Bogen ~CD~ : Bogen ~AB~ = ~cos~ φ : 1

oder

Bogen ~CD~ = Bogen ~AB~ · ~cos~ φ

= 111 ~cos~ φ ~km~.

Für den Parallelkreis von Berlin ist φ = 52½°. Es ergibt sich als Länge

eines Gradbogens auf diesem Kreise 67,5 ~km~.

Auch den Parallelkreisen auf der Erdoberfläche entsprechen Kreise auf

der Himmelskugel, nämlich die zum Himmelsäquator parallelen Tagkreise

der Gestirne, die also Parallelkreise des Himmels sind. Aus den

Betrachtungen des § 9 ergibt sich noch folgendes: Die Erdhalbmesser,

die durch verschiedene Punkte eines und desselben Parallelkreises

gehen, treffen verlängert auf lauter Punkte eines und desselben

Parallelkreises der Himmelskugel, und dieser ist um ebensoviel

Grade vom Himmelsäquator entfernt, als der Parallelkreis der Erde

vom Äquator. Da der getroffene Punkt der Himmelskugel zugleich der

Zenit des entsprechenden Punktes der Erde ist, so ergibt sich: Der

Zenit eines jeden Punktes der Erde liegt ebensoviel Bogengrade vom

Himmelsäquator entfernt, als der Punkt selbst vom Erdäquator.

[Illustration: Fig. 24.]

Fig. 24 bringt diese Verhältnisse zur Anschauung: Der große Kreis ist

die Himmelskugel, der kleine die Erdkugel. ~PP´~ = Himmelsachse, ~P~ =

Nordpol, ~P´~ = Südpol des Himmels; ~pp´~ = Erdachse, ~p~ = Nordpol,

~p´~ = Südpol der Erde; ~AQ~ = Himmelsäquator, ~aq~ = Äquator der Erde;

~z~ ist unser Standpunkt, ~Z~ unser Zenit. Der große Kreis ist auch

unser Himmels-, der kleine unser Erdmeridian; ~a´b~, ~zu~, ~wk~, ~w´s~,

~cd~ sind Parallelkreise der Erde, ~A´B~, ~ZU~, ~WK~, ~W´S~, ~CD~ die

entsprechenden Parallelkreise des Himmels.

3. _Geographische Länge und Breite._ Die eben besprochene Einteilung

der Erdoberfläche dient zur Ortsbestimmung auf der Erde. Man mißt vom

Nullmeridian aus den Bogenabstand eines Ortes in seinem Parallelkreise,

und zwar nach Osten oder Westen, je nachdem dieser Abstand nach der

einen oder anderen dieser Richtungen weniger als 180° beträgt. Diesen

Bogenabstand nennt man die _geographische Länge_ des Ortes. Dann mißt

man im Meridian des Ortes seinen Bogenabstand vom Äquator; dieser

Abstand ist die _geographische Breite_ des Ortes. Die Parallelkreise

werden auch _Grade der Breite_, die Meridiane _Grade der Länge_

genannt; das Stück der Erdoberfläche zwischen zwei benachbarten

Parallelkreisen ist ein _Breitengrad_, das Stück zwischen zwei

benachbarten Meridianen ein _Längengrad_.

Die _geographische Länge_ ist eine _östliche_ oder eine _westliche_

(abgekürzt ö. L. und w. L.), die _geographische Breite_ eine

_nördliche_ oder eine _südliche_ (abgekürzt n. Br. und s. Br.). Da die

Breite vom Äquator gemessen wird, so meint man, wenn man von »hohen

Breiten« spricht, die Gegenden in der Nähe der Pole, die »niederen

Breiten« liegen nahe dem Äquator. Offenbar ist durch genaue Angabe der

Länge und Breite die Lage eines Ortes auf der Erde völlig bestimmt.

Berlin hat 52½° n. Br. und 13½° ö. L. Nach diesen Angaben kann ich es

leicht auf Globus oder Landkarte auffinden.

Die Namen Breite und Länge sind historisch zu erklären. Den Alten war

von der Erdoberfläche ein Stück bekannt, das etwa die Gestalt eines

Rechtecks hatte. Seine Ausdehnung von Westen nach Osten war bedeutend

größer als von Süden nach Norden. Da man nun gewöhnlich die größere

Ausdehnung Länge, die kleinere Breite nennt, so nannte der Astronom und

Geograph Ptolemäus (um 140 n. Chr.) die westöstliche Ausdehnung die

Länge, die südnördliche die Breite.

4. _Bestimmung der geographischen Länge und Breite._ I ~a~. Zum

leichten _Feststellen der geographischen Breite_ dient folgendes. Bei

der Betrachtung der Parallelkreise fanden wir, daß der Bogenabstand

eines Ortes vom Äquator, d. i. seine geographische Breite, gleich dem

Bogenabstand seines Zenits vom Himmelsäquator ist. Dieser ist aber

wiederum das Komplement der Höhe des Himmelsäquators, wie aus Fig. 24

zu ersehen, und da auch die Polhöhe des Ortes ein Komplement dieser

Höhe ist, so ergibt sich: _Die geographische Breite eines Ortes ist

gleich seiner Polhöhe._ Diese aber kann man mit Hilfe des Sextanten

oder des Theodolits unmittelbar messen.

~b.~ Am 21. März und am 23. September durchläuft die Sonne den Äquator;

daher ist an diesen Tagen ihre Mittagshöhe gleich der Äquatorhöhe.

