Das Sonnensystem
Auf der Sternwarte oder im Planetarium siehst du das Sonnensystem als kleines Modell. Aber wie ist es wirklich aufgebaut, was hält alles zusammen, und wie groß sind die Abstände tatsächlich? Das klären wir in diesem Abschnitt der Physik Schritt für Schritt.
Die Sonne als Stern
Die Sonne ist rund 4,6 Milliarden Jahre alt und strahlt Licht und Wärme ab. Im leeren Weltall gibt es keinen Sauerstoff, also kann dort nichts „verbrennen“. Woher kommt die Energie?
Auch die Sonne ist nur ein Stern unter sehr vielen. Sie gehört zur Galaxie Milchstraße, die aus Hunderten Milliarden Sternen besteht. Eine Galaxie ist eine riesige Ansammlung von Sternen, Gas und Staub. Die Kernfusion in Sternen nennen wir hier nur; genauer behandelst du sie in Klasse 10.
Ordnung nach Größe: Planet, Stern, Galaxie. Das Schwarze Loch gehört nicht in diese Reihe, denn es wird nicht durch seine Größe, sondern durch seine Masse und Gravitation beschrieben. Ein Schwarzes Loch kann von der Masse eines Sterns bis zu Millionen Sonnenmassen reichen und sitzt vermutlich im Zentrum vieler Galaxien.
Zähle die Bestandteile des Sonnensystems auf und erkläre in einem Satz, was jede Art von Himmelskörper ist.
Zähle die Bestandteile des Sonnensystems auf und erkläre in einem Satz, was jede Art von Himmelskörper ist.
Gesteinsplaneten und Gasplaneten
Die Erde hat eine Dichte von etwa $5{,}5\ \tfrac{\text{g}}{\text{cm}^3}$, Saturn nur etwa $0{,}7\ \tfrac{\text{g}}{\text{cm}^3}$. Er würde im Wasser schwimmen. Warum unterscheiden sich die inneren und die äußeren Planeten so stark?
Merke dir die Reihenfolge von der Sonne aus: Merkur, Venus, Erde, Mars, Jupiter, Saturn, Uranus, Neptun. Der Merksatz „Mein Vater erklärt mir jeden Sonntag unseren Nachthimmel“ hilft dabei.
Das Schema zeigt das Sonnensystem in qualitativer Darstellung (Bahnen und Größen sind nicht realistisch). Nenne die mit den Zahlen 1 bis 8 markierten Planeten, vom…
Das Schema zeigt das Sonnensystem in qualitativer Darstellung (Bahnen und Größen sind nicht realistisch). Nenne die mit den Zahlen 1 bis 8 markierten Planeten, vom sonnennächsten zum sonnenfernsten.
Erkläre den Unterschied zwischen einem Gesteinsplaneten und einem Gasplaneten und ordne die acht Planeten des Sonnensystems einer dieser beiden Gruppen zu.
Erkläre den Unterschied zwischen einem Gesteinsplaneten und einem Gasplaneten und ordne die acht Planeten des Sonnensystems einer dieser beiden Gruppen zu.
Zwergplaneten und Kleinkörper
Lange galt Pluto als neunter Planet. Dann entdeckte man jenseits von Neptun viele ähnliche Eisobjekte. Wo zieht man die Grenze zwischen Planet und Kleinkörper?
-
Der Asteroidengürtel liegt zwischen Mars- und Jupiterbahn und enthält felsige Brocken.
-
Der Kuipergürtel liegt jenseits der Neptunbahn und enthält viele Eisobjekte, darunter Pluto.
2006 wurde Pluto zum Zwergplaneten erklärt. Erkläre, welches Kriterium der Planetendefinition er nicht erfüllt, und nenne einen weiteren Zwergplaneten des Sonnensystems.
2006 wurde Pluto zum Zwergplaneten erklärt. Erkläre, welches Kriterium der Planetendefinition er nicht erfüllt, und nenne einen weiteren Zwergplaneten des Sonnensystems.
Was sind der Asteroidengürtel und der Kuipergürtel? Gib an, wo sich jeder befindet und welche Art von Körpern er enthält.
