Refraktion und Kimmtiefe: Warum die Sonne früher aufgeht, als sie sollte

Atmosphärische Refraktion: Licht auf gekrümmtem Weg

Licht wird abgelenkt, wenn es von einem Medium in ein dichteres übergeht. Die Erdatmosphäre wird nach unten hin immer dichter, und so folgt Licht aus dem All keinem geraden Weg, sondern einer leicht gekrümmten Bahn zum Boden. Dein Auge verlängert den letzten Abschnitt geradlinig – und sieht das Objekt deshalb höher, als es tatsächlich steht.

Der Effekt hängt stark von der Höhe ab:

Im Zenit verschwindet die Refraktion, am Horizont wird sie sehr groß – und ändert sich dort auf wenigen Grad schnell. Darum wirkt die auf- oder untergehende Sonne abgeflacht: Ihr unterer Rand wird stärker angehoben als der obere.

Die Werte gelten für eine Standardatmosphäre mit etwa 10 °C und 1.010 hPa. Bei Kälte und hohem Luftdruck ist die Refraktion etwas größer, bei Wärme und niedrigem Druck kleiner. Ungewöhnliche Temperaturschichtungen, etwa über kaltem Wasser, können sie stark verändern; dann entstehen Luftspiegelungen und verformte Sonnenscheiben.

Was das für Sonnenaufgang und -untergang bedeutet

Als Sonnenaufgang gilt der Moment, in dem der obere Sonnenrand den Horizont berührt. Die Sonne hat einen Radius von rund 16′. Zusammen mit den 34′ Refraktion steht der Mittelpunkt der Sonne beim offiziellen Aufgang also etwa 50′ unter dem geometrischen Horizont. Ohne Atmosphäre würde die Sonne erst merklich später aufgehen und früher untergehen. In mittleren Breiten verlängert die Refraktion den Tag damit um mehrere Minuten, in hohen Breiten, wo die Sonne flach aufsteigt, noch deutlich mehr.

Auch für Sterne und Planeten gilt: Sie werden über den Horizont gehoben, bevor sie geometrisch aufgehen. Beim Mond kommen weitere Einflüsse hinzu, weil er nah genug ist, dass auch die Parallaxe zählt.

Kimmtiefe: Wenn dein Horizont tiefer liegt

Der Begriff Kimm stammt aus der Seefahrt und bezeichnet die sichtbare Grenze zwischen Meer und Himmel. Stehst du auf Meereshöhe, liegt diese Linie praktisch auf dem mathematischen Horizont. Stehst du höher – auf einem Berg, einem Turm oder einem Schiffsdeck – blickst du über die Erdkrümmung hinweg, und die Kimm sinkt unter die waagrechte Linie. Dieser Winkel heißt **Kimmtiefe**.

Die Kimmtiefe wächst mit deiner Höhe, aber nicht im gleichen Maß: Die ersten Meter bringen viel, jeder weitere Meter etwas weniger. Auch hier spielt die Refraktion mit, denn das Licht vom fernen Horizont läuft flach durch die dichte bodennahe Luft und wird dabei leicht angehoben – die Kimm erscheint dadurch etwas höher, als die reine Geometrie erwarten ließe.

Zur Einordnung der Größenordnungen:

• Auf einem Deich wenige Meter über dem Meer beträgt die Kimmtiefe nur einige Bogenminuten.
• Auf einem Aussichtsturm von 100 m Höhe liegt dein Horizont um mehr als einen halben Sonnendurchmesser tiefer.
• Von einem Gipfel, der weit über einer flachen Ebene aufragt, sinkt die Kimm um mehr als ein Grad. Die Sonne geht für dich früher auf und später unter als für jemanden am Fuß des Turms. Je nach Breite und Jahreszeit sind das schon bei 100 m eine bis mehrere Minuten.

Wichtig: Die Kimmtiefe setzt voraus, dass du über eine freie, tiefer liegende Fläche bis zum Horizont blickst, etwa über das Meer oder eine weite Ebene. In einem Tal oder vor einer Bergkette ist dein tatsächlicher Horizont höher als der mathematische, und Aufgänge verspäten sich.

Wenn Sekunden zählen

Für die meisten Beobachtungen reichen Standardwerte. Wer aber Sonnenaufgänge fotografisch plant, eine Sternbedeckung zeitlich genau erfassen oder von einem Berggipfel aus beobachten will, merkt: Refraktion und Kimmtiefe verschieben Zeiten in einer Größenordnung, die man nicht ignorieren kann. Eine präzise Berechnung muss deshalb Refraktion, Sonnenradius und Beobachterhöhe zusammen betrachten.