Die Mittagshöhe der Sonne finden wir aber durch Messen des Schattens,

den ein vertikal stehender Stab mittags wirft. Zeichnet man nämlich

ein rechtwinkliges Dreieck aufs Papier, dessen Katheten sich wie

die Länge des Stabes zu seinem Schatten verhalten, so ist es dem

aus dem Stab, dem Schatten und der Verbindungslinie ihrer Endpunkte

gebildeten Dreieck ähnlich, also der Winkel, den die Hypotenuse mit

der dem Schatten entsprechenden Kathete bildet und der ohne weiteres

mit dem Transporteur gemessen werden kann, gleich der Sonnenhöhe,

und sein Komplement gibt die geographische Breite. An anderen als den

zwei genannten Tagen stimmt freilich diese Messung nicht, sondern man

muß bei uns den gemessenen Winkel in der Zeit vom 21. März bis zum

23. September um die Deklination der Sonne für den betreffenden Tag

vermindern, in der übrigen Zeit vermehren. Die Deklination findet sich

vielfach in Kalendern verzeichnet.

~c.~ Ein anderes Verfahren ergibt sich aus folgender Überlegung: In

Fig. 24 ist ~A´B~ der Tagkreis eines Zirkumpolarsternes. Bogen ~A´H´~

ist seine Höhe bei der oberen, Bogen ~BH´~ bei der unteren Kulmination,

Bogen ~PH´~ die Polhöhe für den Standort z. Nun ist Bogen ~PH´~ =

Bogen ~PB~ + ~BH´~ = ½ Bogen ~A´B~ + Bogen ~BH´~ = ½(Bogen ~A´B~ +

2~BH´~) = ½(Bogen ~A´B~ + ~BH´~ + ~BH´~) = ½(Bogen ~A´H´~ + ~BH´~),

d. h. die Polhöhe, also auch _die geographische Breite eines Ortes

ist das arithmetische Mittel zwischen der Höhe der oberen und unteren

Kulmination eines Zirkumpolarsternes_. Ist z. B. die obere Kulmination

eines solchen Sternes 65°, die untere 40°, so ist die geographische

Breite gleich (65° + 40°)/2 = 52½°. Die Höhe der beiden Kulminationen

kann aber wieder mit dem Sextanten oder dem Theodolit gemessen werden.

II. Zur _Bestimmung der geographischen Länge_ dienen die Chronometer,

besonders genau gearbeitete, von Temperaturschwankungen in ihrem Gange

nicht beeinflußte Uhren. Die Schiffe führen solche Chronometer mit

sich; sie sind nach der Ortszeit des Abfahrtsortes gestellt, d. h.

sie zeigen 12 Uhr, wenn dort die Sonne durch den Meridian geht. Damit

sie bei allen Schwankungen des Schiffes in wagerechter Lage bleiben,

werden sie wie der Kompaß in einem Cardanischen Ringe aufgehängt. Wir

fanden schon, daß die Sonne in 4 Minuten 1° durchläuft. Daher wird

sie bei uns 4 Minuten später aufgehen und kulminieren als in einem 1°

östlicher gelegenen Punkte. Zeigt demnach ein Schiffschronometer an

einer Stelle der Fahrt im Augenblicke der oberen Kulmination der Sonne

2 Uhr nachmittags, so liegt der Ort soviel Längengrade westlich vom

Ausfahrtsorte, als 4 Minuten in 2 Stunden = 120 Minuten enthalten sind,

d. h. 30°.

5. _Die Zonen der Erde._ ~a~) _Begrenzung der Zonen._ Wir wissen

schon aus § 9, welche Bedeutung die Orte auf den Wendekreisen des

Himmels und auf den Polarkreisen für die Himmelsbeobachtung haben.

Ihnen entsprechen _auch auf der Erde ein nördlicher und ein südlicher

Wendekreis_ oder ein Wendekreis des Krebses und ein Wendekreis des

Steinbocks (23½° n. und s. Br.) und _ein nördlicher und südlicher

Polarkreis_ (66½° n. und s. Br.). Diese vier Kreise, die auch auf dem

Globus verzeichnet sind, teilen die Erdoberfläche in drei Kugelzonen

(Zone griech. = Gürtel) und zwei Kugelkappen. Alle fünf Teile werden

kurzweg Zonen genannt.

