Siegfried Hagl - Schriftsteller

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Der schicksalhafte Kampf um die Länge

(Veröffentlicht in GralsWelt 53/2009 

“Angesichts der ungewissen Positionsbestimmungen und der absurden Theorien, die in diesem Zusammenhang aufgestellt werden, und des Durcheinanders, das unter den Leuten herrscht, ist völlig klar, daß sich nur durch göttliche Vorsehung, durch Zufall und aufgrund der Weite des Meeres nicht noch mehr Katastrophen in der Seefahrt ereignen als ohnehin schon.”

Der englische Marine-Beamte Samuel Pepys (1633-1703) zum Stand der Navigation auf See im Jahre 1683. (4, S. 26)

Bereits antike Seefahrer kannten die Kugelgestalt und die Größe der Erde und konnten die geographische Breite, also die Entfernung eines Ortes vom Äquator bestimmen. Die heute üblichen Bezeichnungen „Länge” und „Breite” kommen angeblich von den frühesten Weltkarten des Ptolemäus, deren Papierbogen in Ost-West-Richtung breiter waren als in Nord-Süd-Richtung (4, S. 101). Die antiken Seefahrer waren daher nicht auf Küstenschifffahrt mit Landsicht beschränkt, sondern konnten sich auch auf das offene Meer wagen.

Um zu wissen, wie weit man von zu Hause oder einem bestimmten Ausgangspunkt entfernt ist, braucht man jedoch einen zweiten Orientierungspunkt. Wie man diesen zweiten, in der Geographie und der Seefahrt (Nautik) wichtigen Koordinaten, den Längengrad (Meridian), bestimmen kann, dafür wusste man in der Antike keine Lösung. So scheiterten unzählige Schiffe, weil sie bei Nebel, Sturm, Dunkelheit, widrigen Winden ihre exakte Position nicht kannten und strandeten.

Auch als im 12. Jahrhundert der Kompass (vermutlich ausgehend von China) im Mittelmeer bekannt wurde, blieb das Problem der Längen-Ermittlung offen. Nach wie vor ließ sich die Länge nur durch “Gissen” (vermutlich stammt dieser Begriff vom englischen „guess” = raten) mehr schätzen als messen. Aus Kurs und Geschwindigkeit werden dabei die jeweils zurückgelegten Wegstrecken aneinander “gekoppelt” und auf der Seekarte aufgetragen; bei Segelschiffenergab sich oft eine Zickzack-Linie. Die Abdrift durch Meeresströmungen ließ sich nur schätzen (bis im 19. Jahrhundert Seekarten auch Strömungen angaben), und bei Sturm war die Messung der Schiffsgeschwindigkeit mit einem primitiven Log ungenau bis unmöglich. Auch die zum Gissen nötige Messung kürzerer Zeitintervalle mit Sand- oder Wasseruhren war recht ungenau. Bei der Koppelung addieren sich die Fehler, und auf langen Reisen ohne Landsicht kann die Unsicherheit über den Standort in die Katastrophe führen.

Zur Zeit der großen Seefahrer, die immer häufiger nach Amerika oder Indien reisten, wurde das Problem der Bestimmung des Längengrades auf hoher See ein dringendes Anliegen, und viele Wissenschaftler suchten vier Jahrhunderte lang nach Lösungen.

Unter der Führung der Sterne

Seit Menschengedenken richten sich die Seefahrer nach den Sternen, z.B. nach dem Polarstern, der die Nordrichtung anzeigt. Am Tag steht die Sonne auf der Nordhalbkugel mittags im Süden (auf der Südhalbkugel im Norden), und die Mittagshöhe der Sonne zeigt (unter Berücksichtigung des Kalander-Tages) die geographische Breite. So schien es fast selbstverständlich, die Astronomie auch für die Bestimmung der Länge heranzuziehen.

Die Erde dreht sich in 24 Stunden einmal um ihre Achse. Der Erdumfang wird in 360 schritte, die Längengrade, unterteilt. Bei 24 Stunden für den Tag ergeben sich daraus 15 Längengrade pro Stunde. Weiter kann berechnen, das vier Zeit-Minuten demnach einem Grad geographischer Länge entsprechen. Um die geographische Länge zu ermitteln, benötigt man wieder zwei Bezugswerte: die “Ortszeit” (das ist die Zeit am Aufenthaltsort, die zum Beispiel mit einer Sonnenuhr gemessen werden kann) und die Zeit an einem willkürlich festgelegten “Nullmeridian”, auf den man sich geeinigt hat. (Heute ist der Meridian von Greenwich in Südengland der Nullmeridian. Man hätte auch einen anderen Ort wählen können, aber damals war England in der Seefahrt bestimmend.). Die Differenz der beiden Zeiten Ortszeit und Greenwich-Zeit) sagt, um wie viele Längengrade die beiden Orte auseinanderliegen. Die Ortszeit lässt sich durch die Sonne (oder auch durch die Fixsterne) ermitteln. Aber weiß man auf dem Meer oder in fernen Ländern die “Greenwich-Zeit” (heute Greenwich Mean Time, GMT oder Universal Coordinated Time, UCT)? Am einfachsten durch eine Uhr!

Doch Uhren hinreichender Ganggenauigkeit gab es lange nicht. Zwar hatte Christian Huygens (1629-1695) schon 1656 die Pendeluhr erfunden, und dann Uhren gebaut, die an Land ziemlich genau gingen; doch auf See kamen die Pendel durch das Schaukeln der Schiffe aus dem Tritt. Selbst die Erfindung der Spiralfeder-Unruhe (einem Drehpendel) durch Huygens führte noch nicht zu Schiffsuhren genügender Genauigkeit. 

“‘Sauwetter’, so bezeichnete Admiral Sir Clowdisley Shovell den Nebel, der ihm zwölf Tage lang auf See zusetzte. Nach siegreichen Gefechten mit der französischen Mittelmeerflotte war er von Gibraltar aus zur Heimreise aufgebrochen, aber die schweren Herbstnebel waren nicht so leicht zu schlagen. Voller Sorge, seine Schiffe könnten auf Felsenriffe laufen, befahl der Admiral seinen Navigationsoffizieren, die Köpfe zusammenzustecken.

Nach übereinstimmender Meinung befand sich die Flotte vor der Bretagne, in sicherem Abstand westlich der Ile d’Quessant. Also hielt man weiter nördlichen Kurs, doch dann stellten die Seeleute zu ihrem Schrecken fest, daß sie ihre Position in bezug auf die Scilly-Inseln falsch berechnet hatten. Diese Inselgruppe, etwa zwanzig Meilen  vor der Südwestspitze Englands, führt wie ein steinerner Pfad auf Land’s End zu. Und in der nebligen Nacht des 22. Oktober 1707 wurden die Scilly-Inseln zum namenlosen Grab für zweitausend von Admiral Shovells Marinesoldaten.

Zuerst traf es das Flaggschiff. Die Association ging mit Mann und Maus innerhalb weniger Minuten unter. Ehe die anderen Schiffe auf die offensichtliche Gefahr reagieren konnten, liefen die Eagle und die Romney auf Felsenriffe und sanken ebenfalls wie Steine. Vier von insgesamt fünf Kriegsschiffen gingen verloren.” (4, S. 21 f.)

Hohe Preise für die richtige Länge

Im Jahre 1714 wurde in London der Longitude Act verabschiedet und hohe Preise für die Lösung des Längen-Problems in Aussicht gestellt. Im günstigsten Fall waren 20.000 Pfund zu gewinnen – nach heutiger Kraufkraft mehrere Millionen Euro – für eine Methode zur Messung der geographischen Länge mit einem Fehler von höchstens einem halben Grad. (Ein Winkelgrad entspricht vier Zeitminuten und am Äquator einer Strecke von 60 nautischen Meilen oder 111 km.) Während einer Reise von 2 Monaten durfte eine neu erfundene Schiffsuhr also höchstens 2 Sekunden pro Tag falsch gehen, um das Preisgeld zu gewinnen.

Nun kamen unzählige Vorschläge, ungenaue, komplizierte, unbrauchbare, verrückte; die “Lösung des Längenproblems” erlangte zeitweise eine ähnliche sprichwörtliche Bedeutung wie die “Quadratur des Kreises”. Folgende Lösungsansätze standen zur Debatte:

Das Erdmagnetfeld

Da der magnetische und der geografische Nordpol etwas auseinanderliegen, wäre die Längenbestimmung grundsätzlich mit einem Kompass möglich. Doch das Magnetfeld verändert sich und eine zuverlässige Längenmessung war (und ist) mit dieser Methode nicht möglich.

Der Mond:

Er kreist in 28 Tagen um die Erde. Hat man genaue Ephemeriden*) und exakte Sternkarten, so lässt sich die Lage des Mondes am Himmel durch den Abstand von einem Fixstern (oder von der Sonne) bestimmen, und somit die “Greenwich-Zeit”. John Flamsteed (1646-1719), der erste königliche Astronom Englands, arbeitete über vier Jahrzehnte an einem Sternenkatalog, der erst posthum veröffentlich werden konnte. Durch Isaak Newtons (1643-1727) Entdeckungen waren genauere Berechnungen der Mondbahn möglich, und das Längengradproblem schien lösbar. Allerdings sind die nötigen Beobachtungen nur bei guter Sicht möglich und von einem schwankenden Deck aus schwierig.

Auch Astronomen auf dem Kontinent waren an diesen Forschungen beteiligt. „Für die Leistung, die grundlegenden Mondberechnungen für die Auswertung beobachteter Monddistanzen geschaffen zu haben”, bekam die Witwe des 39jährig verstorbenen Göttinger Astronomen Tobias Mayer (1723-1762) einen Geldpreis. Auch Leonhard Euler (1707-1783), der sich um die Theorie der Mondbewegungen verdient gemacht hatte, wurde mit einer Geldsumme bedacht (1, S. 82).

Mond- oder Sonnenfinsternisse sowie Merkur- oder Venusdurchgänge würden sich ebenfalls zur Zeitbestimmung eignen. Allerdings finden sie viel zu selten statt.

Die Jupiter-Monde

Von Galileo Galilei (1564-1642) kam der Vorschlag, die Jupitermonde als “Himmelsuhr” zu benützen. Etwa 1.000 Bedeckungen der Jupitermonde in jedem Jahr liefern hinreichend viele Gelegenheiten, mit Hilfe entsprechender Ephemeriden die Greenwich-Zeit zu ermitteln.

Allerdings ist der Jupiter nicht immer sichtbar, die Beobachtung seiner Monde verlangt einen klarem Himmel, und sie ist nur mit einem Fernrohr möglich, das wiederum sich auf schwankenden Schiffsplanken schlecht handhaben lässt. An Land funktionierte diese Methode, für die Seefahrt blieb sie ohne praktische Bedeutung.

Immerhin führten die dadurch angeregten genauen Beobachtungen der Jupiter-Monde zur ersten brauchbaren Messung der Lichtgeschwindigkeit durch Olaf Römer (1644-1710).

EIN HANDWERKER FINDET DIE LÖSUNG

Den Tischler John Harris (1693-1776) faszinierte die Uhrmacher-Kunst, mit der er sich intensiv beschäftigte, um genaugehende Pendeluhren (zuerst aus Holz) zu bauen. Er wusste, dass Temperaturschwankungen die Pendellänge und damit die Ganggenauigkeit beeinflussen. Daher  verwendete er bereits sog. “Rostpendel”, bei denen z.B. Messing- und Stahlstäbe mit verschiedenen Ausdehnungskoeffizienten die Temperaturschwankungen kompensieren. Die Reibung versuchte er so gering wir möglich zu halten. Während die besten Uhren seiner Zeit pro Tag 1 Minute vor oder nach gingen, gelangen Harrison “Regulatoren”, die sich so fein justieren ließen, dass sie pro Monat nicht mehr als eine Sekunde falsch gingen. Nun galt es eine Schiffsuhr gleicher Genauigkeit zu entwerfen und zu bauen. Dazu musste das Gravitationspendel durch ein Drehpendel ersetzt werden.

Harris wandte sich im Jahr 1730 an den Leiter der Längengradkommission (“Board of Longitude”), dem nachmals berühmten Edmond Halley (1656-1742) und musste von diesem erfahren, dass die Kommission die mechanische Lösung eines astronomischen Problems kaum akzeptieren werde. Hilfe fand Harrison bei dem Uhrmacher George Graham, der die Genialität von Harrisons Entwurf erkannte und ihm mit einem Darlehen den Bau der ersten Harrison-Schiffsuhr (der “H 1″) ermöglichte. Nach fünf Jahren intensiver Arbeit war der 1,20 m hohe und 32 Kilogramm schwere erste Schiffschronometer fertig, und konnte 1735 der Royal Society vorgeführt werden, die ihn positiv beurteilte. Troz der angeblichen Dringlichkeit des Längenproblems brauchte die Admiralität ein Jahr, bis sie ein Schiff (das Lnienschiff Centurion**)) fand, auf dem die Uhr auf einer Reise von London nach Lissabon erprobt werden konnte. Das Erprobungsergebnis war gut, doch Harrison selbst war noch nicht zufrieden und bot den Bau einer verbesserten Uhr an, für den er einen Zuschuss erhielt.

Die wichtigste Uhr der Geschichte

Die 1737 fertiggestellte “H 2″ hatte immer noch Mängel, die Harrison vor einer Erprobung auf See beheben wollte. Er arbeitete, zurückgezogen fast wie ein Einsiedler, 20 Jahre an seinem nächsten Modell, der “H 3″. Bevor diese fertig war, erkannte Harrison, dass sich ein deutlich kleinerer Schiffschronometer, nicht sehr viel größer als eine Taschenuhr, bauen ließe, und entwickelte noch die ” H 4″. Diese, vielleicht die wichtigste Uhr der Geschichte, sieht aus wie eine große Taschenuhr und wiegt weniger als drei Pfund. Sie besitzt eine Temperatur-Kompensation der Unruh, ein “Remontoir”, das die unterschiedliche Federspannung vor und nach dem Aufziehen ausgleicht, sowie Gleitlager aus Diamanten und Rubinen.

Uhrmacherkunst gegen Astronomie

Stolz präsentierte Harrison im Jahr 1761 endlich seine neuesten Entwicklungen, die “H 3″ und sein Glanzstück, die “H 4″, die beide erprobt werden sollten. Doch unerwartete Schwierigkeiten traten auf. In der Längengradkommission dominierten Astronomen, die Monddistanz-Messungen vorzogen – vielleicht weil sie von Uhren zu wenig verstanden. Die Prüfung von Harrisons Chronometern verzögerte sich um Monate, und erst im Oktober konnte der – inzwischen gesundheitlich angeschlagene – John Harrison seinen Sohn William mit der “H 4″ auf eine Reise nach Jamaika schicken. Als die Uhr wieder in England ankam, hatte sie die Bedingungen für das Preisgeld von 20.000 Pfund bestens erfüllt, das sofort hätte ausgezahlt werden müssen. Die Kommission kam allerdings zu keinem günstigen Urteil und bewilligte Harrison nur 1.500 Pfund “in Anerkennung der Tatsache, dass seine Uhr ‘zwar noch nicht besonders geeignet scheint, die Länge zu bestimmen…gleichwohl eine Erfindung von beträchtlichem Nutzen für die Allgemeinheit ist'” (4, S. 152).

Die Astronomen, als Anhänger der Mond-Methode, wollten die Lösung eines Uhrmachers nicht gelten lassen. Ihr einzig stichhaltiges Argument war, dass Harrisons H 4 zu teuer war: ein Nachbau kostete 500 Pfund, während 1 Sextant und die erforderlichen Mondtabellen für 20 Pfund zu haben waren.

So musste 1764 William Harrison eine zweite Versuchsfahrt mit der “H 4″ antreten, diesmal nach Barbados. Mit an Bord war der Astronom Nevil Maskelyne (1732-1811), der die Überlegenheit seiner Monddistanz-Messungen beweisen wollte – vergeblich.***)

Nach der Rückkehr hatte die “H 4″ alle Anforderungen erfüllt, doch die Kommission fand immer neue Einwände und ließ sogar Harrisons Uhren beschlagnahmen. Ausgerechnet Maskelyne wurde mit der Prüfung beauftragt. Offensichtlich pflegte er sie schlecht und kam so zu einen ungünstigen Ergebnis. Zuletzt wurde die “H 4″ von einem anderen Uhrmacher im Auftrag der Längen-Kommission nachgebaut, und mit James Cook (1728-1779) auf dessen zweite große Reise (1772-1775) geschickt, auf der sie sich hervorragend bewährte, während die Mond-Methode nur für gelegentliche Kontrollen und Korrekturen verwendet wurde.

Ein schäbiger Pyrrhus-Sieg der Astronomie

In seiner Verzweiflung über die Schikanen, mit denen die Längengradkommission die Anerkennung seiner Leistungen verweigerte, wandte sich der inzwischen 79-jährige Harrison an seinen König, der das Parlament einschaltete und so dafür sorgte, dass 1773 endlich das restliche Preisgeld ausgezahlt wurde; allerdings als eine Art Almosen. Bald darauf wurden die Bestimmungen für das Preisausschreiben so verschärft, dass kein Uhrmacher mehr eine Chance hatte, und kein weiterer Preis vergeben werden musste. Damit hatten königliche Astronomen im Kampf für die Mond-Tabellen einen schäbigen Pyrrhus-Sieg errungen.

Als John Harrison 1776 starb, genoss er den Ruf eines Märtyrers. In jahrzehntelanger Arbeit, zuerst ganz auf sich allein gestellt, später von seinem Sohn unterstützt, hatte er unter unendlichen Schwierigkeiten ein für jeden Seemann lebenswichtiges Problem gelöst und zugleich eine neue Industrie begründet: Die Massenproduktion von Schiffschronometern, die wenige Jahrzehnte nach Harrisons Tod zu erschwinglichen Preisen angeboten wurden. Im 19. Jahrhundert hatte dann jeder Kapitän mehrere Chronometer an Bord, und die Bestimmung der geografischen Länge war tägliche Bord-Routine. Die Längengrad-Kommission löst sich 1828 auf, nachdem sie zuletzt nur noch Chronometer geprüft hatte.

Niemand kann genau sagen, wie viele Schiffskatastrophen zu vermeiden gewesen wären, hätten die zuständigen Behörden Harrison besser gefördert und Bau und Prüfung seiner Uhren beschleunigt.

*) Ephemeriden (griech. “Tagebücher”) = für einen längeren Zeitraum in konstanten Zeitintervallen vorausberechnete Gestirnsorte an der Himmelskugel. Sie werden in astronomischen Tafeln oder nautischen Jahrbüchern veröffentlicht. 

**) Fünf Jahre später wäre beinahe die gesamte Anson-Expedition mit der Centurion als Flaggschiff und 3 weiteren Schiffen bei Feuerland gescheiter, weil noch immer keine Längenbestimmung bei schlechter Sicht auf See möglich war (4, S. 29).

***) Nevil Maskelyne war als königlicher Astronom Herausgeber des “Nautical Almanac”, einem nautischen Jahrbuch, das noch ein Jahrhundert lang half, durch Mondbeobachtungen die Chronometer zu überprüfen (2, S. 74)

LITERATUR:

(1) Hintermeyer, Hellmut: “Schiffskatastrophen”, Pietsch, Stuttgart, 1998

(2) Pohl, Friedrich-Wilhelm: “Die Geschichte der Navigation”, Koehler, Hamburg, 1999

(3) Roth, Erwin: “Tobias Mayer”, Tobias Mayer Museum, Marbach, 1995

(4) Sobel, Dava “Längengrad”, Berlin Verlag, Berlin 1999