Breitengrad und Sonnenstand: von der Mitternachtssonne bis zur Polarnacht

Je weiter man nach Norden oder Süden reist, desto stärker verändert sich der Lauf der Sonne. Am Äquator ist der Tag das ganze Jahr gleich lang, an den Polen wechseln sich monatelanger Tag und monatelange Nacht ab. Dieser Text erklärt, wie der Breitengrad den Sonnenstand prägt, was die Polarkreise bedeuten und warum es Mitternachtssonne und Polarnacht überhaupt gibt.

Der Breitengrad bestimmt den Sonnenbogen

Der Breitengrad gibt an, wie weit ein Ort vom Äquator entfernt ist, gemessen in Grad von null am Äquator bis neunzig an den Polen. Diese Zahl entscheidet darüber, wie hoch die Sonne maximal steigen kann und wie stark sich die Tageslänge über das Jahr ändert. Am Äquator steht die Sonne mittags fast senkrecht über dem Kopf, und Tag und Nacht sind das ganze Jahr über ungefähr gleich lang, jeweils zwölf Stunden. Es gibt dort kaum einen Unterschied zwischen Sommer und Winter, jedenfalls nicht in der Tageslänge.

Je weiter man sich von Äquator entfernt, desto flacher steht die Sonne und desto größer wird der Unterschied zwischen den Jahreszeiten. In Deutschland, das etwa zwischen siebenundvierzig und fünfundfünfzig Grad nördlicher Breite liegt, ist dieser Unterschied schon deutlich, lange Sommertage und kurze Wintertage. Noch weiter nördlich, in Skandinavien, wird er extrem. Der Grund ist immer derselbe, die Neigung der Erdachse, die sich je nach Breitengrad unterschiedlich stark auswirkt.

Die Polarkreise als Schwelle

Bei rund 66,56 Grad Breite liegen die Polarkreise, im Norden der nördliche, im Süden der südliche. Der Wert ergibt sich aus der Achsneigung der Erde von derzeit rund 23,44 Grad, denn neunzig minus 23,44 ergibt 66,56. Weil sich die Achsneigung langsam ändert, wandert auch der Polarkreis, um etwa 14 Meter pro Jahr nach Norden. Geometrisch, also ohne Atmosphäre gerechnet, ist der Polarkreis die Grenze, ab der die Sonne zur Sommersonnenwende nicht mehr untergeht und zur Wintersonnenwende nicht mehr aufgeht.

In der Praxis verschiebt die Lichtbrechung in der Atmosphäre diese Grenzen. Weil die Sonne am Horizont um gut ein halbes Grad angehoben erscheint und der Sonnenaufgang über den oberen Sonnenrand zählt, bleibt die Sonne zur Sommersonnenwende schon ab etwa 65,7 Grad Nord die ganze Nacht über dem Horizont, also knapp südlich des Polarkreises. Die Polarnacht dagegen beginnt erst nördlich von etwa 67,4 Grad. Genau am Polarkreis geht die Sonne zur Wintersonnenwende deshalb noch kurz auf, für gut zwei Stunden um die Mittagszeit. Reist man weiter nach Norden, dehnt sich die Phase der Mitternachtssonne im Sommer und der Polarnacht im Winter auf immer mehr Tage aus, bis am Pol selbst ein halbes Jahr Tag und ein halbes Jahr Nacht herrscht.

Breitengrad	Ort (Beispiel)	Tageslänge im Sommer	Besonderheit
0°	Äquator (Quito)	rund 12 Stunden	ganzjährig gleich lang
52,5°	Berlin	rund 16 Stunden 50 Minuten	deutliche Jahreszeiten
60°	Oslo, Helsinki	knapp 19 Stunden	helle Sommernächte
66,56°	Polarkreis	24 Stunden zur Sonnenwende	Mitternachtssonne (wegen der Lichtbrechung schon ab etwa 65,7°)
90°	Nordpol	ein halbes Jahr Tag	extremster Fall

Die Mitternachtssonne

Die Mitternachtssonne ist eines der eindrucksvollsten Naturschauspiele der hohen Breiten. Nördlich des Polarkreises bleibt die Sonne im Hochsommer rund um die Uhr über dem Horizont. Sie zieht ihren Bogen über den Tag, sinkt am Abend tief Richtung Norden, berührt dort fast den Horizont und steigt dann wieder, ohne unterzugehen. Um Mitternacht steht sie also tatsächlich am Himmel, wenn auch tief im Norden. Je näher am Pol, desto höher bleibt sie auch nachts.

