Astronomische Koordinatensysteme (1): Fixpunkte am Himmel

Egal ob man nun einfach ohne Hilfsmittel in den Sternenhimmel schauen möchte, durch ein Teleskop beobachten will oder mit einer Kamera hindurch fotografieren möchte, man muss zuerst überhaupt sein Beobachtungsobjekt finden. Hierfür müssen wir uns am Himmel orientieren und Koordinatensysteme schaffen. Und das ist nicht so trivial, wie das vielleicht auf den ersten Blick erscheint. Denn die Erde, auf der wir stehen, dreht sich in knapp 24 Stunden einmal um ihre Achse. Zudem wandert sie auch noch im Verlauf eines Jahres einmal um die Sonne. Das Resultat: Der Sternenhimmel verändert sich ständig. Sowohl innerhalb einer Beobachtungsnacht als auch von Tag zu Tag. Nicht einfach, sich hier brauchbare Koordinatensysteme zu überlegen.

Um sich bei so viel Bewegung am Himmel noch mit anderen Beobachtern über einen genauen Ort eines Gestirns unterhalten zu können, wurden mehrere astronomische Koordinatensysteme entwickelt, je nach Problemstellung. In einer mehrteiligen Artikelreihe wird es um die meiner Meinung nach wichtigsten Koordinatensysteme gehen. Auch wird es um die Frage gehen, wie Winkel in der Astronomie definiert werden können. Zum Ende der Artikelserie schauen wir uns dann noch genauer an, wie man die verschiedenen Koordinatensysteme ineinander umrechnen kann.

Nicht alles rotiert

Anfangen möchte ich heute mit Fixpunkten am Himmel. Das sind Orientierungspunkte, die für einen Beobachter auf der Erde im Verlauf eines Jahres konstant bleiben, solange er von selben Ort aus beobachtet. Da sich durch die Erdrotation und den Lauf der Erde um die Sonne der Sternenhimmel ständig ändert, müssen solche Fixpunkte am Himmel über Punkte auf der für den Beobachter unbewegten Erdkugel definiert werden. Doch wie schauen wir als Beobachter eigentlich auf den Himmel? Hierzu nehmen wir eine „topozentrische“ Sichtweise ein, also eine Sichtweise, die unseren Beobachtungsort zum Zentrum unseres Modells macht.

Bei dieser topozentrischen Sichtweise stellen wir uns vor, wir stünden im Innern einer riesigen Himmelskugel. Alle Himmelsvorgänge und Gestirne werden an die Innenseite dieser riesigen imaginären Kugel projiziert. Wir selber befinden uns genau im Zentrum der Kugel mit der Erdkugel unter unseren Füßen (Abb. 1). (Wenn du an eine flache Erde glaubst, dann musst du nun stark sein oder bitte diesen Artikel wegklicken, denn die astronomischen Koordinatensysteme funktionieren bestens, aber nur für eine halbwegs kugelförmige und sich drehende Erde).

Abb. 1: Topozentrisches Modell

In der Regel spielen sich astronomische Vorgänge so weit von uns entfernt ab, dass wir uns um die Entfernung der Gestirne erst einmal keine Gedanken machen müssen und diese als unendlich weit weg betrachten können. Deshalb funktioniert das vereinfachte Modell wie in Abb. 1 mit der Himmelskugel so gut.

Der Horizont des Beobachters

Wir stehen also im Zentrum des Modells, die Erde unter unseren Füßen. Durch den großen Radius der Erdkugel verdeckt die Erde immer genau eine Hälfte der Himmelskugel, während die andere Hälfte für uns zu sehen ist. Man kann auch sagen, dass vom Beobachter aus eine Ebene (Tangentialebene) aufgespannt wird, die die Himmelskugel in zwei Hälften teilt, die sogenannte Horizontebene. Alles über dieser Ebene ist für uns gerade zu sehen, alles darunter nicht. Blicken wir von unserem Standort aus senkrecht nach oben (90° zur Horizontebene), blicken wir in den „Zenit“, welcher sich genau über unseren Köpfen befindet. Der unter unseren Füßen dem Zenit 180° entgegengesetzte Punkt auf der Himmelskugel ist der „Nadir“. Der Nadir ist wie alles, was unterhalb des „Horizonts“ liegt, für uns als Beobachter nicht sichtbar.

Abb. 2: Topozentrisches Modell mit Horizontebene

Die Rotationsachse der Erde als Fixpunkt am Himmel

Ein weiterer, besonders ausgezeichneter Punkt auf der Himmelskugel ist nicht auf den ersten Blick ersichtlich und offenbart sich erst bei langer Beobachtung: der Himmelspol. Die Erde als rotierende Kugel besitzt eine Rotationsachse. Die beiden Pole dieser Achse nehmen an der Rotation nicht teil und stehen am Himmel still. Alle Gestirne, die nicht genau an einem der beiden Pole stehen, drehen sich mit der Erdrotation langsam um diese Rotationsachse. Auf Zeitrafferaufnahmen und Langzeitbelichtungen ist diese Rotation gut zu sehen. Die Sterne ziehen auf solchen Aufnahmen konzentrische Kreise um den Himmelspol.

Die Richtung der beiden Pole definiert darüber hinaus die Himmelsrichtungen „Nord“ und „Süd“ und damit auch die übrigen zwei Himmelsrichtungen „Ost“ und „West“. Im 90° Winkel zur Rotationsachse der Erde und damit auch im 90° Winkels zum Himmelspol verläuft die imaginäre Äquatorebene unseres Planten. Auch diese lässt sich als Himmelsäquator an die imaginäre Himmelskugel projizieren (Abb. 3).

Abb. 3: Rotationsachse der Erde und Himmelsäquator

Die Ebene des Himmelsäquators teilt die Himmelskugel in die nördliche und in die südliche Sphäre.

Großkreise an der Himmelskugel

Ein sogenannter „Großkreis“ ist ein größtmöglicher Kreis auf einer Kugeloberfläche (Abb. 4). Es gibt unendlich viele Großkreise auf einer Kugeloberfläche aber durch zwei bestimmte Punkte A und B immer nur einen Großkreis. Es sei denn, die beiden Punkte A und B liegen sich als Pole genau 180° gegenüber, dann gibt es auch hier unendlich viele Großkreise durch beide Punkte.

Abb. 4: Großkreis durch die Punkte A und B

Zieht man einen Großkreis an der Himmelskugel vom Südpunkt des Horizonts durch den Zenit zum Nordpunkt des Horizonts und wieder durch den Nadir zum Südpunkt zurück, dann wird dieser Großkreis „Meridian“ genannt (Abb. 5). Der Meridian steht senkrecht zur Horizontebene des Betrachters und jeder Beobachter hat seinen eigenen Meridian.

Abb. 5: Meridian durch Nord-, Südpunkt und Zenit im sichtbaren Bereich der Himmelskugel

Der Meridian ist eine wichtige Linie, weil alle Gestirne, die im Laufe der Erdrotation an einem Tag über den sichtbaren Himmel ziehen, beim Durchgang durch den Meridian ihren Höchststand am Himmel aufweisen. Man spricht von „Kulmination“ und sagt, ein Gestirn kulminiert beim Meridiandurchgang. Beim Durchgang durch den Meridian haben also Sonne, Mond, Planeten und Sterne ihren Tageshöchststand an der Himmelskugel des Beobachters und der zwischen Horizont und Gestirn gemessene Höhenwinkel ist maximal.

Bei Kulmination der Sonne ist am Beobachtungsstandort “wahrer Mittag” und die Sonne steht genau im Süden. Der Meridian ist dabei vom Beobachtungsstandort abhängig. Jeder Beobachter hat seinen eigenen Meridian, der von Längengrad anhängig ist. Der sogenannte “Nullmeridian” ist der Meridian, der durch die Sternwarte in Greenwich (UK) verläuft. Dieser dient als Nullpunkt für die Längengrad-Einteilung auf dem Globus.

Der Großkreis durch Zenit, Nadir und Ostpunkt sowie Westpunkt ist um 90° zum Meridian gedreht und wird als „erstes Vertikal“ bezeichnet.

Geografische Breite und Polhöhe

Während Zenit und Nadir, die vier Himmelsrichtungen sowie der Meridian für jeden Beobachtungsort der Erde gleich definiert sind, ändert sich die Lage der Himmelspole. Jeder Beobachter auf der Erde hat seinen eigenen Standort. Ein Beobachter am Nordpol hat den Himmelsnordpol direkt im Zenit über sich und den Himmelssüdpol unter seinen Füßen direkt im Nadir. Ein zweiter Beobachter am Äquator der Erde sieht die beiden Himmelspole genau auf den Nord- und Südpunkten seines Horizonts.

Beobachter zwischen diesen beiden Extremen sehen die Pole (bzw. einen Pol) irgendwo dazwischen. Auf welcher Höhe der Himmelspol zu sehen ist, lässt sich aus der geografischen Breite des Beobachtungsstandorts ableiten. Unter der Annahme, dass die Erde eine perfekte Kugel ist, ist die Polhöhe in Grad gleich der geografischen Breite in Grad (Abb. 5).

Abb. 5: Polhöhe und Breitengrad

Der Winkel phi wird als „Polhöhe“ bezeichnet. Am Nordpol beträgt der Breitengrad +90° und auch der Himmelspol steht in einem Winkel von 90° zum Horizont im Zenit über dem Beobachter. Wandert nun der Beobachtungsstandort langsam Richtung Äquator wird der Breitengrad kleiner, bis er schließlich am Äquator 0° erreicht. Im selben Maße wird die Polhöhe kleiner, also der Winkel, den Horizont und sichtbarer Himmelspol bilden.

Auf der Nordhalbkugel sehen wir den Himmelsnordpol also Richtung Norden auf einer Höhe, die der eigenen geografischen Breite entspricht. In Deutschland sind dies in etwa 51°. Entsprechend sehen wir den höchsten Punkt des Himmelsäquators auf dem Nord-Süd Meridian Richtung Süden unter einem Winkel von 90°-Polhöhe, also etwa unter einem Winkel von 39°.

Fixpunkte für den Beobachter

Das soll es dann mit Fixpunkten für den Beobachter gewesen sein. Die weiteren Punkte die wir zur Orientierung am Himmel und für Koordinatensysteme benötigen, stehen nicht fest am Himmelsgewölbe. Sie sind anders definiert und bewegen sich mit den Himmelbewegungen. Mehr dazu dann beim nächsten Mal.

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2 Antworten

  1. 16. August 2020

    […] Teil 1 dieser Reihe ging es ja um Fixpunkte zur Orientierung am Himmel. Neben den vier Himmelsrichtungen […]

  2. 20. August 2020

    […] wir uns in den Teilen 1, 2 und 3 dieser Blog-Reihe einige notwendige Grundlagen angeschaut haben, fangen wir nun mit dem […]

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