"Erste Schritte in der Astronavigation" Theodolit / Sextant - Well

"Erste Schritte in der Astronavigation"
Theodolit / Sextant
Theodolit
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Winkelmessinstrument.
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Es wird in der Geodäsie zur Messung von
Horizontalrichtungen und Zenit- oder
Vertikalwinkel eingesetzt.
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wird (mit Stativ) über einem Punkt lotrecht
aufgestellt. (im Bergbau: Hängetheodolit)
Bestandteile
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Vertikal- & Horizontal-Teilkreis
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mehreren Libellen zur lotrechten Ausrichtung des Gerätes (Horizontierung).
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In das Zielfernrohr mit Fadenkreuz, um Ziel
anzuvisieren.
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Hier Winkeleinheit Gon (100 Gon = 90°).
Messgrößen konkret:
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Horizontalwinkel: Differenz der Richtungsbeobachtungen zu zwei Zielen ... Azimut
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Zenitwinkel: Vertikalwinkel oder veraltet Zenitdistanz
Sextant (Spiegelsextant)
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Winkelmessgerät zwischen den Blickrichtungen zu relativ weit entfernten Objekten, insbesondere für den Winkelabstand eines
Gestirns vom Horizont.
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Er wird hauptsächlich zur Messung des
Höhenwinkels von Gestirnen für die
astronomische Navigation auf See
verwendet, seltener auch in der Luftfahrt und bei Expeditionen.
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Früher fand er auch Anwendung in der
Astronomie und der Landvermessung.
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Bezeichnung "Sextant" kommt von der
Winkelskala, die 60° (1/6 des Vollkreises) umfasst, womit Winkelmessungen bis 120° möglich sind!
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Links von Null: Hauptbogen; recht
davon Vorbogen
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Vgl Oktant (älter) mit Skala von nur
45° (1/8 des Vollkreises), womit
Winkel bis 90° bestimmt werden
konnten.
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Nicht so der "Quadrant": nur Winkelmesser bezüglich der Lotrichtung!
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AsNavi_45
Handhabung des Sextanten
Der Navigator ist eine Fehlerquelle
Haltefehler
Kippfehler
• können an den Spiegeln (rechteckig: Indexspiegel / rund: Horizontspegel) auftreten.
• müssen durch Justierung beseitigt werden!
Indexfehler
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Bei fast allen Sextanten vorhanden! Man
muß ihn nur kennen!
an Trommelstellung zwischen direkt &
gespiegeltem Bild ablesbar! Im Idealfall
beseitigen (Erfahrung).
Wenn man ihn kennt; als Indexberichtigung Ib in Messungen verücksichtigen! (s. Zeichng:)
links: Ib = - 2' / rechts Ib = +1'
Was würden Sie
ablesen?
• 49° 55' oder 50° 55'
AsNavi_46 "Astronomie & Kulturgeschichte" an Bord der "SEDOV" 24.-30. Juni 2012: Kiel - Rund Skagen - Cuxhaven
Übung: Einrichten des Sextanten
Wie groß ist der Indexfehler
Das ist Ihr KorrekturWert bzw. "Geräte- & Individualfehler", den Sie vor
relevanten Messungen ermitteln müssen und bei der Auswertung Ihrer Messungen (mehrheitlich
Höhenmessungen) - berücksichtigen müssen!
Vorab:
unbedingt passende Blendgläserkombination auswählen
Variante I
Spiegel-Sonne mit DirektSonne in Deckung bringen und Ib
an der Nullmarke ablesen;
• liegt aktuelle (wahre) Nullmarke auf Vorbogen ist Ib plus
(alle Winkel zu klein)
• liegt aktuelle (wahre) Nullmarke auf Hauptbogen ist Ib minus (alle Winkel zu groß)
• Ib-Markierung bitte nicht auf den Leihgeräten!
Variante II
Vorab: Gerätetyp bei Messung merken
1. Spiegel-Sonne von unten an die DirektSonne (bei scharfer
Randberührung) ansetzen!
"unterer Messwert" notieren:
2. Spiegel-Sonne oben auf die DirektSonne (bei scharfer Randberührung) aufsetzen!
"oberer Messwert"* notieren:
* Der obere Messwert wurde auf 60' ergänzt, sodaß unten Summe gebildet werden kann!
