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Begriffe in der Astronomie
Nachfolgend einige Begriffe, die es ermöglichen, für einen bestimmten Beobachtungsort und einen bestimmten Zeitpunkt die momentane Position eines Fixsterns oder eines Planeten an der gedachten Himmelskugel zu bestimmen.
In der Astronomie sind zur Bestimmung der Position eines Himmelsobjektes mehrere astronomische Koordinatensysteme gebräuchlich. Näher eingehen möchte ich auf das relative Koordinatensystem (Horizont-System), das den Standpunkt des Beobachter als Bezugspunkt nimmt, und das absolute Koordinatensystem, das nicht an einen Beobachter gebunden ist und sich auf einen neutralen/absoluten Punkt (z.B. Erdmittelpunkt) bezieht.
Astronomische Koordinatensysteme
Astronomische Koordinatensysteme dienen dazu, die Position von Himmelskörpern anzugeben. Dabei handelt es sich um Kugelkoordinaten, im engeren Sinne um sphärische Koordinaten, weil für das Finden der Körper am Himmel deren Entfernung keine Rolle spielt.
Koordinatenursprung der astronomischen Systeme ist die Erde (ihr Mittelpunkt oder ein Ort auf ihrer Oberfläche, geozentrisches Weltbild), die Sonne (heliozentrisches Weltbild) oder ein anderer Himmelskörper (zum Beispiel ein Planet, um die Lage seiner Monde relativ zu ihm selbst anzugeben). Er befindet sich in einer zu wählenden Bezugsebene, innerhalb derer die eine der beiden astronomischen Winkelkoordinaten bestimmt wird. Der zweite Winkel wird senkrecht über der Bezugsebene bis zum anzugebenden Himmelskörper gemessen.
Relatives Koordinatensystem
Relative Koordinatensysteme sind an einen Beobachter gebunden. Sie haben ihren Bezugspunkt am Ort des Beobachters, also auf der Erdoberfläche, und werden auch lokale Koordinatensysteme oder topozentrische Koordinatensysteme genannt.
Das Horizont-System ist das Koordinatensystem, das jedem Beobachter am vertrautesten ist. Er befindet sich in dessen Ursprung, der Horizont ist die Bezugsebene.
Der Winkel über Horizont zum Himmelskörper ist dessen Höhe h. Die Abweichung des Punktes am Horizont senkrecht unter dem Körper von der Süd-Richtung ist das Azimut a.
Auf anderen Himmelskörpern stationierte Beobachter sind mit Ausnahme einiger Astronauten, die sich kurzzeitig auf dem Mond aufhielten, noch fiktiv.
Azimut
Die Definition der Astronomie für den Azimut lautet wie folgt: Das Azimut ist der Winkel zwischen der Meridianebene und der Vertikalebene eines Gestirns. In der Astronomie wird das Azimut beginnend von Süden über Westen gezählt, so dass ein Gestirn im Süden ein Azimut von 0° hat, ein Gestirn im Westen ein Azimut von 90° hat.
Zenit & Nadir
Der Zenit eines Punktes der Erdober- fläche ist die nach oben verlängerte physikalische Lotrichtung, die Senk- rechte auf die Horizontebene. Es ist der Punkt des Himmels, der sich genau über dem Beobachter befindet. Der Fußpunkt nennt sich Nadir.
Auf einer gedachten kugelförmigen Erde wäre der Zenit der Strahl, der ausgehend vom Erdmittelpunkt (senkrecht zur Erdoberfläche) nach oben verläuft.
Da der Zenit die Senkrechte der Horizontebene (mit Schnittpunkt im Beobachter) darstellt, kommt ihm zusammen mit dem Himmelspol eine zentrale Bedeutung für das topozentrische horizontale Koordinatensystem (mit Azimut und Höhe) zu. Zusammen mit den Himmelspolen definiert der Zenit die Meridian- ebene.
