Inhaltsverzeichnis

1.  Vorwort  5

2.  Fachsystematische Analyse  6

2.1  Definition der astronomischen und klimatischen Jahreszeiten  6

2.2  Die Erde in Bewegung: Rotation, Revolution und Präzession  7

2.2.1  Entstehung der Tages- und Jahreszeiten (Rotation und Revolution)  7

2.2.2  Kalt- und Warmzeiten (Präzession)  9

2.3  Gestalt und Größe der Erde  10

2.4  Astronomische und physikalische Betrachtungen  13

2.4.1  Unser Sonnensystem  13

2.4.2  Der Aufbau der Atmosphäre  14

2.4.3  Sonnenstrahlung  15

2.5  Auswirkungen der Sonnenstrahlung auf die Jahreszeiten  16

2.5.1  Auswirkungen der Sonnenstrahlung auf die Landschaftszonen  19

2.6  Geschichtliche Aspekte  20

2.6.1  Gestalt der Erde  20

2.6.2  Beweis für die Krümmung der Erde  21

2.6.3  Lage der Erde im Universum  23

3.  Didaktische und methodische Analyse  27

3.1  Allgemeines zum WZG-Unterricht im Bildungsplan 2004  27

3.1.1  Verankerung des Themas im Bildungsplan des WZG-Unterrichts  29

3.1.2  Verankerung des Themas im Bildungsplan des NeNuK-Unterrichts  30

3.2  Arbeitsbereiche und Medien im Geographie-Unterricht  30

3.3  Die Jahreszeiten im MeNuk-Unterricht  32

3.3.1  Experimente zum Sonnenstand  32

3.4  Die Jahreszeiten im Hauptschulunterricht  35

3.5  Das Tellurium  35

3.5.1  Definition  35

3.5.2  Klassifikation  35

3.5.3  Didaktischer Wert des Telluriums  35

3.5.4  Das Tellurium N  36

3.6  Unterrichtsbeispiele bis Klassenstufe 6  37

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3.6.1  Gestalt der Erde im Unterricht  37

3.6.2  Größenverhältnisse  42

3.7  Unterrichtsbeispiele bis Klassenstufe 9  42

3.7.1  Einführung in das Thema Entstehung der Jahreszeiten  43

3.7.2  Beispiele am Tellurium N  44

3.7.3  Klimazonen  48

3.7.4  Entstehung und Nutzung eines Energieträgers  49

3.7.5  Energie der Sonne im Physik- und Mathematikunterricht  52

4.  Schlusswort  53

5.  Quellen  55

5.1  Literaturquellen  55

5.2  Internetquellen  57

5.3  Sonstige Quellen/Multimediaquellen  58

6.  Abbildungs- und Tabellenverzeichnis  59

6.1  Abbildungen  59

6.2  Tabellen  60

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1. Vorwort

Warum gibt es Tag und Nacht? Was haben Eiszeiten mit der Bewegung der Erde zu tun und wie entstehen Jahreszeiten? Während das Tag-Und-Nacht-Phänomen und die abwechselnde Folge von Kalt- und Warmzeiten noch recht einfach zu erklären sind, muss man beim Thema Jahreszeiten doch etwas weiter ausholen. Deshalb wird jenes Schwerpunkt meiner wissenschaftlichen Arbeit sein.

Die Entstehung der Jahreszeiten im WZG-Unterricht ist, wie der Titel der Arbeit verrät, ein Fächer verbindendes Thema. Geographische, gesellschaftspolitische und geschichtliche Aspekte lassen sich hierbei im Fächerverbund Welt-Zeit-Gesellschaft der Hauptschule Baden-Württemberg sinnvoll integrieren. Aber nicht nur im WZG-Unterricht kann dieses Thema mit der Klasse erarbeitet werden. Die Disziplinen Astronomie, Mathematik und Physik machen hier sogar Fächer übergreifendes Lernen möglich.