Für Menschen aus mittleren Breiten ist das gewöhnungsbedürftig. Es wird schlicht nicht dunkel, oft über Wochen. Das hat praktische Folgen, von der Schwierigkeit einzuschlafen bis zur Notwendigkeit, Fenster gut zu verdunkeln. Touristisch ist die Mitternachtssonne ein großer Anziehungspunkt, etwa im Norden Norwegens, Schwedens und Finnlands. Der Sonnenstand-Rechner zeigt für solche Orte korrekt an, dass es während dieser Phase keinen Sonnenuntergang gibt, statt eine sinnlose Uhrzeit auszugeben.

Die Polarnacht

Das Gegenstück ist die Polarnacht. Im Winter bleibt die Sonne nördlich des Polarkreises über Tage oder Wochen ganz unter dem Horizont. Das bedeutet aber nicht völlige Dunkelheit. Auch wenn die Sonne nicht aufgeht, gibt es um die Mittagszeit oft eine ausgedehnte Dämmerung, in der der Himmel im Süden in gedämpften Farben leuchtet. Erst sehr weit im Norden, nahe dem Pol, wird es über längere Zeit wirklich finster.

Die Polarnacht prägt das Leben in den nördlichen Regionen stark. Die Menschen dort haben über Generationen Wege gefunden, mit der langen Dunkelheit umzugehen. Auch hier zeigt der Rechner für betroffene Orte und Daten korrekt an, dass kein Sonnenaufgang stattfindet. Diese Sonderfälle korrekt zu behandeln, ist technisch anspruchsvoller, als es klingt, denn eine einfache Formel würde hier eine Zeit ausrechnen, die es gar nicht gibt. Ein sauberer Algorithmus erkennt, dass die Sonne den nötigen Höhenwinkel an diesem Tag nie erreicht, und meldet stattdessen die Polarnacht.

Warum die Sonne im Norden flach steht

Ein oft missverstandener Punkt ist, dass die Sonne in hohen Breiten auch im Hochsommer nie so hoch steigt wie in den Tropen. In Berlin erreicht die Sonne zur Sommersonnenwende mittags eine Höhe von rund einundsechzig Grad, mehr wird es dort nicht, und selbst im Allgäu sind es nur rund 66 Grad. Am Äquator steht sie zweimal im Jahr senkrecht im Zenit. Dieser Unterschied erklärt, warum das Licht im Norden auch im Sommer eine andere Qualität hat, flacher, weicher, mit längeren Schatten. Die langen Sommertage gleichen die geringere Mittagshöhe in der Gesamtenergie teilweise aus, aber das Licht selbst bleibt schräger.

Dieser flache Einfall ist auch der Grund, warum die goldene Stunde in hohen Breiten so lang dauert. Wenn die Sonne ohnehin nur flach über den Horizont kommt, bleibt sie lange in dem niedrigen Höhenbereich, der das warme Licht erzeugt. Fotografen schätzen die nordischen Sommer deshalb besonders, das gute Licht zieht sich über Stunden statt über Minuten.

