Kartenprojektionen: Die Erde „auf Papier gebracht“

Abb.1: Graphical Abstract zum Thema „Kartenprojektionen“ (eigene Darstellung, pixabay.com, shutterstock.com)

1 Einleitung

2 Theorie: Wie kommt die Erde auf die Karte?

3 Varianten und Unterschiede

3.1 Projektionszentrum

3.2 Abbildungskörper

3.3 Treueeigenschaften

4 Typisierung von Weltkarten: Sollten Schulatlanten überarbeitet werden?

5 Fazit

Literaturverzeichnis

1 Einleitung

Bereits vor über 2000 Jahren verwendeten unsere Vorfahren erste Kartenprojektionen beruhend auf mathematischen Prinzipien (Snyder 1997:1). Von der Ptolemäischen Weltkarte aus der Antike über die Mercator Projektion bis hin zu digitalen Karten in Geographischen Informationssystemen (GIS) passen sich die Kartenprojektionen dem Wandel der Zeit an und helfen dem Menschen sich zu orientieren (Stirnemann 2018: 115 ff.). Jeder von uns wird mit Kartenprojektionen konfrontiert, sei es im Atlas im Geographieunterricht oder beim täglichen Gebrauch von Google Maps. Man kann jeden Punkt auf der Erde mit Hilfe eines Koordinatensystems exakt bestimmen, indem die Erdoberfläche in ein Gradnetz eingeteilt wird. Die Transformation dieses dreidimensionalen Netztes auf eine zweidimensionale Kartenebene bezeichnet man als Kartenprojektion (GIS Lounge: 2002), Kartennetzentwurf oder Kartenabbildung (Christoph 2019: 11). Dieser Prozess führt zu Verfälschungen der Entfernung, Konformität, Größe und Richtung (Müllner 2012: 12).

Video 1: ,,The Orange Peel Problem‘‘- Die Schale der Clementine kann nicht glatt auf eine Ebene gedrückt werden. Ähnlich ist es bei der Transformierung des Erdkörpers auf eine Ebene: Die Weltkugel kann nicht verzerrungsfrei auf eine Kartenebene projektiert werden (Eigene Darstellung).

2 Theorie: Wie kommt die Erde auf die Karte?

Nachdem in die Theorie der Kartenprojektionen eingeführt und der Ablauf einer Kartenerstellung erläutert wurde, werden verschiedene Eigenschaften einer Kartenprojektion thematisiert. Am Ende wird ein Forschungsprojekt zur Typisierung von Weltkarten vorgestellt. Können Weltkarten typisiert werden und wenn ja, welche Gemeinsamkeiten weisen Karten des gleichen Typs auf? Des Weiteren ist zu klären, ob es eine Veränderung der Schulatlanten bedarf und eine Aktualisierung der Weltkarten im Unterricht. Führen die verwendeten Weltkarten zu einem falschen Weltbild für die Schüler:innen?

Weitgehende Einigung herrscht darüber, dass die Erde annähernd die Form einer Kugel, genauer gesagt eines Rotationsellipsoides, noch genauer gesagt eines Geoids hat (Hake et al. 2002: 39 f.). Da die Kartenprojektion eine Reduzierung der Wirklichkeit ist, und auf das Wichtigste minimiert wird, kommt es zu unvermeidbaren Verzerrungen (Grafarend et al. 2014: 1). Das bedeutet, es gibt nicht die eine vollkommene Kartenprojektion. Je nach Verwendungszweck eignen sich andere Karten. Eine genaue Anzahl an Kartenprojektionen ist nicht bekannt, mehrere hunderte sind bereits aufgelistet (Jenny 2012: 2576).