Diese Möglichkeiten werden zunächst fachsystematisch analysiert und im späteren Teil der Arbeit didaktisch aufgearbeitet. Dabei kommt dem Tellurium N, einem Sonne-Erde-Mond-Modell, eine besondere Bedeutung zu.

Der besseren Lesbarkeit halber habe ich mich für die jeweils neutralen Formen Schüler und Lehrer, etc. der femininen und maskulinen Nomen Schülerin/Schüler, Lehrerin/Lehrer, etc. entschieden.

Wörtliche und gedankliche Zitate werden im Text direkt belegt (in Klammern) und beziehen sich jeweils auf den letzten Absatz. Ergänzungen zu Fachausdrücken sind zusätzlich mit Fußnoten versehen.

Jan Werner

Bruchsal, im Juli 2006

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2. Fachsystematische Analyse

2.1 Definition der astronomischen und klimatischen Jahreszeiten

Allgemein unterscheidet man astronomische und klimatische Jahreszeiten. Vier Zeitabschnitte kennzeichnen die astronomischen Jahreszeiten: Die beiden Sonnenwenden mit den weitesten Sonnenabständen vom Himmelsäquator ¹ und die zwei Tagundnachtgleichen. Durch die gleich bleibende Neigung der Erdachse beim Umlauf um die Sonne, verändert sich an einem ausgewählten Punkt auf der Erde der Tagbogen der Sonne, der durch die Sonnenhöhe und deren Bogenlänge definiert ist (LESER 2005, S. 398).

Die klimatischen Jahreszeiten außerhalb der Tropen 2 (Tab. 2.1) entstehen durch die unterschiedlich intensive Sonneneinstrahlung und die dadurch verbundenen Wärmeverhältnisse auf der Erde. Man spricht hier auch von thermischen Jahreszeiten. In Mitteleuropa gliedern sich die klimatischen Jahreszeiten in den Winter (von Dezember bis Februar), den Frühling (von März bis Mai), den Sommer (von Juni bis August) und den Herbst (von September bis November) (Tab. 2.1). Klimate, in denen die jahreszeitlichen Wärmeunterschiede gering sind, bezeichnet man als Tageszeitenklimate. Hier erfolgt eine Gliederung in hygrische Jahreszeiten 3 (LESER 2005, S. 398).

¹ Als Himmelsäquator wird die Schnittlinie der Erdäquatorebene mit einer gedachten Himmelskugel bezeichnet (LESER 2005, S. 349).

² Der Begriff Tropen kommt vom griechischen Wort tropé, das Wende bedeutet. Als Tropen bezeichnet man folglich die Zone, die zwischen dem nördlichen und südlichen Wendekreis (23,5° nördlicher und 23,5° südlicher Breite) liegt und etwa 40 Prozent der Erdoberfläche umfasst. Strahlungsklimatisch betrachtet steht die Sonne in diesem Bereich zweimal im Jahr im Zenit, genau auf den Wendekreisen nur einmal (MEYERS LEXIKONREDAKTION 1999, S. 98; MICROSOFT ENCARTA 2003).

³ „hygrische Jahreszeiten: die niederschlagsbedingten Jahreszeiten der tropischen Zonen mit einem zugleich weitgehend ausgeglichenen Jahresgang der Temperatur. [...] In der Regel erfolgt im Jahresverlauf ein einfacher oder doppelter Wechsel von Regen- und Trockenzeiten.“ (LESER 2005, S. 368)

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Einen Vergleich von Tageszeitenklimaten und Jahreszeitenklimaten veranschaulicht Tab. 2.1a.

2.2 Die Erde in Bewegung: Rotation, Revolution und Präzession

Von der Sonne aus gesehen ist die Erde der dritte Planet unseres Sonnensystems. Er dreht sich um die eigene Rotationsachse (Rotation) und bewegt sich zugleich in kreisähnlicher Ellipsenbahn um die Sonne (Revolution). Die Präzession ist eine kreiselartige Drehung der Erdachse um die Senkrechte auf der Erdbahnebene (LESER 2005, S. 196, 702).