Der Winkelabstand eines Gestirns zum Zenit ist die Zenitdistanz und ist damit der Komplementärwinkel der astronomischen Höhe. Alle Gestirne, die im Tageslauf den höchsten Punkt ihrer scheinbaren Bahn im Zenit erreichen, haben eine Deklination, die der geographischen Breite des Beobachters entspricht.
Als Nadir wird in der Geometrie und in der Himmelsnavigation der dem Zenit gegenüberliegende Fußpunkt bezeichnet. Der Nadir liegt auf der Verlängerung der Lotrichtung nach unten und kann als Richtungsangabe auch für die Lotrichtung stehen.
Kulmination (Mittagshöhe)
Als Kulmination (lat. culmen = Gipfel) wird in der Astronomie der Zeitpunkt für die höchste (obere Kulmination oder auch "Mittagshöhe") oder die tiefste (untere Kulmination) tägliche Lage eines Astronomischen Objekts auf seiner scheinbaren Kreisbahn am Himmel bezeichnet. Der Begriff wird auch für die beiden Lagen selbst verwendet.
Zu der mit dem Höhenwinkel "h" gemessenen Lage wird der Zeitpunkt des Passierens dieser Lage angegeben. Der Höhenwinkel ist negativ, wenn die Kulmination unter dem Horizont stattfindet und nicht sichtbar ist. Das betrifft im Allgemeinen die untere Kulmination.
Die zirkumpolaren Sterne gehen niemals unter. Ihre untere Kulmination liegt über dem Horizont.
Umgekehrt können Sterne in der Nähe des Gegenpols am Himmel von der anderen Erdhälfte aus nie gesehen werden. Hierbei hat auch die obere Kulmination einen negativen Höhenwinkel. Beispiel sind die Sterne des Kreuz des Südens (-35°), die nur etwa bis zur Breite 25° Nord in oberer Kulmination beobachtbar sind.
Absolute Koordinatensysteme
Absolute Koordinatensysteme haben ihren Ursprung an einem relativ zum Beobachter neutralen Punkt: im Mittelpunkt von Erde, Sonne oder einem anderen Himmelskörper oder im galaktischen Zentrum. Ihre Bezugsebene ist auch nicht an den Beobachter gebunden, dreht sich also relativ zu ihm.
Aus dem oben genannten ortsfesten äquatorialen Koordinatensystem geht das rotierende äquatoriale Koordinatensystem hervor (siehe Abbildung). Es hat seinen Ursprung ebenfalls im Erdmittelpunkt, rotiert aber scheinbar um die Erde.
In Wirklichkeit ist es ruhend, der Bezugspunkt für die Winkelmessung in der Äquatorebene des Himmels ist der im Himmel fixe Frühlingspunkt. Der in der Äquatorebene angegebene Winkel ist die Rektaszension α. Der Deklinationswinkel δ ist mit dem Deklinationswinkel im ruhenden äquatorialen System identisch.
Mit der als Ekliptik bezeichneten Bahnebene, in der die Erde die Sonne einmal im Jahr umrundet, als Bezugsebene werden zwei astronomische Koordinatensysteme definiert. Beim ersten der beiden ekliptikalen Koordinatensysteme befindet sich der Ursprung im Erdmittelpunkt (geozentrisch), beim zweiten im Mittelpunkt der Sonne (heliozentrisch). In beiden Fällen werden die Koordinatenwinkel ekliptikale Länge λ (Bezugspunkt ist der Frühlingspunkt) beziehungsweise ekliptikale Breite β genannt.
Außer topozentrischen (immer relative Systeme), geozentrischen und heliozentrischen werden auch baryzentrische (Ursprung ist das Baryzentrum - gemeinsamer Schwerpunkt - von Erde und Mond) und das galaktische (Bezugsebene ist die Milchstraßenscheibe) Koordinatensystem verwendet.
Erdachse & Erdneigung (Obliquität)
Die Erdachse ist die Rotationsachse der Erde. Sie verläuft durch den Schwerpunkt des Erdkörpers, das sogenannte Geozentrum. Die unendliche Verlängerung dieser Achse nennt man Himmelsachse.
