Folge 147: Positionsbestimmung und die Frage nach der Uhrzeit

Folge 147: Positionsbestimmung und die Frage nach der Uhrzeit.

In dieser Folge der Sternengeschichten geht es um eine fundamentale Frage: Wo bin ich? Aus astronomischer Sicht ist diese Frage eng mit einer anderen verwandt: Wie spät ist es?

Es geht heute um die Frage der Positionsbestimmung. Heute geht das ja ganz einfach. Jedes moderne Handy hat einen GPS-Empfänger eingebaut und mit der richtigen App findet man seine Position überall auf der Erde in wenigen Sekunden. Und selbst wenn man kein Smartphone dabei hat, kann man immer noch auf eine ganz normale Landkarte zurück greifen und dort seinen Standort zumindest näherungsweise bestimmen.

Aber so einfach war es nicht immer. Landkarten die eine exakte Darstellung der geografischen Realität bieten, kann man nicht einfach so zeichnen. Man muss dazu die Erde vermessen; muss genau wissen, wie weit es von einem Ort zum anderen ist; wie hoch oder tief ein Punkt über dem Meeresspiegel liegt, und so weiter. Und vor allem muss man ein entsprechendes Referenzsystem haben!

Das findet man nicht auf der Erde, sondern am Himmel und damit ist auch klar, was die Astronomie mit der Positionsbestimmung zu hat. Um einen Punkt auf der Oberfläche der Erde anzugeben, braucht man zwei Koordinaten. Man muss zuerst einmal wissen, wie nördlich oder südlich man sich vom Äquator befindet. Das ist die geografische Breite und sie ist vergleichsweise einfach herauszufinden. Der Äquator ist keine künstlich festgelegte Linie sondern uns von der Natur und der Form der Erde vorgeben.

Um die Breite herauszufinden, kann man zum Beispiel auf der Nordhalbkugel einfach den Polarstern beobachten. Die Achse, um die sich die Erde dreht, zeigt fast genau in Richtung dieses Sterns. Würde man sich am Nordpol befinden, dann stünde der Polarstern exakt über einem. Gemessen vom Horizont aus sieht man ihn also unter einem Winkel von 90 Grad. Bewegt man sich vom Nordpol nach Süden, dann ändert sich auch die Richtung, unter der man auf den Polarstern blickt. Befindet man sich genau am Äquator, dann sieht man den Polarstern – zumindest theoretisch – direkt am Horizont, also unter einem Winkel von 0 Grad. Die Höhe des Polarsterns über dem Horizont entspricht immer direkt der geografischen Breite auf der Nordhalbkugel.

Natürlich geht das ganze auch mit anderen Sternen und auch mit der Sonne selbst. Je nachdem, wie man sich vom Pol bzw. dem Äquator entfernt befindet, steigen die Sterne und die Sonne mehr oder weniger weit über den Horizont und man kann aus der Beobachtung dieser Höhe die geografische Breite bestimmen.

Bei der geografischen Länge ist die Sache komplizierter. Da geht es darum, herauszufinden wie man sich östlich oder westlich von – ja, wovon eigentlich befindet? Im Gegensatz zum Äquator hat uns die Natur hier keine spezielle Grenze vorgegeben. Jede Linie, die man von Nord- zum Südpol zieht kann als Ausgangspunkt einer Messung der geografischen Länge dienen. Wir verwenden heute die Linie, die vom Nordpol durch den Londoner Vorort Greenwich bis zum Südpol führt und nennen sie den “Nullmeridian”. Und die geografische Länge sagt uns, wie weit östlich oder westlich man sich von diesem Nullmeridian befindet.

Im Prinzip könnte man aber auch jede beliebige andere Linie als Nullmeridian definieren. Dass aber gerade diejenige zur absoluten Referenz geworden ist, die durch Greenwich führt hat einen Grund und der hat mit Astronomie und der Uhrzeit zu tun.

Die Frage nach der geografischen Länge ist im wesentlichen eine Frage nach der Uhrzeit. Stellen wir uns vor, dort wo wir uns befinden, geht die Sonne gerade unter. Wir befinden uns also genau auf der Grenze zwischen Tag und Nacht. Die Erde hat sich im Verlauf eines Tages so weit gedreht, dass die Sonne unseren Standort nicht mehr beleuchtet und es finster wird. Ein Stückchen weiter im Westen ist es aber noch hell!

