detaillierte Schritterklärung anzeigen

Hier wird jeder Schritt einzeln erklärt, vor allem, warum er gemacht wird.

Erklärungstiefe

✦ Empfohlen: Standard – Die normale Erklärungstiefe passt zum Einstieg.

  1. 1

    a) Wer ist beschattet, der große oder der kleine Körper?

    Bei der Mondfinsternis ist der Mond beschattet und taucht ganz in den großen Erdschatten. Wer ihn am Himmel hat, sieht die Finsternis, also die gesamte Nachtseite der Erde. Bei der Sonnenfinsternis ist die Erde beschattet, und der Kernschatten des Mondes ist auf ihr nur 100100 bis 270 km270\,\text{km} breit.

  2. 2

    b) Warum der verfinsterte Mond rot wird

    Die Erdatmosphäre lenkt Sonnenlicht in den Erdschatten hinein. Dabei wird blaues Licht viel stärker aus dem Strahl herausgestreut als rotes, übrig bleibt überwiegend rotes Licht, und genau das erreicht den Mond.

  3. 3

    c) Warum es nicht monatlich Finsternisse gibt

    Die Mondbahn ist um etwa 5°5° gegen die Erdbahnebene geneigt. Bei den meisten Neu- und Vollmonden läuft der Mond deshalb oberhalb oder unterhalb der Verbindungslinie Sonne–Erde vorbei; sein Schatten verfehlt die Erde, oder er verfehlt den Erdschatten.

  4. 4

    d) Ergebnis deuten: eine Epoche, die endet

    Totale Sonnenfinsternisse sind nur möglich, weil Sonne und Mond von der Erde aus fast gleich groß erscheinen. Entfernt sich der Mond um 3,8 cm3{,}8\,\text{cm} im Jahr, wird er scheinbar kleiner und kann die Sonnenscheibe irgendwann nicht mehr vollständig bedecken. Es bleibt ein heller Ring.

Zusammenfassung

Sichtbar wird ein Körper nur, wenn Licht von ihm ins Auge gelangt, sei es selbst erzeugt oder zurückgeworfen. Dass Licht sich allseitig ausbreitet, zeigt schon eine Kerze im dunklen Raum; dass es dabei geradlinig läuft, schließt man aus dem scharfen, formgleichen Schatten. Aus dieser Beobachtung entsteht das Modell Lichtstrahl, mit dem sich Schatten konstruieren lassen: Eine punktförmige Quelle wirft nur Kernschatten, eine ausgedehnte zusätzlich Halbschatten. Genau dieses Bild erklärt auch die Finsternisse: Bei der Sonnenfinsternis steht der Mond zwischen Sonne und Erde und wirft einen schmalen Kernschatten auf die Erdoberfläche, bei der Mondfinsternis taucht der Mond in den Erdschatten ein. Und weil die Mondbahn geneigt ist, geschieht beides nur selten statt jeden Monat.