- Ihr (mittlerer) Schnittpunkt mit der Erdoberfläche legt den geografischen Nord- und Südpol fest. Die magnetischen Pole hängen dagegen nicht direkt mit der Lage der Erdachse zusammen.
- Ihr (fiktiver) Schnittpunkt mit der Himmelskugel legt den nördlichen und südlichen Himmelspol fest. Der Himmelsnordpol fällt gegenwärtig fast mit dem Polarstern zusammen.
- Die Erdachse definiert als Normale im Erdmittelpunkt eine Ebene. Diese Ebene heißt Äquatorialebene.
Als Folge der Achsenneigung von etwa 66,56 Winkelgrad gegenüber der Ekliptikalebene, der mittleren Bahnebene der Erde – das entspricht den 23,44° zwischen Äquator und Ekliptik, auch als Erdneigung bezeichnet – entstehen die Jahreszeiten.
Ekliptik & Himmelsäquator
Wenn man in den Mittelpunkt einer gläsernen Erdkugel eine Glühlampe stellen würde, ist der Himmels- äquator gerade die Projektion des Erdäquators an die schein- bare Himmelskugel. Er teilt die Himmelskugel in eine Nord- und eine Südhälfte.
Da die Erdachse gegenüber der Ebene des Sonnensystems geneigt ist, schneidet der Himmelsäquator die Ekliptik – die scheinbare Ebene der Umlaufbahn der Sonne um die Erde – derzeit unter einem Winkel 23,44° (Schiefe der Ekliptik).
Die beiden Schnittpunkte werden als Frühlings- bzw. Herbstpunkt bezeichnet, da sich in ihnen die Projektion der Sonne an die scheinbare Himmelskugel zu den Tagundnachtgleichen im Frühling bzw. Herbst befindet.
Orte auf dem Himmelsäquator haben im äquatorialen Koordinatensystem die Deklination 0°, eine Poldistanz von 90°, ihre Rektaszension wird ausgehend vom Frühlingspunkt gemessen. Gestirne, die auf dem Himmelsäquator liegen, haben die Deklination 0°.
Der Himmelsäquator ist an einem bestimmten Ort auf der Erde jeweils so weit aus der Horizontebene herausgekippt, wie es dem Komplementärwinkel der geografischen Breite entspricht (Komplementärwinkel der geografischen Breite = 90° minus geografische Breite). Für Beobachter in einer Breite von 50° ist er um 40° gegenüber dem Horizont gekippt. Für Beobachter an den Polen der Erde fällt der Himmelsäquator mit dem Horizont zusammen. Für einen Beobachter auf dem Erdäquator steigt der Himmelsäquator durch den Ostpunkt gehend senkrecht in die Höhe, zieht durch den Zenit und sinkt senkrecht durch den Westpunkt am Horizont hinab. Verlängert gedacht geht er als voller Kreis auch durch den Nadir (Fußpunkt, 180° gegenüber vom Zenit).
- BR Sterngucker: Die Ekliptik
- BR Sterngucker: Der Himmelsäquator - Nulllinie der Himmelskugel
- Wikipedia: Ekliptik
Frühlingspunkt
Als Frühlingspunkt wird - wie eben dargestellt - der Schnittpunkt des Himmelsäquators mit der Ekliptik bezeichnet, an dem die Sonne zum Frühlingsanfang der Nordhalbkugel (= Herbstanfang der Südhalbkugel) steht. Der zweite Schnittpunkt des Himmelsäquators mit der Ekliptik heißt Herbstpunkt.
Der Frühlingspunkt stellt einen wichtigen Bezugspunkt in der Astronomie dar, insbesondere im äquatorialen Koordinatensystem. Der Frühlingspunkt ist der Nullpunkt der äquatorialen und der ekliptikalen Koordinaten. Infolge der Präzession der Erde verschiebt er sich unter den Sternen. Der Frühlingspunkt liegt heute im Sternbild Fische, dennoch spricht man noch vom "Widderpunkt", da er vor rund 2.000 Jahren im Sternbild Widder lag.
