Alljährlich kehren sie in mittleren Breiten wieder: die Jahreszeiten Frühling, Sommer, Herbst und Winter. Dieser Jahreszyklus ist ein Hinweis darauf, dass Jahreszeiten etwas mit dem Lauf der Erde um die Sonne zu tun haben müssen – nach 365 Tagen oder einem Jahr hat die Erde die Sonne umrundet und der Zyklus beginnt von neuem. Aber warum wird es (in mittleren Breiten) in diesem zyklischen Wechsel mal kälter und mal wärmer? Das hat in der Tat kosmische Gründe, wie wir sehen werden.

Der Tagbogen

Einen weiteren Hinweis liefert uns der scheinbare Lauf der Sonne am Firmament. Der aufmerksame Beobachter wird über den Jahreszyklus zwei Dinge feststellen: Zum einen geht die Sonne jeden Tag an einer geringfügig verschobenen Position auf und unter – das fällt besonders nach einigen Wochen auf, wenn man sich z.B. einen speziellen Bezugspunkt in der Landschaft gemerkt hat. Zum anderen variiert die Höhe unseres Tagesgestirns über dem Horizont nicht nur innerhalb eines Tages, sondern auch von Tag zu Tag, Woche zu Woche, Monat zu Monat – das merkt man besonders, wenn man die Länge der Schatten an verschiedenen Tagen vergleicht.
Die scheinbare Bahn der Sonne am Himmel nennt man den Tagbogen. Der Tagbogen ist besonders lang im Sommer und kurz im Winter. Die Sonne erreicht einen größeren Abstand zum Horizont im Sommer und bewegt sich nahe am Horizont im Winter. Die unterschiedlichen Längen des Tagbogens sind auch der Grund dafür, weshalb es im Sommer länger hell ist, als im Winter.

Der Sonnenstand

Eine Konsequenz des variierenden Tagbogens ist, dass die Sonnenstrahlen im Sommer mehr Zeit haben, um die (Sommerhalbkugel der) Erde zu beleuchten, und die Strahlen treffen außerdem unter Winkeln auf die Erdoberfläche, die senkrecht oder nahezu senkrecht sind. Daher erwärmt sich die Erdoberfläche viel mehr im Sommer (auf der betreffenden Hemisphäre). Im Winter wird (auf der entsprechenden Winterhalbkugel) die Erdoberfläche kürzer beleuchtet und die Strahlen treffen auch flacher auf, so dass sie kaum von der Oberfläche absorbiert werden.

Ursache der scheinbaren Sonnenbahn

Als Erdenbewohner sehen wird die Sonne in Bewegung – jemand, der sich auf der Sonnen befände, wurde hingegen die Erde in Bewegung sehen: die Erde kreist um die Sonne – tatsächlich kreisen beide um den gemeinsamen Schwerpunkt, doch liegt dieser viel näher bei der Sonne, weil sie mehr als 300000mal schwerer ist als die Erde (eigentlich ist sogar der Schwerpunkt des Sonnensystems entscheidend, doch liegt auch dieser noch innerhalb der Sonnenoberfläche, weil die Sonnenmasse im Sonnensystem dominiert).

Ursache der Jahreszeiten

Das alles erklärt noch nicht die Ursache der Jahreszeiten. Die Erde bewegt sich in einer Bahnebene um die Sonne, die Ekliptik genannt wird. Auch die anderen Planeten kreisen mehr oder weniger in dieser Ebene (warum das so ist, wird ebenfalls unter dem Eintrag Ekliptik erklärt). Nun weist die Erde bei ihrer Bewegung eine Besonderheit auf: Sie rotiert an einem Tag um sich selbst, und diese Drehachse steht nicht senkrecht auf der Bahnebene, sondern ist geneigt. Der Himmeläquator, die Projektion des Erdäquators an die Himmelskugel, ist um 23 Grad und 27 Minuten gegenüber der Ekliptik geneigt. Das nennt man in der Himmelmechanik die Schiefe der Ekliptik.
Die Neigung hat entscheidende Konsequenzen für die Beleuchtung der Erde bei ihrem Lauf um die Sonne. Wie die Illustration oben zeigt, treffen die nahezu parallelen Sonnenstrahlen mal die Südhalbkugel und mal die Nordhalbkugel mehr oder weniger senkrecht. Dort, wo das geschieht ist Sommer, während auf der gegenüberliegenden Halbkugel (bei den Antipoden) Winter ist. Die Sonnenstrahlen treffen übrigens deshalb nahezu parallel ein, weil die Sonne so weit entfernt ist, nämlich eine Astronomische Einheit (~ 150 Mio. Kilometer).