Drehbare Sternkarte

Die drehbare Sternkarte besteht aus einer oberen und einer unteren Kreisscheibe, die in der Mitte drehbar miteinander verbunden sind. Der Drehpunkt entspricht dem Himmelsnordpol, dort in der Nähe ist auch der Polarstern.

Untere Kreisscheibe

Die untere Scheibe besteht aus einer Sternkarte, die alle Sternbilder mit ihren Verbindungslinien zeigt, die von einem Standort mit 50° nördlicher Breite (z. B. Heidelberg) theoretisch mit bloßem Auge sichtbar sind.

Sterne als Scheibchen

Die Sterne selbst sind als kleine Scheibchen dargestellt. Je heller ein Stern ist, desto größer ist das Sternenscheibchen auf der Karte. Einige der hellsten Sterne sind namentlich auf der Sternkarte abgedruckt. Die Verbindungslinien der Sternbilder entsprechen im Wesentlichen den Empfehlungen der IAU (Internationale Astronomische Union).

Deep-Sky-Objekte

Von den Deep-Sky-Objekten sind die Plejaden (M45), der Herkules-Haufen (M13), der Doppelsternhaufen h und χ Persei, der Orion-Nebel (M42) und die Andromeda-Galaxie (M31) abgebildet.

Ekliptik

Die gestrichelte Linie ist die Ekliptik. Auf ihr bewegt sich die Sonne aus der Perspektive der Erde vor dem Sternenhintergrund. In geringen Abständen dazu bewegen sich auch die Planeten und der Mond.

Gradnetz, Rektaszension, Deklination

Bei den Sternkarten mit Gradnetz stellen die Kreislinien und strahlenförmigen Linien das himmlische Koordinatensystem mit den Koordinaten Deklination δ (Kreislinien) und Rektaszension α (auf den Kreisen senkrecht stehenden Linien) dar. Es entspricht im Wesentlichen dem irdischen Koordinatensystem mit den Koordinaten Breite und Länge. Die Werte der Deklination δ reichen wie bei der geographischen Breite von +90° am Himmelsnordpol über 0° auf dem Himmelsäquator bis zu -90° am Himmelssüdpol. Da die Karte aber den Himmelsausschnitt bei 50° nördlicher Breite zeigt, ist die Deklination auf -40°≤ δ ≤ 90° beschränkt.

Himmelsäquator, Frühlingspunkt, Herbstpunkt

Der Himmelsäquator ist die fettgedruckte Kreislinie, die die Ekliptik an zwei Stellen schneidet: im Sternbild Jungfrau (Symbol ♎︎, Waagepunkt) und im Sternbild Fische (Symbol ♈︎, Widderpunkt). Der Schnittpunkt ♈︎ wird auch Frühlingspunkt genannt, denn die Sonne befindet sich am Frühlingsanfang genau an dieser Stelle. Analoges gilt für den gegenüberliegenden Herbstpunkt ♎︎. Dort steht die Sonne zu Beginn des Herbstes.

Die Werte der Rektaszension α reichen von $0^h$ bis $24^h$ ($=0^h$) und werden auf der Skala am Scheibenrand abgelesen. Der Nullmeridian, der beim irdischen Koordinatensystem durch Greenwich verläuft, beginnt beim himmlischen Koordinatensystem am Frühlingspunkt. Die Rektaszension α wird in Stunden, Minuten und Sekunden angegeben.

Datumsring

Ebenfalls auf der unteren Scheibe liegt direkt innerhalb der Rektaszensionsskala der Kreisstreifen mit der Datumsanzeige (Monat und Tag).

Obere Kreisscheibe

Die obere Scheibe der drehbaren Sternkarte besitzt einen undurchsichtigen Teil und einen ovalen transparenten Bereich, durch den ein kleiner Bereich der unteren Sternkarte sichtbar wird. Der Rand dieses Ovals entspricht dem Horizont des Beobachters. Auf diesem sind auch Himmelsrichtungen aufgetragen.

Die gedachte Linie vom Nordpunkt des Horizontes über den Zenit Z zum Südpunkt des Horizonts ist der Himmelsmeridian. Alle Sterne erreichen dort ihren höchsten oder tiefsten Punkt über dem Horizont (Kulmination). Auf der oberen Scheibe ist sie abgebildet, wenn diese auf Folie ausgedruckt wird. In dem Fall ist auch die Verbindungslinie zwischen dem verbleibenden Ost- und dem Westpunkt dargestellt.