Am 20. oder 21. März, selten auch am 19. März (Frühlingsanfang) erreicht die Sonne von Süden her den Frühlingspunkt, den Herbstpunkt erreicht sie, von Norden kommend, am 22. oder 23. September eines jeden Jahres. Steht die Sonne im Frühlings- bzw. Herbstpunkt, so kommt es auf der Erde zur Tagundnachtgleiche (Äquinoktium). Frühlings- und Herbstpunkt werden daher auch als Äquinoktialpunkte bzw. Äquinoktien bezeichnet.
Deklination
Die Deklination (vom Lateinischen für „Beugung“), auch Himmlischer Breitengrad genannt, wird in der Astronomie als eine Koordinate bei der Positionsangabe von Himmelsobjekten verwendet. Sie entspricht der Projektion der Breitenkreise der Erde auf eine (imaginäre) Himmelskugel. Die Deklination gibt somit den Winkelabstand eines Objektes vom Himmelsäquator an. Werte nördlich des Äquators sind positiv, Werte südlich davon negativ.
Die Deklination der Sonne schwankt im Jahresverlauf, bedingt durch die Neigung der Erdachse, zwischen +23,5° (zur Sommersonnen- wende im Juni) und −23,5° (zur Wintersonnenwende im Dezember). Ähnliches gilt für den Mond und die Planeten, die näherungsweise ebenfalls in der Ekliptik- ebene liegen.
Rektaszension
Die Rektaszension, auch Himmlischer Längengrad genannt, ist in der Astronomie der Winkel zwischen dem Längenkreis des Frühlingspunktes bis zum Längenkreis, über dem das beobachtete Objekt steht, auf der Äquatorebene gemessen.Sie ist also die Koordinate im rotierenden Äquatorsystem, die entlang des Himmelsäquators die Entfernung eines Gestirns vom Frühlingspunkt in Richtung Ost angibt. Die Angabe der Rektaszension auf der Himmelskugel entspricht der geografischen Länge auf der Erdkugel.
In der Astronomie hat sich durchgesetzt, die Rektaszension nicht in Grad, sondern im Zeitmaß in Stunden, Zeitminuten und Zeitsekunden anzugeben.
24 Rektaszensionsstunden entsprechen einem Vollkreis von 360°.
Eine Rektaszensionsstunde hat somit 15°, eine Minute in Rektaszension entspricht 15 Bogenminuten und eine Rektaszensionssekunde entspricht 15 Bogensekunden.
Oder andersrum: ein Grad besteht aus 60 Winkelminuten: 1° = 60′. Eine Winkelminute entspricht somit 1/60 = 0,01666... Grad. Eine Winkelminute wiederum besteht aus 60 Winkelsekunden: 1′ = 60″; somit gilt: 1° = 3600″. Als Dezimalminute bezeichnet man eine Angabe der Minuten mit Dezimalstellen statt Winkelsekunden.
Als Größenvergleich für eine Winkelminute kann auch der Mond herangezogen werden. Für einen Beobachter auf der Erde erstreckt sich der gesamte Durchmesser des Mondes im Mittel über einen Winkelbereich von rund 31 Winkelminuten.
Beispiel
z.B. der Mond am 01.01.2012:
Aufgangszeit: 11:30 Uhr
Kulminationszeit: 18:22 Uhr
Mittagshöhe: 18,83°
Untergangszeit: 0:22 Uhr
Rektaszension: 0:18 Uhr
Deklination 7,25°
Um 18:22 Uhr hat der Mond seinen höchsten Stand mit einer Höhe von 18,83° über dem Horizont erreicht. Der Mond geht um 0:22 Uhr in einer Richtung von 18*15 Bogenminuten (= 270 Bogenminuten ≙ 4,5°) östlich des Sternbildes Fische (= Frühlingspunkt) unter.
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