Geodätische Astronomie

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1 Albert Schödlbauer Geodätische Astronomie Grundlagen und Konzepte W DE G Walter de Gruyter Berlin New York 2000

2 Inhalt 1 Zielsetzung der Geodätischen Astronomie, Grundbegriffe Hauptaufgabe Anwendungsbereiche Überblick Obsolete Aufgabenstellungen Ablösung von Verfahren der Geodätischen Astronomie durch Satellitenverfahren und durch die Langbasis-Interferometrie Anwendungsbereiche, in denen die Geodätische Astronomie Bedeutung gewonnen hat Die Gaußsche Richtungskugel (Himmelskugel) Grundformeln der Sphärischen Trigonometrie Sammlung trigonometrischer Formeln Interpolationsalgorithmen 35 2 Die Bewegungen der Erde und der Gestirne sowie andere Effekte, die die scheinbaren Örter der Gestirne bestimmen Einführung Aufbau des Universums Die Drehung der Erde um ihre Achse, Nutation der Rotationsachse Einführung Grundbegriffe der Mechanik Erdmodelle und ihre Dreheigenschaften Reale Polbewegung Ausrichtung und Winkelgeschwindigkeit der Erde Umlauf der Erde um die Sonne Die Keplerschen Gesetze Isaak Newtons Gravitationsgesetz und das Zwei-Körper-Problem Das n-körperproblem Präzession und astronomische Nutation Einführung Solare Präzession und Nutation Lunisolarpräzession und lunisolare Nutation Planetarische Präzession und Nutation, Allgemeine Präzession Die Eigenbewegungen der Fixsterne Die Rotation der Galaxis Pekuliarbewegung der Sonne und der Fixsterne, Lokales Ruhesystem Die Eigenbewegungen der Sterne im System eines Fundamentalkatalogs Aberration und Dopplereffekt Aberration des Lichtes Dopplerverschiebung elektromagnetischer Wellen Relativistische Lichtablenkung durch schwere Massen 101

3 X Inhalt 2.9 Parallaxen Prinzip der parallaktischen Entfernungsmessung Sonnenparallaxe, Planetenparallaxen Fixsternparallaxen Astronomische Einheiten, Naturkonstanten Astronomische Einheiten der Länge, der Zeit und der Masse Ausbreitungsgeschwindigkeit elektromagnetischer Wellen IAU(1976)-System der Astronomischen Konstanten Refraktion Der Brechungskoeffizient der Luft für Lichtwellen Der Brechungskoeffizient der Luft für Mikrowellen Strahlenbrechung und Strahlenkrümmung Aufbau der Erdatmosphäre, Gasgesetze, Troposphären- und Ionosphärenmodelle Bezugssysteme und Bezugsrahmen Einführung, Cardansche und Eulersche Drehung Cartesische Koordinaten und Polarkoordinaten Räumliche Drehungen Grundlegende Bezugssysteme Vorbemerkung Allgemeines erdfestes Beobachtungssystem Allgemeines erdfestes Horizontsystem Greenwich-Äquatorsystem Frühlingspunkt-Äquatorsystem Frühlingspunkt-Ekliptiksystem Inertialsysteme, Quasi-Inertialsystem Koordinatentransformationen Allgemeines Allgemeines Beobachtungssystem +-* Allgemeines Horizontsystem Allgemeines Horizontsystem <-> Nordorientiertes Horizontsystem Nordorientiertes Horizontsystem <-» Greenwich-Äquatorsystem Greenwich - Äquatorsystem <-* Frühlingspunkt - Äquatorsystem Frühlingspunkt-Äquatorsystem <- Frühlingspunkt-Ekliptiksystem Transformation kinematischer Vorgänge Allgemeines Transformation veränderlicher Vektoren zwischen einem Inertialsystem und einem (rotierendem) erdfesten Bezugssystem Zälestische und terrestrische Bezugsrahmen Allgemeines Der Zälestische Ephemeridenpol Inertialsystem, Zälestische Bezugssysteme und Bezugsrahmen Terrestrischer Bezugsrahmen 198