2.2.1 Entstehung der Tages- und Jahreszeiten (Rotation und Revolution)

Während Tag und Nacht auf der Rotation beruhen, entstehen Jahreszeiten durch die Revolution und der sich dadurch ändernden Sonneneinstrahlung in den unterschiedlichen Regionen der Erde. Die Bahn, die die Erde um die Sonne beschreibt, auch Erdumlaufbahn genannt, liegt auf der Orbitalebene, einer imaginären Linie, die die Sonne schneidet. Die Erdumlaufbahn verändert ihre Form im Rhythmus von ca. 92.000 Jahren zwischen einer Ellipsen- und Kreisform (Exzentrizität, Abb. 2.2.2). Die Erdachse als Verbindungslinie zwischen den Polen steht in einem Neigungswinkel von derzeit 23°27’ zur Orbitalebene (Schiefe der Ekliptik). Dieser Neigungswinkel schwankt mit einer Periode von 41.000 Jahren zwischen 24°36’ und 21°58’.

Die Neigung ist im Zusammenhang mit der Revolution für die Entstehung der Jahreszeiten verantwortlich. Abb. 2.2.1 zeigt eine vereinfachte Darstellung der jahreszeitlichen Rhythmen. Eine regelmäßige Abfolge von Sonnenwenden (Solstitien 4 ) im Dezember und Juni sowie Tag-Und-Nacht-Gleichen (Äquinoktien 5 ) im März und September kennzeichnen den jahreszeitlichen Rhythmus. Am 21. und 22. Dezember steht die Sonne senkrecht über dem südlichen Wendekreis 6 . Der Bereich nördlich des nördlichen Polarkreises 7 und damit von 66,5° bis 90° Nord (N) erhält an diesen Tagen kein direktes Sonnenlicht. Fährt man nun mit dem Schema weiter fort, so kann man die jahreszeitlichen Veränderungen auf der Nordhalbkugel

⁴ Als Solstitium bezeichnet man den „Zeitpunkt des höchsten bez. tiefsten Mittagsstandes der Sonne über dem Horizont, der dem maximalen Winkelabstand von +23°27’ über dem Himmelsäquator entspricht (Senkrechtstehen der Sonne über dem nördlichen bez. südlichen Wendekreis). Im Solstitium wird auf den Halbkugeln der Erde die höchste bez. niedrigste Tageslänge erreicht.“ (LESER 2005, S. 851)

⁵ Äquinoktium ist der „Zeitpunkt, zu dem die Sonne senkrecht auf dem Äquator steht, sich also im Schnittpunkt zwischen Ekliptik und Himmelsäquator befindet. In diesem Fall sind Tag und Nacht für alle Orte der Erde gleich lang. [...] Die Äquinoktien sind wie die Sonnenwendepunkte Grenzen der astronomischen Jahreszeiten.“ (LESER 2005, S. 47)

⁶ „Wendekreis, Bezeichnung für die beiden um 23º27' nördlich und südlich vom Äquator entfernten Breitenkreise der Himmelssphäre, an denen die Sonne ihre scheinbare jährliche Bewegungsrichtung umkehrt. Der nördliche Wendekreis des Krebses wird um den 21./22. 6., der südliche Wendekreis des Steinbocks um den 21./22.12. erreicht. Auch die Breitenkreise 23º27' nördlicher (südlicher) geographischer Breite auf der Erdkugel, über denen die Sonne zu diesen Zeitpunkten im Zenit steht, heißen Wendekreise.“ (BIBLIOGRAPHISCHES INSTITUT 2005a)

⁷ „Polarkreise, die Breitenkreise in 66º33' nördlicher (nördlicher Polarkreis) und südlicher (südlicher Polarkreis) Breite. Die Polarkreise trennen (im mathematischen Sinn) die Polarzonen von den gemäßigten Zonen.“ (BIBLIOGRAPHISCHES INSTITUT 2005a)

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nachvollziehen. Entgegengesetzt kann man die Gesetzesmäßigkeiten auf die Südhalbkugel übertragen. Die Frühjahrsmonate der Nordhalbkugel bestimmen auf der Südhalbkugel den Herbst (BAUER 2002, S. 50; HAGGETT 2004, S. 84).

