Astrolabium

Ein Astrolabium (auch: Astrolab, griech. „Stern-Nehmer“) oder Planisphärum ist ein scheibenförmiges astronomisches Instrument zur Darstellung des von der Erde aus sichtbaren drehenden Himmels.

Auf einer Grundscheibe (Mater) sind der Horizont und Kreise des horizontalen Koordinatensystems abgebildet. Darüber liegt die drehbare Rete, die als Himmelskörper einige Sterne und die Jahresbahn (Ekliptik) der Sonne enthält. Zwei von vielen Anwendungsmöglichkeiten sind folgende: Wird die Rete auf Datum und Uhrzeit eingestellt, so lassen sich die Positionen der Sterne ablesen. Umgekehrt lassen sich aus dem Datum und der Position eines Sterns oder der Sonne die Uhrzeit oder die Himmelsrichtungen bestimmen.

Die Rückseite der Mater trägt einen Diopter, mit der der Höhenwinkel eines Objekts auf der Erde oder am Himmel (zum Beispiel Stern oder Sonne) über dem Horizont gemessen werden kann.

Astrolabien wurden von der Antike bis in die frühe Neuzeit verwendet.

Astrolabium, bei dem die Alhidade mit Diopter untypischerweise auf der Vorderseite angebracht ist

Neu Iranian Astrolabium

Prinzip

Das Astrolabium wird als eine in die Ebene übertragene Armillarsphäre betrachtet, was zur Folge hatte, diese heute auch sphärisches Astrolabium und das Astrolabium ebene Armillarsphäre zu nennen. Die Übertragung geschieht mit Hilfe der stereographischen Projektion. Deren Projektionszentrum ist ein Punkt auf der Armillarsphäre beziehungsweise auf der abzubildenden Himmelskugel. Bevorzugt sind der südliche oder nördliche Himmelspol, um die sich der Himmel (scheinbar) dreht. Da das Astrolabium zur Zeit seiner Erfindung ausschließlich für die Darstellung des Nordhimmels vorgesehen war, enthalten die klassischen Exemplare die Projektion aus dem Südpol. Der Nordpol ist Mitte und Drehpunkt auf dem Astrolabium.

Eine Armillarsphäre wird in der Regel von außen gesehen. Und es war antike Tradition, die Sicht von außen (aus der Unendlichkeit) auf die Himmelskugel zu bevorzugen. Diese Sichtweise ist im Astrolabium erhalten geblieben. Die gegenseitige Anordnung der Sternsymbole auf der Rete entspricht dem Blick von außen, nicht dem von der Erde aus. Sie dreht wie von außen auf den nördlichen Himmelspol gesehen im Uhrzeigersinn (von der Erde aus wird der Himmel sich im Gegenuhrzeigersinn drehend beobachtet). Um das zu erreichen, mussten die aus dem Südpol projizierten Bilder auf der Mater und der Rete lediglich gespiegelt werden.

Geschichte

Arabisches Astrolabium um 1208.
Oben: Rete (durchbrochene Scheibe mit exzentrischem Tierkreis und Sternen als Spitzen von Dornen).
Unten links: Vorderseite mit Rete.
Unten rechts: Rückseite (Dorsum) mit Alhidade

Die Armillarsphäre wurde angeblich von Eratosthenes gegen 250 v. Chr. entwickelt. Hipparchos habe dem innersten “Astrolabring” eine Visiereinrichtung zum Anpeilen eines Sterns hinzugefügt. Die älteste vollständige Beschreibung befindet sich im Almagest des Ptolemäus.^[1] Damit wurden die Sternkataloge von Hipparchos und Ptolemäus erstellt.

Die seit dem Mittelalter allgemein bekannten ebenen, scheibenförmigen Astrolabien wurden im griechisch-römischen Raum entwickelt, wobei der genaue Zeitpunkt zwischen dem zweiten und dem vierten Jahrhundert ungewiss ist. Das Astrolab verbindet mathematische Erkenntnisse aus der Zeit von Hipparchos mit Elementen von früheren mechanischen Instrumenten wie der Dioptra, sowie portablen Sonnenuhren, die auf der stereograpischen Projektion beruhen, aus dem zweiten Jahrhundert. Die älteste bekannte Schrift zum Astrolab wurde gemäß der Suda von Theon von Alexandria, dem Vater der Mathematikerin Hypatia, im späten vierten Jahrhundert verfasst.^[2] Die Astrolabien wurden im arabischen Raum weiterentwickelt, wobei wiederum eine Frau eine Rolle gespielt haben soll, Ijlîya, die Tochter von al-Ijlî al-Asturlâbi, eines Astrolabbauers aus Aleppo.