4 Inhalt XI 4 Die scheinbaren Örter der Gestirne als Funktionen ihrer tatsächlichen Bewegungen und aufgrund anderer physikalischer Einflüsse, Reduktionen der Sternkoordinaten Einführung Drehung der Erde um ihre eigene Achse Die scheinbare Bewegung der Fixsterne als Folge der Erddrehung Tägliche Aberration Umlauf der Erde um die Sonne Die scheinbare Bewegung der Sonne Jährliche Aberration Jährliche Parallaxe Präzession und astronomische Nutation Lunisolarpräzession Planetarische Präzession Allgemeine Präzession Änderung der Sternkoordinaten als Folge der Allgemeinen Präzession Astronomische Nutation (Nutation) Änderung der Sternkoordinaten unter dem Einfluß der Nutation Korrekturen des IAU( 1980)-Nutationsmodells mit Hilfe von Erdorientierungsparametern Eigenbewegung der Fixsterne Polbewegung Zusammenfassung der Grundlagen Tagesperiodische Polbewegung (Oppolzer-Nutation) Auswirkung der Polbewegung auf die Lotrichtung und auf Azimute Atmosphärische Refraktion Allgemeines Strahlenbrechung Laufzeitverzögerung Zusammenfassung der Reduktionen und Transformationen Vorbemerkung Zusammenfassung der modellierbaren Anteile der Reduktionskette Berücksichtigung der Erdorientierungsparameter Parametrisierung der Erdrotation nach Richter Zeitsysteme Einführung Allgemeines Vorbemerkungen zu den verwendeten Formelzeichen Uhren: Hilfsmittel der Zeitinterpolation und selbständige Zeitnormale Rückblick Die Anfange der Uhrentechnik Mechanische Uhren Quarzuhren Atomuhren Pulsare 309

5 XII Inhalt 5.3 Auf die Erddrehung gestützte Zeitskalen Sternzeit Sonnenzeit Umwandlung Sternzeit <-> Sonnenzeit Varianten der Weltzeit Auf die Bahnbewegungen der Körper des Sonnensystems gestützte Zeitskalen, relativistische Varianten der dynamischen Zeit Ephemeridenzeit Relativistisch begründete Zeitskalen Der Ephemeridenmeridian Auf atomphysikalische Vorgänge gestützte Zeitskalen Sekundendefinition von Internationale Atomzeit GPS-Zeit Beziehungen zwischen der Internationalen Atomzeit, der Ephemeridenzeit und den relativistischen Zeitskalen Vorbemerkung Beziehungen zwischen Internationaler Atomzeit, Terrestrischer Zeit und der geozentrischen und baryzentrischen Koordinatenzeit Koordinierte Weltzeit, Zonenzeiten Koordinierte Weltzeit Zonenzeiten Länge des Jahres, Kalender, Zeitrechnung Länge des Jahres und Jahresbeginn Kalender, Zeitrechnung Tageszählung nach Scaliger (Julianische Tageszahlen) Die astronomisch-geodätischen Zeitskalen im Vergleich »Erduhr«,»Ephemeridenuhr«,»Atomuhr« Koordinierte Weltzeit und Stundenwinkel der Sterne Zeitübertragung und Zeitverbreitung Einführung Zeitübertragung durch Uhrentransport Zeitverbreitung durch Zeitzeichensender Zeitverbreitung durch das Global Positioning System Zeitübertragung mit dem Global Positioning System Zeitübertragung über Kommunikationssatelliten Zeitdienste, IERS, IGS Zeitdienste Rückblick Generierung und Koordinierung der Internationalen Atomzeit Zeitzeichensender International Earth Rotation Service Einführung Laufende Beobachtung der Erdrotation International GPS Service Produkte des IGS Permanentbeobachtung der Atmosphäre Sternkataloge, Jahrbücher, Bulletins, Himmelsgloben und Sternkarten Klassifikation der Sterne Größenklassen (Magnituden), Spektren Nomenklatur der Fixsterne 417

