Astronomische Instrumente

einst und jetzt

 

Teil 1: Vom Schattenstab und dessen Entwicklung

 

Schon seit ewigen Zeiten bedienen sich die Astronomen technischer Hilfsmittel zur Erforschung des Himmels. Diese Serie soll die Geschichte dieser Geräte beleuchten. Den Anfang bilden der Schattenstab und die Sonnenuhr als einfachste Hilfsmittel. Im darauf folgenden Artikel zeige ich Ihnen dann verschiedene Winkelmessgeräte wie das Astrolabium und den Quadranten. Weiter geht es danach mit der Beschreibung diverser Globen und letztlich mit der Erfindung und Verwendung von Fernrohren.

Dabei möchte ich versuchen, vor allem den Laien die Möglichkeit zu bieten, diese Hilfsmittel verstehen zu lernen. Also, begeben Sie sich mit mir auf eine Zeitreise zurück in die Anfänge der Sternkunde und lernen Sie die Forscher und ihre Leistungen auf dem Gebiet der Astronomie kennen.

Schatten und Schattenstab

Die ersten Naturerscheinungen, die der Mensch wahrgenommen hat, dürften wohl der ständige Wechsel zwischen Tag und Nacht, sowie die Veränderungen der Sonne im Jahreslauf gewesen sein. Von einer Zeiteinteilung im heutigen Sinn konnte sicherlich noch keine Rede sein. Es genügte die Einteilung in Morgen, Mittag, Abend und Nacht. Schon früh erkannten die Menschen, dass ihr eigener Schatten je nach Tageszeit sowohl seine Richtung als auch seine Länge ändert, und dabei wurde der Zusammenhang mit der Position der Sonne sicherlich schnell hergestellt. Aber was konnte die Beobachtung des Schattens ergeben? Zum einen die Feststellung des Mittags, also jenen Moments, in dem die Sonne ihren täglichen höchsten Punkt über dem Horizont des Beobachtungsortes erreicht. Zum anderen konnte mit der Länge des Schattens am Mittag auch die Jahreszeit bestimmt werden. Die Mittagszeit festzustellen ist aber gar nicht so einfach, wenn man nur ab und zu den Schatten betrachtet. Eine Möglichkeit, den Meridian (die Mittagslinie) zu finden, ist auf der Grafik hier dargestellt: Dabei findet man die Südrichtung, indem man die Endpunkte gleichlanger Schatten (P1 und P2) miteinander verbindet und die Verbindungslinie halbiert.

Um die Jahreszeiten zu bestimmen, wurde ebenfalls die Länge des Schattens gemessen. Schon die Babylonier (~ 2000 v. Chr.) erkannten, dass die Sonne je nach Jahreszeit auf verschieden hohen Wegen über den Himmel zieht. Sie benannten diese Wege "Anu", "Enlil" und "Ea". Im Frühling und im Herbst bewegte sich die Sonne jeweils entlang dem "Anuweg" (also auf dem Himmelsäquator), im Sommer hingegen auf dem Enlilweg (oberhalb des Äquators), und im Winter auf dem Eaweg (unterhalb des Äquators). Die Sonne erreicht zum Zeitpunkt der Sommersonnenwende ihren höchsten Stand und projiziert damit den kürzesten Schatten in ihrem Jahreslauf. Zur Wintersonnenwende sehen wir dagegen den längsten Schatten. Die Chinesen haben damit bereits um 1100 v. Chr. durch die unterschiedlichen Schattenlängen die Neigung der Erdachse mit 23° 54‘ und die Dauer des Jahres mit 365¼ Tagen bestimmt.

Die ersten "Schattenstäbe" bildeten dabei die Menschen selber. So sind uns zahlreiche Überlieferungen bekannt, in denen Zeitangaben durch die Angabe der eigenen Schattenlänge gemacht wurden. Dabei wurde zum Beispiel die Schattenlänge in Füßen ermittelt. So schreibt ein gewisser Theodorus an Theophilus: "Du musst also die Stunden bezeichnen, indem du deinen Schatten mit deinen Füßen abmißt, den einen vor den anderen setzend bis zu dem Orte, wohin bei aufrechter Stellung durch den Schatten der oberste Punkt deines Kopfes traf." Der Grieche Philoxenes musste sich aus dem Munde seines Arztes wenig erfreuliche Worte anhören: "Wenn du noch irgend eine Anordnung zu treffen hast, dann geh‘ ohne Aufschub daran, denn du wirst binnen sieben Fuß sterben." Ein verliebter Jüngling hätte damals seine Angebetete möglicherweise mit folgenden Worten zum Stelldichein geladen: "Wenn dein Schatten 16 Fuß lang ist, dann, geliebte Berenike, erwarte ich dich hinter dem großen Stein am Olivenhain." Da die Fußlänge zur Körperlänge etwa im festen Verhältnis 1:7 steht, ist die Methode zur Bestimmung der Schattenlänge (bzw. der Zeit) auch von verschieden großen Menschen durchführbar. War jemand größer, so wurde sein Schatten auch mit einem größeren Fuß gemessen. Mögen wir heute über diese Praktiken zur Zeitbestimmung auch ein wenig lächeln und uns über die unzureichenden Genauigkeiten wundern, so sollten wir aber nicht vergessen, dass das Leben in der Antike vor über 2000 Jahren ganz anders verlief als heute. Für die damaligen Verhältnisse reichte die Genauigkeit der Zeitangaben völlig aus.

