Nutation (Astronomie)

Unter Nutation (zu lateinisch nutare „nicken“) versteht die Astronomie eine kleine periodische Schwankung der Richtung der Erdachse, die sich dem gleichmäßigen Kegelumlauf der Erdachse, der Präzession, überlagert. Ihre Periodendauer beträgt 18,6 Jahre, und ihre Amplitude ist 9,2" rechtwinklig zur Ekliptik und 6,8" parallel zur Ekliptik. Daneben gibt es weitere Nutationsanteile mit Amplituden unter 1" und kürzeren Perioden.

Dieser in der Astronomie gebräuchliche Begriff der Nutation ist nicht identisch mit dem in der Mechanik gebräuchlichen Begriff der Nutation in der Kreiseltheorie, der die Bewegung der Figurenachse eines rotierenden Körpers um die Achse des Drehimpulses bezeichnet, die auch bei einem Körper, auf den kein Drehmoment wirkt, auftritt.

Grundlagen

Rotation (grün), Präzession (blau) und Nutation (rot) der Erdachse (schematisch)

Die Richtung der Rotationsachse der Erde im Raum ist nicht konstant. Ihre Änderung ist im Wesentlichen die Präzession, ein kegelförmiger Umlauf um den Normalenvektor der Ekliptik mit einem Öffnungswinkel von etwa 23,5° (der Schiefe der Ekliptik) und einer Umlaufdauer von 25.780 Jahren. Dieser gleichmäßigen Präzessionsbewegung überlagern sich kleinere periodische Abweichungen: die Nutation. Hervorgerufen werden die Präzession und die Nutation durch Drehmomente, die die Gravitationskräfte des Mondes und der Sonne auf die nicht streng kugelförmige, sondern etwas abgeplattete Erde ausüben. Die Nutation entsteht dadurch, dass diese Drehmomente nicht konstant sind, sondern, entsprechend den Bahnbewegungen des Mondes und der Sonne relativ zur Erde, periodische Änderungen aufweisen.

Der Hauptanteil der Nutation ändert die Richtung der Erdachse mit einer Amplitude von 9,2" rechtwinklig zur Ekliptik und 6,8" parallel zur Ekliptik und mit einer Periode von 18,6 Jahren. Er wird verursacht durch eine langsame Verlagerung der Ebene der Mondbahn, die gegenüber der Ekliptik um etwa 5,1° geneigt ist und deren Schnittgerade mit der Ekliptik sich in 18,6 Jahren um 360° dreht.

Die Dauer der Nutationsperiode beträgt genauer:

18,61296 julianische Jahre oder 6798,3835 Tage (gültig für die Epoche J2000.0).^[1]

Es gibt außer diesem knapp 19-jährigen Hauptanteil der Nutation noch weitere Anteile mit kürzeren Perioden (unter anderem von einem halben Monat), die jeweils weniger als 1" betragen.

Nutation in Länge und Schiefe

Man zerlegt den Einfluss aus rechentechnischen Gründen in zwei Komponenten:

• die Nutation in Länge zwischen −17,24" und +17,24", die die durch die Nutation verursachte Abweichung des wahren Frühlingspunktes von seiner mittleren – gleichmäßig durch die Präzession veränderlichen – Lage auf der Ekliptik angibt, und
• die Nutation in Schiefe zwischen −9,21" und +9,21", die die Änderung der Schiefe der Ekliptik, also des Winkels zwischen dem Normalenvektor der Ekliptik und der Erdachse, angibt.

Einfluss auf die Sternkoordinaten

Da Erdachse und Ekliptik das astronomische Koordinatensystem definieren, verändert jede Verlagerung der Erdachse die Koordinaten (Sternörter) aller Himmelskörper. Für die etwa 2000 Fundamentalsterne – die den meisten Messungen am Himmel zugrunde liegen – werden die Sternörter unter Berücksichtigung der Präzession und der Nutation in 10-Tages-Abständen vorausberechnet und in astronomischen Jahrbüchern bzw. im Internet publiziert. Das wichtigste dieser Jahrbücher heißt Apparent Places of Fundamental Stars und wird vom astronomischen Recheninstitut (ARI) in Heidelberg jeweils jährlich im Voraus herausgegeben.