Ein gleichförmig drehendes, zu einer Uhr erweitertes ebenes Astrolabium ist allerdings schon in der von Vitruv beschriebenen “Aufzugsuhr” (oder “Wasseruhr”) zu erkennen.^[3] Etwa tausend Jahre später taucht das “Getriebe-Astrolab” des Al-Biruni auf.^[4] Damit wurde außer der Bewegung der Sonne auch die des Mondes dargestellt. Mit einem Uhrwerk versehene Astrolabien (“Astrolabiumsuhren”) wurden seit dem Ende des 14. Jahrhunderts als meist große öffentliche Astronomische Uhren errichtet, von denen einige heute noch existieren.

In der europäischen Schifffahrt wurden zwischen dem 15. und 17. Jahrhundert sehr einfache Astrolabien als sogenannte Seeastrolabien verwendet, die Vorläufer des Sextanten sind. Ab dem frühen 16. Jahrhundert wurde zur Winkelmessung auch der Jakobsstab verwendet.

Das Astrolabium ist weniger anschaulich als sein Vorgänger, die dreidimensionale Armillarsphäre, die in Europa noch im 14. bis 17. Jahrhundert als Demonstrationsinstrument von Astronomen und Lehrern benutzt wurde.^[5] Es ist aber einfacher als Messgerät anwendbar.

Der Name Astrolab dient seit etwa 1930 auch für einige Instrumente der Astrogeodäsie, mit denen Sterndurchgänge in einem konstanten Höhenwinkel von meist 60° präzise gemessen werden. Dieser Winkel wird einerseits durch ein speziell geschliffenes Glasprisma definiert, andererseits durch einen spiegelnden Quecksilber-Horizont oder ein Nivelliergerät. Bekannte Bautypen sind das Danjon-Astrolab, das Zirkumzenital und das Ni2-Prismenastrolab von Zeiss. Sie erlauben - je nach Aufwand und Gewicht - die Bestimmung der Lotrichtung mit Genauigkeiten von ±0,01" bis 0,5".

Astrolabium (Vorderseite, moderner Nachbau): Bauteile und Skalen.
Die Sterne (zum Beispiel der Rigel aus dem Sternbild Orion) sind hier nicht als Sternzeiger, sondern als Punkte auf einer mit der Rete verbundenen Folie dargestellt.

Bauteile und Skalen

Über der Grundscheibe (Mater) ist drehbar die netzartig durchbrochene Sternenscheibe (Rete) angeordnet, deren kleine Spitzen als Symbole (Sternzeiger) für etwa zwei Dutzend ausgewählte helle Sterne am Himmel dienen. Auf der Grundplatte befinden sich die Bilder des Horizonts und eines Netzes der Horizont-Koordinaten. Da diese Bilder von der geographischen Breite des Beobachtungsortes abhängen, sind sie auf in die Grundscheibe zu legende auswechselbare Scheiben (Tympanone) dargestellt. Dadurch kann das Astrolabium in mehreren Breitengradregionen angewendet werden.

Die Grundplatte trägt an ihrem Außenrand eine Skala der 24 Stunden eines Tages (Limbus, manchmal auch zweimal 12 Stunden oder eine 360°-Skala).

Auf einem Tympanon sind die horizontalen Himmelskoordinaten zwischen Horizont und Zenit dargestellt: Horizont, Höhenkreise (Almukantarate) und Azimutbögen. Die Bilder sind Kreise, denn Kreise werden bei der stereographischen Projektion immer als Kreise abgebildet. Dazu kommen die zum Himmelspol zentrischen Kreise Himmelsäquator und die beiden himmlischen Wendekreise. Die Kreisbögen unter dem Horizont sind Linien temporaler Stunden.

Auf der Rete sind Einzelsterne (Sternzeiger) und die Ekliptik als mit Tierkreiszeichen oder direkt mit dem Kalenderdatum markierter Datumskreis abgebildet.^[6] Die Sonne ändert von der Erde aus gesehen im Jahresverlauf ihre Position relativ zum Fixsternhimmel, sie durchläuft den Ekliptikkreis.

