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Quadrant (Astronomie)
Ein Quadrant (von lateinisch quadrans, der vierte Teil) ist ein historisches astronomisches Instrument, mit dem die Höhenwinkel und Positionen von Gestirnen …
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Bedeutung und Einsatz
Ein Quadrant ist ein historisches astronomisches Messinstrument. Mit ihm wurden vor allem die Höhenwinkel und Positionen von Gestirnen bestimmt. Claudius Ptolemäus beschrieb ihn erstmals im zweiten Jahrhundert in der griechisch-römischen Antike. Später verbreitete er sich in den islamischen Ländern und gelangte von dort im Spätmittelalter in das christliche Europa.
Weiterentwickelte Quadranten dienten nicht nur der Astronomie, sondern auch der Navigation, der Bestimmung der Tageszeit sowie der Topografie und Geodäsie, also der Vermessung von Gelände und Erde. Gegen Ende des 18. Jahrhunderts wurden sie weitgehend durch spezialisierte Geräte wie Bordakreis, Meridiankreis, Theodolit und nautischen Sextanten ersetzt. Nachbauten und moderne Bausätze werden weiterhin von Amateurastronomen, für einführende Messübungen und in weiterentwickelter Form zur Höhenbestimmung im Forst- und Bauwesen verwendet.
Aufbau und Messverfahren
Der klassische Quadrant besteht aus einem Viertelkreis mit Gradeinteilung, einer Ablesevorrichtung, einem Diopter als Visier und einem Senklot. Der Beobachter visierte das zu messende Gestirn mit bloßem Auge durch den Diopter an. An der Stellung des frei herabhängenden Lotes auf der Skala ließ sich anschließend der Höhenwinkel ablesen.
Große Mauerquadranten waren an einer senkrechten, genau in Nord-Süd-Richtung verlaufenden Mauer befestigt. Mit ihnen bestimmte man auf dem Meridian, der örtlichen Nord-Süd-Linie am Himmel, die Sternörter. Bewegliche Quadranten standen auf Stativen; kleine Ausführungen wurden in der Hand gehalten. Verbesserungen betrafen hauptsächlich die genaue Aufstellung, das Anvisieren und das Ablesen.
Ab etwa 1650 wurden die Diopter insbesondere durch Adrien Auzout und Jean Picard durch Messfernrohre mit Fadenkreuzokularen und Mikrometern ersetzt. Das Fadenkreuz erleichterte das genaue Ausrichten auf ein Gestirn, während das Mikrometer feinere Messungen erlaubte. Die Beobachtung des Himmels war damals wegen der noch fehlenden Lichtverschmutzung etwas einfacher als heute.
Anfänge bei Ptolemäus
Claudius Ptolemäus, der in Alexandria lebte, beschrieb im zweiten Jahrhundert in seinen später als Almagest bezeichneten altgriechischen Werken erstmals einen Quadranten. Sein Gerät bestand aus einer quadratischen Steinplatte. Diese wurde in Nord-Süd-Richtung ausgerichtet und mithilfe eines Lotes exakt waagerecht eingestellt.
In einem Loch an einer oberen Ecke saß ein Stab. Er bildete die Achse eines auf der Platte eingezeichneten Viertelkreises mit Gradeinteilung. In der Mittagssonne warf der Stab einen Schatten auf die Skala. An dessen Position konnte der Winkel des Sonnenstandes abgelesen werden.
Weiterentwicklung in der islamischen Astronomie
Im neunten Jahrhundert überlieferten Thabit ibn Qurra, latinisiert Tebit, und Al-Battani, latinisiert Albategnius oder Albatanius, die Astronomie des Ptolemäus. Thabit ibn Qurra arbeitete am Haus der Weisheit in Bagdad; Al-Battani wirkte in Damaskus und ar-Raqqa beziehungsweise ar-Rāfiqa. Al-Farghani verfasste Kommentare und Erläuterungen zum Almagest, und Al-Chazini schrieb im frühen 12. Jahrhundert unter anderem eine Abhandlung über den Quadranten.
In ar-Raqqa und vermutlich auch in Damaskus entstanden Observatorien mit großen Mauerquadranten. Für Nasīr ad-Dīn at-Tūsī ließ Hülegü zwischen 1259 und 1262 bei Maragha das Observatorium Rasad Khaneh bauen. Sein Meridianinstrument hatte einen Radius von 18 m. Wegen seiner Größe war es kein vollständiger Quadrant, sondern ein Sextant. Hülegüs Bruder Kublai Khan ließ in China 27 Sonnenobservatorien errichten; die verwandtschaftlichen Beziehungen der Herrscher ermöglichten einen Austausch zwischen islamischen und chinesischen Astronomen.
In Maragha und allgemein in der islamischen Astronomie nutzte man außerdem bewegliche Azimuthquadranten auf Stativen. Mit ihnen ließen sich auch Gestirne außerhalb des Meridians beobachten. Die islamische Astronomie erreichte damit einen Stand, den das christliche Europa erst im 16. Jahrhundert zur Zeit Wilhelms IV. und Tycho Brahes wieder erreichte.
Im 14. Jahrhundert entstanden kleine Handquadranten mit mehreren Funktionen, ähnlich einem Astrolabium. Sie konnten beispielsweise die Zeit bestimmen; besonders beliebt waren Geräte zur Anzeige der Gebetszeiten. Ulugh Beg ließ 1428 in Samarkand das 30 m hohe Observatorium Gurchani Zidsch errichten. Dessen teilweise in einem Mauergraben liegendes Meridianinstrument besaß einen Radius von 36 m und war aufgrund seiner Größe ebenfalls ein Sextant.
