Wir Meteorologen haben bereits vor drei Wochen am 1. September den Herbst eingeläutet und weichen daher von der Definition des kalendarischen Beginns ab. Demnach beginnen für uns die Jahreszeiten immer am ersten Tag jenes Monats, in den der kalendarische Termin fällt. Dadurch dauern die Jahreszeiten immer drei komplette Monate, wodurch eine statistische Vergleichbarkeit von klimatologischen Daten (z.B. Monatsmittel, Monatssummen u.a.) gewährleistet wird.
Am morgigen Dienstag, den 22. September 2020, startet um 15:30 Uhr mitteleuropäischer Sommerzeit (MESZ) auch aus astronomischer bzw. kalendarischer Sicht auf der gesamten Nordhalbkugel der Herbst (auf der Südhalbkugel hingegen der Frühling). Die beiden Tage im Jahr, auf die die Tag-und-Nacht-Gleiche fällt, werden als Äquinoktien (von lat. aequus - gleich und nox - Nacht) bezeichnet. Sie markieren den Herbst- bzw. den Frühlingsbeginn. Am Tag des Äquinoktiums dauern somit lichter Tag und die Nacht überall auf der Erde zumindest theoretisch gleich lang an.
Doch wie kommt es überhaupt zur Existenz von Jahreszeiten? Unsere Erde dreht sich wie ein Kreisel durch den Weltraum. Die Rotationsachse dieser Kreiselbewegung wird als Erdachse bezeichnet. Gleichzeitig reist unser Planet um die Sonne. Ein Sonnenjahr ist dabei die Zeitspanne, in der die Erde die Sonne einmal komplett umkreist. Stellt man sich den Bereich innerhalb der Umlaufbahn als flache Scheibe vor, ergibt sich daraus die Ekliptikebene. Die Erdachse ist dabei um etwa 23,4° zur Ekliptik geneigt. Diese Neigung stellt eine entscheidende Rolle für die Existenz der Jahreszeiten auf unserem Planeten dar und hat direkte Auswirkungen auf die Variation der Sonneneinstrahlung sowie auf die Tageslänge innerhalb eines Jahres. (Stünde die Erdachse im rechten Winkel zur Bahnebene, gäbe es auf der Erde keine Jahreszeiten.)
Während der Tag-und-Nacht-Gleiche schneiden sich nun die Ekliptik der Sonne (ihre scheinbare Umlaufbahn um die Erde) und der Himmelsäquator (Schnittlinie der Ebene des Erdäquators mit der gedachten Himmelskugel). Im Herbstäquinoktium steigt dabei die Sonne über den Himmelsäquator ab (bzw. überquert von Norden nach Süden den Äquator). Umgekehrt steigt die Sonne im Frühlingsäquinoktium über dem Himmelsäquator (von Süden nach Norden) auf. Zu den Äquinoktien steht die Sonne dabei mittags senkrecht über dem Äquator und geht an diesen Tagen überall auf der Erde (ausgenommen unmittelbar an den Polen) fast genau im Osten auf bzw. im Westen unter.
Die theoretische Tag-und-Nacht-Gleiche gilt, weil in der sphärischen Astronomie Himmelsobjekte vereinfacht betrachtet werden und die Ausdehnung der Sonnenscheibe ebenso wie Einflüsse der Atmosphäre unberücksichtigt bleiben. Während der Äquinoktien wird der geometrische Mittelpunkt der Sonnenscheibe betrachtet, der an diesen Tagen etwa 12 Stunden oberhalb des Horizontes steht. Da allerdings die ersten und letzten Sonnenstrahlen eines Tages vom oberen Rand der Sonnenscheibe ausgehen (und nicht von deren Mittelpunkt), dauert der Tag also etwas länger als 12 Stunden. Auch die Brechung des Sonnenlichts durch die Erdatmosphäre verlängert den Tag. Durch dieses Phänomen kann der obere Rand der Sonne sichtbar sein, auch wenn er sich knapp unterhalb des Horizonts befindet. Aufgrund dieser Gegebenheiten dauern der lichte Tag und die Nacht zum Herbstanfang (ebenso zum Frühlingsanfang) eben nicht exakt gleich lang an. Stattdessen ist die Nacht um elf Minuten kürzer. Der Kalendertag, an dem tatsächlich zwölf Stunden lichter Tag und zwölf Stunden Nacht herrschen, wird Equilux genannt. Dieser liegt für den 50. Breitengrad (geografische Breite von Mainz) um den 25. September und ist somit um ein paar Tage in Richtung Wintersonnenwende verschoben.
Zu keiner Zeit des Jahres verändern sich die Tageslängen so schnell wie um die Äquinoktien im Herbst und im Frühling. Zum Herbstbeginn nimmt die Tageslänge besonders rasch ab und dieser Effekt ist umso stärker, je weiter nördlich ein Ort liegt. So verkürzen sich zum Beispiel um die Tag-und Nacht-Gleiche in Oberstdorf die Tage um 3 Minuten und 23 Sekunden, während in Flensburg zu dieser Jahreszeit jeden Tag ganze 4 Minuten und 24 Sekunden weniger Tageslicht zur Verfügung stehen. Doch warum werden die Tage nach der Sommersonnenwende erst langsam kürzer, dann um das Herbstäquinoktium schneller, und dann bis zur Wintersonnenwende wieder langsamer? Dieses Muster ist analog zu einer Pendelbewegung. Ein Pendel ist am oberen und unteren Wendepunkt langsam, während seine Bewegung genau in der Mitte zwischen diesen beiden Punkten am schnellsten ist. Mathematisch gesehen entspricht dieses Muster einer Sinuskurve. Während also bei der Sommer- und Wintersonnenwende die Tage in unseren Breiten die Tageslängen nur um jeweils 1 Minute pro Tag ändern, werden die Nächte Ende September (bzw. die Tage Ende März) jeweils knapp 4 Minuten länger.
