Die Geheimnisse der Weltnavigation erforschen – westliche Navigationstechnik „Breiten- und Längengradpositionierung“

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„Fünfhundert Jahre Weltschifffahrt: Sonderausstellung maritimer Relikte vom 15. bis 19. Jahrhundert“

Transport maritimer Relikte aus mehr als 20 Ländern auf fünf Kontinenten

Offiziell gelandet

Chinesisches Schifffahrtsmuseum

Wie konnten die Seefahrer der Antike ohne die Hilfe moderner Ortungssysteme wie Beidou und GPS ihre Position auf dem weiten Ozean bestimmen?

Wir wissen, dass ein Schiff, das über den Ozean fährt, immer den Längen- und Breitengrad kennen muss. Breiten- und Längengrad werden durch Messen des Winkels zwischen dem Meeresspiegel und bestimmten Himmelskörpern (wie Sonne, Mond und Sternen) berechnet. Welche Instrumente nutzten Seefahrer vom 15. bis zum 19. Jahrhundert zur Bestimmung von Längen- und Breitengraden? Welche Entwicklung und Veränderungen haben diese Instrumente durchgemacht?

Bestimmen Sie den Breitengrad anhand des Himmels

Das Astrolabium ist ein altes Instrument zur Sternenbeobachtung. Im Jahr 1470 entfernten Seefahrer die Sternenkarte vom Astrolabium und verwandelten es in ein einfaches Navigationsinstrument zur Messung der geografischen Breite von Land und der Position von Schiffen auf See. Ein nautisches Astrolabium besteht aus einer drehbaren Nadel, die in der Mitte einer Holz- (oder Metall-)Scheibe befestigt ist und auf deren Umfang Gradangaben angebracht sind.

Schematische Darstellung der Anwendung des nautischen Astrolabiums

Hängen Sie das Astrolabium bei der Verwendung vertikal auf, sodass die Null-Grad-Markierung bündig mit der Horizontalen abschließt, bewegen Sie den Zeiger auf den zu messenden Himmelskörper und messen Sie die Höhe des Himmelskörpers. Dadurch lässt sich der Breitengrad des Schiffes ermitteln. Aufgrund der Unebenheiten auf dem Schiffsdeck ist die Bedienung jedoch schwierig und die Fehlerquote ist groß.

Der rechtwinklige Quadrant ist eine rechtwinklige Bogenplatte aus Hartholz, wobei der Bogen in 90 Grad unterteilt ist; Unter einer der rechtwinkligen Seiten befindet sich ein Visier zum Anvisieren von Himmelskörpern. An der Spitze des rechten Winkels ist eine Linie befestigt und unter der Linie ist ein Lot befestigt, um die Gradzahl anzuzeigen. Wenn die rechte Seite des Winkels mit dem beobachteten Objekt übereinstimmt, entspricht der durch die senkrechte Linie angezeigte Grad der erforderlichen Höhe. Der rechtwinklige Quadrant ist nur für den Einsatz bei ruhiger See geeignet.

Nach 1530 verwendeten westliche Seefahrer im Allgemeinen das astronomische Instrument „Kreuz“, auch als Jakobsstab, Goldstab usw. bekannt. Es besteht aus einem kurzen Stab mit Löchern an beiden Enden, der vertikal auf einem langen geraden Stab mit einer Skala montiert ist. Der kurze Stab lässt sich auf dem langen Stab hin und her bewegen und durch die oberen und unteren Löcher lassen sich Horizont und Himmelskörper betrachten.

Im Jahr 1595 erfand der Engländer John Davis das Instrument zur umgekehrten Himmelshöhenbeobachtung. Die Höhe und Breite von Himmelskörpern konnte durch die Projektion von Schatten auf eine Skala durch ein Spiegelsystem ermittelt werden. Dadurch wurden die Mängel von Astrolabien, Kreuzheliostaten und anderen Instrumenten überwunden, die eine direkte visuelle Beobachtung von Himmelskörpern erforderten.

Im Jahr 1730 erfanden der Amerikaner T. Godfrey und der Brite John Hadley den Oktanten. Der Name Oktant kommt daher, dass sein Skalenbogen etwa einem Achtel des Kreisumfangs entspricht (also 45°) und sein Winkelmessbereich bis zu 90° reichen kann.

Oktantenstruktur, Nutzungsdiagramm und Prinzipdiagramm

Oktant

Im Jahr 1757 erweiterte Captain Campbell den Messbereich auf 120° basierend auf dem Oktanten und nannte ihn Sextant. Obwohl der Messwinkel des Sextanten schrittweise auf 144 Grad erhöht wurde, was etwa einem Fünftel des Kreisumfangs entspricht, blieb der Name des Sextanten unverändert.

