Zeit messen ohne Netz: Sonnenuhr, Mondphasen, Kalender

Warum die Uhr nicht die Sonne zeigt

Unsere Uhren zeigen nicht die Zeit der Sonne am eigenen Ort, sondern eine vereinbarte Zonenzeit. Nach Angaben der PTB gilt in Deutschland die Mitteleuropäische Zeit (MEZ) beziehungsweise im Sommer die Mitteleuropäische Sommerzeit (MESZ). Sie führt eine Regel von 1893 fort: Maßgeblich ist die mittlere Sonnenzeit am 15. Grad östlicher Länge. Dieser Längengrad liegt nahe an der östlichsten Grenze Deutschlands.

Die Erde dreht sich in einer Stunde um 15 Grad, also in 4 Minuten um 1 Grad. Die Physikdidaktik der Universität Freiburg leitet daraus ab: Je Grad Abstand zum 15. Längengrad verschiebt sich der Mittag um 4 Minuten. Freiburg liegt bei 7,85 Grad östlicher Länge, gut 7 Grad weiter westlich – dort steht die Sonne rund 28,6 Minuten später am höchsten als am Bezugsmeridian. Im Sommer, mit der zusätzlichen Stunde der Sommerzeit, erreicht sie ihren Höchststand in Freiburg erst gegen 13:30 Uhr.

Für dich heißt das: Je weiter westlich du wohnst, desto später ist dein wahrer Mittag auf der Uhr. Deinen Längengrad findest du am Rand topografischer Karten. Schreib ihn und die daraus berechnete Verschiebung auf, solange du noch Netz hast.

Den Mittag finden mit einem Schattenstab

Der verlässlichste Zeitpunkt des Tages ist der wahre Mittag. Dann steht die Sonne genau im Süden und hat ihren höchsten Stand erreicht, so beschreibt es die Universität Freiburg. Ein senkrechter Stab wirft in diesem Moment den kürzesten Schatten des Tages, und dieser Schatten zeigt nach Norden.

Du brauchst dafür nur einen geraden Stab, eine ebene Fläche und etwas zum Markieren. Das Problem ist die Ablesung: Um den Höchststand herum ändert sich die Schattenlänge nur sehr langsam, der kürzeste Punkt lässt sich schwer auf die Minute treffen. Zuverlässiger ist es, am Vormittag und am Nachmittag je einen Punkt gleicher Schattenlänge zu markieren und die Mitte zwischen beiden Zeitpunkten zu nehmen.

• Stab möglichst senkrecht in ebenen Boden stecken, mit einem Lot aus Schnur und Stein prüfen.
• Vormittags die Schattenspitze markieren und mit dem Stab als Mittelpunkt einen Kreis durch sie ziehen.
• Nachmittags den Zeitpunkt notieren, an dem die Schattenspitze den Kreis wieder berührt.
• Die Mitte zwischen beiden Zeitpunkten ist dein wahrer Mittag, die Linie vom Stab zur Mitte der beiden Marken zeigt nach Norden.
• Richte nach diesem Zeitpunkt eine laufende Uhr, statt auf die Sonne selbst zu schauen.

Die Zeitgleichung: mal vor, mal nach

Selbst am richtigen Längengrad fällt der wahre Mittag nicht jeden Tag auf dieselbe Uhrzeit. Die Erde läuft auf einer Ellipse um die Sonne, und ihre Achse ist geneigt. Die Universität Freiburg erklärt, dass die wahren Sonnentage deshalb nicht gleich lang sind; die Unterschiede summieren sich zeitweise auf mehr als eine Viertelstunde. Diese Abweichung zwischen Sonnenzeit und gleichmäßiger Uhrzeit heißt Zeitgleichung.

Die Universität Göttingen definiert sie als wahre Sonnenzeit minus mittlere Sonnenzeit und nennt vier Extremwerte. Ist der Wert negativ, geht die Sonnenuhr gegenüber der Uhr nach, ist er positiv, geht sie vor. Mitte Februar steht die Sonne also etwa 14 Minuten später im Süden, als die Uhr erwarten lässt, Anfang November etwa 16 Minuten früher.

Mit Längengrad und Zeitgleichung rechnest du den wahren Mittag in Uhrzeit um. Ein Beispiel für Freiburg am 12. Februar: Die Sonnenuhr zeigt 12 Uhr. Weil sie etwa 14 Minuten nachgeht, ist es gleichmäßig gerechnet 12:14 Uhr. Dazu kommen die 28,6 Minuten für die Lage westlich des 15. Längengrads – die Uhr sollte also etwa 12:43 Uhr MEZ zeigen, in der Sommerzeit eine Stunde mehr.

Eine einfache Sonnenuhr bauen

Wer nicht nur den Mittag, sondern auch die Stunden dazwischen ablesen will, baut eine Sonnenuhr. Die einfachste Form ist nach LEIFIphysik die Äquatorialsonnenuhr: Ihr Zifferblatt liegt parallel zur Ebene des Äquators und ist gleichmäßig geteilt, jede Stunde entspricht 15 Grad. Der Schattenstab steht senkrecht auf dem Zifferblatt und zeigt genau zum Himmelsnordpol.

Praktisch heißt das: Ein Brett mit einem Kreis, in 24 gleiche Teile zu je 15 Grad geteilt, und ein Stab durch die Mitte. Den Stab richtest du nach Norden aus und neigst ihn zum Himmelsnordpol; wie du den über den Polarstern findest, steht im Artikel „Navigation ohne GPS“. Die 12-Uhr-Linie legst du auf den Schatten zum wahren Mittag, den du mit dem Schattenstab bestimmt hast.

