Grüß Gott zum öffentlichen Vortrag des THEMA:

Transkript

1 Grüß Gott zum öffentlichen Vortrag des AiC* am Tag der Astronomie Astronomie im Chiemgau ev. * THEMA: THEMA: Über astronomische Zeitrechnung oder Warum am Himmel die Uhren anders ticken gehalten von Klaus Hünlich

2 Inhalt Frühe Fragen und Hilfsmittel zur Zeitmessung Die Erde als Kugel Jahreszeiten Sonnenzeit - Sternzeit Das Äquatorialsystem Zeitmessung und Kalender Korrekturen Antworten auf die frühen Fragen

3 Ein paar Fragen die sich Menschen vielleicht vor 4000 Jahren gestellt haben: Warum gibt es Tag und Nacht? Warum sind die Tage im Winter kürzer als im Sommer? Wie kommen die Jahreszeiten zustande? Warum sieht der Sternhimmel im Sommer anders aus als im Winter? Warum scheinen sich alle Sterne um einen Punkt am Himmel zu drehen? usw. Der Mensch hat mehrere tausend Jahre benötigt Antworten auf diese Fragen zu finden. Er war dabei auch gezwungen sein Weltbild immer wieder dem jeweiligen Wissensstand anpassen. Die Erkenntnisse aus der Astronomie sind heute die Grundlage unserer täglichen Zeit- und Kalenderrechnung, aber auch des Geschehens am Himmel. Wir werden sehen, ob wir am Schluß meiner Ausführungen Antworten geben können Meine Betrachtungen dazu möchte ich mit der Orientierung auf der Erde anfangen also zu einer Zeit, als man noch dachte, dass die Erde eine Scheibe sei.

4 Orientierung auf der Erde Ausschnitt aus Erdoberfläche (Erde als Scheibe) Himmel N O (Sonnenaufgang) W S (Mittag) Erdboden

5 Orientierung und Hilfsmittel: Sonnenuhr

6 Orientierung auf der Erde (Erde als Scheibe) Tageszeit Früh Mittag Abend abgeleitet vom Sonnenstand Sonnenuhr gibt Ortszeit einigermaßen genau an, die Dauer eines Tages ist der Abstand zwischen zwei aufeinander folgenden Sonnenhöchstständen. Die Abstände zwischen zwei Sonnehöchstständen sind aber vom Abstand Erde Sonne abhängig. Jahreszeit Bestimmung der Jahreszeiten (Kalender) Kann z.b. mit der Scheibe von Nebra vorgenommen werden. Da der Sonnenaufgangspunkt vom 21. Dezember bis 21. Juni nach Norden wandert um um dann wieder nach Süden zu gehen, kann man anhand der Lage des Aufgangspunktes und der Richtung in welcher er sich bewegt ziemlich genau feststellen in welcher Zeit des Jahres man sich befindet.

7 Die Himmelsscheibe von Nebra Quelle: Dbachmann, CC BY-SA 3.0,

8 Bestimmung der Jahreszeit mit der Scheibe von Nebra Nebra liegt bei ρ ~ 51O also ist die Scheibe geeignet für Breitengrade um 50O herum Süden Winter Sonnenaufgang Sommer Winter Sonnenuntergang Sommer

9 Orientierung auf der Erde (Erde als Scheibe) Tageszeit Früh Mittag Abend abgeleitet vom Sonnenstand Sonnenuhr gibt Ortszeit einigermaßen genau an, die Dauer eines Tages ist der Abstand zwischen zwei aufeinander folgenden Meridiandurchgängen der Sonne. Er ist mit 24 h festgelegt. Jahreszeit Bestimmung der Jahreszeiten (Kalender) Kann z.b. mit der Scheibe von Nebra vorgenommen werden. Die Länge der Horizontbögen ist vom Breitengrad abhängig Kritik: Mit der Zugrundelegung einer Beobachtungsebene alleine lässt sich die Ortsabhängigkeit der Beobachtungen nicht erklären. Daher

10 Über die astronomische Zeitrechnung Inhalt Frühe Fragen und Hilfsmittel zur Zeitmessung Die Erde als Kugel Jahreszeiten Sonnenzeit Sternzeit Das Äquatorialsystem Zeitmessung und Kalender Korrekturen Antworten auf die frühen Fragen