Der Einfluss der „kurzperiodischen“ Nutationsanteile mit Perioden unter 35 Tagen ist jedoch bei Sternen, deren Örter in Zeitabständen von zehn Tagen tabelliert sind, nicht berücksichtigt; sie müssen mit Hilfstabellen oder kleinen Zusatzprogrammen berechnet und zu den publizierten Sternörtern addiert werden. Der Einfluss der Polbewegung wird hingegen an den Messungen selbst angebracht, ebenso wie die Zeitkorrektur dUT1 der Erdrotation.

Berechnungsmodell für die Nutation

Die verschiedenen Perioden der Nutation

Um die Nutation der Erde zu berechnen, wurden von der IAU Modelle veröffentlicht. Dabei werden die Lage von Mond und Sonne berücksichtigt (IAU 1980 Theory of Nutation^[2] ), beim neuesten Modell auch die Planetenpositionen (IAU2000A Theory of Nutation). Mit der Theorie von 1980 kann eine Genauigkeit von 0,0001" erzielt werden, die für die meisten amateurastronomischen Anwendungen ausreicht.

Die Grundlage bilden die periodischen Elemente der Nutation mit ihrer unterschiedlichen Periodendauer (siehe Grafik). Für eine näherungsweise Berechnung kann daher die nachstehende Tabelle insofern abgekürzt werden, dass nur die Elemente mit den höchsten Koeffizienten der Sinus bzw. Cosinus Funktion berücksichtigt werden.

Sei T die Anzahl der Julianischen Jahrhunderte mit $T = \frac{{JDE - 2451545}}{{36525}}$, Δψ die Nutation der Länge und $\Delta \epsilon$ die Nutation der Schiefe. JDE bedeutet dass der Datums- und Zeitwert in TDB übergeben wird. Für eine Umrechnung ist der Wert von deltaT erforderlich, der im Jahr 2010 etwa 61 Sekunden beträgt.

Für die weitere Berechnung werden noch 5 Einflussgrößen^[3] benötigt:

• Mittlere Elongation des Mondes
  $D = \frac{1^\circ}{{3600}}\left( {1072260,703692 + 1602961601,2090T - 6,3706{T^2} + 0,006593{T^3} - 0,00003169{T^4}} \right)$
• Mittlere Anomalie der Sonne
  $M = \frac{1^\circ}{{3600}}\left( {1287104,793048 + 129596581,0481T - 0,5532{T^2} + 0,000136{T^3} - 0,00001149{T^4}} \right)$
• Mittlere Anomalie des Mondes
  $M' = \frac{1^\circ}{{3600}}\left( {485868,249036 + 1717915923,2178T + 31,8792{T^2} + 0,051635{T^3} - 0,00024470{T^4}} \right)$
• Mittleres Argument des Perigäums
  $F = \frac{1^\circ}{{3600}}\left( {335779,526232 + 1739527262,8478T - 12,7512{T^2} - 0,001037{T^3} + 0,00000417{T^4}} \right)$
• Mittlere Länge des aufsteigenden Knotens der Mondbahn:
  $\Omega = \frac{{1^\circ }}{{3600}}\left( {450160,398036 - 6962890,5431T + 7,4722{T^2} + 0,007702{T^3} - 0,00005939{T^4}} \right)$

Zum Weiterrechnen empfiehlt es sich, den Winkel auf den Wertebereich 0°...360° zu reduzieren.

Mit nachfolgender Tabelle werden nun die einzelnen Ausdrücke nach folgender Vorschrift aufsummiert:

$\Delta \psi = {10^{ - 4}} \cdot \sum\limits_i {\left( {S_i^' + S_i^{''} \cdot T} \right)\sin \left( {{D_i} \cdot D + {M_i} \cdot M + M_i^' \cdot {M^'} + {F_i} \cdot F + {\Omega _i} \cdot \Omega } \right)}$

$\Delta \varepsilon = {10^{ - 4}} \cdot \sum\limits_i {\left( {C_i^' + C_i^{''} \cdot T} \right)\cos \left( {{D_i} \cdot D + {M_i} \cdot M + M_i^' \cdot {M^'} + {F_i} \cdot F + {\Omega _i} \cdot \Omega } \right)}$

Falls Sinus und Cosinus Argumente in Bogenmaß verlangen, sind die Werte der vorigen Berechnungen in rad umzurechnen. Das Ergebnis liegt in Bogensekunden vor.