Eine sorgfältig gebaute Sonnenuhr zeigt nach LEIFIphysik die wahre Ortszeit auf die Minute genau an. Ein Brett im Garten wird das kaum schaffen, und Wolken setzen jeder Sonnenuhr eine Grenze. Zeitzone und Zeitgleichung musst du wie beim Schattenstab selbst hinzurechnen.

Der Mond als Monatskalender

Der Mond leuchtet nicht selbst, er wirft Sonnenlicht zurück. Je nachdem, wo er auf seiner Bahn um die Erde steht, sehen wir einen größeren oder kleineren beleuchteten Teil. LEIFIphysik nennt als Zyklus Neumond, zunehmenden Halbmond, Vollmond und abnehmenden Halbmond. Von einem Neumond zum nächsten vergehen im Mittel 29,53 Tage, die PTB gibt diesen synodischen Monat mit 29,5306 Tagen an.

Ob der Mond zu- oder abnimmt, verrät eine Eselsbrücke: Ergänzt du die Sichel zu einem geschriebenen „a“, nimmt er ab, wird daraus ein „z“, nimmt er zu. LEIFIphysik weist darauf hin, dass diese Regel nur auf der Nordhalbkugel gilt. Einen zweiten Hinweis gibt die Tageszeit: Den zunehmenden Halbmond siehst du etwa von 12 bis 24 Uhr, den abnehmenden etwa von 24 bis 12 Uhr.

Als Kalender taugt der Mond nur grob. Mondmonate passen nicht glatt ins Jahr; rechnerisch sind zwölf von ihnen rund elf Tage kürzer als ein Sonnenjahr. Nützlich ist er als Gegenprobe: Hast du dich beim Zählen der Tage vertan, fällt das spätestens beim nächsten Vollmond auf, wenn er nicht dort steht, wo du ihn erwartest.

Jahreszeiten lesen und den Kalender weiterführen

Auch das Jahr lässt sich am Schatten ablesen. Im Winter steht die Sonne selbst mittags tief und der Schatten ist lang, im Sommer steht sie hoch und der Schatten ist kurz. Markierst du jeden Tag die Spitze des Mittagsschattens, wächst die Linie bis zur Wintersonnenwende um den 21. Dezember und schrumpft bis zum längsten Tag am 21. Juni. An den Umkehrpunkten kannst du einen verlorenen Kalender neu verankern.

Die Tageslänge schwankt dabei stark: In Freiburg liegen am 21. Dezember nach Angaben der Universität Freiburg 8 Stunden und 22 Minuten zwischen Sonnenaufgang und Sonnenuntergang, am 21. Juni gut 16 Stunden. Der früheste Sonnenuntergang liegt dort aber schon um den 11. Dezember, der späteste Sonnenaufgang um den 2. Januar – auch das ist eine Folge der Zeitgleichung.

Den Kalender selbst führst du mit einer Strichliste weiter, täglich zur selben Gelegenheit. Für die Schaltjahre gilt die gregorianische Regel, die die PTB beschreibt: Alle vier Jahre gibt es einen 29. Februar, Jahrhundertjahre sind aber keine Schaltjahre, es sei denn, ihre Jahreszahl ist durch 400 teilbar. So fallen 36.524,25 Tage in ein Jahrhundert, nah am tatsächlichen Sonnenjahr von 365,2422 Tagen.

• Jeden Tag einen Strich, jede Woche einen Querstrich – an einem festen Ort, nicht auf losem Papier.
• Die Sommerzeit gilt nach der PTB vom letzten Sonntag im März bis zum letzten Sonntag im Oktober.
• Neumond, Vollmond und Sonnenwenden neben der Strichliste vermerken, damit sich Fehler finden lassen.

Die mechanische Uhr als Rückfall

Sonne und Schatten liefern nur am hellen Tag und nur bei klarem Himmel. Zwischen den Beobachtungen braucht es eine Uhr, die ohne Netz weiterläuft: eine Armbanduhr mit Handaufzug oder Automatikwerk, ein Wecker zum Aufziehen, eine mechanische Pendeluhr. Sie brauchen keine Batterie, nur jemanden, der sie regelmäßig aufzieht.

Jede Uhr geht mit der Zeit falsch. Stell sie an einem klaren Tag nach dem wahren Mittag, rechne Zeitgleichung und Längengrad ein und notiere, wie viele Minuten sie bis zur nächsten Beobachtung abweicht. So kennst du ihren Gang und kannst ihn beim Ablesen berücksichtigen, auch wenn wochenlang keine Sonne scheint.

Wissen, das ohne Nachschub trägt

Satelliten, Funkuhren und Mobilfunk liefern die Zeit heute auf die Sekunde. Fallen sie dauerhaft weg, bleibt, was Menschen jahrhundertelang genutzt haben: Sonne, Mond und eine gezählte Folge von Tagen. Dafür braucht es keine Ersatzteile, nur Beobachtung und Aufzeichnung. Deshalb gehört das Thema in diese Reihe über Wissen, das auch ohne Nachschub trägt.

Die Genauigkeit ist ehrlich gesagt begrenzt. Ohne Korrektur liegt eine Sonnenuhr übers Jahr bis zu einer Viertelstunde daneben, und ein Mondkalender treibt gegen das Sonnenjahr. Für Tagesablauf, Aussaat, Verabredungen und Schichtwechsel reicht das aber aus.

Am meisten trägt die gemeinsame Aufzeichnung. Ein Kalender, den mehrere führen und gegeneinander prüfen, verliert keinen Tag. Und wer einmal mit einem Stab den Mittag bestimmt hat, kann es jedem anderen in einer Viertelstunde zeigen.