Uhrzeitring

Am äußeren Rand der oberen Scheibe befindet sich eine Uhrzeit-Skala, die die 24 Stunden des Tages in 10-Minuten-Schritten zeigt.

Die Karte zeigt lediglich Himmelsobjekte ohne merkliche Eigenbewegung an. Himmelsobjekte wie der Mond, die Sonne und die Planeten, aber auch Kometen, Satelliten oder die ISS ändern ständig ihre Positionen und wandern über den Himmel. Ihre Position lässt sich auf der Karte finden, wenn z. B. die Koordinaten (die momentane Rektaszension und Deklination) des Objekts bekannt sind.

Aufgrund der Rotation der Erde ändert sich der Sternenhimmel über uns ständig. Um mit der Sternkarte den Himmel zu einem bestimmten Datum und einer bestimmten Uhrzeit darzustellen, muss die Karte zuerst eingestellt werden.

Dazu befindet sich am Rand der oberen Scheibe eine Skala mit Uhrzeiten, unterteilt in 10-Minuten-Schritten. Diese Scheibe wird nun so gedreht, bis die gewünschte Uhrzeit mit dem gewünschten Datum, das auf der unteren Scheibe abgebildet ist, übereinstimmt.

Beispiel:

Um den Sternhimmel am 20. März um 23:00 Uhr auf der Sternkarte einzustellen, müssen sich der Datumsstrich für den 20. März (untere Scheibe) und der Uhrzeitstrich für 23:00 Uhr (obere Scheibe) berühren. Jetzt ist die Karte auf den gewünschten Zeitpunkt eingestellt (siehe Abbildung 2).

Die beiden Scheiben dürfen nun nicht mehr zueinander verdreht werden.

Der ovale, transparente Ausschnitt auf der Sternkarte zeigt nun den gesamten sichtbaren Sternenhimmel an. Der Rand des Ausschnittes entspricht dabei dem Horizont, die Himmelsrichtungen sind markiert.

Um Sternbilder am Himmel zu entdecken, muss die Karte noch in die entsprechende Himmelsrichtung ausgerichtet werden. Dazu wird die Karte so gedreht, dass die Himmelsrichtung, in die man blickt, auf der Karte unten steht (siehe Abbildung 3). Dann entsprechen die Sternbilder auf der Karte dem Blick in den Himmel vor einem.

Der Kreuzungspunkt der Ost-West- und Nord-Süd-Linien (mit Z markiert) auf der Bastelvorlage entspricht dem Zenit, dem höchsten Punkt über dem Beobachter. Sterne, die oberhalb des Zenits auf der Karte zu sehen sind, befinden sich daher hinter dem Betrachter.

Welche Uhrzeit muss ich einstellen

Bisher haben wir nur allgemein von “Uhrzeit” gesprochen, die auf der Sternkarte eingestellt werden kann. Die Uhrzeit, die auf der Sternkarte verwendet wird, ist die sogenannte mittlere Ortszeit (MOZ), welche vom Längengrad des Beobachtungsortes abhängt. Für einen Beobachtungsort auf dem Längengrad 15° Ost, der in Deutschland zum Beispiel durch Görlitz verläuft, entspricht die mittlere Ortszeit der mitteleuropäischen Zeit (MEZ), welche wir von unseren Uhren ablesen (Winterzeit). Die mitteleuropäische Zeit hat eine Differenz zur Weltzeit (UTC) von plus 1 Stunde (MEZ = UTC + 1h).

In einer groben Näherung könnte man für die “Uhrzeit” einfach die mitteleuropäische Zeit (MEZ) einstellen. Das genügt zum Beispiel, wenn man sich einen Überblick über den gerade sichtbaren Sternenhimmel verschaffen möchte. Andererseits lohnt es sich bei den Auf- und Untergangszeiten von Sternen etwas genauer zu arbeiten. Dafür müssen wir die mittlere Ortszeit (MOZ) am Beobachtungsort einstellen.