Wie entsteht eine Weltkarte? Die allgemeine Herangehensweise lässt sich grob in drei Schritte gliedern. Als erstes braucht es eine Bezugsfläche, in diesem Fall die Form der Erde. Die Vorstellung von der Erde als Kugel ist oftmals nicht mehr exakt genug. Durch die Rotation der Erde und die dynamischen Veränderungen der Oberfläche ergibt sich die Form eines sogenannten Geoids (Torge & Müller 2012: 76 ff.). Das Geoid gibt den mittleren Meeresspiegel wieder, den man sich unter den Kontinentalplatten weiterdenkt. „Eine mit Wasser bedeckte Erde würde exakt die Form des Geoids annehmen“ (Reigber & Schwintzer 2003: 206). Aufgrund der unregelmäßigen Krümmung und Massedichte der Erde, wird das Geoid durch Methoden der Satellitengeodäsie bestimmt (209). Da das Geoid nicht durch eine mathematische Gleichung beschrieben werden kann, verwendet man in der Kartographie häufig mathematisch bestimmbare Rotationsellipsoide (Gruber & Joeckel 2007: 30 f.). Weltweit wurden verschiedene Ellipsoide berechnet, die der Kartenherstellung als Bezugsfläche dienen (Yang et al. 2000: 14). Handelt es sich um eine Weltkarte, ist der Maßstab so klein, dass sich auch eine Kugel mit einem Radius von 6371 km als Bezugsfläche anbietet (Kohlstock 2018: 37). Der zweite Schritt ist die Auswahl eines geeigneten Koordinatensystems und die Transformation von der dreidimensionalen Form auf ein zweidimensionales Blatt Papier, die Karte. Im Fokus steht die Darstellung der gesamten Erde als Weltkarte, daher sind globale Koordinatensysteme anzuwenden. Geeignete und häufig verwendete kartesische Koordinatensysteme sind zum einen das Universal Transverse Mercator-System (UTM) und zum anderen das Gauss-Krüger-System (GK) (QGIS 2020). Als dritter Schritt erfolgt die Skalierung der Karte. Ein Maßstab muss berechnet werden, welcher definiert wird als ,,mathematische Ausdrucksform für die Reduzierung und Verkleinerung irgendeiner Strecke auf die Karte im Verhältnis zu der natürlichen Ausdehnung der Strecke‘‘ (Eckert-Greiffendorf 1939: 9). Bezogen auf die Weltkarte, mit sehr kleinem Maßstab, lässt sich diese Definition nur auf den Kartenmittelpunkt beziehen. Nach außen hin, kann der Maßstab verzerrt werden, abhängig von der gewählten Kartenprojektion. Die Maßstabsangabe ist nur für längentreue Projektionen verzerrungsfrei (Kohlstock 2018: 16).

3 Varianten und Unterschiede

3.1 Projektionszentrum

Die Position des Projektionszentrums kann orthografisch, stereografisch oder gnomonisch positioniert sein, wie auch in dem Graphical Abstract visuell dargestellt wurde. Bei der orthografischen Projektion liegt das Projektionszentrum im Unendlichen, es handelt sich um eine Parallelprojektion. Das Projektionszentrum der stereografischen Projektion liegt genau gegenüber der Bildebene. Durch den Mittelpunkt des Erdkörpers führt ein Verbindungsvektor zwischen Projektionszentrum und Bildebene. Das Zentrum der Projektion befindet sich bei der gnomonischen Projektion im Mittelpunkt des Körpers (Heissler 1984: 148 ff.).

3.2 Abbildungskörper

Abbildungskörper oder auch Projektionsflächen einer Kartenprojektion können eine Ebene, ein Zylinder oder ein Kegel sein. Die Abbildung auf eine Ebene nennt sich Azimutalprojektion. Die Abbildungskörper können verschiedene Positionen zum Bezugskörper einnehmen. Die Lage kann polständig (normal), äquatorständig (transversal) oder schiefachsig (zwischenständig) zur Erde sein. Die Abbildungskörper berühren den Erdkörper, schneiden diesen oder berühren ihn nicht (Wilhelmy et al. 2002: 48 ff.).

Video 2: Abbildungskörper (Eigene Darstellung, nach Wilhelmy et al. 2002)

3.3 Treueeigenschaften

Die Erde kann nicht vollständig verzerrungsfrei auf einer Karte abgebildet werden. Je nach Verwendungszweck der Karte werden bestimmte Treueeigenschaften erfüllt. Diese Treueeigenschaften werden erfüllt, indem der passende Abbildungskörper und dessen Lage ausgewählt wird. Äquidistante Abbildungen sind längentreu. Das Ellipsoid kann nicht vollständig längentreu abgebildet werden, daher nimmt die Längentreue in eine Richtung ab und die Verzerrung zu. Ist die Abbildung winkeltreu, spricht man von einer konformen Abbildung. In der Navigation, bei See- oder Flugkarten verwendet man meist eine konforme Abbildung. Äquivalente Abbildungen sind flächentreu. Die Flächentreue bezieht sich auf die gesamte Fläche und Wasser- und Landverhältnisse werden proportional dargestellt. Vermittelnde Abbildungen versuchen die Verzerrungen aller Treueeigenschaften so gering wie möglich zu halten, diese Form der Abbildung findet man häufig in Schulatlanten (DGfK 2000). Ein graphisches Mittel zur Darstellung der Stärke der Verzerrung ist die Tissotsche Indikatrix. Durch verschieden große und verformte Kreise stellt sie die Stärke der Verzerrung dar. Ähneln sich die Kreise in Größe und Form, handelt es sich um eine vermittelnde Abbildung (Kemp 2010: 478).