2.2.2 Kalt- und Warmzeiten (Präzession)

Die Präzession entsteht durch die Anziehungskräfte der Sonne und des Mondes. Eine ganze Umdrehung der Präzession dauert etwa 26.000 Jahre (LESER 2005, S. 370).

Als Verursacher von Klimaschwan-

kungen sowie Kalt- und Warmzeiten kommen mehrere Faktoren in Frage (Abb. 2.2.2). Neben der Exzentrizität und der Schiefe der Ekliptik (siehe Kapitel 2.2.1) führt die Kreiselbewegung (Präzession) zu veränderten Strahlungsbedingungen. Als Folge unterschiedlich intensiver Sonneneinstrahlung auf der Erde entstanden Kalt- und Warmzeiten im Pleistozän vor 1,5 Millionen (Mio.) Jahren bis vor 10.000 Jahren vor der Gegenwart. Zusammen mit dem Pleistozän bildet das jüngere Holozän den Abschnitt des Quartärs von 1,5 Mio. Jahren bis heute. (BAUER 2002, S. 51)

Tab. 2.2.2 zeigt die Temperaturschwankungen des Quartärs. Gut zu erkennen ist die Temperaturvariabilität im Pleistozän, in dem sich Kalt- und Warmzeiten durchschnittlich alle 13.000 Jahre ablösten. Auf eine Kaltzeit folgte aufgrund der astronomischen Einflüsse also immer eine Warmzeit. Die letzten beiden Kaltzeiten waren in Süddeutschland die Würm-Kaltzeit und in Norddeutschland die Weichsel-Kaltzeit.

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2.3 Gestalt und Größe der Erde

Mithilfe der Satellitengeodäsie 8 gibt es keine Geheimnisse mehr über die Beschaffenheit der Erdoberflächenform. Dabei ist das Geoid (Abb. 2.3) der am besten angepasste physikalisch definierte Körper und beschreibt die wahre Figur der Erde. Oft ist es ausreichend, etwa für die Erstellung von Landkarten, die Erde mit dem geometrischen Körper Ellipsoid, auch Rotationsellipsoid genannt, zu beschreiben. Das Rotationsellipsoid ist die mathematisch beste Annäherung an das Geoid. Die Abweichungen der Äquatorradien von Geoid und Ellipsoid betragen etwa 21.400 m, der relative Unterschied 1:298 (BAUER 1996, S. 15; CAILLEUX 1972, S. 17; LESER 2005, S. 281).

Die Wissenschaftler und Geophysiker KAUTZLEBEN und STILLER schreiben Mitte der 1980er Jahre über die Satellitengeodäsie:

„Aus der Reihendarstellung für das Schwerefeld [...] konnte eine Darstellung des Geoids mit einer Genauigkeit, die besser als 1 m ist, abgeleitet werden. [...] Verwendet man mehrere Satelliten, kann man ein Bezugssystem realisieren, das für geodätische Operationen auf der Erdoberfläche und für Navigationszwecke auf und in der näheren Umgebung der Erde verwendet werden kann [...].“ (LAUTERBACH 1985, S.191)

⁸ „Unter Satellitengeodäsie versteht man die Erdvermessung (Geodäsie) mittels Beobachtung künstlicher Satelliten.“ (http://de.wikipedia.org/wiki/Satellitengeod%C3%A4sie)

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Dass die Erde nicht die Form einer idealen Kugel hat, liegt zum einen an der ungleichen Massenverteilung innerhalb der Erde. Dies ist durch die nicht gleichmäßige Verteilung der Masse an Ozeanen, Gebirgen und Erzlagerstätten bedingt. Die Rotation führt zudem zu einer Abplattung der Pole und zur Ausbuchtung am Äqua-tor. Abb. 2.3a veranschaulicht diese physikalischen Erscheinungen (KÖHLER 1983, S. 10f.).