Unser Planet dreht sich entlang seiner Achse von Westen nach Osten. Im Osten liegt also quasi unsere Zukunft, zumindest wenn es um die Zeit geht. Wenn es an unserem Standort gerade dunkel wird, dann müssen Beobachter weiter westlich noch ein bisschen warten, bis sie von der Rotation der Erde ebenfalls in die Dunkelheit hinein gedreht werden. Andererseits ist es dann gegen Morgen weiter östlich schon hell, während wir noch abwarten müssen, bis wir ebenfalls aus der Nacht in den Tag hinein rotiert worden sind.

Was das alles mit der Position zu tun hat, sieht man leicht: Denn was für die Nacht gilt, gilt natürlich auch für die Sonne. Wenn sie an unserem Standort mittags ihre größte Höhe über dem Horizont erreicht hat, dauert es weiter westlich noch ein bisschen, bis dort ebenfalls Mittag ist und weiter im Osten ist der Mittag vorbei und der Höchststand der Sonne wurde erreicht. Wenn wir uns nun darauf einigen, dass es überall immer genau dann 12 Uhr Mittags ist, wenn die Sonne am höchsten steht, kann man aus der Uhrzeit direkt die geografische Länge ableiten.

Denn die Erde braucht 24 Stunden für eine Drehung um ihre Achse. Ein kompletter Kreis rund um die Erde herum hat 360 Grad. 360 geteilt durch 24 ist 15. Eine Entfernung von 15 Grad in östlicher/westlicher Richtung entlang der Erdoberfläche entspricht also einem Unterschied in der Zeit von einer Stunde. Oder anders gesagt: Wenn ich weiß, dass es an meinem Standort gerade 12 Uhr Mittags ist, an einem anderen Ort aber schon 13 Uhr, also eine Stunde seit dem Mittag vergangen ist, dann folgt daraus, dass ich mich 15 Grad weiter östlich befinde.

Man muss also nur die Uhrzeit am eigenen Standort kennen, und die Uhrzeit an einem Referenzpunkt und schon kann man daraus die geografische Länge bestimmen. Mit “Uhrzeit” ist aber nicht unsere alltägliche Uhrzeit gemeint. Die ist ja mittlerweile genormt und innerhalb einer Zeitzone identisch. Wenn es in Wien 12 Uhr Mittags ist, dann ist es auch in Berlin 12 Uhr Mittags und in Zürich ebenso, auch wenn Wien weiter östlich als Berlin liegt und beide Städte weiter östlich als Zürich. Und weder in Wien, noch in Berlin oder in Zürich wird die Sonne um 12 Uhr mittags ihren höchsten Punkt erreicht haben. Bevor man im Jahr 1884 die unterschiedlichen Zeitzonen festgelegt und eingeführt hat, war das anders, da hatte jeder Ort seine eigene Uhrzeit. Die Uhren in Wien, Berlin und Zürich zeigten damals tatsächlich unterschiedliche Zeiten an, die ihren unterschiedlichen geografischen Längen entsprochen haben.

Die Bestimmung der lokalen Uhrzeit, der sogenannten Sonnenzeit war jahrhundertelang eine der wichtigsten Aufgaben der Astronomie. Und die Sternwarten, deren geografische Position darum natürlich besonders exakt bekannt war, wurden zur Grundlage und zum Ausgangspunkt vieler Landvermessungen aus denen im Laufe der Zeit immer genauere Landkarten entstanden.

Landkarten… Aber die Erde besteht ja nicht nur aus Land. Der Großteil ihrer Oberfläche ist vom Ozean bedeckt. Und wenn man mit dem Schiff über das Meer fährt, will man das ja auch nicht völlig ziellos tun. Auch hier ist die Bestimmung der Position wichtig. Aber da es auf dem offenen Meer eher wenige Sternwarten gibt, ist die Sache mit der Bestimmung von geografischer Breite und Länge ein bisschen schwieriger. Aber zumindest die Uhrzeit kann man auf einem Schiff doch sicher leicht bestimmen, oder?

Nein – leider nicht. Zumindest früher, und vor ein paar hundert Jahren war das eines der großen Probleme, die Wissenschaftler überall auf der Welt zu lösen versuchten. Es klingt nicht so, als wäre das sonderlich schwierig, aber man musste erst lernen, wie das Universum funktioniert, einige fundamentale Naturgesetze entdecken und im Prinzip die Grundlagen der modernen Naturwissenschaft erschaffen, um überhaupt damit beginnen zu können, nach einer Lösung zu suchen. Und selbst war es noch langer und mühseliger Weg, gepflastert mit jahrzehntelangen astronomischen Beobachtungen, mit unzähligen mathematischen Berechnungen und jeder Menge Streit und Kontroverse. Aber diese Geschichte erzähle ich in der nächsten Folge der Sternengeschichten…