Tabelle der IAU1980 Theory of Nutation

i	Periodische Argumente					Nichtperiodische Argumente
	M'	M	F	D	Ω	Longitude (10 − 4arcsec)		Latitude (10 − 4arcsec)
						S'	S''	C'	C''
1	0	0	0	0	1	−171996	−174,2	92025	8,9
2	0	0	2	−2	2	−13187	−1,6	5736	−3,1
3	0	0	2	0	2	−2274	−0,2	977	−0,5
4	0	0	0	0	2	2062	0,2	−895	0,5
5	0	1	0	0	0	1426	−3,4	54	−0,1
6	1	0	0	0	0	712	0,1	−7	0,0
7	0	1	2	−2	2	−517	1,2	224	−0,6
8	0	0	2	0	1	−386	−0,4	200	0,0
9	1	0	2	0	2	−301	0,0	129	−0,1
10	0	−1	2	−2	2	217	−0,5	−95	0,3
11	1	0	0	−2	0	−158	0,0	−1	0,0
12	0	0	2	−2	1	129	0,1	−70	0,0
13	−1	0	2	0	2	123	0,0	−53	0,0
14	0	0	0	2	0	63	0,0	−2	0,0
15	1	0	0	0	1	63	0,1	−33	0,0
16	−1	0	2	2	2	−59	0,0	26	0,0
17	−1	0	0	0	1	−58	−0,1	32	0,0
18	1	0	2	0	1	−51	0,0	27	0,0
19	2	0	0	−2	0	48	0,0	1	0,0
20	−2	0	2	0	1	46	0,0	−24	0,0
21	0	0	2	2	2	−38	0,0	16	0,0
22	2	0	2	0	2	−31	0,0	13	0,0
23	2	0	0	0	0	29	0,0	−1	0,0
24	1	0	2	−2	2	29	0,0	−12	0,0
25	0	0	2	0	0	26	0,0	−1	0,0
26	0	0	2	−2	0	−22	0,0	0	0,0
27	−1	0	2	0	1	21	0,0	−10	0,0
28	0	2	0	0	0	17	−0,1	0	0,0
29	0	2	2	−2	2	−16	0,1	7	0,0
30	−1	0	0	2	1	16	0,0	−8	0,0
31	0	1	0	0	1	−15	0,0	9	0,0
32	1	0	0	−2	1	−13	0,0	7	0,0
33	0	−1	0	0	1	−12	0,0	6	0,0
34	2	0	−2	0	0	11	0,0	0	0,0
35	−1	0	2	2	1	−10	0,0	5	0,0
36	1	0	2	2	2	−8	0,0	3	0,0
37	1	1	0	−2	0	−7	0,0	0	0,0
38	0	1	2	0	2	7	0,0	−3	0,0
39	0	−1	2	0	2	−7	0,0	3	0,0
40	0	0	2	2	1	−7	0,0	3	0,0
41	−2	0	0	2	1	−6	0,0	3	0,0
42	1	0	0	2	0	6	0,0	0	0,0
43	2	0	2	−2	2	6	0,0	−3	0,0
44	0	0	0	2	1	−6	0,0	3	0,0
45	1	0	2	−2	1	6	0,0	−3	0,0
46	0	−1	2	−2	1	−5	0,0	3	0,0
47	0	0	0	−2	1	−5	0,0	3	0,0
48	1	−1	0	0	0	5	0,0	0	0,0
49	2	0	2	0	1	−5	0,0	3	0,0
50	2	0	0	−2	1	4	0,0	−2	0,0
51	0	1	2	−2	1	4	0,0	−2	0,0
52	1	0	0	−1	0	−4	0,0	0	0,0
53	0	1	0	−2	0	−4	0,0	0	0,0
54	1	0	−2	0	0	4	0,0	0	0,0
55	0	0	0	1	0	−4	0,0	0	0,0
56	−2	0	2	0	2	−3	0,0	1	0,0
57	1	−1	0	−1	0	−3	0,0	0	0,0
58	1	1	0	0	0	−3	0,0	0	0,0
59	1	0	2	0	0	3	0,0	0	0,0
60	1	−1	2	0	2	−3	0,0	1	0,0
61	−1	−1	2	2	2	−3	0,0	1	0,0
62	3	0	2	0	2	−3	0,0	1	0,0
63	0	−1	2	2	2	−3	0,0	1	0,0
64	0	−2	2	−2	1	−2	0,0	1	0,0
65	−2	0	0	0	1	−2	0,0	1	0,0
66	1	1	2	0	2	2	0,0	−1	0,0
67	−1	0	2	−2	1	−2	0,0	1	0,0
68	2	0	0	0	1	2	0,0	−1	0,0
69	1	0	0	0	2	−2	0,0	1	0,0
70	3	0	0	0	0	2	0,0	0	0,0
71	0	0	2	1	2	2	0,0	−1	0,0
72	−1	0	2	4	2	−2	0,0	1	0,0
73	2	0	−2	0	1	1	0,0	0	0,0
74	2	1	0	−2	0	1	0,0	0	0,0
75	0	0	−2	2	1	1	0,0	0	0,0
76	0	1	−2	2	0	−1	0,0	0	0,0
77	0	1	0	0	2	1	0,0	0	0,0
78	−1	0	0	1	1	1	0,0	0	0,0
79	0	1	2	−2	0	−1	0,0	0	0,0
80	−1	0	0	0	2	1	0,0	−1	0,0
81	1	0	0	−4	0	−1	0,0	0	0,0
82	−2	0	2	2	2	1	0,0	−1	0,0
83	2	0	0	−4	0	−1	0,0	0	0,0
84	1	1	2	−2	2	1	0,0	−1	0,0
85	1	0	2	2	1	−1	0,0	1	0,0
86	−2	0	2	4	2	−1	0,0	1	0,0
87	−1	0	4	0	2	1	0,0	0	0,0
88	1	−1	0	−2	0	1	0,0	0	0,0
89	2	0	2	−2	1	1	0,0	−1	0,0
90	2	0	2	2	2	−1	0,0	0	0,0
91	1	0	0	2	1	−1	0,0	0	0,0
92	0	0	4	−2	2	1	0,0	0	0,0
93	3	0	2	−2	2	1	0,0	0	0,0
94	1	0	2	−2	0	−1	0,0	0	0,0
95	0	1	2	0	1	1	0,0	0	0,0
96	−1	−1	0	2	1	1	0,0	0	0,0
97	0	0	−2	0	1	−1	0,0	0	0,0
98	0	0	2	−1	2	−1	0,0	0	0,0
99	0	1	0	2	0	−1	0,0	0	0,0
100	1	0	−2	−2	0	−1	0,0	0	0,0
101	0	−1	2	0	1	−1	0,0	0	0,0
102	1	1	0	−2	1	−1	0,0	0	0,0
103	1	0	−2	2	0	−1	0,0	0	0,0
104	2	0	0	2	0	1	0,0	0	0,0
105	0	0	2	4	2	−1	0,0	0	0,0
106	0	1	0	1	0	1	0,0	0	0,0