11 Orientierung auf der Erde (Erde als Scheibe) Tageszeit Früh Mittag Abend abgeleitet vom Sonnenstand Sonnenuhr gibt Ortszeit einigermaßen genau an, die Dauer eines Tages ist der Abstand zwischen zwei aufeinander folgenden Meridiandurchgängen der Sonne. Er ist mit 24 h festgelegt. Jahreszeit Bestimmung der Jahreszeiten (Kalender) Kann z.b. mit der Scheibe von Nebra vorgenommen werden. Die Länge der Horizontbögen ist vom Breitengrad abhängig Kritik: Mit der Zugrundelegung einer Beobachtungsebene alleine lässt sich die Ortsabhängigkeit der Beobachtungen nicht erklären. Daher Annahme: die Erde ist eine Kugel um welche sich der Rest der Welt dreht. Damit versucht man Tag und Nacht sowie die Bewegung der Gestirne (geozentrisches Weltbild, Ptolemäus) zu erklären

12 Darstellung des ptolemäischen Weltsystems

13 Orientierung auf der Erde Z = Drehachse Nordpol Nullmeridian Äquator

14 Orientierung auf der Erde Z = Drehachse Nordpol Breitenkreise Nullmeridian Y X Äquator

15 Orientierung auf der Erde Festlegungen: Die Erdachse ist die Verbindungslinie der beiden Pole, um welche sich die Erde dreht Der Nordpol ist der Punkt, um den sich die Erde bei Draufsicht gegen den Uhrzeigersinn dreht Groß-Kreise sind alle Längenkreise (sie schneiden sich in den Polen) und der Äquator Die Erdachse steht auf der Äquatorebene senkrecht Die Breitenkreise sind Parallel zur Äquatorebene angeordnet

16 Orientierung am Himmel Tageszeit Früh Mittag Abend abgeleitet vom Sonnenstand Sonnenuhr gibt Ortszeit einigermaßen genau an, die Dauer eines Tages ist der Abstand zwischen zwei aufeinander folgenden Meridiandurchgängen der Sonne. Er ist mit 24 h festgelegt. Jahreszeit (Kalender) Die Bestimmung der Jahreszeiten kann z.b. mit der Scheibe von Nebra vorgenommen werden Ortsabhängigkeit: Die Kugel erklärt neben Tag und Nacht - warum die aber Horizontbögen der Scheibe von Nebra an verschiedenen Breitengraden verschiedene Längen haben müssen und warum bei gleicher Zeit die Sonne an verschiedenen Orten längs eines Meridians unter verschiedenen Winkeln erscheint wie kommen die Jahreszeiten zustande? Warum gehorchen die Planeten und die Sonne scheinbar anderen Gesetzen als die der Fixsterne?

17 Über die astronomische Zeitrechnung Inhalt Frühe Fragen und Hilfsmittel zur Zeitmessung Die Erde als Kugel Jahreszeiten Sonnenzeit Sternzeit Das Äquatorialsystem Zeitmessung und Kalender Korrekturen Antworten auf die frühen Fragen

18 Orientierung am Himmel Tageszeit Früh Mittag Abend abgeleitet vom Sonnenstand Sonnenuhr gibt Ortszeit einigermaßen genau an, die Dauer eines Tages ist der Abstand zwischen zwei aufeinander folgenden Meridiandurchgängen der Sonne. Er ist mit 24 h festgelegt. Jahreszeit (Kalender) Die Bestimmung der Jahreszeiten kann z.b. mit der Scheibe von Nebra vorgenommen werden Ortsabhängigkeit: Die Kugel erklärt neben Tag und Nacht - warum die aber Annahme: Horizontbögen der Scheibe von Nebra an verschiedenen Breitengraden verschiedene Längen haben müssen und warum bei gleicher Zeit die Sonne an verschiedenen Orten längs eines Meridians unter verschiedenen Winkeln erscheint wie kommen die Jahreszeiten zustande? Warum gehorchen die Planeten und die Sonne scheinbar anderen Gesetzen als die der Fixsterne? die Erde rotiert und bewegt sich auf einer Bahn um die Sonne Ihre Äquatorebene ist gegen die Bahnebene um 23,5 O geneigt. Wir kommen jetzt zum heliozentrische Weltbild (Kopernikus)

19 Orientierung auf der Erde

20 Orientierung am Himmel Jahreszeiten - Sternjahr - Sonnenjahr

21 Orientierung am Himmel Jahreszeiten - Sternjahr - Sonnenjahr Lage des Frühlingspunktes

22 Orientierung am Himmel Jahreszeiten - Sternjahr - Sonnenjahr Der Zeiger für die Sternzeit zeigt zur gleichen Zeit immer zum gleichen Punkt am Sternhimmel Richtung gibt jeweils die gleiche Tageszeit an Frühlingsäquinoctium Der Abstand von zwei Durchgängen durch das Frühlingsäquinoctium wird als tropisches Jahr bezeichnet, Dauer ~ 365,25 Tage

23 Orientierung am Himmel Jahreszeiten - Sternjahr - Sonnenjahr Der Zeiger für die Sternzeit zeigt zur gleichen Zeit immer zum gleichen Punkt am Sternhimmel Richtung gibt jeweils die gleiche Tageszeit an

24 Orientierung am Himmel Jahreszeiten - Sternjahr - Sonnenjahr Der Zeiger für die Sternzeit zeigt zur gleichen Zeit immer zum gleichen Punkt am Sternhimmel Richtung gibt jeweils die gleiche Tageszeit an

25 Orientierung am Himmel Jahreszeiten - Sternjahr - Sonnenjahr Der Zeiger für die Sternzeit zeigt zur gleichen Zeit immer zum gleichen Punkt am Sternhimmel Sternjahr 366,25d Richtung gibt jeweils die gleiche Tageszeit an Sonnenjahr 365,25d

26 Orientierung am Himmel Erdzeit und Sternzeit Der Abstand zwischen zwei Durchgängen durch das Frühlingsäquinoctium heißt tropisches Jahr. Zählt man die Anzahl der Umdrehungen welche die Erde während eines Umlaufes um die Sonne macht und orientiert sich dabei an der Sonne so kommt man auf etwa 365,25 Tage, orientiert man sich hingegen am Sternhimmel, so erhält man einen Tag mehr: Ein Sternjahr dauert einen Tag länger als das terrestrisches Jahr. Ein Sterntag hat daher nicht 24h wie der Erdentag, sondern ist mit 23h 56m 03s ist um 3 Minuten 57 Sekunden kürzer als ein Erdentag.

27 Über die astronomische Zeitrechnung Inhalt Frühe Fragen und Hilfsmittel zur Zeitmessung Die Erde als Kugel Jahreszeiten Sonnenzeit Sternzeit Das Äquatorialsystem Zeitmessung und Kalender Korrekturen Antworten auf die frühen Fragen

28 Orientierung am Himmel Ortsfestes Koordinatensystem : Das Äquatorialsystem

29 Orientierung am Himmel Das Äquatorialsystem Lage des Frühlingspunktes

30 Orientierung am Himmel Das Äquatorialsystem Wir benötigen für das Himmelsgewölbe ein Koordinatensystem um Punkte eindeutig ansprechen zu können. Dazu projizieren das geographische Koordinatensystem der Erde auf das Himmelsgewölbe. Der Erdäquator hat so dieselbe Lage wie der Himmelsäquator. Der geographischen Länge entspricht der Rektaszension und der Breite die Deklination. Der Nullpunkt für die Rektaszension ist der Frühlingspunkt. Er wird mit Hilfe des Frühlingsäquinoctiums als der Punkt festgelegt, an dem im Frühjahr zur Tag- und Nachtgleiche vom Nullmeridian der Erde aus gesehen die Sonne am Himmelsgewölbe steht. Der Meridian durch diesen Punkt ist im Äquatorialsystem der Nullmeridian des Himmelsgewölbes. Man könnte sagen, der Frühlingspunkt liegt im Herbst. Ein Umlauf der Sonne ist das tropische Jahr.

31 Orientierung am Himmel Das Äquatorialsystem Quelle:

32 Beobachtungen am Himmel Das Äquatorialsystem Die Rektaszension wird im Umlaufsinn der Erde vom Frühlingspunkt aus gezählt und in Stunden (h) Minuten (m) und Sekunden (s) angegeben. Die Deklination gibt den Abstand von der Äquatorebene nach Norden (+) bzw. nach Süden (-) in Grad von 00 bis ±900an Die Sonne hat dementsprechend beim Frühlingsäquinoctium vom Nullmeridian aus gesehen die Koordinaten Rekt 00:00:00 und Dekl Diese Angaben sind in Sternfindern und den astronomischen Jahrbüchern eingearbeitet. Sie ermöglichen es, sich schnell und mit der nötigen Genauigkeit am Himmel zu orientieren. Bei einem Sternfinder sollte der Breitengrad des Beobachtungsstandpunktes in etwa (±5O) bekannt sein.

33 Sternfinder (Einstellung für den ) Das Äquatorialsystem Datum (Monat, Tag) Zeit sichtbarer Sternhimmel Süden

34 Über die astronomische Zeitrechnung Inhalt Frühe Fragen und Hilfsmittel zur Zeitmessung Die Erde als Kugel Jahreszeiten Sonnenzeit Sternzeit Das Äquatorialsystem Zeitmessung und Kalender Korrekturen Antworten auf die frühen Fragen

35 Orientierung am Himmel Jahreszeiten - Sternjahr - Sonnenjahr Der Zeiger für die Sternzeit zeigt zur gleichen Zeit immer zum gleichen Punkt am Sternhimmel Sternjahr 366,25d Richtung gibt jeweils die gleiche Tageszeit an Sonnenjahr 365,25d

36 Orientierung am Himmel Historisches zum Kalenderjahr Das Kalenderjahr orientiert sich am tropischen Jahr (Sonnenjahr). Schon frühzeitig merkte man, dass die ermittelte Tageszahl nicht kommensurabel mit der Umlaufdauer eines Jahres ist. In der Julianischen Kalenderreform von 47 v. Chr. wurde von 365,25 Tagen ausgegangen und als Korrektur Schalttage alle vier Jahre eingeführt. Die tatsächliche Dauer ist aber etwas kleiner als 365,25d. Sie beträgt etwa 365,2422 Tage. Bis 1500 kam so ein Fehler von ca. 12 Tagen zustande, um den sich der Frühlingsanfang und so das für das Kirchenjahr wichtige Osterfest verschoben hatte. In der Gregorianische Kalenderreform von 1582 wurde daher zur genaueren Berechnung des Osterfestes der Julianische Kalender dahingehend ergänzt, dass in den Jahrhundertwenden, deren Jahreszahl nicht durch 400 teilbar ist, der Schalttag entfällt. So war z.b kein Schalttag, 2000 war Schalttag. Die Überhangtage wurden gestrichen. Das gregorianische Kalenderjahr ist im Vergleich zur astronomischen Wirklichkeit etwa 0, Tage ( 11 Sekunden) zu lang. Mit dieser Differenz würde der Frühlingsanfang aber erst nach rund 8000 Jahren wieder einen ganzen Kalendertag früher eintreten. Vorher ist keine Kalenderkorrektur nötig.

37 Über die astronomische Zeitrechnung Inhalt Frühe Fragen und Hilfsmittel zur Zeitmessung Die Erde als Kugel Jahreszeiten Sonnenzeit Sternzeit Das Äquatorialsystem Zeitmessung und Kalender Korrekturen Antworten auf die frühen Fragen

38 Orientierung am Himmel Korrekturen - Bahnunregelmäßigkeiten

39 Orientierung am Himmel Zeitkorrekturen - Bahnunregelmäßigkeiten Bahngeschwindigkeit und Neigung der Erdachse: Da die Erde die Sonne auf einer elliptischen Bahn umkreist, ist ihre Bahngeschwindigkeit nicht konstant. Zusätzlich müssen noch durch die Neigung der Erdachse verursachte zeitliche Schwankungen der am Kreisel angreifenden Gravitationskräfte berücksichtigt werden, die durch Masseinhomogenitäten verursacht werden. Hinzu kommen die zeitlichen Änderungen, die durch Nutation und Präzession verursacht werden. Die Unregelmäßigkeiten bezüglich Bahngeschwindigkeit und Neigung der Erdachse sind in der sogenannten Zeitgleichung zur Berücksichtgung nötiger Korrekturen zusammengefaßt.

40 Orientierung am Himmel Einflüsse auf die Zeitrechnung

41 Orientierung am Himmel Zeitkorrekturen - Bahnunregelmäßigkeiten Bahngeschwindigkeit und Neigung der Erdachse: Da die Erde die Sonne auf einer elliptischen Bahn umkreist, ist ihre Bahngeschwindigkeit nicht konstant. Zusätzlich müssen noch durch die Neigung der Erdachse verursachte zeitliche Schwankungen der am Kreisel angreifenden Gravitationskräfte berücksichtigt werden, die durch Masseinhomogenitäten verursacht werden. Hinzu kommen die zeitlichen Änderungen, die durch Nutation und Präzession verursacht werden. Die Unregelmäßigkeiten bezüglich Bahngeschwindigkeit und Neigung der Erdachse sind in der sogenannten Zeitgleichung zur Berücksichtgung nötiger Korrekturen zusammengefaßt. Wegen der Bedeutung, welche eine exakte Zeitmessung mittlerweile bei allen Zeitabhängigen Prozessen hat, hat die Sonnensekunde (abgeleitet aus dem mittleren tropischen Jahr) als Zeitnormal 1967 durch Zeitmessung auf atomarer Basis (Cäsium) abgelöst. Anmerkung: Damit Kalender und Zeitmessung in Phase mit dem Geschehen am Himmel bleiben, werden gelegentlich Schaltsekunden, in Deutschland nach Maßgabe der PTB eingefügt.

42 Orientierung am Himmel Korrekturen - Bahnunregelmäßigkeiten Präzession Nutation Quelle:

43 Orientierung am Himmel Korrekturen - Bahnunregelmäßigkeiten Die Präzession bewirkt, dass die Erdachse am Himmel einen Kegel mit dem Öffnungswinkel 2*23, beschreibt. Er bewirkt, dass der Frühlingspunkt mit ca 50 pro Jahr um die Ekliptik wandert, also in etwa Jahren einmal. Die Nutation beruht auf kleinskaligen zeitlichen Störungen des Kreisels und damit Unregelmäßigkeiten (Abweichungen) vom langjährigen Jahresmittel des Zeitablaufes zwischen zwei Durchgängen durch den Frühlingspunkt

44 Über die astronomische Zeitrechnung Inhalt Frühe Fragen und Hilfsmittel zur Zeitmessung Die Erde als Kugel Jahreszeiten Sonnenzeit Sternzeit Das Äquatorialsystem Zeitmessung und Kalender Korrekturen Antworten auf die frühen Fragen

45 Die Antworten zu den Eingangs formulierten Fragen: Warum gibt es Tag und Nacht? Weil sich die Erde dreht und dabei nur der der Sonne zugewandte Teil beleuchtet wird Warum sind bei uns die Tage im Winter kürzer als im Sommer? Die Erdachse ist gegen die Umlaufbahn geneigt, weshalb z.b. die nördliche Halbkugel im Winter weniger lang von der Sonne bestrahlt wird wie die südliche Wie kommen die Jahreszeiten zustande? Während der längeren Bestrahlungszeit durch die Sonne wird dieser Teil der Erde stärker aufgeheizt Warum sieht der Sternhimmel im Sommer anders aus als im Winter? Der Sternhimmel zieht im Laufe des Jahres scheinbar einmal um die Erde. Die Dunkle Seite wandert dabei jeden Tag um 3min 57sec weiter Warum scheinen sich alle Sterne um den Polarstern zu drehen? Die Erdachse zeigt bei der Drehung der Erde auf den Nordpol des Himmels Zeit für Ihre Fragen

46 Danke für Ihre Aufmerksamkeit

47 Definitionen: Tropisches Jahr: Ein tropisches Jahr ist definiert als der zeitliche Abstand zwischen zwei Durchgängen der Erde durch das Frühlingsäquinoctium. Der Wert war im Jahr 2000 (J2000) 365, Tage Sekunde (Atomuhr): eine Sekunde ist das Fache der Periodendauer der dem Übergang zwischen den beiden Hyperfeinstrukturniveaus des Grundzustandes von Atomen des Nuklids 133Cs entsprechenden Strahlung

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