Ein drehbarer Zeiger (Ostensor) hilft, das Datum auf der Ekliptik durch Drehen passend zur Uhrzeit auf der Stundenskala (Limbus) am Rand derMater einzustellen. Bei manchen Varianten trägt der Zeiger eine Deklinatiosskala.

Auf der Rückseite (dorsum) befindet sich ein drehbarer Doppelzeiger (Alhidade) mit Diopter, mit dem der Höhenwinkel eines Sterns messbar ist. Eine von mehreren Skalen wird dafür verwendet, dabei muss das Astrolabium genau senkrecht am Haltering (Armilla) hängen.

Gebrauch des Astrolabiums

Das Astrolabium war über viele Jahrhunderte ein universelles Instrument für den Astronomen, Landvermesser und Astrologen. Es diente zudem als Zeitmesser und zur Ermittlung von Kalenderdaten. Oft war es aber auch nur ein schönes Schmuckstück im Besitz von wohlhabenden Laien. Was der Verbreitung des Astrolabiums jedoch hinderlich war, waren die guten Kenntnisse in der Astronomie und Mathematik, die man beim Gebrauch haben musste. Konnte das Instrument zur Höhenmessung noch in jeder Einstellung mit geringen Kenntnissen benutzt werden, war es vor einer astronomischen Messung erforderlich, eine komplizierte Grundeinstellung vorzunehmen.^[7]

Was in den folgenden Absätzen über die Peilung der dargestellten Sterne am Nachthimmel beschrieben wird, gilt tagsüber ebenso für die Sonne.

Zu den Anwendungen gehörten: Messung der Stern- oder Sonnenhöhe, Ermittlung der Äquinoktialstunden, Ermittlung der Temporalstunden, Bestimmung der Auf- und Untergangszeiten, Beobachtung der Dämmerung, geodätische Messungen und astrologische Vorhersagen.^[8]

Von den vielen Anwendungsmöglichkeiten eines Astrolabiums wird im Folgenden nur eine Auswahl besprochen.

Momentanen Himmel einstellen und Sterne identifizieren

1. Der Ostensor wird auf das aktuelle Datum auf der Ekliptik eingestellt. Das ist der Ort der Sonne. Befindet sie sich innerhalb des Horizontkreises (über dem Horizont), so ist Tag.
2. Rete und Ostensor werden gemeinsam gedreht, bis der Ostensor auf die momentane Ortszeit auf dem Stundenring zeigt. Innerhalb des Horizontkreises liegen nun die Sternzeiger derjenigen Sterne, die zu dieser Zeit am Himmel zu sehen sind. Ihre Positionen lassen sich aus den in die Mater (oder Tympanon) gravierten Koordinatenlinien ablesen.

Ortszeit bestimmen

1. Ein bekannter Stern wird über die drehbare Alhidade auf der Rückseite des lotrecht hängenden Astrolabiums angepeilt. Die Alhidade zeigt dann auf der Gradskala den aktuellen Höhenwinkel des Sterns.
2. Es wird festgestellt, ob der Stern gerade in der östlichen oder der westlichen Hälfte des Himmels liegt, das heißt, ob er momentan auf- oder absteigt.
3. Die Rete wird gedreht, bis der Zeiger des bekannten Sterns über demjenigen in der Mater gravierten Kreis (Almukantarate) liegt, der die im ersten Schritt gemessene Höhe angibt. Im Allgemeinen ergeben sich zwei Möglichkeiten, eine in der östlichen, eine in der westlichen Hälfte. Die richtige wurde im zweiten Schritt bestimmt.
4. Der Ostensor, wird über der Ekliptik auf das aktuelle Datum gestellt. Dann zeigt er auf dem Stundenkreis der Mater (Limbus) die momentane (mittlere) Ortszeit an.

Himmelsrichtungen bestimmen

Der Azimutbogen, über den ein Sternzeiger bei einer der oben beschriebenen Anwendungen gebracht wurde, gibt die Himmelsrichtung an, in der der Stern steht, genauer: die Richtung, in der dessen Azimutbogen (Vertikalkreis) den Horizont schneidet. Bei manchen Astrolabien ist der Horizontkreis mit den Azimutwinkeln skaliert.