Beispielwerte

Datum (0h TDB)	T	$D[^\circ]$	$M[^\circ]$	$M'[^\circ]$	$F[^\circ]$	$\Omega[^\circ]$	Δψ['']	$\Delta \epsilon['']$
20.6.1964	−0,355331964408	120,2126	165,9158	130,9535	116,1496	92,30525	−17,3256	−0,787239
17.8.1967	−0,323764544832	136,1463	222,3130	74,89018	249,5905	31,24952	−7,41725	7,88539
12.3.2080	0,801930184805	250,9860	66,25406	135,1452	227,5530	14,00364	−3,70677	9,33751
13.12.1924	−0,750513347023	198,9391	339,7613	190,8491	323,7067	136,6408	−12,4542	−7,33544
4.11.2047	0,478398357290	192,9045	299,4156	186,1198	136,3227	279,7574	15,2424	1,67236
28.6.1974	−0,255126625599	98,35445	173,2129	68,82716	295,5717	258,4943	17,0891	−2,25946
15.5.2032	0,323682409309	62,98143	129,7884	155,8435	257,2649	218,9989	10,0856	−7,39013
25.1.2083	0,830650239562	79,08177	20,14875	160,3232	65,14120	318,4552	12,3513	6,7399
26.8.2048	0,486502395619	201,3662	231,1533	93,35776	92,21031	264,0831	18,1016	−0,434817
7.9.1940	−0,593169062286	59,17461	244,0062	35,36172	32,78325	192,3151	4,16406	−8,59891

Näherungsweise Berechnung

Berücksichtigt man bei den fünf Polynomen nur die Terme bis zum Grad 1 und verwendet man nur die ersten vier Tabellenzeilen (diese haben die höchsten Koeffizienten), so lässt sich eine vereinfachte Formel herleiten. Dazu wird das Argument jedes Sinus- und Cosinuswertes, welches eine Linearkombination aus den fünf Eingangswerten ist, explizit berechnet. Die Umwandlung in rad wird ebenfalls durchgeführt, da die meisten Implementierungen diese Angaben benötigen.