Verbreitung und technische Blüte in Europa
Der Almagest und die Schriften islamischer Astronomen wurden in Europa ab der zweiten Hälfte des 12. Jahrhunderts bekannt. Wichtige Vermittlungswege waren die von Kaiser Friedrich II. gegründete Universität Neapel, al-Andalus und die Übersetzerschule von Toledo. Der vermutlich älteste in Mitteleuropa gefundene Quadrant ist der Zutphen Quadrant aus dem frühen 14. Jahrhundert, der in der niederländischen Provinz Gelderland ausgegraben wurde.
In der portugiesischen Seefahrt wurde der Quadrant durch Heinrich den Seefahrer bekannt. Eine von König Johann II. (1455–1495) eingesetzte Kommission führte wahrscheinlich um 1480 das Regimento do Astrolabio e do Quadrante ein, das erste nautische Handbuch und den ersten Almanach der christlichen Seefahrt. Peter Apian veröffentlichte 1533 im Instrument Buch eine ausführliche Beschreibung eines Quadranten zur Bestimmung von Stunden und für weitere Anwendungen; die lateinische Ausgabe war bereits 1532 erschienen.
Neben astronomischen Geräten verbreiteten sich kleinere Spezialformen. Geometrische Quadranten dienten etwa zur Messung der Höhe und Entfernung nahe gelegener Gebäude. Giovanni Battista Giustis Sonnenuhr-Quadrant zeigte die Uhrzeit an. Tobias Volckmer senior fertigte 1608 einen 36 cm hohen Universalquadranten für mathematische, astronomische, astrologische und militärische Berechnungen. Solche Instrumente waren sehr teuer und blieben Herrschern sowie sehr wohlhabenden Bürgern vorbehalten.
Um 1560 richtete Wilhelm IV. von Hessen-Kassel durch einen Anbau am Kasseler Schloss die erste Sternwarte Mitteleuropas ein. Dort verwendete er unter anderem Quadranten von Ebert Baldewein und Jost Bürgi. Tycho Brahe, der zuvor Paul Hainzel beim Bau des hölzernen Augsburger Quadranten mit 6,4 m Radius unterstützt hatte, besuchte Wilhelm IV. 1575. Zwischen 1576 und 1580 errichtete Brahe auf der ihm von König Friedrich II. von Dänemark überlassenen Insel Ven die Sternwarte Uraniborg.
Um 1587 baute Brahe dort den etwa zwei Meter großen Tychonischen Mauerquadranten. Er bestimmte Meridiandurchgänge nach Höhe und Zeit und besaß zwei bewegliche Diopter. Seine Skala erlaubte Angaben von Sechstelminuten beziehungsweise 10 Bogensekunden. Drei Personen bedienten ihn: Ein Beobachter richtete den Diopter auf den Stern und meldete den Durchgang, ein Zeitnehmer las an mindestens zwei Uhren die Sekunden ab, und ein Schreiber notierte die Werte.
Brahes Azimuthquadrant mit einem Radius von 1 ½ Ellen stand auf einem horizontalen Vollkreis. Mithilfe eines Nonius, einer Zusatzskala zum feineren Ablesen, konnten einzelne Minuten bestimmt werden. Er zerlegte Winkel erstmals in eine horizontale und eine vertikale Komponente und war damit ein Vorläufer des Theodolits. Brahe veröffentlichte 1598 in Wandsbek Abbildungen zahlreicher Instrumente in Astronomiae instauratae mechanica. Seine Geräte und ähnliche Kasseler Instrumente wurden für die folgenden Jahrzehnte zum Vorbild.
Snellius nutzte 1615 einen Quadranten bei der erstmals von ihm durchgeführten Landesvermessung durch geodätische Triangulation, also durch die Berechnung eines Vermessungsnetzes aus Dreiecken. Johannes Hevelius erhöhte später die Ablesegenauigkeit durch eine Mikrometerschraube am Diopter. Er und Elisabeth Hevelius hielten ihre Beobachtungen mit bloßem Auge weiterhin für genauer als damalige Teleskopbeobachtungen, weil sie die Linsen noch nicht für verzerrungsfrei hielten.
Jean Picard und Adrien Auzout ersetzten 1667 und 1668 die Diopter durch Messfernrohre mit Fadenkreuzokularen und Mikrometern. Für Nachtbeobachtungen wurden die feinen Fäden seitlich beleuchtet. Picard verwendete einen solchen Quadranten zur Triangulation des Meridianbogens Paris–Amiens und leitete damit die Vermessung Frankreichs ein. 1678 erhielt das Pariser Observatorium einen Azimuthalquadranten mit Fernrohr; 1683 wurden dort und im Royal Greenwich Observatory Mauerquadranten mit Fernrohren fertiggestellt.
Am Ende des 17. Jahrhunderts waren Fernrohre Standard, und große Mauerquadranten wurden zu Hauptinstrumenten vieler Sternwarten. Werkstätten besonders in London und Paris fertigten steifere und genauere Geräte aus Eisen und Messing. Dazu trugen auch verbesserte Fernrohre bei. Gegen Ende des 18. Jahrhunderts lösten spezialisierte Instrumente die Quadranten ab. Entscheidend wurde nun die Genauigkeit der Teilkreiseinteilung, für die seit dem Ende des 18. Jahrhunderts besondere Kreisteilungsmaschinen eingesetzt wurden.