Astrolabiums-Uhren

Die Astronomische Uhr am Prager Rathaus

Mit einem Astrolabium lässt sich auch der (scheinbar) drehende Himmel nachbilden, wenn man die Rete gleichmäßig und mit entsprechender Geschwindigkeit dreht. Die Kombination eines Astrolabiums mit einem Uhrwerk ist als sogenannte Atrolabiums-Uhr die anschaulichste Variante der Astronomischen Kunstuhren.

Auf der Nordhalbkugel verwendete Astrolabien enthalten die sogenannte nördliche Projektion: Projektion vom südlichen Himmelspol aus, nördlicher Polarstern im Drehzentrum. Da sich die Sonne als “Zeitmacher” vorwiegend über dem Südhorizont aufhält, wird deren Bewegung bei sogenannter südlicher Projektion anschaulicher dargestellt und deshalb in Astrolabiums-Uhren bevorzugt verwendet. Der Horizont ist konvex geformt, der dargestellte Himmel dreht sich im uns geläufigen Uhrzeigersinn, das heißt, dass dieser von den Astrolabiums-Uhren ausgegangen sein könnte.^[9]

Beim Astrolabium geht es primär um die Darstellung der Sterne, bei einer Uhr um die Anzeige der 24 Stunden. Letztere wird von der Sonne angegeben, die dem Astrolabium hinzugefügt ist. Das Sonnensymbol dreht sich zusammen mit dem Stundenzeiger, bleibt also hinter den Sternen pro Tag um etwa 4 Minuten (1°) zurück. Der Antrieb der Rete, die meistens nur noch die im Ekliptik-Ring vereinten Sterne beziehungsweise Tierkreiszeichen enthält, ist so ausgelegt, dass sie sich in 24-Stunden etwa 1° mehr als einmal ganz herum dreht. Das Sonnensymbol wird auch auf dem Ekliptik-Kreis geführt, auf dem es täglich etwa 1° zurück bleibt und auf diese Weise die Rückwärtsbewegung der Sonne durch den Tierkreis einmal pro Jahr darstellt. Infolge der Exzentrizität des Ekliptik-Kreises hat die Symbol-Sonne übers Jahr verschiedenen Abstand vom Drehzentrum, was wiederum der Änderung der jahreszeitlichen Sonnen-Höhe entspricht.

Meistens wird in ihnen zusätzlich auch die Bewegung des Mondes dargestellt. Die aufwändigere Darstellung der Planetenbewegungen ist sehr selten versucht worden.

Vergleich mit Sternkarten

Nachfolger des Astrolabiums sind für die Amateuranwendung konzipierte drehbare Sternkarten. Sie zeigen wesentlich mehr Sterne, mit deren Hilfe sich der Laie besser am Nachthimmel orientieren kann. Anstatt der stereographischen ist eine unechte Projektion, die sogenannte mittabstandstreue Azimutalprojektion angewendet. Außerdem ist der beim Astrolabium übliche Blick von außen zugunsten des Blicks von der Erde aus gegen den Sternenhimmel aufgegeben. Die Sternbilder sind nicht mehr spiegelverkehrt.

Siehe auch

• Torquetum, eine Weiterentwicklung der Armillarsphäre.
• Planisphäre, eine drehbare Sternkarte ohne Messfunktion.
• Dioptra, antikes geodätisches Instrument mit vergleichbarer Visiereinrichtung.