Video 3: Treueeigenschaften veranschaulicht durch die Tissotsche Indikatrix (Eigene Darstellung, nach Kemp 2010)

4 Typisierung von Weltkarten: Sollten Schulatlanten überarbeitet werden?

Abb. 2: Was wird hier dargestellt? Unsere Erde auf einer Karte. Diese Darstellung kommt uns fremd vor, da wir nur eurozentrische Projektionen kennen und die uns bekannte Aufteilung einmal um 180° gedreht wurde. Die Erde könnte in vielen verschiedenen Weisen dargestellt werden, und doch ist es weltweit typisch, dass Europa im Zentrum liegt (Stirnemann 2018) (pixabay 2016).

In einem Forschungsprojekt von 2012 wurden 91 weitgehend aktuelle Atlanten aus 73 Ländern verschiedener Kontinente untersucht, und die dargestellten Karten typisiert. Analysiert wurde die Lage des Äquators und die daraus resultierenden Typen. In keiner der untersuchten Karten befand sich die Äquatorlinie oberhalb der Bildmitte. 33% der Karten bildeten die Erde vollständig, und den Äquator in der horizontalen Bildmitte ab. Der Großteil, 55% der Stichprobe, stellten die Erde unvollständig dar, und verordneten den Äquator unterhalb der Bildmitte. Soziokulturelle Aspekte werden präsenter visualisiert als phänomenologische Eigenschaften der Erde. Die meisten Karten sind aufgrund ihrer Proportionen und Bildmittelpunkte geprägt vom Eurozentrismus, mit einer Zentrumsverschiebung und Benachteiligung der Südhalbkugel (Stirnemann 2018: 257 ff.). Selbst wenn die Kartenprojektion nur gedreht wurde, wie in Abb. 2, kommt uns die Darstellung der Erde fremd vor, und wird meist nicht im ersten Moment erkannt.

Im März 2017 begannen die US- amerikanischen Schulen in Boston ihre Weltkarten zu ersetzen. Die bisher genutzte Mercator Projektion soll durch die Gall-Peters-Projektion ersetzt werden. Grund dafür ist, dass die Mercator Projektion die Kontinente Nordamerika und Europa im Vergleich zu den Ländern auf der Südhalbkugel übermäßig groß darstellt. Dass die Industriestaaten größer als die Entwicklungsländer dargestellt werden, weckt den Eindruck der Widerspiegelung von politischen und sozialen Machtverhältnissen. Zu berücksichtigen ist jedoch, dass es sich bei der Mercator Projektion nicht um eine flächentreue, sondern um eine winkeltreue Abbildung handelt. Der Zweck dieser Karte war ursprünglich die Navigation in der Seefahrt, und nicht die originalgetreue Wiedergabe der Größe der Kontinente (Monmonier 2010: 2 ff.). Die Gall-Peters Projektion ist flächen-, lage- und achsentreu. Der Nachteil dieser Projektion ist eine erhebliche Verzerrung von den Formen der Kontinente. Aus diesem Grund entschlossen sich die Schulen mit beiden Kartenprojektionen zu arbeiten (Schröder 2017).

Eine gewisse Verzerrung der Realität ist immer vorhanden, unabhängig davon welche Kartenprojektion man verwendet. Wichtig ist zu wissen, welchen Zweck die Karte erfüllen soll und diesen Zweck auch zu kennen. Die Mercator Projektion ist nur dann problematisch, wenn die Schüler:innen fest davon ausgehen, dass Grönland genau so groß ist wie der Kontinent Afrika. Wird ihnen vorher erklärt, dass es bei Kartenprojektionen zu Verzerrungen kommt, gehen die Schüler:innen mit einer anderen Wahrnehmung an die Karte heran. Eine Alternative ist eine vermittelnde Projektion, wie die Robinson Projektion oder der Winkels Entwurf, welcher auch in den Deutschen Diercke Atlanten verwendet wird (Westermanngruppe 2017). Vermittelnden Projektionen wird keine definierte Verzerrungseigenschaft zugewiesen. Ihr Ziel ist es, die Umrisse der Kontinente realitätsnah darzustellen, weswegen sie gut geeignet für die Verwendung im Schulatlanten ist (Zippelt 2010: 254).