Was sind der Asteroidengürtel und der Kuipergürtel? Gib an, wo sich jeder befindet und welche Art von Körpern er enthält.
Gravitation und Weltbilder
Was hält die Planeten auf ihren Bahnen um die Sonne? Und wie kam man darauf, dass die Sonne und nicht die Erde im Mittelpunkt steht?
Aus Klasse 7 kennst du die Gewichtskraft $F_G = m \cdot g$ mit $g = 9{,}81\,\tfrac{\text{N}}{\text{kg}}$. Sie ist die Gravitationskraft, mit der die Erde einen Körper anzieht. Die Sonne hat die größte Masse im Sonnensystem. Ihre Anziehung zwingt die Planeten auf Bahnen um sie herum.
Die Menschen haben das Weltall unterschiedlich gedeutet:
| Weltbild | Vertreter | Aussage |
|---|---|---|
| geozentrisch | Ptolemäus (ca. 150 n. Chr.) | Die Erde ruht im Mittelpunkt, alles andere kreist um sie. |
| heliozentrisch | Kopernikus (1543) | Die Sonne ruht im Mittelpunkt, die Erde ist ein Planet. |
| Stützung durch Beobachtung | Kepler, Galilei (ab ca. 1609) | Planetenbahnen, Jupitermonde und Venusphasen sprechen für das heliozentrische Bild. |
Das neue Weltbild setzte sich nur langsam durch. Es widersprach der damaligen Weltsicht und der Autorität der Kirche, und Galilei geriet deshalb in einen Konflikt mit ihr. Zwei Dinge lernen wir daraus: Eine Theorie muss sich an Beobachtungen messen lassen. Und neue Erkenntnisse können gesellschaftliche Gewissheiten erschüttern.
Lebensfreundliche Erde
Unter den acht Planeten ist nur auf der Erde Leben bekannt. Was macht sie besonders?
Weitere Eigenschaften der Erde: eine Atmosphäre, die die Wärme hält und vor Strahlung schützt, ein Magnetfeld sowie ausreichende Masse, um die Atmosphäre zu halten.
Die Erde ist bisher der einzige Planet, auf dem Leben bekannt ist. Erkläre drei Eigenschaften der Erde, die sie lebensfreundlich machen, etwa ihren Abstand zur Sonne,…
Die Erde ist bisher der einzige Planet, auf dem Leben bekannt ist. Erkläre drei Eigenschaften der Erde, die sie lebensfreundlich machen, etwa ihren Abstand zur Sonne, das Vorhandensein von flüssigem Wasser oder ihre Atmosphäre.
Ein Weltraumteleskop hat drei felsige Exoplaneten entdeckt, die einen Roten Zwerg umkreisen, der kühler und kleiner ist als die Sonne und dessen habitable Zone zwischen…
Ein Weltraumteleskop hat drei felsige Exoplaneten entdeckt, die einen Roten Zwerg umkreisen, der kühler und kleiner ist als die Sonne und dessen habitable Zone zwischen $0,15\ \text{AE}$ und $0,30\ \text{AE}$ liegt:
• Planet A: Abstand zum Stern: $0,06\ \text{AE}$. Masse: $1,1$ Erdmassen. Dichte Atmosphäre, reich an Wasserdampf.
• Planet B: Abstand zum Stern: $0,22\ \text{AE}$. Masse: $0,9$ Erdmassen. Nachweisbares Magnetfeld und Atmosphäre mit $N_2$, $CO_2$ und Wasserdampf.
• Planet C: Abstand zum Stern: $0,25\ \text{AE}$. Masse: $0,02$ Erdmassen (ähnlich dem Mond). Keine nennenswerte Atmosphäre.
- a) Analysiere begründet, welcher von ihnen der geeignete Kandidat für flüssiges Wasser und Leben ist, und begründe, warum du die beiden anderen ausschließt.
- b) Erkläre, warum es eine notwendige, aber nicht hinreichende Bedingung für die Bewohnbarkeit eines Planeten ist, sich innerhalb der „habitablen Zone“ zu befinden.
