Astronavigation

Die Astronavigation bestimmt den Ort eines Schiffes aus der Höhe von Sonne, Mond und Sternen über dem Horizont. Die Breite ergibt sich aus dem Polarstern, den portugiesische Lotsen um 1460 mit dem Quadranten maßen, oder aus der Mittagssonne; für die Länge braucht man die Uhrzeit eines Bezugsmeridians, die ab den 1760er-Jahren Chronometer und Monddistanztafeln lieferten.

Was es ist

Außer Sichtweite der Küste halten Kompass und geschätzte Fahrt den Kurs, doch die Fehler summieren sich. Der Himmel liefert eine Kontrolle, denn die Höhe eines Sterns oder der Sonne über dem Horizont hängt davon ab, wo man steht.

Die Breite, also der Abstand nördlich oder südlich des Äquators, kam zuerst: Die Lotsen des Indischen Ozeans lasen sie mit Fingern oder dem Kamal am Polarstern ab, und Europäer brachten im 15. Jahrhundert Quadranten und Astrolabien auf See. Die Länge hängt von der Zeit ab und blieb bis ins 18. Jahrhundert ein schweres Problem. Die Tafel zeigt einen Sextanten und ein Schiffschronometer aus dieser späteren Zeit.

Wie es funktioniert

Der Polarstern steht dicht an dem Himmelspunkt über der Erdachse. Am Nordpol steht er fast im Zenit, am Äquator fast auf dem Horizont. Dazwischen entspricht seine Höhe ungefähr der Breite. Zur Zeit des Kolumbus lag er 3,5° neben dem Pol, und die Lotsen mussten ihre Messung berichtigen; heute ist der Abstand kleiner als ein Grad.

Südlich des Äquators nimmt man die Sonne zur wahren Mittagszeit, wenn sie am höchsten steht. Ihr Winkel zum Himmelsäquator, die Deklination, schwankt im Lauf des Jahres zwischen etwa 23,4° N und 23,4° S und lässt sich im Voraus berechnen. Steht die Mittagssonne im Süden, ist die Breite gleich 90° minus Sonnenhöhe plus Deklination, wobei Süd negativ zählt. Steht sie im Norden, wie immer südlich der Wendekreise, ist die Breite gleich Deklination minus (90° minus Höhe).

Das Seeastrolabium wurde schwer und durchbrochen gegossen, damit der Wind es nicht ins Pendeln brachte.

Am frühen Quadranten hängt ein Lot vor einer Skala, während man den Stern entlang einer Kante anpeilt. Das Seeastrolabium hängt an einem Ring; für die Sonne dreht der Navigator die Alhidade, bis ein Lichtstrahl durch das obere Loch auf das untere fällt. Beide pendeln auf einem rollenden Deck, und Fehler von mehreren Grad waren üblich.

Oktant und Sextant messen dagegen von der Kimm aus. Das Sonnenlicht trifft den Indexspiegel auf dem beweglichen Arm, wird zum Horizontspiegel geworfen und von dort ins Fernrohr. Eine Hälfte des Horizontspiegels ist durchsichtig, man sieht die Kimm also direkt neben der gespiegelten Sonne. Mit eingeschwenkten Blendgläsern schwenkt der Navigator den Arm, bis der Unterrand der Sonne die Kimm berührt, und liest den Bogen ab. Tafeln berichtigen dann Augeshöhe, Refraktion und den halben Sonnendurchmesser von etwa 16′. Die doppelte Spiegelung verdoppelt den Winkel, deshalb misst ein Bogen von einem Sechstelkreis bis 120°.

Für die Länge gilt: Die Erde dreht sich um 15° pro Stunde. Geht die Sonne durch den Ortsmeridian, während eine auf Greenwich gestellte Uhr 15 Uhr zeigt, steht das Schiff etwa 45° westlich von Greenwich; hinzu kommt die Zeitgleichung, die Abweichung der wahren von der mittleren Sonnenzeit um bis zu 16 Minuten. Schwierig war eine Uhr, die auf See genau bleibt. Die andere Methode, die Monddistanz, vergleicht den gemessenen Winkel zwischen Mond und einem hellen Stern mit gedruckten Tafeln und gewinnt daraus die Bezugszeit.

Zwischen zwei Beobachtungen wird die Koppelnavigation aus Kompass, Log und Uhr auf der Karte geführt; jeder astronomische Standort berichtigt sie.