Neuere Forschungsergebnisse (auch Abb. 2.3b) präzisieren die aus der Satellitengeodäsie gewonnenen Erkenntnisse zum Geoid und Ellipsoid:

„Die Erde ist um den Äquator herum fülliger als entlang ihrer Längengrade. Seit den Eiszeiten [auch Kaltzeiten genannt, Anm. d. Autors] hatten sich die Proportionen zwar zugunsten

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höherer Breiten verschoben, doch seit 1998 strömen die Massen wieder äquatorwärts. Die "Potsdamer Kartoffel" ist nicht etwa leckere Beilage, vielmehr handelt es sich um das komplexe Modell der Gestalt der Erde, die eben keineswegs rund ist, sondern einer rotierenden Kartoffel gleicht. 1998 zeigten Forscher des GeoForschungsZentrums Potsdam damit, wie die Erdmassen infolge der Rotation und der ungleichmäßigen Verteilung der Kontinente und Massen im Erdinneren die Geoidgestalt unseres Planeten prägen.“ (SCHÜRING 2002)

Auch wenn jene geophysikalischen Gegebenheiten das Klima und damit die Verlängerung oder Verkürzung der klimatischen Jahreszeiten beeinflussen können, ist für die Entstehung der Jahreszeiten die Betrachtung der Erde als ideale Kugelform ausreichend. Tab. 2.3 zeigt die wichtigsten Daten der Erdkugel und beinhaltet ge-rundete Werte.

Die Oberfläche der Erde wird mit 361 Mio. km ² zu fast 71 % von Ozeanen und zu etwa 149 Mio. km ² und damit 29 % vom Festland eingenommen. Im Vergleich zur

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Ausdehnung der Erde sind die Höhenunterschiede daher gering. Abb. 2.3c zeigt dies anhand einer hypsographischen Kurve 9 (BAUER 1996, S. 15).

2.4 Astronomische und physikalische Betrachtungen

2.4.1 Unser Sonnensystem Die Erde umrundet die Sonne als

dritter Planet (Abb. 2.4.1) im Sonnensystem ¹⁰ . Aufgrund der elliptischen Umlaufbahn (Kapitel 2.2.1) kommt es zu Veränderungen des Erde-Sonne-Abstandes. Im Laufe eines Jahres sind dies rund 5 Mio. km. Man bezeichnet den mittleren Abstand zwischen

Erde und Sonne als Astronomische Einheit (AE), der 149 Mio. km beträgt (siehe auch Tab. 2.3). Der kürzeste Abstand wird mit dem Perihel Anfang Januar erreicht. Hier beträgt die Distanz zur Sonne nur 147 Mio. km. Anfang Juli hat die Sonne die größte Entfernung mit 152 Mio. km (Aphel). Abb. 2.4.1a verdeutlicht

⁹ Eine hypsographische Kurve, auch hypsometrische Kurve genannt, beschreibt die Besonderheiten der Höhengliederung der Erde. Sie ist eine graphische summarische Darstellung der Erdoberfläche, in der die prozentualen Anteile bestimmter Höhenlagen veranschaulicht werden (BAUER 1996, S. 15; LESER 2005, S. 370).

¹⁰ „Sonnensystem [...]: die Gesamtheit der Körper, welche dauernd den Anziehungskräften der Sonne und der sie umkreisenden Planeten unterworfen sind. Das S. umfasst 9 Planeten, 31 Monde [...]. Die Körper des S. bewegen sich nach den keplerschen Gesetzen in meist elliptischen Kreisbahnen um die Sonne, in der als Schwerpunkt des Systems der größte Teil der Masse konzentriert ist. Das S. selbst bewegt sich als Gesamtheit im Weltall.“ (LESER 2005, S. 856)

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