Die ersten Sonnenuhren

Die ältesten erhalten gebliebenen tragbaren Sonnenuhren stammen aus der ersten Hälfte des 15. Jahrhunderts v. Chr. aus Ägypten. Eine dieser Sonnenuhren (siehe Abbildung) besteht aus einem etwa 35 cm langem Lineal mit einem kleinen Balkenaufsatz; zum waagrechten Aufstellen diente ein einfaches Lot. Hier ergibt die Länge des vom Balkenaufsatz geworfenen Schattens die Tageszeit. Eine andere Form solcher Streiflichtuhren bildet die Stufen- oder Treppensonnenuhr, die mit ihrer Längsseite in Ost-West-Richtung gestellt wird (siehe Grafik). Bei steigender Sonne geht der Schatten langsam die Treppe von Stufe zu Stufe hinunter, bis er zu Mittag unten angelangt ist, und bald darauf beginnt der Schatten die andere Treppe wieder hinaufzusteigen. Einen Hinweis auf eine ähnlich funktionierende, aber bedeutend größere Sonnenuhr gibt eine bekannte Stelle in der Bibel, wonach Gott dem Hiskias ein Zeichen gegeben und zur Täuschung des Feindes "den Schatten am Sonnenzeiger des Ahas zehn Stufen zurückgezogen" haben soll. Ahas regierte von 743 bis 728 v. Chr.

Schon um etwa 1800 v. Chr. wurden auf öffentlichen Plätzen und vor Tempeln große Sonnensäulen (Obelisken) gesetzt, deren Schattenende auf farbigen Platten im Boden die Stunden anzeigten. Einige dieser Obelisken wurden von den Eroberern in ihre jeweiligen Hauptstädte gebracht, so nach Rom, Paris und London. Kaiser Augustus ließ einen solchen Gnomon (Schattenstab), der aus dem 6. Jahrhundert v. Chr. stammte und in Heliopolis unweit des heutigen Kairo stand, nach Rom bringen und im nördlichen Teil des "Campus Martius" aufstellen. Die Tageszeit konnte mit Hilfe von Stundenmarkierungen abgelesen werden, die zu ebener Erde angebracht waren (siehe Abbildung). Solche einfachen Sonnenuhren – senkrechter Stab auf waagrechter Ebene, oder später ein waagrechter Stab auf senkrechter Ebene – konnten aber nie richtig funktionieren, da sich die Schattenwanderung entsprechend der Jahres- und Tageszeit verändert (am Morgen oder Abend bei tiefstehender Sonne legt der Schatten in gleichen Zeitabschnitten eine größere Strecke zurück als mittags bei hochstehender Sonne). Insgesamt waren die Römer in der Theorie der Zeitmessung und -erfassung nicht sehr bedeutend. Voltaire, der Philosoph und Uhrenbauer, sagte einmal: "Die Römer waren stets siegreich, aber sie wussten nie den Tag und die Stunde ihres Sieges."

Auch in unserem Kulturkreis sollte es noch lange Zeit dauern, bis einigermaßen genaue Sonnenuhren zum Einsatz kamen. Im Süden (Griechenland und Ägypten) dagegen wurde die Sonnenuhr weiterentwickelt. Um mit einem Gnomon überhaupt eine sinnvolle Zeitmessung ausführen zu können, musste man das Zifferblatt in einer ganz bestimmten Weise anordnen und unterteilen. Dazu gab es im Laufe der Zeit ganz unterschiedliche Lösungen. Eine der ersten Weiterentwicklungen bestand darin, die Projektionsfläche auf die Innenseite einer Hohlkugel aufzubringen. Es entstand die so genannte Skaphe. Die Skaphe wurde entweder halbkugelförmig, oder (wie in der Abbildung) in einem abgeschrägten würfelförmigen Block hergestellt. Letztere hatte den Vorteil, dass man schon von weitem die Zeit ablesen konnte. Der Anwendungsbereich der Skaphe erstreckt sich nicht nur auf die Zeitbestimmung, mit ihnen wurden auch Sonnenhöhen gemessen, sowie Polhöhen und Polhöhenunterschiede bestimmt. Hierzu muss bemerkt werden, dass die Kugelgestalt der Erde vor rund 2000 Jahren bekannt war. Man wusste auch, daß sich bei einem Ortswechsel die Höhen der Sterne veränderten, d.h., dass bei einer Reise nach Süden im nördlichen Himmelsbereich zunehmend Sterne verschwanden, während im südlichen Bereich immer mehr Sterne emporstiegen. Weiterhin war der Zusammenhang zwischen Himmelsnordpol und dem alltäglichen Sternenlauf und Sonnenlauf bekannt.