Entfernungen und Maßstäbe
Im Schulbuch sehen die Planeten dicht beieinander aus. Wie groß sind die Abstände wirklich?
Licht legt $300\,000\,\tfrac{\text{km}}{\text{s}}$ zurück. Aus Strecke und Geschwindigkeit erhältst du die Laufzeit: $t = \dfrac{s}{v}$. Von der Sonne zur Erde braucht das Licht so $\dfrac{150\,000\,000\,\text{km}}{300\,000\,\text{km/s}} = 500\,\text{s}$, also etwa 8 Minuten.
Messen kann man Entfernungen im All nur indirekt. Ein Beispiel ist die Parallaxe: Halte den Daumen ausgestreckt vor dich und schau abwechselnd mit dem linken und dem rechten Auge. Der Daumen „springt“ vor dem Hintergrund. Je weiter der Gegenstand weg ist, desto kleiner ist der Sprung. Astronomen nutzen dies bei nahen Sternen.
Du sollst im Flur deiner Schule, der $50\ \text{m}$ lang ist, ein maßstabsgetreues Modell des Sonnensystems entwerfen. Du beschließt, die Sonne durch einen Basketball…
Du sollst im Flur deiner Schule, der $50\ \text{m}$ lang ist, ein maßstabsgetreues Modell des Sonnensystems entwerfen. Du beschließt, die Sonne durch einen Basketball mit $24\ \text{cm}$ Durchmesser darzustellen (der tatsächliche Durchmesser der Sonne beträgt ungefähr $1\,390\,000\ \text{km}$).
- a) Berechne bei demselben Maßstab, welchen Durchmesser die Erde haben müsste (tatsächlicher Durchmesser: $12\,742\ \text{km}$), und vergleiche ihn mit einem kleinen Alltagsgegenstand (etwa einem Stecknadelkopf oder einem Sandkorn).
- b) Die mittlere Entfernung Erde–Sonne beträgt $1,5 \times 10^8\ \text{km}$ und die Entfernung des Neptun von der Sonne etwa $4,5 \times 10^9\ \text{km}$. Berechne, in welchem Abstand vom Ball du beide Planeten platzieren müsstest.
- c) Begründe anhand der Ergebnisse, ob das vollständige Modell in den Flur passt, wenn gleichzeitig der Maßstab für die Größen und der für die Entfernungen eingehalten wird, und erläutere, warum Darstellungen des Sonnensystems in Schulbüchern oft in die Irre führen.
Eine Raumsonde erkundet den Neptun in $30\ \text{UA}$ Entfernung von der Sonne ($1\ \text{UA} = 150\ \text{Millionen km}$). In einem Moment, in dem Erde und Neptun von…
Eine Raumsonde erkundet den Neptun in $30\ \text{UA}$ Entfernung von der Sonne ($1\ \text{UA} = 150\ \text{Millionen km}$). In einem Moment, in dem Erde und Neptun von der Sonne aus gesehen auf derselben Seite ausgerichtet sind (Mindestabstand von $29\ \text{UA}$), erkennt die Sonde einen Gesteinsbrocken auf Kollisionskurs, der sie in $6\ \text{Stunden}$ treffen wird.
- a) Berechne die Mindestzeit (in Stunden), die ein Alarmsignal von der Sonde zur Erde und der Korrekturbefehl zurück zum Neptun bräuchte, wenn sich Funksignale mit $300\,000\ \text{km/s}$ ausbreiten.
- b) Sage auf Grundlage deiner Rechnung voraus, ob die Sonde überleben würde, wenn sie auf einen Befehl der Bodenkontrolle angewiesen wäre, und begründe, warum Raumfahrzeuge im äußeren Sonnensystem mit autonomen Echtzeit-Navigationssystemen arbeiten müssen.
Zurück zum Anfang: Das Sonnensystem besteht aus der Sonne mit ihrer riesigen Masse, acht Planeten, Zwergplaneten und Kleinkörpern. Es ist vor allem leer, und die Abstände sind viel größer, als es Schulbuchbilder zeigen.