~b~) _Beleuchtung und Erwärmung in den Zonen._ Wir erkannten schon in

§ 9: Zwischen den zwei Wendekreisen fallen die Sonnenstrahlen an zwei

Tagen, auf den Wendekreisen an einem Tage im Jahre mittags senkrecht

auf die Erde und weichen an den anderen Tagen nie über 47° von dieser

Richtung ab. Zwischen je einem Wendekreise und dem nächsten Polarkreise

fallen die Strahlen stets schräg auf die Erde, und zwar um so schräger,

je weiter der getroffene Ort von den Wendekreisen entfernt ist. Auf

den Polarkreisen herrscht zwar einmal im Jahre volle 24 Stunden Tag,

aber auch einmal ebenso lange Nacht, und zwischen den Polarkreisen und

den Polen herrscht sogar länger als 24 Stunden, auf den Polen sogar

sechs Monate lang hintereinander Tag, aber auch ebenso lange Nacht; vor

allem aber fallen von den Polarkreisen bis zu den Polen die Strahlen

immer schräger auf. -- Nun lehrt die Erfahrung, daß bei sonst gleichen

Verhältnissen eine Fläche durch Sonnenstrahlen um so stärker erwärmt

wird, je mehr die Richtung der Strahlen der senkrechten Richtung nahe

kommt; daher wird die Durchschnittstemperatur der Erde in der Zone

zwischen den Wendekreisen höher sein als in den zwei Zonen zwischen

Wendekreis und nächstem Polarkreis und in diesen wieder höher als in

der nördlichsten und südlichsten Zone. Wir wissen ferner, daß in der

Zone zwischen den Wendekreisen die Zahl der Stunden, in denen die Erde

überhaupt von Sonnenstrahlen getroffen wird, in der Jahreszeit des

höchsten Sonnenstandes verhältnismäßig wenig (am Äquator selbst gar

nicht) höher ist als in der Zeit des niedrigsten Sonnenstandes. In der

Zone zwischen Wendekreis und Polarkreis wird dagegen der Unterschied

immer bedeutender, je höher die geographische Breite. Jenseits der

Polarkreise sind diese Unterschiede, wie sich aus dem Vorhergehenden

ergibt, noch bedeutender. Daher wird die Erwärmung in der Zone um den

Äquator in allen Jahreszeiten ziemlich gleichmäßig, in den übrigen

Zonen im Sommer viel stärker als im Winter sein. Am stärksten ist

dieser Unterschied an den Polen. Also unterscheiden sich die fünf Zonen

der Erde 1. in der Höhe der Durchschnittstemperatur des Jahres, 2. in

der Gleichmäßigkeit der Erwärmung in den verschiedenen Jahreszeiten.

~c~) _Namen der Zonen._ Die erste Zone nennt man deshalb _die heiße

Zone_ oder, da man die Wendekreise, zwischen denen sie liegt, auch mit

dem griechischen Namen _Tropen_ (trépo griech. = wenden) bezeichnet,

_die tropische Zone_ oder das _Gebiet der Tropen_: die beiden nächsten

Zonen heißen _nördliche_ und _südliche gemäßigte Zone_, die beiden

kältesten _nördliche_ und _südliche kalte Zone_ oder wegen ihrer Lage

um die Pole herum auch die _Polargegenden_. Weil endlich die nördliche

kalte Zone von allen Zonen der Erde dem Sternbilde des Bären (griech.

arktos) am nächsten liegt, heißt sie die _arktische Zone_, die südliche

kalte Zone heißt die _antarktische_ (anti griech. = gegen, entgegen).

Der Flächeninhalt der beiden gemäßigten Zonen zusammen ist mehr

als sechsmal, der der heißen Zone mehr als viermal so groß als der

Flächeninhalt der beiden kalten Zonen zusammen[1].

[1] Über die Wirkungen der Unterschiede in der Erwärmung, die

in das Gebiet der physischen Geographie gehören, vgl.

_Heinze_, Physische Geographie, 3. Aufl., § 23.

6. _Gegenfüßler, Gegenwohner, Nebenwohner._ 1. Gegenfüßler (griech.

Antipoden) wohnen auf entgegengesetzten Hälften eines Meridians, also

einer auf der östlichen, der andere auf der westlichen Halbkugel;

sie haben also entgegengesetzte Tageszeit. Sie wohnen zugleich auf

entgegengesetzten Parallelkreisen, also einer auf der nördlichen, der

andere auf der südlichen Halbkugel; sie haben also entgegengesetzte

Jahreszeit.

In Fig. 24 wohnen in ~w~ und ~s~ Gegenfüßler, ebenso in ~a~ und ~q~, in

~c~ und ~b~. Wie man sieht, wohnen sie stets an den Endpunkten eines

Erddurchmessers. Die Bewohner von Cordoba in Spanien haben auf der

Nordinsel von Neuseeland ihre Gegenfüßler.

2. Die Gegenwohner wohnen auf demselben Halbmeridian, also beide

auf der östlichen oder beide auf der westlichen Halbkugel, aber auf

entgegengesetztem Parallelkreise, also die einen auf der nördlichen,

die anderen auf der südlichen Halbkugel; sie haben dieselbe Tageszeit,

aber entgegengesetzte Jahreszeit. In Fig. 24 wohnen in ~w~ und ~w´~, in

~c~ und ~a´~ Gegenwohner. Die Bewohner von Tokio in Japan und Adelaide

in Südaustralien sind nahezu Gegenwohner.

3. Die Nebenwohner wohnen auf entgegengesetztem Halbmeridian, also die

einen auf der östlichen, die anderen auf der westlichen Halbkugel, aber

auf demselben Parallelkreise, also beide auf der nördlichen oder beide

auf der südlichen Halbkugel. Sie haben entgegengesetzte Tageszeit, aber

dieselbe Jahreszeit. In Fig. 24 wohnen in ~w~ und ~k~, in ~z~ und ~u~,

in ~w´~ und ~s~ Nebenwohner. Die Bewohner von Santo Domingo auf Haiti

haben auf der Insel Hainan, südw. von Canton, ihre Nebenwohner.

§ 14.

Die wahre Gestalt und die Größe der Erde.

1. _Beweise für die Abplattung der Erde._ Die _Erde_ hat nicht genau

die Gestalt einer Kugel, sondern ist _an den Polen etwas abgeplattet_.

Das folgt aus verschiedenen Beobachtungen:

~a~) Der französische Astronom Richer reiste 1672 von Paris (49° n.

Br.) nach Cayenne (5° n. Br.), um dort Beobachtungen des Planeten

Mars auszuführen. Er hatte eine genau regulierte Pendeluhr mit einem

Sekundenpendel bei sich, d. h. mit einem Pendel, das in Paris in

einer Sekunde eine Schwingung machte, also im Tage 24 × 60 × 60 =

86400 Schwingungen. In Cayenne bemerkte er, daß das Pendel seiner Uhr

täglich 148 Schwingungen weniger machte als in Paris, daß also die

Uhr 148 Sekunden nachging. Erst als er das Pendel um etwa 2-2/3 ~mm~

kürzer machte, ging die Uhr wieder richtig. Nach Paris zurückgekehrt,

fand Richer, daß seine Uhr täglich 148 Sekunden vorging; er brachte

das Pendel auf die frühere Länge, und die Uhr ging wieder richtig.

Dieselbe Erfahrung ist hernach bei Reisen von Norden nach Süden und

umgekehrt vielfach gemacht worden, _stets schwang das Pendel bei einer

Reise nach den Polen zu schneller, nach dem Äquator zu langsamer_. Die

bewegende Kraft des Pendels ist nun die Schwerkraft, und sie wirkt

erfahrungsmäßig um so stärker, je näher der angezogene Körper dem

Mittelpunkt der Erde ist. Mit Recht folgerten daher Newton (1643--1727)

und Huygens (1629--1695), daß die Punkte der Erdoberfläche in den

höheren Breiten dem Mittelpunkte der Erde näher sind, als die Punkte um

den Äquator; folglich ist die Erde an den Polen abgeplattet (s. aber

§ 16, Anm.).

~b~) Die Abplattung ist durch _Gradmessungen_ direkt erwiesen. Wäre

die Erde eine Kugel, so müßten nicht nur alle Grade des Äquators und

alle Grade eines und desselben Parallelkreises untereinander gleich

sein, was in der Tat der Fall ist, sondern auch alle Grade desselben

Meridians, gleichgültig, in welcher geographischen Breite sie gemessen

wären. Anders aber muß es sein, wenn die Erde an den Polen abgeplattet

ist. Ein Kreis ist um so stärker gekrümmt, je kleiner der Radius ist;

ein Gradbogen mit größerem Radius erscheint also flacher, als ein

Gradbogen mit kleinerem Radius. Ist also wirklich die Erde nach den

Polen zu abgeplattet, d. h. erscheint sie dorthin weniger gekrümmt,

als am Äquator, so kann man den Meridian ansehen als zusammengesetzt

aus lauter Gradbogen, deren Radien vom Äquator nach den Polen zu

beständig wachsen. Die Länge eines Gradbogens auf einer Kreislinie

hängt nun ab von der Länge des Halbmessers; denn da die Peripherie oder

ein Bogen von 360° = 2π · ~r~ ist, so ist ein Bogen von 1° = π/180 ·

~r~. Der Bogen ist also um so länger, je länger der Radius ist. Daraus

ergibt sich sofort: Ist die Erde an den Polen abgeplattet, so muß die

Länge eines Meridiangrades vom Äquator nach den Polen zu wachsen.

Das ist in der Tat der Fall. In der Mitte des 18. Jahrhunderts haben

französische Gelehrte in Peru, Frankreich und Lappland Gradmessungen

angestellt und fanden die Länge eines Meridiangrades in Peru 110,608

km, in Frankreich 111,212 ~km~, in Lappland 111,949 ~km~. Damit war die

Abplattung direkt bewiesen[2].

[2] Über das Verfahren bei solcher schwierigen und mühevollen

Messung s. _Heinze_, a. a. O. § 2 Anm.

[Illustration: Fig. 25.]

2. _Die wahre Gestalt der Erde._ Während also alle Breitengrade Kreise

sind, sind die Meridiane keine Kreise; sie sind vielmehr Ellipsen.

Eine Ellipse ist eine geschlossene, krumme Linie, innerhalb deren,

ebenso wie innerhalb eines Kreises sich ein Punkt befindet, der alle

geraden Linien halbiert, die man durch ihn von einem Punkte der

krummen Linie zum andern zieht. Wie beim Kreise nennt man jenen Punkt

Mittelpunkt, die geraden Linien Durchmesser. Diese sind aber nicht

untereinander gleich, wie im Kreise; es gibt einen größten und einen

kleinsten Durchmesser; dieselben stehen senkrecht aufeinander und

heißen große und kleine Achse der Ellipse. In der großen Achse liegen

zwei besondere Punkte in gleicher Entfernung vom Mittelpunkte; zieht

man von diesen beiden nach irgend einem Punkte der Ellipse die beiden

Verbindungslinien, so ist ihre Summe für alle Punkte dieselbe, nämlich

gleich der großen Achse. Diese beiden Punkte in der Hauptachse heißen

Brennpunkte. Ihr Abstand vom Mittelpunkt heißt Exzentrizität, ihr

kürzester Abstand von der Peripherie der Ellipse heißt Brennweite.

Fig. 25 ist eine Ellipse, ~O~ ist ihr Mittelpunkt, ~AB~, ~EG~, ~CD~

sind Durchmesser, ~AB~ ist die große, ~CD~ die kleine Achse, ~F~ und

~F₁~ sind die Brennpunkte, ~FC~ + ~CF₁~ = ~FG~ + ~GF₁~ = ~AB~, ~FO~ ist

die Exzentrizität, ~FA~ die Brennweite. Die Meridiane sind natürlich

alle kongruente Ellipsen, die große Achse ist ein Äquatordurchmesser,

die kleine die Erdachse. Denkt man sich eine halbe Ellipse, etwa

~CAD~ in Fig. 25 um ihre kleine Achse gedreht bis zur ursprünglichen

Lage, so beschreibt die halbe Ellipsenlinie eine solche Fläche, wie

es die Oberfläche der Erde ist. Jeder Punkt der Ellipse, z. B. ~A~,

~E~, beschreibt dabei einen Kreis, entsprechend einem Parallelkreis

der Erde, der Endpunkt der halben großen Achse (~A~) den größten,

entsprechend dem Äquator. Alle Schnitte längs der Drehachse schneiden

die Fläche in Ellipsen, die alle gleiche Achsen haben mit der Ellipse,

deren Hälfte durch ihre Drehung die Fläche beschrieb. Ihnen entsprechen

die Meridiane der Erde. Einen Körper, den eine solche Fläche begrenzt,

nennt man Umdrehungs- oder Rotationsellipsoid, auch _Sphäroid_ (griech.

= kugelähnlich). Die Erde ist also ein Sphäroid, die Meridiane sind

Ellipsen mit geringer Exzentrizität und großer Brennweite, d. h. nahezu

Kreise. Genau ist freilich auch das noch nicht. Die Arbeiten der seit

1861 tätigen europäischen Gradmessung führten zu folgendem Ergebnis:

Die Erdoberfläche ist allseitig gekrümmt und setzt sich aus Flächen von

wechselnder Krümmung zusammen, die allmählich ineinander übergehen. Man

nennt diese Fläche ein _Geoid_ (griech. = erdähnlich).

3. _Die Größe der Erde und ihrer Abplattung._ Ein _Grad des Äquators_

ist 111,305 ~km~ lang; daraus ergibt sich der _Umfang des Äquators_ (=

360°) = 360 · 111,305 = rund 40070 ~km~. Da der Umfang eines Kreises

= 2~r~π, so ist 2~r~ = Umfang/π, der _Durchmesser des Äquators_

also = 40070/π = 12754,8 ~km~, der Halbmesser = 6377,4 ~km~. Sieht

man die Erde als Kugel an, so ergibt sich daraus als Inhalt ihrer

Oberfläche = 4~r~²π = 2~r~π · 2~r~ = Äquatorumfang × Äquatordurchmesser

= 40070 · 12754,8 = 511077778 ~qkm~, als Körperinhalt der Erde ca.

1086 Milliarden ~cbkm~. Aber diese Ergebnisse sind zu groß, da

die Erde abgeplattet ist. Mit Hilfe der höheren Mathematik sind

aus den verschiedenen Längen der Meridiangrade in verschiedenen

geographischen Breiten auch der _Umfang eines Meridians_ = 40003 ~km~

und die Länge seiner kleinsten Achse, d. i. die Länge der _Erdachse_

(_Polardurchmesser_) = 12712,3 ~km~ berechnet. Der größte und der

kleinste Halbmesser der Erde sind also:

_Äquatorialhalbmesser_ = 6377,4 ~km~,

_Polarhalbmesser_ = 6356,1 ~km~;

_ihr Unterschied_ = 21,3 ~km~.

Man bezeichnet als die Abplattung eines Sphäroids den Bruch (~a~ −

~b~)/~a~, wo ~a~ und ~b~ die große und die kleine Achse bedeuten.

Offenbar ist sie um so kleiner, je kleiner ~a~ − ~b~ ist, also je

weniger die große und kleine Achse voneinander verschieden sind. Für

die Erde beträgt die _Abplattung_ nur 21,3/6377,4 = 1/299, ist also

sehr gering. Die höhere Mathematik lehrt auch die Berechnung der

Oberfläche und des Körperinhaltes eines Sphäroids aus seinen beiden

Achsen; sie betragen für die Erde

_Oberfläche der Erde_ = 509950714 ~qkm~,

_Körperinhalt der Erde_ = 1083 Milliarden ~cbkm~,

also nicht unerheblich weniger, als wenn man die Erde als Kugel und als

deren Durchmesser den Äquatorialdurchmesser ansieht.

Der höchste Berg der Erde ist 8840 ~m~ hoch; der größte Durchmesser

der Erde ist also rund 1440mal so groß. Auf einem Globus, dessen

Durchmesser fast ¾ ~m~ lang wäre, würde daher der höchste Berg in

entsprechender Größe nur ½ ~mm~ groß sein. Die Berge ändern also an

der Kugelgestalt der Erde so wenig, wie die kleinen Unebenheiten einer

Eierschale an der Gestalt des Eies. Auch die Abplattung ändert daran

wenig; schon in einer Entfernung von wenigen Erddurchmessern wird daher

die Erde durchaus als Kugel erscheinen.

§ 15.

Rotation der Erde.

1. _Möglichkeit der Rotation._ ~a~) Sitzt man in einem Eisenbahnzuge

und richtet den Blick aufs Fenster, so scheint es, als ob der Zug

stillstände und die überblickten Felder und Telegraphenstangen

vorbeiflögen. Diese scheinbare Bewegung geschieht in einer Richtung,

die der Richtung der wirklichen Bewegung des Zuges entgegengesetzt

ist. Ähnliche Beobachtungen kann man noch in großer Zahl machen. So

glaubt man sich selber zu drehen, wenn man unter der sich langsam

herumdrehenden Kuppel einer Sternwarte steht. Immer erfolgt bei

solchen Beobachtungen die scheinbare Bewegung in einer Richtung, die

der Richtung der wirklichen Bewegung entgegengesetzt ist. Unsere

Beobachtung kann uns also täuschen. Wir beobachten nun, daß scheinbar

die ganze Himmelskugel mit der Sonne und all ihren Sternen sich täglich

von Osten nach Westen um die Erde herumschwingt. Das könnte wirklich

so sein; es kann aber auch nach dem, was wir eben fanden, seinen

Grund darin haben, daß sich die Erde täglich um eine Achse dreht;

diese Achse müßte natürlich mit der Achse der scheinbaren Drehung des

Himmelsgewölbes zusammenfallen, d. h. es müßte die Erdachse sein. Auch

müßte die Bewegung der scheinbaren Bewegung entgegengesetzt, also

von Westen nach Osten erfolgen. Weil man früher wegen Mangels guter

Instrumente über die Entfernung der einzelnen Sterne von der Erde

ganz im unklaren war, so nahm man ohne weiteres an, daß die Bewegung

der Himmelskugel eine wirkliche sei; man setzte also alle Fixsterne

in gleicher Entfernung von der Erde an die Fläche eines kristallenen

Gewölbes und ließ sie mit diesem durch eine unbekannte Kraft um die

Erde herumgeführt werden. Nach Entdeckung des Fernrohres im Anfang

des 17. Jahrhunderts erkannte man bald, daß die Entfernungen der

Sterne von der Erde sehr verschieden seien und daß sie daher mit sehr

verschiedenen Geschwindigkeiten sie umkreisen müßten. Dann aber wäre es

doch kaum zu begreifen, daß trotzdem alle genau in derselben Zeit diese

Umkreisung ausführen sollten.

~b~) Wenn die Sonne und die Sterne um die Erde herumliefen, so müßte

_die Geschwindigkeit der meisten umlaufenden_ Sterne ganz ungeheuer

sein. Die Sonne ist, wie man aus gewissen Fernrohrbeobachtungen

berechnet hat, rund 150000000 ~km~ von der Erde entfernt; sie müßte

also, wenn sie den Äquator durchläuft (21. März, 23. September), in 24

Stunden einen Weg von 2π · 150000000 ~km~, demnach in 1 Sekunde 11000

~km~ durchlaufen. Der Fixstern Sirius ist 1000000mal so weit von uns

entfernt als die Sonne, und da die Umfänge der Kreise sich wie die

Radien verhalten, so müßte der Sirius bei der Umkreisung der Erde in

24 Stunden und demnach auch in einer Sekunde eine Bahn beschreiben,

die 1000000mal so groß wäre als die entsprechende Bahn der Sonne, d.

h. seine Geschwindigkeit betrüge rund 11000000000 ~km~ in der Sekunde,

also eine Strecke, gegen welche die riesige Geschwindigkeit des Lichtes

(300000 ~km~ in der Sekunde) ganz verschwindet! Das ist gar nicht

denkbar.

~c~) Wo eine Wirkung ist, da muß auch eine Ursache sein, und zwar

muß die Ursache der Wirkung entsprechen. Woher sollte nun die

ungeheure bewegende Kraft kommen? Sie müßte doch von der Erde als dem

Mittelpunkte des ganzen Weltsystems kommen. Aber wie _klein ist die

Erde_ im Vergleich zu den Massen, auf die sie so gewaltige Wirkungen

ausüben müßte! Ist ja doch die Sonne an Masse 324000mal so groß wie die

Erde!

Aus solchen Betrachtungen ergab sich die Möglichkeit, ja die

Wahrscheinlichkeit, daß sich nicht die Sterne um die Erde bewegen,

sondern daß die Erde sich um ihre Achse drehe. Danach müßte man sagen:

_Die Erde bewegt sich um ihre Achse, sie »rotiert« von Westen nach

Osten. Die scheinbare Rotation des ganzen Fixsternhimmels von Osten

nach Westen ist also eine natürliche Folge der Rotation der Erdkugel

von Westen nach Osten._ Sie bewirkt, daß uns am östlichen Himmel

beständig neue Sterne auf- und gesehene Sterne am westlichen Himmel

untergehen. Die Atmosphäre nimmt an der Rotation teil.

Der Einwand, daß wir von der Rotation nichts spüren, ist nicht

stichhaltig. Wenn wir in einem Kahne oder auf einem Dampfer sitzen und

von diesem Fahrzeuge sanft, ohne Schwanken und Schaukeln bewegt werden,

so haben wir, sobald wir die Augen schließen, das Gefühl, als ständen

wir still, selbst wenn die Bewegung ziemlich schnell vor sich geht.

Die Erdbewegung ist noch viel gleichmäßiger, daher äußerst sanft, und

deshalb spüren wir nichts davon.

2. _Dauer der Rotation._ Wenn die Erde wirklich rotiert, so geschieht

das natürlich in derselben Zeit, in welcher der Himmel mit all seinen

Gestirnen sich einmal um die Erde herumzuschwingen scheint: in 23

Stunden 56 Minuten und 4 Sekunden. In dieser Zeit durchläuft jeder

Punkt der Erdoberfläche, ausgenommen die Pole, einen ganzen Kreis =

360°. Die Achsendrehung der Erde ist eine vollkommen gleichmäßige

Bewegung; denn die scheinbare Bewegung der Sterne erfolgt ja, wie wir

wissen, auch ganz gleichmäßig, in 4 Minuten wird immer ein Grad des

Tagkreises durchlaufen. Natürlich ist für die verschiedenen Punkte

der Erdoberfläche die Rotationsgeschwindigkeit sehr verschieden.

Am größten ist sie am Äquator; hier durchläuft ein Punkt in einem

Tage den Umfang des Äquators = 40070 ~km~, also in einer Sekunde

1/86164 Tag 40070/86164 ~km~ = 465,04 ~m~. (So rasch fliegt etwa eine

Büchsenkugel.) Aus unseren Berechnungen in § 13, 2 ergibt sich, daß der

Parallelkreis in der geographischen Breite φ gleich ist dem Produkt aus

der Länge des Äquators und dem ~cos~ φ, also = 40070 · ~cos~ φ ~km~.

Hier durchläuft also ein Punkt in einer Sekunde 40070/86164 · ~cos~ φ

~km~. Hiernach rotiert Berlin bei einer Breite von 52½° immer noch mit

einer Geschwindigkeit von 283 ~m~ in der Sekunde.

§ 16.

Beweise für die Rotation der Erde.

Der augenfälligste Beweis für die Rotation stammt von dem französischen

Physiker Foucault.

I. ~a~) Er geht davon aus, daß ein schwingendes Pendel stets in

derselben Vertikalebene schwingt. Das ergibt sich schon aus dem

Beharrungsgesetze, kann aber auch tatsächlich durch einen Versuch

nachgewiesen werden, der etwa folgendermaßen anzuordnen wäre. Auf einem

horizontalen Brette ruht eine Scheibe, von deren Mittelpunkte eine

Achse in das Brett führt, so daß die Scheibe um diesen Mittelpunkt

drehbar ist. Auf der Scheibe ist in den Endpunkten eines Durchmessers

ein vertikaler Bügel befestigt; dieser wird also an einer Drehung der

Scheibe teilnehmen mit Ausnahme des Punktes in ihm, der von einer auf

der Scheibe im Mittelpunkte errichteten Senkrechten, der Drehachse

der ganzen Vorrichtung getroffen wird. Von diesem Punkte hängt ein

Pendel nach dem Mittelpunkte der Scheibe zu herab. Auf dem Grundbrette

steht neben der Scheibe senkrecht aufwärts ein Stift. Hebt man das

Pendel nach diesem Stifte hin und läßt es los, so schwingt es über den

Mittelpunkt der Scheibe hinaus und zurück in einer durch den Stift, den

Scheibenmittelpunkt und den Aufhängepunkt bezeichneten Vertikalebene.

In dieser schwingt es nun unverändert weiter, wenn man auch die

Scheibe samt dem Bügel um ihre Achse im Kreise herumdreht. Dabei wird

es natürlich nach und nach über allen Scheibendurchmessern schwingen.

Verschiebt man die ganze Vorrichtung samt dem Grundbrette nur seitlich,

so wird die Schwingungsebene ihre Richtung nicht ändern, also nur

parallel zu ihrer früheren Lage liegen.

~b~) Denken wir uns nun den Versuch noch etwas anders eingerichtet.

Die Scheibe sei der Fußboden eines geschlossenen Raumes (Zimmers),

der Aufhängepunkt liege in der Zimmerdecke, der Bügel ist dann

überflüssig. Das ganze Zimmer sei in derselben Weise drehbar wie das

Gestell, und diese Bewegung erfolge sanft, ohne alle Erschütterungen

und Schwankungen; dann wird natürlich jemand, der im Zimmer ist, von

der Drehung, an der er teilnimmt, nichts merken, sondern den Eindruck

gewinnen, daß sich die Schwingungsebene des Pendels in dem scheinbar

ruhenden Raume fortwährend herumdreht, und zwar in einer der wirklichen

Drehung des Zimmers entgegengesetzten Richtung.

II. Rotiert nun die Erde wirklich in rund 24 Stunden um ihre Achse,

so würden für eine solche Pendelvorrichtung, die genau über dem

Nordpol stände, genau dieselben Bedingungen vorliegen, wie in dem

beschriebenen Versuche. Das Pendel würde über den Pol hin zunächst

über einem bestimmten Meridian schwingen; aber schon nach 4 Minuten

würden die Punkte des Meridians sich um 1° gedreht haben, und das

Pendel schwänge jetzt über dem nächsten Meridian hin. Schwänge es lange

genug, so würden sich alle 360 Halbmeridiane unter ihm herumdrehen; ein

Beobachter aber, der ja, ohne es zu bemerken, diese Bewegung mitmachte,

würde, wie jener Beobachter des Versuches im Zimmer, den Eindruck

haben, daß die Schwingungsebene des Pendels um die Erdachse in einer

der wirklichen Rotation der Erde entgegengesetzten Richtung rotierte

und erst nach 24 Stunden wieder ihre alte Lage einnähme.

[Illustration: Fig. 26.]

III. Daß auch an anderen Stellen der Erdoberfläche eine scheinbare

Drehung der Schwingungsebene zu bemerken sein müßte, zeigt Fig. 26,

in der ~PP´~ die Achse, Bogen ~AA´Q~ den halben Äquator der Erde,

Bogen ~BB´C~ den halben Parallelkreis, Kreis ~PBAP´QCP~ den Meridian

des Ortes ~B~ bedeutet. Das Pendel schwinge zunächst über dem Meridian

von ~B~ oder, was dasselbe, über der Nordsüdlinie. Da diese Linie

einerseits der Horizontalebene angehört, d. h. der Ebene, die die

Erdkugel in ~B~ berührt, anderseits der Meridianebene, so kann sie mit

dem Meridian nur Punkt ~B~ gemein haben, mit anderen Worten: sie ist

die Tangente des Meridians im Punkte ~B~, also die gerade Linie ~BD~.

Diese steht auf dem Kreishalbmesser ~BM~ senkrecht und muß deshalb die

Achse, mit der sie in derselben Ebene (Meridianebene) liegt, schneiden.

Dreht sich nun die Erde um ihre Achse, so wird Punkt ~B~ in seinem

Parallelkreise fortschreiten und nach einiger Zeit in ~B´~ angelangt

sein; der Halbmeridian von ~B~ ist dann ~PB´A´P´~, die Nordsüdlinie

~B´D~. Die Schwingungsebene des Pendels aber muß noch immer parallel

zu ihrer ersten Lage sein; das Pendel wird also über einer Linie ~B´X~

schwingen, die zu ~BD~ parallel ist und demnach von der Nordsüdlinie um

einen Winkel ~XB´D~ abweicht, der als Wechselwinkel gleich ~B´DB~ ist.

Würde dieser Versuch im geschlossenen Raume ausgeführt, so müßte sich

demnach für die Zuschauer die Schwingungsebene scheinbar von Osten über

Süden nach Westen drehen.

[Illustration: Fig. 27.]

Auch die Fig. 27 veranschaulicht sehr deutlich die allmähliche

scheinbare Drehung der Schwingungsebene. Die beiden konzentrischen

Kreisbogen seien Stücke zweier voneinander nur um den Bruchteil

einer Sekunde entfernten Parallelkreise der Erde, die zwischen ihnen

gezogenen zehn geraden Linien 0, 10, 20 usw. sehr kurze und darum als

geradlinig anzusehende Stücke von Meridianen oder, mit anderen Worten,

die Nordsüdlinien der entsprechenden Punkte der Erde. Die untereinander

parallelen Pfeile geben die unveränderliche Richtung der Schwingung

des Pendels an. Schwingt also das Pendel bei der Linie 0 noch über der

Nordsüdlinie, so weicht es mehr und mehr davon ab, wenn es durch die

Rotation der Erde nach und nach in die Gegend der Linien 10, 20, 30,

40 ... 90 kommt.

IV. Diese scheinbare Drehung der Schwingungsebene hat nun eben

Foucault 1851 durch direkten Versuch im Pantheon zu Paris vorgeführt

und damit die Rotation der Erde unwiderleglich bewiesen. Er brauchte

dazu natürlich ein Pendel, das möglichst lange schwang, d. h. ein

langes verhältnismäßig schweres Fadenpendel. Als solches diente ihm

eine 62 ~m~ lange und kaum 1 ~mm~ dicke Klaviersaite, die von der

Kuppel herabhing und am unteren Ende eine 24 ~kg~ schwere Bleikugel

trug; diese ging in eine lange Spitze aus. Unter dem ruhenden Pendel

war der Mittelpunkt einer Gradeinteilung, und 4 ~m~ von diesem an den

Enden eines Durchmessers der Gradeinteilung lag auf zwei Tischen je

eine Sandschicht. Das Pendel schwang zunächst über einem bestimmten

Durchmesser von Norden nach Süden und zog dabei eine Furche durch

den Sand. Sehr bald aber zog es eine andere Furche, es schwang mehr

von Nordost nach Südwest über einem anderen Durchmesser; seine

Schwingungsebene war wirklich scheinbar von Osten über Süden nach

Westen herumgegangen.

V. Nur für die Punkte des Äquators zeigt das Pendel die Bewegung der

Erde nicht an. Hier steht ja die Nordsüdlinie, die in Fig. 26 für die

Stellung des Punktes ~A~ gezeichnet ist (_AY_), stets auf der Ebene des

Äquators senkrecht. Da nun auch die Erdachse senkrecht auf der Ebene

des Äquators steht, so sind die Nordsüdlinien aller Punkte des Äquators

zur Erdachse parallel, oder: die Nordsüdlinie eines Äquatorpunktes

bewegt sich bei der Drehung der Erde stets parallel zu ihrer vorherigen

Lage weiter, sie ändert ihre Richtung nicht. Da nun aber auch die

Schwingungsebene des Pendels sich nur parallel zu ihrer vorherigen Lage

verschiebt, so wird das Pendel, das über der Nordsüdlinie schwingt,

stets darüber bleiben und nicht in seiner Schwingungsrichtung davon

abweichen.

VI. Der Winkel, um den sich die Schwingungsebene des Pendels in

einer Stunde scheinbar drehen muß, läßt sich unter der Voraussetzung

berechnen, daß die Erde in 24 Stunden rotiert. Das Ergebnis dieser

Berechnung stimmt für die zahlreichen Orte, an denen man die Abweichung

beobachtet hat, mit den Ergebnissen der Beobachtung so vorzüglich

überein, daß die Drehung der Erde in 24 Stunden damit zweifellos

erwiesen ist. Die Berechnung gestaltet sich folgendermaßen: Der Winkel,

um den sich das Pendel in einer Stunde scheinbar drehen muß, ist in

Fig. 26 der Winkel ~DB´X~ unter der Voraussetzung, daß ~B~ in einer

Stunde nach ~B´~ gelangt, er ist als Wechselwinkel an Parallelen gleich

∢ ~B´DB~. Dieser, dessen Gradzahl wir ~x~ nennen wollen, kann aber als

Zentriwinkel eines um ~D~ mit dem Halbmesser ~DB~ geschlagenen Kreises

gelten; sein Bogen ~BB´~ ist dann gleich

(π · ~BD~)/180 · ~x~; [Bogen von 1° = (π · Radius)/180].

Derselbe Bogen ist aber auch ein Teil des Parallelkreises von ~O~; sein

Zentriwinkel ~BOB´~ ist der Winkel, um den sich Punkt ~B~ in einer

Stunde gedreht hat. Für eine Drehung von 24 Stunden beträgt dieser für

alle Punkte der Erde 360°, also für eine Stunde 15°. Somit ist der

Bogen ~BB´~ auch = (π · ~BO~)/180 · 15°. Wir haben damit die Gleichung:

(π · ~BD~)/180 · ~x~ = (π · ~BO~)/180 · 15°,

woraus folgt:

~x~ = 15° · ~BO~/~BD~.

Mathematische Geographie für Lehrerbildungsanstalten · 第 12 / 21 题