Da es nicht einfach war, eine exakte Hohlkugel herzustellen, spielte man immer mit dem Gedanken, eine Sonnenuhr auf einer ebenen Fläche zu konstruieren. Hier aber stellt sich wieder das Problem der scheinbar unterschiedlichen Schattenwanderung je nach Tageszeit bzw. Jahreszeit. Um dieses Problem zu lösen, wurde der Schattenstab erdachsenparallel, d.h. in Richtung des Himmelsnordpoles ausgerichtet. Wollte man nun eine horizontale oder vertikale Anzeige, musste man wieder eine komplizierte Berechnung der Stundenlinien anstellen. Um dies zu umgehen, wurde sozusagen als Prototyp dieser Sonnenuhren das Zifferblatt in die Ebene des Himmelsäquators ausgerichtet. Der Himmelsäquator steht immer im genauen 90°-Winkel zum Himmelsnordpol, und somit auch einfach zu finden. Die Herstellung einer solchen Sonnenuhr z.B. als "Äquatoriales Rad" ist ebenfalls einfach. Der Schattenstab wird genau im 90°-Winkel durch die Mitte einer ebenen Scheibe gesteckt. Dann wird die Scheibe so aufgestellt, dass die Spitze des Schattenstabs zum Himmelsnordpol (oder zum Polarstern) zeigt. Dabei dient die untere Seite des Gnomons als Stütze. Um den richtigen Winkel zum Himmelsnordpol einzustellen, muss jetzt lediglich diese untere Stütze auf die richtige Länge zurechtgeschnitten werden.

Weiterhin ist es sehr einfach, die Stundenlinien einzuzeichnen. Da das Zifferblatt in der Äquatorebene verläuft, in der auch die Stunden gemessen werden, ist die Bewegung des Schattens in jeder Stunde eines Tages gleich, sie beträgt ca. 15° je Stunde (also 360° in 24 Stunden). Ein Rad braucht also lediglich in 24 gleich große Teile eingeteilt werden. Das muss so geschehen, dass die 12h-Stundenlinie vom Zeigerfußpunkt aus genau nach Norden verläuft. Diese Art der Sonnenuhr finden wir hauptsächlich bei tragbaren Objekten; als ortsfeste Objekte sind sie, obwohl sie einfach herzustellen sind, sehr selten. Dies liegt an ihrer Handhabung. Die Sonne beleuchtet im Sommer die obere Hälfte des Rades, während im Winter die untere Seite beschienen wird. Dies bedeutet, dass der Betrachter die Zeit im Sommer auf der oberen Fläche ablesen kann, im Winter aber muss die Zeit auf der unteren Fläche abgelesen werden. Ein lichtundurchlässiges Rad müsste auf einem hohen Podest über Augenhöhe oder auf einem hohen Gebäude angebracht werden, damit man im Winter seine Unterseite ablesen könnte. Oder es müsste lichtdurchlässig sein, um das ganzjährige Ablesen zu gestatten. Eine heutige Variante der äquatorialen Sonnenuhr sehen Sie hier.

Das ganze Jahr über leicht abzulesen sind horizontale Sonnenuhren, denn ihre Schatten fallen auf flache Ebenen und sind rund ums Jahr sichtbar. Das Grundprinzip ist sehr einfach. Ein Schattenstab wird einfach in den Boden gesteckt. Allerdings diesmal nicht senkrecht, er zeigt vielmehr zum Himmelsnordpol. Als Zifferblatt kann der Boden verwendet werden. Der Vorteil zum senkrechten Gnomon wie dem auf dem Campus Martius in Rom liegt darin, dass die Richtung des Schattens nur noch von der Tageszeit abhängt, nicht mehr vom Jahreslauf beeinflusst ist. Aber im Gegensatz zur Äquatorialuhr haben die Stundenlinien keine gleichmäßigen 15°-Abstände, da der Schatten auf einer horizontalen Fläche nicht proportional zum Stundenwinkel der Sonne fortschreitet. Der Winkel zwischen der jeweiligen Stundenlinie und der Nord-Süd-Richtung ist von der geographischen Breite und von der jeweiligen Tageszeit abhängig. Solch eine Sonnenuhr zu entwerfen erforderte schon sehr genaue Kenntnisse über Trigonometrie und wurde daher erst im 15. Jahrhundert entwickelt. In dieser Zeit entstanden dann vielfältige Variationen. Während eine Horizontalsonnenuhr mit Polstab (der zum Himmelsnordpol gerichtete Schattenstab) ein Herantreten des Betrachters erfordert, konnten Vertikale Sonnenuhren mit Polstab schon von weitem abgelesen werden. Hier sehen Sie zwei Beispiele solcher Vertikalsonnenuhren.