Literatur

• Werner Bergmann: Innovationen im Quadrivium des 10. und 11. Jahrhunderts. Studien zur Einführung von Astrolab und Abakus im lateinischen Mittelalter. Steiner, Stuttgart 1985, ISBN 3-515-04148-6 (Sudhoffs Archiv. Beihefte 26), (Zugleich: Bochum, Univ., Habil.-Schr., 1985).
• Arianna Borrelli: Aspects of the Astrolabe. „architectonica ratio“ in tenth- and eleventh-century Europe. Steiner, Stuttgart 2008, ISBN 978-3-515-09129-9 (Sudhoffs Archiv. Beihefte 57), (Zugleich: Braunschweig, Techn. Univ., Diss., 2006).
• Martin Brunold: Der Messinghimmel. Eine Anleitung zum Astrolabium. Brunold, Abtwil 2001, ISBN 2-940088-11-X.
• Martin Brunold: Das Astrolabium. In: Cartographica Helvetica. 23, 2001, ISSN 1015-8480, S. 19–25.
• Raymond d'Hollander: L'astrolabe: Histoire, théorie et pratique. Institut océanographique, Paris 1999, ISBN 2-903581-19-3.
• Gottfried Gerstbach: Beiträge zur Optimierung von Astrolab-Beobachtungen. In: Geowissenschaftliche Mitteilungen. 7, 1976, ISSN 1811-8380, S. 103–134.
• E. S. Kennedy, P. Kunitzsch, R. Lorch (Hrsg): The Melon-shaped Astrolabe in Arabic Astronomy. Steiner, Stuttgart 1999, ISBN 3-515-07561-5 (Boethius 43).
• Ludwig Meier: Der Himmel auf Erden. Die Welt der Planetarien. Ambrosius Barth, Leipzig u. a. 1992, ISBN 3-335-00279-2.
• Henri Michel: Traité de l'astrolabe. Gauthier-Villars, Paris 1947 (Réimpression en fac-similé: Brieux, Paris 1976).
• National Maritime Museum, Greenwich: The Planispheric Astrolabe. National Maritime Museum – Department of Navigation and Astronomy, Greenwich 1976
• Burkhard Stautz: Die Astrolabiensammlungen des Deutschen Museums und des Bayerischen Nationalmuseums. Oldenbourg, München 1999, ISBN 3-486-26479-6 (Deutsches Museum. Abhandlungen und Berichte NF 12).

Einzelnachweise

1. ↑ Ludwig Meier: Der Himmel auf Erden. Ambrosius Barth, 1992, S.14, Abbildung auf S. 13
2. ↑ Theons Schrift ist nicht erhalten, doch eine detaillierte Inhaltsangabe findet sich in einer um 880 herum verfassten Schrift von al-Yaqubi, vgl. Otto Neugebauer, A History of Ancient Mathematical Astronomy, Berlin 1975, 877-878
3. ↑ Gustav Bilfinger: Die Zeitmesser der antiken Völker, 1886
4. ↑ Ludwig Meier: Der Himmel auf Erden. Ambrosius Barth, 1992, S. 15 u. 16
5. ↑ Ludwig Meier: Der Himmel auf Erden. Ambrosius Barth, 1992, S.14
6. ↑ Samuel Guye, Henri Michel: Uhren und Messinstrumente des 15. bis 19. Jahrhunderts. Orell Füssli, 1971.
7. ↑ Ralf Kern: Wissenschaftliche Instrumente in ihrer Zeit. Band 1: Vom Astrolab zum mathematischen Besteck. Köln, 2010. S. 209 u. 210.
8. ↑ Ralf Kern: Wissenschaftliche Instrumente in ihrer Zeit. Band 1: Vom Astrolab zum mathematischen Besteck. Köln, 2010. S. 211-213.
9. ↑ Er könnte auch schon von den Astrolabien übernommen worden sein. Diese enthalten traditionell die nördliche Projektion, die zudem gespiegelt ist, denn in der Antike machte man sich bevorzugt ein von außen gesehenes Bild des Himmels. Somit dreht sich in ihnen der Himmel (die Rete) auch im uns geläufigen Uhrzeigersinn. Siehe auch swetzel.ch: Astrolabium, Uhr und Uhrzeiger-Sinn, Zugriff am 22. Februar 2011

Weblinks

 Commons: Astrolabium – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

 Wikisource: Astrolabium – Quellen und Volltexte

• Astronomie. Dorsum = Astrolabium, Beschreibung eines Astrolabium.
• Webseite über eine Ausstellung an der Uni Erlangen mit vielen Verweisen
• The Electric Astrolabe, James E. Morrison, Janus. Eine Software, die die Darstellung eines planisphärischen Astrolabiums nutzt (englisch).
• Das Astrolabium von Erasmus Habermel, Deutsches Museum, München.
• Martin Brunold: Das Astrolabium
• Astrolabium, Uhr und Uhrzeiger-Sinn
• Modernes Astrolabium, Bezugsmöglichkeit und Gebrauchsanleitung

Normdaten: SWD in der DNB: 4003304-1