6 Inhalt XIII 7.2 Sternverzeichnisse und Fundamentalkataloge Allgemeines Aufgaben und Methoden der Astrometrie Alte Sternkataloge Konstruktion eines Fundamentalkatalogs Fundamentalkataloge Die ESA-Kataloge»HIPPARCOS«und»TYCHO« Astronomische Jahrbücher (Almanache) und Bulletins Zweck von Jahrbüchern The Astronomical Almanac Apparent Places of Fundamental Stars Star Almanac for Land Surveyors Astronomisches Jahrbuch für die Trappenvermessung Nautisches Jahrbuch oder Ephemeriden und Tafeln Bulletins des IERS Himmelsgloben und Sternkarten Himmelsgloben Sternkarten, Sternatlanten, Sternfinder Beobachtungsinstrumente und Beobachtungsmodi Grundlagen Optisches und Radio-Beobachtungsfenster Bauteile optisch-mechanischer Beobachtungsinstrumente: Fernrohre - Lotsensoren - Teilkreise - Ablenkprismen - CCD-Chips Das klassische optisch-mechanische Instrumentarium Einführung Winkelmeßinstrumente und Meßmodi Maßnahmen zur Entlastung des Beobachters Halbautomatische Durchgangsbeobachtung Halbautomatische Meß- und Auswertesysteme Vollautomatische photoelektrische Durchgangsregistrierung Modulation des Sternlichts durch ein Strich- oder Schlitzraster Nachführung der Zielachse durch Stellmotor Photographische und CCD-Momentaufnahmen von Sternpositionen Zenitteleskope und Zenitkammern Rückblick Photographische Zenitkammer CCD-Zenitkammern Die HlPPARCOS-Sensoren Interferometer Interferometrisches Meßprinzip Radioteleskope Radiointerferometer VLBI-Sensor Zeiterfassung und Zeitregistrierung Allgemeines zur astrogeodätischen Zeitmessung Örtliche Uhren Instrumente zur Bestimmung des Refraktionskoeffizienten der Atmosphäre Vorbemerkung Thermometer Barometer Haar-Hygrometer, Psychrometer, Refraktometer Wasserdampfradiometer 489

7 XIV Inhalt 9 Beobachtungsverfahren Astronomisches Grunddreieck, Beobachtungsgleichungen Das Astronomische Grunddreieck Beobachtungsgleichungen Linearisierte Beobachtungsgleichungen Lokale Zeithaltung Aufgabenstellung Zeitvergleich Azimutbestimmung Aufgabenstellung und Definitionen Meßprinzip Azimutbestimmung mit Hilfe polnaher Sterne (Polaris-Methode) Azimutbestimmung mit Sternen in Elongation Bestimmung der Geographischen Breite Aufgabenstellung und Methodengruppen Breitenbestimmung aus Zirkummeridian-Zenitdistanzen und Meridian Zenitdistanzen (Sterneck-Methode) Breitenbestimmung aus Sterndurchgängen durch einen bestimmten Almukantarat (Zweihöhenproblem - Pewzow-Methode) Breitenbestimmung aus Meridian-Zenitdistanzdifferenzen Einsatz neuer Technologien zur Breitenbestimmung Bestimmung der Geographischen Länge Aufgabenstellung und Methodengruppen Längenbestimmung aus Durchgängen von Sternen durch den Meridian oder durch einen meridiannahen Vertikal (Zirkummeridian-Methode) Längenbestimmung aus Durchgängen von Sternpaaren im gleichen Almukantarat (Zinger-Methode) Methoden der gleichzeitigen Längen- und Breitenbestimmung Aufgabenstellung und Definitionen Gleichzeitige Bestimmung von Längen- und Breiten durch Feststellung der Durchgangsepochen unter einem instrumentell vorgegebenen Almukantarat Gleichzeitige Bestimmung von Längen und Breiten durch Feststellung der Durchgangsepochen unter bekannten (gemessenen) Zenitdistanzen Gleichzeitige Bestimmung von Längen und Breiten durch Messung der Durchgangsepochen unter bekannten (gemessenen) Azimuten Gleichzeitige Breiten- und Längenbestimmung mit einer Zenitkammer Aufgabenstellung und Vorbemerkung Zweilagenmessung zur Feststellung der Zenitrichtung Reduktion von Zweilagenaufnahmen auf eine exakte Zenitaufnahme Reduktionsmodelle Modelle der Plattenreduktion Automatisierte Sternidentifizierung Breiten-, Längen- und Azimutbestimmung mit Hilfe der Sonne Vorbemerkung zur Problematik von Sonnenbeobachtungen Besonderheiten von Sonnenbeobachtungen Stundenwinkel der Sonne Breiten- Längen und Azimutbestimmung mit Hilfe der Sonne Bestimmung von erdfesten Richtungen und Entfernungen mit Hilfe der Langbasis-Interferometrie (VLBI) Vorbemerkung Korrekturen gemessener Signallaufzeiten Beobachtungsgleichungen des VLBI-Verfahrens 575

8 Inhalt XV 10 Quellen Literatur Monographien und Lehrbücher zur Geodätischen Astronomie Einzelbeiträge Sternkataloge, Jahrbücher, Sternatlanten Historische Kataloge Fundamentalkataloge und Sternverzeichnisse Zonenkataloge und Durchmusterungen Spezialkataloge Jahrbücher Sternatlanten und -karten, Sternfinder Forscher und Erfinder Autoren und Sachwörter Autoren Sachwörter 624