Navigationshilfe:

Astronavigation mit Captain Cook

Mutterseelenallein mitten auf dem Atlantik? Keine Ahnung, wo man sich befindet und nichts als eine simple Uhr und einen Sextanten dabei? Kein Problem: Bei Planet Schule kann während einer Schiffsreise die Astronavigation, wie sie James Cook angewendet hat, interaktiv erlernt und nachvollzogen werden. In einem Tutorium werden Schritt für Schritt die Verfahrensweisen zur Standortbestimmung von Breiten- und Längengrad vermittelt.

Zum Start der Seereise

1.Willkommen an Bord

Captain Cook begrüßt die Schüler und Schülerinnen an Bord und fordert sie auf, ihn auf seiner großen Reise in den Pazifik zu begleiten und dabei die Kunst der Navigation auf See zu erlernen. Schritt für Schritt werden die Lernenden in die Bedienung der Instrumente und die Berechnung der Schiffsposition auf See eingeführt.

Detailansicht des Lernspiels: Bildnis des legendären Captain Cooks

Captain Cook führt die Lernenden in die Astronavigation auf hoher See ein.

Das Fenster rechts zeigt den Blick vom Ausguck der "HMS Resolution", dem Schiff, welches Cook auf seiner zweiten und dritten Forschungsreise benutzt hat. Mithilfe der Pfeiltasten kann man in die vier Himmelsrichtungen schauen.

2. Blick durch den Sextanten

Im kleineren mittleren Fenster ist der Blick durch den Sextanten dargestellt. Der Sextant dient zur Bestimmung der Höhe der Sonne über dem Horizont. Durch eine Spiegelanordnung kann das Bild der Sonne auf die Ebene des Horizonts projiziert werden. Die rechte Hälfte der Durchsicht zeigt den Meereshorizont.

Die Sonnenhöhe wird mit dem Sextanten folgendermaßen bestimmt: Die Pfeiltasten über und unter der Durchsicht müssen gedrückt werden, bis die Sonne im Durchsichtfenster erscheint. Der Sextant ist dann ausgerichtet, wenn die Sonne auf dem Horizont liegt. Rechts unten kann die Sonnenhöhe abgelesen werden.

Detailansicht des Lernspiels: Reisekarte

Die Karte zeigt die bisherige Reiseroute von Cooks Schiff "HMS Resolution".

3. Hilfe zur Berechnung der Breitengrade

Um die Breite zu berechnen, geht man folgendermaßen vor: Man misst zunächst die Höhe der Sonne über dem Horizont zu ihrem Höchststand mit dem Sextanten.

Außerdem benötigt man die Deklination der Sonne für diesen Tag. Die Seefahrer zu Cooks Zeiten ermittelten die Deklination aus astronomisch gewonnenen Tabellenwerken. In unserer Animation kann man sie im Fenster rechts unten ablesen.

Nun kommt es darauf an, ob sich der Sonnenhöchststand im Süden oder im Norden befindet und ob es sich um eine südliche oder nördliche Deklination handelt:

(1) Ist die Sonne im Süden und die Deklination nördlich, berechnet man die Breite nach = 90° + Deklination - gemessene Sonnenhöhe.

(2) Ist die Sonne im Süden und die Deklination südlich, berechnet man die Breite nach = 90° - Deklination - gemessene Sonnenhöhe.

(3) Ist die Sonne im Norden und die Deklination nördlich, berechnet man die Breite nach = -90° + Deklination + gemessene Sonnenhöhe.

(4) Ist die Sonne im Norden und die Deklination südlich, berechnet man die Breite nach = -90° - Deklination + gemessene Sonnenhöhe.

Positive Ergebnisse bedeuten nördliche Breitengrade, negative Ergebnisse weisen auf südliche Breitengrade hin.

Detailansicht des Lernspiels: Blick durch den Sextanten

Die Durchsicht durch den Sextanten: Der Höhenwinkel der Sonne beträgt 40,3 Grad.

3.1 Beispiel

Im Fenster unten rechts wird eine Deklination von -22° abgelesen. Beim Sonnenhöchststand bestimmen wir die Sonnenhöhe mit dem Sextanten zu 80°. Die Sonne steht im Norden. Die Breite berechnet sich folgendermaßen:

-90° - 22° +80° = -32°

Da das Ergebnis negativ ist, befinden wir uns auf 32° südlicher Breite.

4. Hilfe zur Berechnung der Längengrade

Zur Berechnung der Länge benötigt man eine Uhr, die auf die Greenwich Mean Time geeicht ist; das bedeutet, dass auf dem Null-Längenkreis die Sonne genau um 12 Uhr mittags ihren Höchststand erreicht. Um die Länge zu bestimmen, benötigt man also möglichst genau den Zeitpunkt des Sonnenhöchststandes.

4.1 Bestimmung der Uhrzeit des Sonnenhöchststandes

Es gibt zwei Möglichkeiten, den Zeitpunkt für den Höchststand der Sonne zu bestimmen:

(1) Bei der einfacheren, aber ungenaueren Methode misst man nach Sonnenaufgang den Sonnenstand mit dem Sextanten so lange, bis die Sonne wieder sinkt. Kurze Zeit vorher war dann die Sonne auf ihrem Höchststand. Da die Sonne mittags nur sehr langsam ihre Höhe ändert, ist diese Methode sehr ungenau.

Detailansicht des Lernspiels: Uhr

Zur Berechnung der Längengrade leistet eine Uhr wertvolle Dienste.

(2) Die etwas komplizierte, aber genauere Methode funktioniert folgendermaßen: Man misst zu einem beliebigen Zeitpunkt t1 nach Sonnenaufgang die Sonnenhöhe und merkt sich die Uhrzeit. Dann wartet man, bis die Sonne zu einem Zeitpunkt t2, nachdem sie ihren Höchststand überschritten hat, wieder die gleiche Höhe erreicht hat. Sonnenhöchststand war dann genau zur Hälfte der Zeit zwischen den beiden Messungen.

4.2 Beispiel

Um 08:00 Uhr wird die Sonnenhöhe zu 10,5° bestimmt. Man wartet, bis die Sonne nachmittags wieder auf 10,5° steht, und liest die Uhrzeit ab. Es ist 13:30 Uhr. Die Hälfte der Zeit zwischen den Messungen ist 10:45 Uhr.

4.3 Bestimmung der Längen aus der Uhrzeit des Sonnenhöchststands

Die Länge wird aus der Zeitverschiebung berechnet. Die Zeitverschiebung kann aus der Abweichung der Uhrzeit von 12 Uhr beim Sonnenhöchststand ermittelt werden: Die Sonne "wandert" mit 15° pro Stunde nach Westen.

Daraus folgt: Länge = Zeitabweichung von 12 Uhr (gemessen in Stunden) x 15

Östliche Länge erhalten wir, wenn die gemessene Uhrzeit vor 12:00 Uhr liegt.

Westliche Länge erhalten wir, wenn die gemessene Uhrzeit nach 12:00 Uhr liegt.

Detailansicht des Lernspiels: Eingabemaske

Die errechneten Positionen müssen in die Eingabefelder eingetragen und können anschließend überprüft werden.

4.4 Beispiel:

Der Sonnenhöchststand wurde wie oben beschreiben zu 11:15 bestimmt.

Die Abweichung von 12:00 ist 1 Stunde und 15 Minuten, also 1,25 Stunden.

Die Länge berechnet sich also folgendermaßen:

1,25 x 15 = 18,75°

Da 11:15 vor 12:00 Uhr liegt, befinden wir uns auf 18,75° östlicher Länge.

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