3. Siehe Tabelle "SextantProbe"
Die Algebraische Differenz (hier Summe) ergibt: 2 SonnenDurchmesser bzw. 4 SonnenRadien!
Genauigkeit:
1. Vgl. Instrument mit "Nonius"_Einteilung: die Theoretische Genauigkeit des Instrumentes ist 0,2';
in der Praxis genügen 0,5'
2. Bei Sonnensichtbarkeit ist hiermit ist auch die Überprüfung Ihrer persönlichen Beobachtungsgenauigkeit möglich! Wir müßten - im Idealfall; lt. Nautisch. Jahrbuch - auf den angegebenen
Sonnenradius von r ..... ' kommen.
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AsNavi_47
Die Sonne ... und das Mittagsbesteck
Lotfußtpunkt der Sonne auf die Erde: "Bildpunkt der Sonne"
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Unsere Sonne wirft einen Bildpunkt auf den Globus.
Der Bildpunkt der Sonne rast in 24h in einer bestimmten Breite (abhängig von der Deklination)
über die Erde!
Zahlen fordern Präzision heraus:
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In Nähe der Äquinoktien - Bildpunkt in Nähe des Äquators - passiert das mit einer Geschwindigkeit von 900kn über die Erdoberfläche!
In einer Sekunde überstreicht die
Sonne folglich etwa 1/4 sm
bzw. 463 m - oder in
4s eine Seemeile!!
24h = 360° = 21.600sm
1h = 15' = 900sm
4 min = 1° = 60sm
1min? anders: Uhrenfehler von 1min am
Äquator verfälscht
den Schiffsort um
15 sm
A propos "Novara-Weltumseglung":
Nun wird das Bemühen des Commodore
verständlich, die Ganggenauigkeit seiner Chronometer akribisch zu verfolgen
und zu protokollieren!
Ergo: Hierbei ist nicht nur die sekundengenaue Zeit_Markierung ("Schuss") wichtig, sondern,
daß man auch Sicherheit & Routine im Aufsetzen des Sonnenrandes auf die Kimm hat.
AsNavi_48 "Astronomie & Kulturgeschichte" an Bord der "SEDOV" 24.-30. Juni 2012: Kiel - Rund Skagen - Cuxhaven
Koordinaten
Breite:
• Äquator: 0°; Pole 90°- in Astronavigation: auch
die Deklination δ + .... N / - .... S
Länge:
• von Greenwich 180° nach West bzw. Ost
• in der Astronavigation:
360° in westlicher Richtung
"Greenwicher Stundenwinkel" Grt
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Die Länge des Bildpunktes
Nautisches Jahrbuch: Dieser wird für die
Sonne, für die Planeten Venus, Mars, Jupiter,
Saturn, den Mond & den Frühlingspunkt angegeben!
Für Fixsterne ist es der Greenwicher Sternwinkel β
Er ist außerdem gleich der geografischen Länge eines
Ortes λ, für den das Gestirn kulminiert!
Grafik:
eine Position auf der Erdoberfläche mit λ = 10° E entspräche einem Grt = 350°
An Bord ticken die Uhren mit UT1
• Universal Time One bzw. UT1 = MEZ -1h
• entspricht Greenwich Mean Time: (kurz GMT) ist die mittlere Sonnenzeit am Nullmeridian.
• Die Greenwich Mean Time war von 1884 bis 1928 Weltzeit und ist in dieser Funktion heute von der
Koordinierten Weltzeit UTC ersetzt.
• UT war an Sonne orientiert, UTC (Universal Time Coordinated) ist an AtomUhr orientiert!
• Wegen Verzögerung der Erdrotation sind an UTC Korrekturen notwendig:
• Wenn also die Differenz von UT1 und UTC 0,9s übersteigt, wird 1 Schaltsekunde eingefügt! (so z.B.
Silvester 2005).
Immerhin richtet sich das Leben auf der Erde nach der Erdrotation und nicht nach einer künstlich erzeugten Zeit!
∆λ = 0,2')
• UTC ~ UT1 (maximale Differenz von 0,9s), damit kann man leben (∆λ
Mittagsbesteck
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wahrer Mittag: Sonne kulminiert und steht genau südlich bzw. nördlich von uns > daraus läßt sich die
sog. "Mittagsbreite" und "Mittagslänge" ermitteln (siehe Übungen)
1. auf jeden Fall "Mittagshöhe" & "Mittagszeitpunkt" notwendig!