Wie man vorgeht

Ein Quadrant aus Karton bestimmt die Breite auf ein bis zwei Grad genau, also auf 100 bis 200 km.

Durch den Halm peilen und ablesen, wo der Faden die Skala kreuzt.

Den Quadranten bauen. Aus festem Karton einen Viertelkreis mit etwa 15 cm Radius schneiden. Mit dem Winkelmesser den Bogen von 0 an der einen geraden Kante bis 90 an der anderen einteilen. Einen Trinkhalm an der Kante mit der 90 festkleben. An der Ecke einen Faden mit einer Schraubenmutter aufhängen. Der Faden zeigt dann den Winkel des Halms über der Waagerechten.

Den Polarstern messen. In einer klaren Nacht auf der Nordhalbkugel die Verbindungslinie der beiden hinteren Kastensterne des Großen Wagens um etwa das Fünffache ihres Abstands verlängern, dort steht der Polarstern. Ihn durch den Halm anpeilen, den Faden zur Ruhe kommen lassen und ablesen. Der Mittelwert aus fünf Messungen ergibt die ungefähre Breite.

Oder die Mittagssonne über den Schatten messen. Nie die Sonne anpeilen. Einen geraden Stab auf ebenem Boden aufstellen und mit dem Lot prüfen, dass er senkrecht steht. Um die Mittagszeit alle fünf Minuten die Schattenspitze markieren: Der kürzeste Schatten zeigt den wahren Mittag, der selten auf 12 Uhr nach der Uhr fällt. Die Sonnenhöhe ist der Winkel, dessen Tangens Stabhöhe durch Schattenlänge ist; man kann das Dreieck auch maßstäblich zeichnen und den Winkel mit dem Winkelmesser abnehmen.

Nach dem Datum berichtigen. Die Deklination der Sonne für den Tag in einem Jahrbuch nachschlagen, nördlich positiv. Nördlich der Wendekreise gilt: Breite = 90° − Höhe + Deklination. Am 11. April beträgt die Deklination etwa +8°. Wirft ein 100 cm hoher Stab einen kürzesten Schatten von 77 cm, ist die Höhe etwa 52,4° und die Breite 90 − 52,4 + 8 = 45,6° N, nahe an Lyon mit 45,8°. Danach mit einer Karte vergleichen.

Sicherheit. Nie in die Sonne sehen, weder mit bloßem Auge noch durch einen Halm, ein Rohr, ein Fernglas oder eine Visiereinrichtung, auch nicht kurz; Sonnenbrillen schützen nicht, und der Schaden ist bleibend. Nachts zu zweit gehen, eine Lampe mitnehmen und Abstand halten von Klippenrändern, Kais, Ufern und offenem Wasser.

Geschichte und Entwicklung

Die Seefahrer des Pazifiks fuhren ohne Instrumente. Sie steuerten nach den Auf- und Untergangspunkten der Sterne und schätzten die Breite an der Höhe des Kreuzes des Südens. 1976 führte Mau Piailug so das Kanu Hōkūleʻa von Hawaiʻi nach Tahiti.

Der Kamal: Jeder Knoten stand für die Höhe des Polarsterns in einem bekannten Hafen.

Beim Kamal der Lotsen des Indischen Ozeans hielt man einen Knoten zwischen den Zähnen und damit ein kleines Brett im festen Abstand, dessen Kanten von der Kimm bis zum Stern reichten. Ahmad ibn Madschid aus Oman schrieb dieses Wissen 1490 nieder.

Diogo Gomes berichtet, er habe auf einer Fahrt nach Guinea um 1460 den Polarstern mit dem Quadranten gemessen; seine Daten sind unsicher. Nach der Überquerung des Äquators in den 1470er-Jahren hielten sich die Portugiesen an die Mittagssonne, das Astrolabium und die Deklinationstafeln von Abraham Zacuto, 1496 in Leiria gedruckt. Es folgten der Jakobsstab und um 1594 der Davis-Quadrant. John Hadley stellte seinen Oktanten 1731 der Royal Society vor. John Harrisons Uhr H4 wurde 1761 auf See erprobt; Nevil Maskelynes Nautical Almanac, 1766 für das Jahr 1767 erschienen, brachte Monddistanztafeln. Regelmäßige Funkzeitsignale gab es ab 1904, und GPS war 1995 voll einsatzfähig.