Das Netz (über) der Erde

Als der englische Admiral Shovell im Jahre 1707 mit seiner Flotte von einer erfolgreichen Schlacht in die Heimat zurückkehren wollte, geriet er zwischen Frankreich und England in dichten Nebel. Tagelang segelten die Schiffe ohne rechte Orientierung. Ein Matrose warnte, man bewege sich direkt auf die gefährlichen Scilly Inseln zu. Doch der Kapitän glaubte, in sicheren Gewässern zu sein, und beharrte auf seinem Kurs. Es kam zur Katastrophe: vier von Englands prächtigsten Schiffen zerschellten an den Felsen der Inseln und 1700 Matrosen ertranken.

Das LängengradproblemUnd das alles nur, weil es keine Methode gab, um die exakte Position auf See zu bestimmen. Genauer gesagt konnten die Seefahrer zwar ihren Breitengrad angeben, nicht aber ihren genauen Längengrad. Nach diesem verheerenden Unglück beschloss das englische Königshaus mit dem so genannten „Longitude Act“ einen Preis auszuloben. Derjenige, dem es gelinge, den Längengrad bis auf ein halbes Grad genau zu bestimmen, sollte 20.000 Pfund erhalten. Heute wären das ein paar Millionen Euro. Wichtig: Die Methode sollte nicht allzu kompliziert sein und auch auf einer rauen Seefahrt funktionieren.

Die Idee, jedem Ort auf der Erde in einem imaginären Netz aus Längen- und Breitengraden einen unverwechselbaren Platz zuzuweisen, hatten schon die alten Griechen. Sie hatten erkannt, dass die Erde eine Kugel ist und den ersten Globus gebaut. Vielleicht habt Ihr zu Hause ja auch einen Globus? Dann kannst Du ihn gleich mal holen. Denn ein richtiges Kugelmodell der Erde ist noch viel anschaulicher als die folgenden Skizzen.

Die BreitengradeDie Breitengrade ziehen sich wie mehrere Gürtel um den Globus. Der größte ist am Äquator, genau zwischen Nord- und Südpol. Er teilt die Welt in Nord- und Südhalbkugel. Zu den Polen hin werden die „Gürtel“ immer enger. Die Breitengrade geben die Position in Nord-Süd-Richtung an. Der Äquator ist der nullte Breitengrad. Von da aus zählt man jeweils bis neunzig Grad an Nord- und Südpol. Auf der Nordhalbkugel spricht man zum Beispiel von 50 Grad nördlicher Breite – auf diesem Breitenkreis liegt Frankfurt am Main. Auf der Südhalbkugel liegen auf 50 Grad südlicher Breite nur wenige Orte - zum Beispiel die argentinische Stadt Santa Cruz. Bestimmt kannst Du sie auf dem Globus oder einer Landkarte entdecken.

Seefahrer, die nichts weiter zu ihrer Orientierung hatten als Sonne, Mond und Sterne, konnten den Breitengrad leicht bestimmen. Es gab dafür einfache Geräte wie den Jakobstab oder einen Sextanten. Damit maßen sie den Winkel zwischen Horizont, Schiff und der Mittagssonne oder dem Polarstern. Mithilfe von Tabellen konnten sie dann ihren aktuellen Breitengrad ablesen.  Hier kannst Du Dir das genauer anschauen! Klicke auf die verschiedenen Sonnenstände unten links und verändere die Einstellungen des Sextanten mit dem grauen Hebel.

Der Einfallswinkel der Sonnenstrahlen auf die Erde ist je nach Breitengrad und Jahreszeit verschieden. Vielleicht weißt Du schon, dass die Sonne zweimal im Jahr – am 20. oder 21. März und am 22. oder 23. September – senkrecht über dem Äquator steht. Am 21. Juni ist der Tag der Sommersonnenwende; dann steht sie senkrecht über dem nördlichen Wendekreis bei 23° 26' 22'' nördlicher Breite. Dasselbe passiert am 21. Dezember über dem südlichen Wendekreis, der bei 23° 26' 22'' südlicher Breite liegt.

Die LängengradeDie Bestimmung der Längengrade war nicht so einfach. Sie geben die Position in Ost-West-Richtung an. Im Gegensatz zu den Breitengraden teilen sie die Erde nicht in Scheiben, sondern verlaufen vom Nord- zum Südpol. Weißt Du, wie viele Längengrade es gibt? Es sind 360 – so viele Grad, wie der Winkel um den Mittelpunkt in einem ganzen Kreis hat. Allerdings zählt man auch sie von einem nullten Längengrad, dem sogenannten Nullmeridian, nach Osten wie nach Westen jeweils bis 180 Grad.

Bei den Längengraden gibt es aber keine natürliche Position der Nulllinie, wie es der Äquator bei den Breitengraden war. Das liegt daran, dass sich die Erde einmal am Tag um ihre eigene Achse dreht. Weil die Längengrade im Prinzip in Richtung der Erdachse verlaufen, drehen sie sich alle im Laufe eines Tages unter der Sonne weg und nehmen dabei nacheinander alle dieselbe Position gegenüber der Sonne ein. Mit einem Globus und einer Lampe kannst Du das ausprobieren. Wenn also bei Dir zuhause gerade die Mittagssonne am höchsten steht, dann erreicht sie dies ein paar Längengrade weiter im Osten erst etwas später.