Wie sich die Auf- und Untergangsrichtung mit der Breite ändert

Nicht nur die Tageslänge hängt vom Breitengrad ab, sondern auch die Richtung, in der die Sonne auf- und untergeht. Am Äquator geht die Sonne im Jahresmittel im Osten auf, der Aufgangspunkt pendelt aber mit den Jahreszeiten um gut 23 Grad nach Norden und Süden, zwischen etwa 67 und 113 Grad Azimut. In mittleren Breiten wandert er über das Jahr noch deutlich weiter: in Berlin von etwa 48 Grad (Nordosten) im Juni bis etwa 129 Grad (Südosten) im Dezember. Je weiter man nach Norden kommt, desto größer wird diese Wanderung des Auf- und Untergangspunkts entlang des Horizonts.

In hohen Breiten kann die Sonne im Sommer fast den gesamten nördlichen Horizont umrunden. Wer in Nordnorwegen die Mitternachtssonne beobachtet, sieht die Sonne nicht im Westen verschwinden und im Osten wieder auftauchen, sondern einen flachen Kreis über den Nordhimmel ziehen. Diese ungewohnte Bewegung macht den Reiz der hohen Breiten aus und ist gleichzeitig der Grund, warum einfache Faustregeln über die Himmelsrichtung dort nicht mehr greifen. Der Rechner gibt dafür keine Himmelsrichtung aus, sondern die Zeiten, und meldet, wenn die Sonne an einem Tag gar nicht auf- oder untergeht.

Deutschland im internationalen Vergleich

Weltweit betrachtet liegt Deutschland in einem moderaten Bereich. Die Jahreszeiten sind deutlich spürbar, aber die Extreme der Polargebiete bleiben fern. Der Unterschied zwischen dem längsten und dem kürzesten Tag beträgt in Deutschland je nach Breite rund siebeneinhalb Stunden am Bodensee bis gut zehn Stunden auf Sylt. In Rom, weiter südlich, ist der Unterschied kleiner, in Stockholm, weiter nördlich, deutlich größer. Wer schon einmal im Hochsommer in Skandinavien war oder im Winter dort, kennt den Sprung: Plötzlich wird es entweder kaum dunkel oder kaum hell, ein Erlebnis, das in Deutschland in abgeschwächter Form vor allem der Norden bietet.

Innerhalb Deutschlands sind die Unterschiede zwischen Nord und Süd zwar messbar, aber moderat. Zwischen Flensburg ganz im Norden und Konstanz ganz im Süden liegen gut sieben Breitengrade, was sich vor allem an den langen Sommertagen zeigt: In Flensburg dauert der längste Tag rund 17 Stunden 19 Minuten, in Konstanz knapp 16 Stunden, also gut eine Stunde weniger. Im Winter kehrt sich das um, dann hat Konstanz mit knapp 8 Stunden 25 Minuten rund 70 Minuten mehr Tag als Flensburg. Wer die genauen Werte für seine Stadt sehen will, findet sie auf den Stadtseiten dieses Rechners, die für jede Stadt die Tageslängen zu den vier Eckpunkten des Jahres ausweisen.

Was das für den Rechner bedeutet

Für die allermeisten bewohnten Orte der Erde liefert der Sonnenstand-Rechner schlicht zwei Uhrzeiten, Aufgang und Untergang. In den extremen Breiten jedoch zeigt sich, ob ein Rechner sauber gebaut ist. Er muss erkennen, wann es keinen Sonnenaufgang gibt, sei es wegen Mitternachtssonne oder Polarnacht, und das auch so benennen, statt eine falsche Zeit auszugeben. Dieser Rechner berücksichtigt die Polarfälle korrekt. Für deutsche, österreichische und schweizerische Städte spielt das im Alltag keine Rolle, sie liegen alle weit südlich des Polarkreises. Wer wissen will, wie der Sonnenlauf an einem Ort wie Tromsø oder am Nordkap aussieht, gibt dessen Koordinaten ein und wählt die passende Zeitzone. Der Rechner meldet dann auch, wenn die Sonne dort an einem Tag gar nicht auf- oder untergeht. In so hohen Breiten läuft die Sonne sehr flach am Horizont entlang, dort können die berechneten Zeiten auch mehr als eine Minute von den tatsächlichen abweichen.