Der Zusammenhang zwischen mittlerer Ortszeit (MOZ) und mitteleuropäischen Zeit (MEZ) am Bezugslängengrad $\lambda_0=15°$ lautet

$$\text{MEZ} = \text{MOZ} + 4\text{min}/°\cdot(\lambda_0 - \lambda)$$

In Worten: für jeden Längengrad westlich vom 15. Längengrad Ost läuft die mitteleuropäische Zeit (MEZ) der mittleren Ortszeit (MOZ) um 4min voraus. Abbildung 4 veranschaulicht diesen Zusammenhang für Deutschland. Zeigt unsere Uhr am 20. März z.B. 23:00 Uhr, so entspricht dies der mitteleuropäischen Zeit und damit auch der mittleren Ortszeit in Görlitz ($\lambda = 15°$). Die mittlere Ortszeit in Hamburg ($\lambda=10°$) ist jedoch erst 22:40 Uhr und in Saarbrücken ($\lambda=7°$) ist es sogar erst 22:28 Uhr. Aber wohlgemerkt mittlere Ortszeit - alle Uhren in den drei Orten zeigen weiterhin 23:00 Uhr an.

Um den Sternenhimmel anzuzeigen, wie er am 20. März um 23:00 Uhr MEZ von Saarbrücken aus sichtbar ist, muss der Uhrzeitring demnach so gedreht werden, dass 22:28 Uhr auf den 20. März des Datumsrings fällt.

Aufgangszeit von Sirius in Heidelberg

Für die Berechnung der Auf- oder Untergangszeiten eines Sterns, geht man wie folgt vor. Zunächst muss man für den zu beobachtenden Stern die Scheiben so zueinander verdrehen, dass die Mitte des Sternscheibchens auf der Horizontlinie liegt, auf der östlichen Seite bei Aufgang und der westlichen Seite des Horizonts beim Untergang eines Sterns.

Lesen wir beispielsweise vom Stern Sirius am 01.08. auf der Sternkarte eine Aufgangszeit von 5:28 Uhr ab, so entspricht das der mittleren Ortszeit am Beobachtungsort. Für Heidelberg (Längengrad 8°42’ Ost) bedeutet das, dass man etwa $(15° - 8°42')\cdot 4\text{min}/°=25\text{min}$ hinzuaddieren muss, um auf die mitteleuropäische Zeit zu kommen. Da im August die mitteleuropäische Sommerzeit (MESZ = MEZ + 1h) gilt, liest man in Heidelberg daher 6:53 Uhr von der Armbanduhr ab, wenn Sirius aufgeht. Entsprechend ermittelt man für die Untergangszeit von Sirius: 14:42 MOZ + 25min + 1h = 16:07 MESZ.

Beobachtet man Sirius von Görlitz aus, so bräuchte man nur den Zeitunterschied zwischen MEZ und MESZ zu berücksichtigen, da hier die mittlere Ortszeit und die mitteleuropäische Zeit übereinstimmen. Von Görlitz aus gesehen, geht also Sirius am 01.08 um 6:28 Uhr auf und um 15:42 Uhr unter.

Wo kann ich die Sternkarte überall benutzen

Je nachdem, wo wir uns auf der Erde befinden, sieht der Sternenhimmel etwas anders aus. Unsere Sternkarte ist für den 50. Breitengrad auf der Nordhalbkugel entworfen: Hier liegen etwa die Städte Mainz, Rüsselsheim, Aschaffenburg, Wiesbaden und Heidelberg. Weltweit verläuft der fünfzigste Breitengrad durch die Südspitze Englands, nördlich der Grenze von Kanada zu den USA und durch mehrere asiatische Länder.

Die Sternkarte mit Bezugslängengrad $\lambda=15°$ lässt sich verallgemeinern auf alle Längengrade $\lambda = n\cdot 15°$ mit $n\in\{-11,-10,\ldots,12\}$, wenn dort jeweils die Zonenzeit $\text{UTC} + n\cdot 1\text{h}$ verwendet wird. Dabei kommt es zu Abweichungen von $\pm 2\text{min}$. An einem Beobachtungsort 180° Ost und der Zonenzeit UTC+12h geht Sirius um 5:28 Uhr - 2min = 5:26 Uhr Zonenzeit auf.

Streng genommen gilt die Sternkarte nur für den 50. Breitengrad Nord. Bewegen wir uns vom diesem Breitengrad weg, verschiebt sich der sichtbare Bereich des Himmels nach Norden bzw. Süden. Die nördlichsten und südlichsten Punkte in Deutschland liegen auf 55°N bzw. 47°N, das entspricht also einer maximalen Verschiebung von 5 Grad. Das ist vernachlässigbar, zumal in unseren Breitengraden die Sicht direkt über dem Horizont aufgrund des in der Atmosphäre enthaltenen Wasserdampfes sehr eingeschränkt ist. Die Karte kann daher problemlos in ganz Mitteleuropa benutzt werden.