Aus dem Stand der Sonne alleine lässt sich also nicht unterscheiden, auf welchem Längengrad man sich gerade befindet. Aber vielleicht ahnst Du schon, was dazu noch fehlt? Wenn Du einen nullten Längengrad hättest und genau wüsstest, wie viel Zeit vergangen ist vom Sonnenhöchststand dort bis zu dem Moment, an dem Du bei Dir die höchste Mittagssonne beobachtest, dann könntest Du Deinen Längengrad berechnen. Hast Du eine Idee, wie?

Das geht recht einfach, denn die Erde dreht sich in fast genau 24 Stunden einmal um sich selbst. In dieser Zeit werden also 360 Längengrade durchwandert. Wie viel Zeit vergeht also zwischen zwei Längengraden?

Sternengucker gegen ZeitmesserDiese Idee gab es auch schon vor dreihundert Jahren. Allerdings konnten die Menschen damals die Zeit mit ihren mechanischen Pendeluhren noch nicht exakt genug messen, um den Längengrad auch auf einem schwankenden Schiff genau genug zu ermitteln. Als Queen Anne 1714 den "Longitude Act" ausgelobt hatte, machten sich sehr viele Erfinder und auch berühmte Wissenschaftler an die Arbeit. Du kannst Dir denken, dass sie die verrücktesten Einfälle hatten, wie man den Längengrad zuverlässig bestimmen könnte. Im Grunde aber vertraten sie alle zwei Ideen: Die einen wollten durch Beobachtung von Mond und Sternen zum Ziel gelangen. Das war allerdings zum Teil sehr kompliziert und funktionierte natürlich nur bei wolkenfreiem Himmel. Die anderen widmeten sich mit großer Hingabe dem Bau genauerer Uhren.

Zu ihnen gehörte auch der schottische Uhrmacher John Harrison, der von 1693 bis 1776 lebte. Er hatte sich sein Handwerk selbst beigebracht und begann nun einen jahrzehntelangen Wettlauf um eine präzisere Zeitmessung. Er war überzeugt, dass das Längengradproblem gelöst werden konnte, wenn man die aktuelle Uhrzeit an Bord mit der Uhrzeit am Nullmeridian verglich. Um herauszufinden, wie spät es gerade am Nullmeridian war, mussten die Seeleute eine extra Uhr mit an Bord nehmen. Sie war zu Beginn der Reise auf die Null-Zeit eingestellt worden und sollte sie auch nach vielen Wochen noch sehr genau anzeigen. Denn per Funk und Satellit konnte die Zeit damals noch längst nicht übermittelt werden. Und die Uhren der damaligen Zeit ließen sich leicht von den rauen Bedingungen an Bord eines Segelschiffs aus dem Takt bringen.

Die Lösung: eine genauere UhrFür den Uhrmacher Harrison bestand also die Herausforderung darin, eine Uhr zu bauen, die bei einem schwankendem Schiff ebenso zuverlässig funktionierte, wie bei großer Hitze in den Tropen, extremer Kälte in der Arktis und bei wechselnder Luftfeuchtigkeit. Über viele Jahre tüftelte er an seinem ersten Exemplar. Er baute eine besondere Aufhängung für die Uhrmechanik und verwendete spezielle Hölzer und Metalle, um sie leichtgängig und robust zu machen.

Seine erste fertige Schiffsuhr nannte er H1 – wobei "H" für Harrison stand. Stolz präsentierte er sie im Jahr 1736 dem Preis-Komitee. Doch er verzichtete darauf, sie auf die entscheidende Test-Seereise zu schicken. Stattdessen wollte er sein Werk weiter verbessern. Schließlich entwarf Harrison sogar noch ein ganz neues Antriebskonzept für sein viertes Modell, die H4. Sie war mit zwölf Zentimetern Durchmesser nur noch etwas größer als eine Taschenuhr. 1759, also 26 Jahre nach der H1, stellte er sie zur offiziellen Begutachtung vor.

Der Uhrmacher gewinntAuf der 81-tägigen Testfahrt nach Jamaika und zurück wich sie nur um fünf Sekunden ab und erfüllte das Kriterium von einem halben Längengrad – das entsprach 2 Minuten – locker. 1773 schließlich wurde seine Leistung endlich offiziell anerkannt und er erhielt einen Teil des Preisgeldes. Er hatte es wirklich verdient. Denn nach seinem Prinzip wurde noch bis 1990 der Längengrad auf See bestimmt. Seitdem übernehmen das Navigationssysteme, die von Satelliten gesteuert werden. Weißt Du übrigens, wo der Nullmeridian verläuft? Das wurde erst 1884 endgültig festgelegt. Der nullte Längengrad geht durch Greenwich, einen kleinen Ort bei London. Und zwar deshalb, weil dort die Königlich-Britische Sternwarte stand und die Engländer zur damaligen Zeit die größte Seemacht waren. Diese Wahl hatte auch einen praktischen Vorteil: Die so genannte Datumsgrenze, an der ein Tag in den anderen über geht, befindet sich nämlich genau auf dem gegenüberliegenden 180. Längengrad. Und der verläuft durch ziemlich unbesiedeltes Gebiet, denn dort gibt es fast nur Ozean.

Text: Uta Deffke