$A = \left( {\begin{array}{ccccc} 0 & 0 & 0 & 0 & 1 \\ 0 & 0 & 2 & -2 & 2 \\ 0 & 0 & 2 & 0 & 2 \\ 0 & 0 & 0 & 0 & 2 \\ \end{array} } \right) \cdot \left( {\begin{array}{rr} {485868,249036} & {1717915923,2178} \\ {1287104,793048} & {129596581,0481} \\ {335779,526232} & {1739527262,8478} \\ {1072260,703692} & {1602961601,2090} \\ {450160,398036} & { - 6962890,5431} \\ \end{array} } \right) \cdot \left( {\begin{array}{rr} 1 \\ T \\ \end{array} } \right) \cdot \frac{\pi }{{3600 \cdot 180}} = \left( {\begin{array}{r} 2,18243920 - 33,7570460T \\ -2,77624462 + 1256,66393T \\ 7,62068856 + 16799,4182T \\ 4,36487839 - 67,5140919T \end{array} } \right)$

Die Nutation ergibt sich dann aus

$\Delta \psi = 10^{-4} \cdot \left( {\begin{array}{r} - 171996 - 174,2T \\ - 13187 - 1,6T \\ - 2274 - 0,2T \\ 2062 + 0,2T \end{array} } \right) \cdot \sin A$

$\Delta \epsilon = 10^{-4} \cdot \left( {\begin{array}{r} 92025 + 8,9T \\ 5736 - 3,1T \\ 977 - 0,5T \\ -895 + 0,5T \\ \end{array} } \right) \cdot \cos A$

wobei der Sinus und Cosinus aus einem Vektor als Vektor der Sinus bzw. Cosinus-Werte definiert ist. Das anschließende Skalarprodukt multipliziert schließlich die Werte mit den Koeffizienten aus der Tabelle.

Der Fehler beträgt für |T|<1 (also von 1900 bis 2100) bei Δψ maximal 0,33" und bei Δε maximal 0,09".

Die IAU 2000 Theory of Nutation

Die Theorie aus dem Jahr 2000 besteht aus einer lunisolaren und einer planetarischen Tabelle.^[4] Hier kann die Genauigkeit auf $0,3 \cdot 10^{-6}$ Bogensekunden gesteigert werden, allerdings haben diese Tabellen etwa 470 Terme, und die exakte Position der Planeten ist ebenfalls erforderlich.

Geschichte

Entdeckt wurde der Nutationseffekt 1728 von James Bradley, als er genaue Analysen von Sternkoordinaten vornahm. Die Ursache konnte man aber erst 20 Jahre später klären. Die Nutation hat eine ähnliche Größenordnung wie die ebenfalls von Bradley entdeckte Aberration des Lichtes.

Literatur

• Wolfgang Vollmann. Wandelgestirnörter. In: Hermann Mucke (Hrsg.): Moderne astronomische Phänomenologie. 20. Sternfreunde-Seminar, 1992/93. Zeiss Planetarium der Stadt Wien und Österreichischer Astronomischer Verein 1992, S. 55–102 (weblink, 27. Juli 2010)

Siehe auch

• Präzession – zum Kreistaumeln rotierender Körper

Weblinks

• Präzession und Nutation eines Luftkissenkreisels – Simulation der Erdachsenbewegung
• Präzession und Nutation – Beschreibung mit anschaulichen Grafiken

Einzelnachweise

1. ↑ P.K. Seidelmann (Hrsg.): Explanatory Supplement to the Astronomical Almanac, University Science Books, Mill Valley, Ca. 1992, S. 114
2. ↑ 1980 IAU theory of nutation – The final report of the IAU Working Group on Nutation; http://adsabs.harvard.edu/abs/1982CeMec..27...79S
3. ↑ Standards of Fundamental Astronomy FORTRAN Library, http://www.iausofa.org/2009_0201_F/CompleteList.html
4. ↑ http://tai.bipm.org/iers/conv2003/conv2003_c5.html