Wie finde ich Himmelskörper über ihre Koordinaten auf der Karte

Die Koordinaten Deklination δ und Rektaszension α eines Himmelskörpers lassen sich aus Himmelsatlanten oder im Internet finden (z. B. in der astronomischen Datenbank in Strasbourg, https://simbad.cds.unistra.fr/simbad). Manche Koordinaten sind zeitlich unverändert (z. B. Nebel, Sternpositionen), andere wiederum verändern sich im Laufe der Zeit (Mond, Planeten, Sonne). Um eine Position auf der Karte zu finden, sucht man zunächst die Rektaszensionsangabe auf der äußeren Umrandung der unteren Scheibe. Von dort geht man Richtung Himmelsnordpol und sucht die passende Deklination auf. Ein Lineal, ein sogenannter “Planetenzeiger”, oder der Himmelsmeridian (virtuelle Linie zwischen Nordpunkt über den Zenit zum Südpunkt) können an dieser Stelle als Verlängerung der passenden Rektaszension helfen.

Beispiel: $\alpha =16^h30^m$, $\delta=-26°30'$. An dieser Stelle steht der Stern Antares im Sternbild Skorpion.

Wie finde ich die Koordinaten von Planeten und dem Mond

Die Planeten und der Mond bewegen sich und haben daher keine feste Deklination δ und Rektaszension α. Diese Koordinaten verändern sich mit der Zeit. Auf den entsprechenden Datenblättern können die Koordinaten einfach abgelesen werden:

Planeten: Auf den Datenblättern Planetenpositionen sind die Bahnen (schwarz) der mit bloßem Auge sichtbaren Planeten auf einem Gradnetz (bestehend aus Deklination und Rektaszension) abgebildet (siehe auch Abb. 5). Jeder 1. eines Monats ist durch einen dicken Punkt markiert, der 5., 10., 15., 20., 25. und 30. jedes Monats durch einen kleinen Punkt. Entlang dieser Linien lassen sich die Koordinaten der einzelnen Planeten taggenau ablesen. Die rote Linie entspricht der Ekliptik und die Position der Sonne wird durch kleine Punkte dargestellt.

Mond: Auf den Datenblättern Mondpositionen ist die Bahn des Mondes (schwarz) auf dem Gradnetz (bestehend aus Deklination und Rektaszension) zusammen mit den entsprechenden Mondphasen abgebildet, sowie seine Entfernung von der Erde (in Einheiten von 1000 km bzw Megametern, siehe auch Abb. 6). Die Position des Mondes lässt sich taggenau ablesen und ist jeweils für 0:00 UTC berechnet. Die Bahn der Sonne ist rot abgebildet. Ihre genaue Position ist durch kleine rote Punkte und durch Tagstriche (1.,10.,20.,30.) markiert.

Wann geht ein Sternbild auf oder unter

Alle Sternbilder gehen in östlicher Richtung auf und in westlicher Richtung unter. Ausnahmen sind die zirkumpolaren Sternbilder, die sich maximal 50 Grad vom Himmelsnordpol entfernt befinden, wie zum Beispiel die Sternbilder Großer Bär, Kleiner Bär und Kassiopeia. Sie gehen weder auf noch unter.

Ein Sternbild geht auf, sobald sich sein erster Stern oberhalb des Horizontes befindet. Daher wird die obere Scheibe so lange gedreht, bis der Mittelpunkt des entsprechenden Sternscheibchens auf der Horizontlinie steht. Nun beim gewünschten Datum (untere Scheibe) die Uhrzeit (obere Scheibe) ablesen. Analog kann man auf diese Weise herausfinden, wann ein Sternbild untergeht: Hier wird das Sternbild zum Westhorizont gedreht und wieder die Uhrzeit bei dem gewünschten Datum abgelesen (Beispielrechnung für die Uhrzeit s.o.).

Wann ist ein Sternbild am besten sichtbar

Am höchsten und damit am besten sichtbar sind Sterne und Planeten, wenn sie genau im Süden stehen, also auf dem Himmelsmeridian liegen (Kulmination). Dazu wird die obere Kreisscheibe so lange gedreht, bis das Sternbild genau im Süden liegt. Die mittlere Ortszeit kann dann beim entsprechenden Datum abgelesen werden.