5 Fazit

Die Wege und Möglichkeiten eine Kartenprojektion zu erstellen sind sehr vielfältig. Es braucht einen Bezugskörper, ein Koordinatensystem und einen Maßstab. Abhängig von dem Verwendungszweck und den darzustellenden Treueeigenschaften kann ein Abbildungskörper und ein Projektionszentrum ausgewählt werden. Es gibt einen Typ Weltkarte, der sich in den weltweiten Atlanten durchsetzt. Der Äquator wird unterhalb der Bildmitte dargestellt, und Europa liegt im Zentrum. Zu diskutieren ist, ob diese Art von Karte ein verzerrtes Weltbild bei den Schüler:innen vermittelt und ob die Schulatlanten überarbeitet werden sollten. Beim Lesen einer Karte muss man sich bewusst machen, zu welchem Zweck die Karte erstellt wurde, und welche Eigenschaften verzerrt dargestellt sind. Die Gall-Peters-Projektion verzerrt die Formen der Kontinente und Lagebeziehungen zueinander, während die Mercator Projektion die Länder in Pol Nähe stärker vergrößert. Vermittelnde Projektionen versuchen einen Mittelweg zu finden und zwischen den Treueeigenschaften zu vermitteln. Auf diesem Weg wird allerdings auch keine Treueeigenschaft vollständig erfüllt. Will man die Welt, das Geoid, auf ein Blatt Papier bringen, muss man Kompromisse eingehen und die Erde auf eine zweidimensionale Ebene reduzieren, ohne Verzerrungen und Verfälschungen der Realität ist dies nicht möglich.

Literaturverzeichnis

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Navigation – historisch und aktuell

Inhaltsverzeichnis

Einleitung
Methoden der Navigation
2.1 Astronavigation
2.1.1 Theorie der Astronavigation
2.1.2 Anwendung der Astronavigation
2.2 Global Positioning System (GPS)
2.2.1 Funktionsweise des GPS
2.2.2 Anwendungsbereiche des GPS
Zukunft der Navigation
Literaturverzeichnis
Abbildungsverzeichnis

1. Einleitung

Der Begriff Navigation ist die Zusammensetzung von zwei lateinischen Wörtern. Zum einen navis, was Schiff bedeutet, zum anderen agare, was in diesem Zusammenhang mit zu führen oder zu lenken übersetzt wird (Grewal et al. 2020). Die Navigation arbeitet über die Methoden der Positionierung und Orientierung und findet so einen Weg von Punkt A nach Punkt B. Anwendungen finden sich überall dort, wo kontrollierte Bewegung stattfindet. Sei es nun am Boden, auf See, in der Luft oder im Weltall (Hofmann-Wellenhof et al. 2003). Die Entwicklung der Methoden der Navigation ist verknüpft mit dem Fortschritt in der Mathematik und technischer Innovationen. (Link zum Thema Kartenprojektionen)

2. Methoden der Navigation

2.1 Astronavigation

Die Geschichte der Astronavigation beginnt in der Mitte des 6. Jahrhunderts v.Chr. und wird vor allem durch griechische Astronomen beeinflusst (Hofmann-Wellenhof et al. 2003; Couprie 2011). Im Laufe der Jahrhunderte werden verschiedene Instrumente entwickelt, um sich an den Himmelskörpern zu orientieren. Eine dieser Erfindungen ist der Sextant. Im Jahr 1731 von John Hadley entwickelt, findet er heute noch Anwendung (Schmidt 1996). Die Bestimmung der geographischen Länge ist im Gegensatz zur geographischen Breite bis ins 18. Jahrhundert ein großes Problem in der Seefahrt. Erst durch die Entwicklung des Chronometers durch John Harrison (1693-1776) wird dieses Problem gelöst (Johnson 1989). Zusätzlich zu diesen Hilfsmitteln spielt der Kompass im Hintergrund eine wichtige Rolle (Schmidt 1996). Mit diesen Instrumenten ist es möglich die geographische Länge und die geographische Breite zu finden. Doch um diese zu bestimmen wird Wissen über ein geeignetes Koordinatensystem und Erdmodell verlangt (Abb. 2).