Diagramm der Sextantenverwendung

A: Anzeigespiegel B: Horizontspiegel C: Teleskop D: Anzeigearm E: Zifferblatt

Schematische Darstellung des Sextantenprinzips

Bei der Anwendung hält der Beobachter den Sextanten und dreht den Indexspiegel so, dass die gleichzeitig im Sichtfeld erscheinenden Himmelskörper mit dem Horizont übereinstimmen. Der Sextant ist leicht und kann für Beobachtungen auf einem schwankenden Schiff verwendet werden. Sein Nachteil besteht darin, dass es an regnerischen Tagen nicht verwendet werden kann.

Sextant

Vom Astrolabium, dem rechtwinkligen Quadranten, dem astronomischen Kreuzinstrument bis hin zum umgekehrten Himmelshöhenmesser und dann zum Oktanten und Sextanten wurden Navigationsinstrumente zur Breitengradmessung kontinuierlich verbessert, und der Breitengrad kann heute genau gemessen werden. Doch das Problem der genauen Längengradbestimmung blieb bis ins 17. Jahrhundert ungelöst.

Im Jahr 1675 gründete Karl II. von England das Royal Observatory in Greenwich mit dem Ziel, die Längengrade verschiedener Orte zu bestimmen. Im Jahr 1714 lobte die britische Regierung einen Preis von 20.000 Pfund aus, um eine Methode zur Bestimmung des Längengrads zu finden, die sowohl genau als auch praktisch war, und gründete das Board of Longitude, um dessen Anwendung zu untersuchen.

Der Schlüssel zur genauen Bestimmung des Längengrads liegt in der genauen Zeitmessung.

„Zeit“ kontrollieren und „Klassiker“ bestimmen

Wie Instrumente zur Breitengradmessung haben auch Zeitmessgeräte ihren eigenen Entwicklungskontext. Vor der Erfindung der Uhr waren Sonnenuhren, Sanduhren und Nachtuhren weit verbreitete Instrumente zur Zeitmessung.

Eine Sonnenuhr, auch Sonnenuhr genannt, ist ein Instrument zur Beobachtung des Sonnenschattens und zur Aufzeichnung der Zeit. Es gibt hauptsächlich die Uhrzeit bzw. Minute anhand der Position des Sonnenschattens an. Es besteht normalerweise aus einem Stil (Zifferblatt) und einem Zifferblatt (einer Basis mit Skalen). Die Methode, Sonnenuhren zur Zeitbestimmung zu verwenden, ist eine bedeutende Erfindung der Menschheit auf dem Gebiet der astronomischen Zeitmessung und wird von der Menschheit seit Tausenden von Jahren genutzt.

Britische Sonnenuhr

In Deutschland hergestellte Sonnenuhr mit Kompass

Französische Sonnenuhr

In China hergestellte Sonnenuhr mit Kompass

Die Sanduhr ist eine alte und weit verbreitete Schiffsuhr, bei der Treibsand im Glas zur Zeitmessung verwendet wird.

Ein Nachtfluginstrument nutzt den Nordstern zur Zeitmessung. Sanduhren und Nachtnavigationsinstrumente waren Instrumente, die von Seeleuten vor der Erfindung der Uhr verwendet wurden, um bei nächtlicher Seefahrt die Zeit zu bestimmen und aufzuzeichnen.

Diagramm zur Verwendung von Nachtfluginstrumenten

Frühe Marine-Nachtnavigationsinstrumente

Im Jahr 1759, nach mehr als 20 Jahren Experimenten, verbesserte der britische Uhrmacher John Harrison die erste astronomische Uhr kontinuierlich bis zur vierten Generation und schuf schließlich eine präzise und tragbare astronomische Uhr; 1766 veröffentlichte Neville Maskeline den ersten praktischen „Navigationsalmanach“ im Vereinigten Königreich. Von da an konnten Seeleute die astronomische Uhr in Verbindung mit einem Sextanten und einem nautischen Almanach verwenden, um Längen- und Breitengrade zu berechnen und ihre Position genau zu bestimmen.

Harrison H1 Astronomische Uhr

Harrison H4 Astronomische Uhr

Kong Yingda, ein Gelehrter der Tang-Dynastie, erklärte „Zivilisation“ in seinen Anmerkungen zum Buch der Dokumente wie folgt: „Diejenige, die Himmel und Erde umspannt, wird Kultur genannt, und diejenige, die in alle Richtungen herabscheint, wird Helligkeit genannt.“ Wenn es uns gelingt, die Maßstäbe für Zeit und Raum zwischen Himmel und Erde zu ermitteln, wird die Menschheit einen großen Schritt nach vorne gemacht haben. Dies ist der Beitrag, den die jahrhundertelange Entwicklung von Navigationsinstrumenten zum Lauf der Weltgeschichte geleistet hat.