Wie finde ich die Himmelsrichtung im Dunkeln

Es gibt mehrere Möglichkeiten, die Himmelsrichtungen in der Nacht zu bestimmen. Am einfachsten ist es, einen Kompass oder ein Handy mit Kompass-Funktion zu verwenden. Aber auch ohne diese Hilfsmittel ist es möglich, sich zu orientieren:

Am zuverlässigsten ist es, den Polarstern am Himmel zu finden. Im Gegensatz zu allen anderen Sternen ändert der Polarstern, oder Polaris, seine Position im Laufe der Zeit nur unmerklich, er scheint am Himmel stillzustehen. Das liegt daran, dass die Erdachse beinahe genau auf den Polarstern zeigt und wir ihn so als festen Punkt am Himmel wahrnehmen. Daher steht er immer genau im Norden.

Der Polarstern ist allerdings kein besonders heller Stern. Um ihn zu finden, bedient man sich der wohl bekanntesten Sternkonstellation am Nordhimmel, des Großen Wagens. Der Große Wagen ist Teil des Sternbilds Großer Bär und wird von sieben hellen Sternen dieses Sternbilds gebildet. Er ist nachts immer sichtbar. Die Sterne des Großen Wagens sind in etwa gleich hell und bilden den Umriss eines Bollerwagens oder einer Schöpfkelle (siehe Abbildung 7).

Hat man den Großen Wagen gefunden, verlängert man dessen hintere Wagenkante um das etwa Fünffache nach oben (vom Wagen aus gesehen). Dort befindet sich der Polarstern.

Der Polarstern gehört zu einem weiteren Sternbild, dem Kleinen Bären. Landläufig ist diese Sternenkonstellation als Kleiner Wagen bekannt. Der Polarstern steht direkt im Norden. Blickt man direkt auf ihn, blickt man nach Norden. Süden ist genau hinter einem, Westen links und Osten rechts.

Wie bestimme ich Sonnenauf- und Untergangszeiten

Bislang genügte es, die gleichmäßige Eigenrotation der Erde bezogen auf den Fixsternhimmel zu berücksichtigen. Für die Bestimmung der genauen Sonnenposition, müssen wir aber auch die Bewegung der Erde um die Sonne und die Neigung der Erdachse bezogen auf die Ekliptik einbeziehen.

Beobachtet man den Verlauf der Sonne über ein Jahr hinweg, so fällt auf, dass die Zeit, wann die Sonne an einem bestimmten Beobachtungsort genau im Süden steht, sich von der mittleren Ortszeit unterscheidet. Dies führt zur Definition der wahren Ortszeit (WOZ). Bei der WOZ ist jeden Tag genau dann 12 Uhr Mittag, wenn die Sonne im Süden steht, also den Himmelsmeridian überschreitet. Da sich die Erde je nach Jahreszeit mal schneller und mal langsamer um die Sonne bewegt, können sich die Zeiträume zwischen zwei aufeinanderfolgenden Mittagsdurchgängen um mehrere Minuten unterscheiden.

Der Zeitunterschied zwischen wahrer und mittlerer Ortszeit wird durch die Zeigleichung verdeutlicht, siehe Abbildung 8.

Für die Einberechnung der wahren Ortszeit verwenden wir den Planetenzeiger. Diesen verdrehen wir so, dass er auf das gewünschte Datum zeigt, z.B. den 10. November. An diesem Tag beträgt die Differenz zwischen wahrer und mittlerer Ortszeit etwa +16min. Um diese Differenz müssen wir den Planetenzeiger nun verdrehen. Dazu stellt man eine beliebige Uhrzeit mit dem Uhrzeitring für den 10.11. ein, z.B. 10:00 Uhr, und dreht den Planetenzeiger dann auf 10:16 Uhr. Jetzt kann man die Position der Sonne in Rektaszension und Deklination direkt über den Schnittpunkt des Planetenzeigers mit der Ekliptik ablesen zu $\alpha=15^h$ und $\delta=-17°$.

Dreht man nun die Scheiben so zueinander, dass der Horizont auf diesem Schnittpunkt liegt, so lassen sich Sonnenauf- und Untergangszeiten bezogen auf die mittlere Ortszeit am Datumsstrich für den 10.11. ablesen zu 7:08 MOZ bzw 16:22 MOZ. Für Heidelberg, mit einer Zeitdifferenz von +25min (s.o.) geht die Sonne also um 7:33 MEZ auf und um 16:43 MEZ unter.