Im 16. Jahrhundert erlebte der Bau von Sonnenuhren seinen Höhepunkt. Vor allem in den Handelsmetropolen Nürnberg, Augsburg, Paris, Antwerpen u. a. entstanden regelrechte Zentren für Sonnenuhrenbau. Vor allem die Kompassmacher beschäftigten sich jetzt mit Sonnenuhren, da im aufkommenden Reiseverkehr tragbare Sonnenuhren, die jeweils immer auf die Nord-Süd-Richtung ausgerichtet werden mussten, zum Einsatz kamen. Die kleinen und handlichen Taschensonnenuhren wurden als Zeitanzeiger von Reisenden und Seeleuten verwendet, später waren sie als Reiseandenken sehr begehrt. Auf den Innenflächen tragbarer Zeitanzeiger, auch als Klappsonnenuhren bekannt, befinden sich eine horizontale und eine vertikale Sonnenuhr. Ein kleiner Kompass ermöglicht die Ausrichtung nach dem Meridian. Der Schattenzeiger wird von einem Polfaden gebildet, der die horizontale mit der vertikalen Sonnenuhr verbindet und beim Aufklappen gestrafft wird (siehe hier).

Eine weitere tragbare Sonnenuhr ist die Ringsonnenuhr. Die einfachere Variante, der so genannte Bauernring (siehe hier), besteht aus einem Metallring, vorwiegend Messing. In der Innenseite des Rings sind die verschiedenen Uhrzeiten angebracht. Ein kleines Loch in diesem Ring bewirkt, dass das Sonnenlicht durch den Ring auf die Innenseite projiziert wird. Es entsteht ein kleiner heller Fleck. Damit die Zeit aber richtig angezeigt wird, muss zum einen der Ring in Richtung zu Sonne gehalten werden, zum anderen muss in etwa die Höhe der Sonne über dem Horizont bekannt sein. Dazu kann das kleine Loch auf eine entsprechende Monatsmarkierung gestellt werden. Eine handwerkliche Kostbarkeit stellt schließlich die Weiterentwicklung der Ringsonnenuhr dar, wie sie hier zu sehen ist. Diese Ringsonnenuhr besteht aus einem Meridianring, an dem rechtwinklig ein Stundenring befestigt ist. Um 90° gegenüber den Befestigungspunkten des Stundenrings versetzt, verläuft durch den Meridianring eine drehbare Achse mit einem Deklinationsschieber.

Der Deklinationsschieber hat einen verschiebbaren Schlitten, mit dem das Datum (bzw. die Sonnenhöhe) eingestellt werden muss. Gleichzeitig dient der Schlitten als Lochgnomon. Zur Zeitablesung wird die Ringsonnenuhr entsprechend der geographischen Breite am Meridianring aufgehängt und nach Süden ausgerichtet. Der Stundenring verläuft dann parallel zum Himmelsäquator, und die Achse zeigt zum Himmelsnordpol. Nachdem der Deklinationsschieber auf das betreffende Datum eingestellt wurde, dreht man die Achse so weit, bis auf dem Stundenring deutlich der Lichtpunkt abgebildet wird, den der Deklinationsschieber erzeugt. Anhand einer Zeitskala auf der Innenseite des Stundenrings ist dann die Uhrzeit ablesbar.

Dies waren ein paar Beispiele für die mathematischen und vor allem technischen Kenntnisse unserer Vorfahren. Natürlich könnte ich hier noch viele Sonnenuhren vorstellen. Dazu fehlt mir aber wieder einmal der Platz. Ich möchte Sie aber einladen, in den nächsten Ausgaben noch einiges wissenswertes über unsere Vorfahren kennen zu lernen. Zum Schluss zeigt uns ein überlieferter Lustspieltext, dass Sonnenuhren mit ihren Zeitangaben und dem darauf beruhenden Tagesablauf in Griechenland und dann in Rom nicht überall mit ungeteilter Freude aufgenommen wurden: "Mögen die Götter den verderben, der zuerst die Stunde ersann und dazu Sonnenuhren baute, die mir Armem den Tag in Stücke reißt. Früher war mein Bauch meine Uhr und unter allen die beste und richtigste. Überall und jederzeit mahnte sie zum Essen, selbst wenn nichts zum Essen da war; jetzt aber wird, auch wenn etwas da ist, nichts gegessen, wenn es der Sonne noch nicht gefällt."

Dieter Meyer

 

Literatur und Bilder: