Gourt Home::Gourt :: Längenproblem
Der Ausdruck Längenproblem bezeichnet die problematische Bestimmung der geographischen Länge bei der Positionsermittlung von Schiffen auf dem offenen Meer. Während die geographische Breite relativ einfach mit für die Seefahrt hinreichender Genauigkeit bestimmbar ist, gestaltet sich die Bestimmung der Länge mit ähnlicher Genauigkeit weitaus schwieriger.
Das Problem war seit jeher so gravierend, dass beispielsweise Spaniens König bereits 1600 erfolglos einen Preis für eine Lösung ausgesetzt hatte. Schiffe mussten oft wochenlang „Breiten absegeln“, um eine bestimmte Insel zu finden, was zu schweren Verlusten führte, wenn inzwischen Skorbut ausbrach.
Ein gesamteuropäisches Problem
Die Gründung des Königlichen Observatoriums in Greenwich durch Charles II. im Jahre 1675 war Englands erster Schritt auf der Suche nach genauen Längenangaben. In Paris (Pariser Sternwarte) und St. Petersburg wurden ähnliche Observatorien gegründet.
Erst nachdem Admiral Sir Clowdisley Shovell 1707 auf der Heimkehr von einer siegreichen Schlacht auf die Scilly Islands aufgelaufen war, vier von fünf Schiffen, sein Leben und rund 1.700 Mann verloren hatte, und nach einer Petition, untermauert durch Stellungnahmen von Isaac Newton und Edmond Halley, lobte 1714 Englands Parlament für eine praktisch brauchbare Lösung des Längenproblems bis zu 20.000 Pfund aus, je nach Genauigkeit der gefundenen Methode:
Fehler ½ Grad oder weniger: 20.000 £, Fehler nicht größer als ein Grad: 10.000 £.
Ein Grad Länge entspricht am Äquator 60 Seemeilen (ca. 111 km), die Strecke nimmt zu den Polen hin ab und beträgt auf der Breite des Ärmelkanals rund 40 Seemeilen (ca. 74 km).
Zur Größenordnung des Betrages: Ein seegängiges Schiff mittlerer Größe hatte damals einen Kaufpreis von rund 1.500-2.500 £, ein einfacher Arbeiter lebte von 10 £ im Jahr.
Zur Verwaltung des Preisgeldes und zur Beurteilung eingereichter Vorschläge wurde die „Längenkommission“ Board of Longitude gegründet, der die damals bedeutendsten Astronomen und Mathematiker Englands angehörten, aber auch der Präsident der Royal Society, der Königlichen Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften.
Mögliche Lösungswege
Wegen der Erdrotation müssen zur Bestimmung der Länge
- entweder aufwändige astronomische Beobachtungen gemacht werden, oder
- eine sekundengenaue Zeitmessung durchgeführt werden. Aus der Differenz von gemessener Zeit und Ortszeit kann man auf die Länge schließen. Bis 1700 war jedoch, selbst auf festem Boden, nur eine Uhr mit rund einer Minute täglicher Abweichung vorstellbar. Newton hatte die technische Machbarkeit einer hinreichend genauen Uhr bezweifelt, was John Harrison jahrzehntelang diskreditieren sollte.
Galileo Galilei und die Jupitermonde
Die von Galilei (1564–1642) entdeckten Jupitermonde umkreisen den Jupiter so schnell, dass rund 1000mal jährlich ein exakt vorausberechenbares Erscheinen oder Verschwinden eines Mondes eintritt. Sie sind also gewissermaßen als „Zeitmarken“ geeignet. Der Lösungsweg, den Galilei wohl auch zur Bewerbung seiner Teleskope propagierte, war auf Schiffen unbrauchbar, da wegen der Bewegungen die Beobachtung kaum gelang.Monddistanzen
Gut zu beobachten ist hingegen der Erdmond, dessen Bewegung allerdings erst durch aufwändige Berechnungen aufgrund von genauen Beobachtungen vorhergesagt werden konnte. Diese Methode wurde zuerst von Johann Werner in seinem Werk "In hoc opere haec continentur Nova translatio primi libri geographiae Cl' Ptolomaei..."(Nürnberg 1514) erwähnt, erlangte aber erst Beachtung , als Peter Apian, sie in seinem "Cosmographicus liber..."(Landshut 1524) genauer erörterte. Die Gründung von Observatorien, unter anderem in Greenwich, steht in direktem Zusammenhang mit dem Bedarf an exakten Beobachtungsreihen als Voraussetzung für eine Vorausberechnung. Edmond Halley, der im Zusammenhang mit dem Längenproblem 1698 und 1700 zwei Reisen unternommen hatte, scheiterte an der Unzulänglichkeit seiner 1661 von Thomas Street errechneten Mondtafeln. Trotz seiner Arbeit an Mondtafeln war Halley selbst einer der wenigen Unterstützer John Harrisons, der mit seinen Chronometern die Navigation revolutionieren sollte (siehe weiter unten).Fündig wurde erst der deutsche Kartograf und Mathematiker Tobias Mayer (1723-1762), der 28jährig, ohne selbst ein reguläres Studium absolviert zu haben, in Göttingen einen Lehrstuhl für Mathematik erhielt. Während seiner Arbeit bei einem Kartenverlag in Nürnberg entwickelte er die ersten brauchbaren Mondtabellen, basierend auf mathematischen Berechnungen. Diese wurden von Sir Nevil Maskelyne (1732-1811) übersetzt und bearbeitet und boten noch lange Zeit eine billige, wenngleich umständlichere und weniger genaue, Alternative zu Chronometern – bis diese nämlich für jeden Kapitän finanzierbar waren: die Britische Ostindien-Kompagnie rüstete ihre Schiffe am schnellsten aus, die Umstellung der Royal Navy dauerte bis 1840, aber für Kapitäne kleinerer Handelsschiffe waren diese Geräte noch lange Zeit unerschwinglich.
James Cook hatte auf seiner ersten Südseereise (1768-71) noch nicht Harrisons bereits existierende Erfindung, wohl aber Maskelynes Bearbeitung von Mayers Tabellen zur Verfügung: 1767 erschien zum ersten Mal der dann jährlich erscheinende Nautical almanac and astronomical ephemeris, in dem Mondtabellen abgedruckt wurden, die die Winkelabstände des Mondes zu sieben Fixsternen zu vollen Stunden auflisteten. Cook hatte allerdings auf dieser Reise auch einen Astronomen an Bord.
Maskelyne hat auch Erläuterungen zur Methode veröffentlicht; da diese längere Berechnungen erforderte, sind in den folgenden Jahrzehnten zahlreiche abgekürzte und Näherungs-Methoden vorgeschlagen worden. Besonders die von Nathaniel Bowditch (1773-1838), der ein weit verbreitetes Navigationshandbuch, American Practical Navigator, schuf, vorgeschlagene Methode hat weitere Verbreitung gefunden. Im „Bowditch“, der heute noch erscheint, wurden entsprechende Hilfs-Tabellen immerhin bis 1914 geführt, obwohl im "Nautical almanac" schon Jahre zuvor keine Monddistanzen mehr enthalten waren.
Der Visionär John Harrison
Während sich Astronomen um die Monddistanz-Methode bemühten, hatte der Tischler John Harrison auf genügend genaue Uhren gesetzt, 1728 sein Konzept und 1735 ein erstes Modell vorgestellt.Harrison stand jedoch als Amateur (er war nicht einmal gelernter Uhrmacher) einem gelehrten Gremium gegenüber, was die Approbation seiner Idee um Jahrzehnte verzögerte. Besonders der Astronom Sir Nevil Maskelyne setzte, auch auf Newtons Einschätzung bauend, bis zuletzt auf die Monddistanzen und änderte die Auslegung der Ausschreibung zu Harrisons Ungunsten, vor allem nachdem er 1765 „Königlicher Astronom“ geworden war.
Ein anderes Problem Harrisons waren sein eigener Erfindergeist und sein Perfektionismus: Jedes seiner Modelle unterschied sich erheblich vom früheren. Eine Taschenuhr, die er 1753 für sich selbst anfertigen ließ, bewog ihn zu einem vollkommen neuen vierten Konzept, an dem er bis 1759 arbeitete, was aber nach mehr als drei Jahrzehnten den Durchbruch bedeutete.
Andere Vorschläge
Auf Grund des hohen Preisgeldes wurden auch ungeeignete und absurde Ideen für die Lösung des Längenproblems hervorgebracht und teilweise öffentlich diskutiert. Die Mathematiker William Whiston und Humphry Ditton schlugen vor, in gleichmäßigen Abständen Schiffe im Meer zu verankern, die mehrmals täglich durch Böllerschüsse bei der Positionsbestimmung helfen sollten: Aus dem Zeitunterschied zwischen Blitz und Knall wäre der Abstand zum Böllerschiff errechenbar. Whiston, ein Schüler Newtons, war dabei von 600 m maximaler Wassertiefe der Ozeane ausgegangen.Ernsthaft in Erwägung gezogen wurde die Auswertung von Ungleichmäßigkeiten des Erdmagnetfelds, mit denen sich Halley beschäftigte. Wir wissen heute, dass sein Ansatz vollkommen ungeeignet war.
Die Lösung
Als James Cook 1775 von seiner zweiten Weltreise heimkehrte und die Qualität eines time keepers bestätigte, den Larcum Kendall als exakte Kopie von Harrisons Werk von 1759 ausgeführt hatte, galt auch den meisten Astronomen das Längenproblem als gelöst. Drei andere Uhren, die Cook ebenfalls zu testen hatte, waren den Belastungen der Reise nicht gewachsen gewesen. Im Logbuch nennt der zunächst skeptische Cook Kendalls Werk seinen nie versagenden Führer: „Eine Uhr nahm die Uhrzeit des Ausgangshafens mit auf die Reise“, und aus der Differenz zur Ortszeit war die Länge bestimmbar.
John Harrison erhielt nach langem Ringen den letzten Anteil des ihm zustehenden Preisgeldes. Posthum wurden auch Mayer 3.000 £ zugesprochen und seiner Witwe ausgehändigt.
Der Board of Longitude löste sich 1828 auf.
Siehe auch: Astronomische Navigation, Navigation, Astrogeodäsie, Ortszeit
Literatur
- Sobel, Dava: Längengrad. btb Taschenbuch, 1998. ISBN 3-442-72318-3 und Illustrierte Ausgabe ISBN 3827003644. (Engl. Orig.: "Longitude", 1995)
- Hassencamp, Johann Matthias: Kurze Geschichte der Bemühungen die Meereslänge zu erfinden. Rinteln 1769
- Andresen, Peter Boy: Die Geschichte der Monddistanzen. Marbach 1986 (Nachdruck der Ausgabe Hamburg 1924)
- Andrewes, William J.H. (Ed.): The Quest for Longitude. Cambridge, Mass. 1996
- Roth, Erwin: Tobias Mayer, 1723 - 1762. Vermesser des Meeres, der Erde und des Himmels. Esslingen 1985
Weblinks
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