• Kompasspeilung zu ungenau!
• Direkte MittagsHöhen-Zeit-Messung unmöglich, da Sonne kurz vor, während und kurz nach Kulmination ihre Höhe nur unmerklich, kaum messbar ändert!
2. Methode:
• Messung von Sonnenhöhen in mehreren Zeitabschnitten vor und nach der angenommenen Kulmination, idealerweise mit korrespondierenden Höhen!
• Mittelwert der Zeitpunkte korrespondierender Höhen ist der angenäherte Mittagszeitpunkt (abhängig von Jahreszeit ~ wegen Deklination)
• Achtung: Chronometrische Länge mit näherungsweisem Mittagszeitpunkt daher zwangsläufig auch
ungenau!
• Alternative: Lineare Interpolation oder Schalttafeln "Zuwachs Grt" nach Minuten & Sekunden (siehe
Übung).
3. Bewertung: Mittagsbesteck hat im Vergleich mit anderem Navigationsaufwand auch heute noch Vorteile; logischerweise aber auch Nachtteile - der MethodenMix bringts - auch unabhängig vom GPS!
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AsNavi_49
Nautisches Jahrbuch / Auszug
AsNavi_50 "Astronomie & Kulturgeschichte" an Bord der "SEDOV" 24.-30. Juni 2012: Kiel - Rund Skagen - Cuxhaven
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AsNavi_51
Nautisches Jahrbuch / Auszug
AsNavi_52 "Astronomie & Kulturgeschichte" an Bord der "SEDOV" 24.-30. Juni 2012: Kiel - Rund Skagen - Cuxhaven
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AsNavi_53
Navigation mit Zirkumpolaren:
"für Nordlandfahrer"
Ausgangsituation
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Kulmination eines Gestirns; das ist gleichbedeutend mit Meridianpassage oder - Durchgang.
Wegen "Vorzeichenfalle": die Verhältnisse über dem südlichen Horizont sind etwas anders als
über dem nördlichen Horizont!
Untere Kulmination
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Obengenannte Darstellung zeigt nun die Situation in der sogenannten "unteren Kulmination":
D.h. daß das Gestirn (z.B. Capella, die Sonne zu MittSommerWend und letztlich auch der extreme Mond über Callenish) nicht den Meridian über dem Südhorizont passiert, sondern im
Norden "unterhalb" des Pols (Polarsterns).
vorab: Dämmerungsstufen
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Bürgerliche Dämmerung: beginnt mit SonnenUntergang; Ende: SonnenMittelpunkt 6° unter
der Kimm. Sterne 1. Größe schon erkennbar.
Nautische Dämmerung: SonnenMittelpunkt zwischen 6° und 12° unter der noch sichtbaren
Kimm. Sterne bis 3. Größe erkennbar. Mit Sextant kann noch (morgens: wieder) gearbeitet
gewerden!
Astronomische Dämmerung: folgt nautischer Dämmerung, d.h. Sonne unter 12°; Ende: Sonne unter 18°: Kimm unsichtbar; Himmel ist völlig dunkel!
Kimmsichtbarkeit & Sextant-einsatz:
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Für "Nordlandfahrer" wird im Sommer der Abschluß der Nautischen Dämmerung erst spät
oder kaum erreicht! Man sieht daher den Nordhorizont gut. In Nächten vor und nach MittSommerwend kann man die Höhen wichtiger Sterne am nördlichen Horizont gut messen!
Typische Fragestellungen:
1. Ich registriere die untere Meridianpassage von Capella bei einer Höhe von 7°. Auf welcher geografischen Breite bin ich?
2. Auf welcher Breite "schrammt" Capella am Horizont (Höhe etwa Null)?
3. Sie wollen zur Beobachtung der SommerSonnenWende nach Norden segeln. Ihre Familie kann
aber erst Mitte Juli reisen. Zu welcher geografischen Breite muß man nach Norden reisen, um
die SommerSonnenWende (Sonne noch zirkumpolar) zu beobachten?
4. Auf welcher geografischen Breite kann man die Zirkumpolarität des Mondes zu Zeiten des
Mondextrems erleben? Welches wäre die südlichste BeobachtungsPosition in diesem Monat?
AsNavi_54 "Astronomie & Kulturgeschichte" an Bord der "SEDOV" 24.-30. Juni 2012: Kiel - Rund Skagen - Cuxhaven
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AsNavi_55