Abbildung 2 Geographische Koordinaten und Anschauung im Erdmodell.
(Nach: van Allen 2004)

Hierzu wird die Oberfläche der Erde durch eine Kugel, mit einem einheitlichen Radius, angenähert. Die Rotation dieser Kugel bleibt gleichmäßig. Durch die Rotationsachse der Erdkugel verläuft die z-Achse. Durch den Schnitt von Äquator und Nullmeridian verläuft die x-Achse. Orthogonal zur x-Achse und zur z-Achse verläuft die y-Achse. Die Ebene, die x-Achse und y-Achse aufspannen, wird als Äquatorebene bezeichnet. An den Schnittpunkten der z-Achse mit der Erdkugel befinden sich Nord- und Südpol (van Allen 2004; Rousseau et al. 2012). Eine Position auf der Erdkugel wird durch zwei Winkelangaben definiert. Zum einen wird die geographische Länge λ (Lambda) benötigt zum anderen die geographische Breite ϕ (Phi). Von der Äquatorebene aus wird ϕ gemessen. Die Winkelangaben werden dabei auf 90° für die Nordhalbkugel und -90° für die Südhalbkugel beschränkt. Ausgehend von der x-Achse wird λ gemessen. Beschränkt wird der Wert auf 180° und es wird zwischen West und Ost unterschieden (Rousseau et al. 2012).

2.1.1 Theorie der Astronavigation

Die Funktionsweise der Astronavigation beruht auf der Beobachtung von Sternen, Planeten, der Sonne und dem Mond, deren Position bekannt ist (van Allen 2004). Dabei wird die Position eines Sterns in einem ähnlichen Koordinatensystem wie dem der Erde beschrieben. Dazu wird um die Erdkugel eine deutlich größere Himmelskugel gelegt. Wie viel größer ist dabei nicht relevant, da die Position eines Himmelskörpers nicht über den Abstand definiert wird. Auf der Innenseite dieser Himmelskugel werden die Himmelskörper verortet. Der Mittelpunkt und die Wahl der Achsen des für die Erdkugel definierten Koordinatensystems bleiben dieselben. Die z-Achse schneidet die Himmelskugel im Himmelsnordpol und Himmelssüdpol. Die vorher definierte Äquatorebene schneidet die Himmelskugel. Dadurch, dass das Gradnetz der Erdkugel auf die Himmelskugel projiziert wird, kann der Breitengrad eines Himmelskörpers genau wie bei den geographischen Koordinaten gefunden werden. Der Name ändert sich allerdings zu Deklination. Die Deklination entspricht den Breitengraden auf der Erde. Zur Eindeutigkeit der Längengrade auf der Erdkugel dient der Nullmeridian. Auf der Himmelskugel dient das Frühlingsäquinoktikum als Referenzpunkt für die Rektaszension, den Längengraden auf der Himmelskugel. Dieser entsteht durch die um 23,44° zum Äquator geneigte Ekliptik der Erde. (Hier geht es zum Thema Erdbahnparameter) Im Schnitt der Ekliptikebene mit der Äquatorebene befindet sich der Frühlingsäquinoktikum. Diese Art der Verortung von Himmelskörpern wird Äquatorialsystem genannt (van Allen 2004; Schmidt 1996; Schombert). Sobald ein Himmelskörper genau im Zenit über einen Beobachtungspunkt auf der Erde steht, befindet sich dieser Punkt und der Stern auf einer Geraden. So lässt sich direkt von der Deklination und Rektaszension auf den Längen- und Breitengrad schließen.

Abbildung 3 Das Horizontalsystem. (Nach: Schmidt 1996, Schombert)

Ein weiteres System, das der Anwendung etwas näher ist, wird Horizontalsystem genannt. Die Position des Beobachters bildet mit der Horizontlinie eine Ebene. Diese Ebene schneidet die Himmelskugel und bildet so den scheinbaren Horizont. Die hierzu parallele Ebene durch den Ursprung wird der wahre Horizont genannt. Durch den Ursprung und orthogonal zum wahren Horizont wird die Scheitellinie gefällt. Diese schneidet die Himmelskugel im Zenit (Z) und Nadir (Nd). Der Zenit befindet sich bei +90° von der wahren Horizontlinie und der Nadir bei -90°. Auf dem wahren Horizont wird Norden (N) als der Punkt definiert, der dem Himmelsnordpol am nächsten ist. Daraus folgen dann Süden (S), Westen (W) und Osten (E). Der Großkreis, der durch N, Z, S verläuft wird als Himmelsmeridian bezeichnet. Die Position eines Himmelskörpers wird durch zwei Winkelangaben definiert. Zum einen den Azimut (A) und die wahre Höhe (h). Das Azimut ist der Winkel gemessen im Uhrzeigersinn von der Nordrichtung aus. Die wahre Höhe ist der vom wahren Horizont ausgehende Winkel Richtung Zenit. Ein bedeutender Nachteil ist, dass bei diesem System die wahre Höhe und das Azimut im Laufe des Tages ständig verändern. Außerdem hängt das Referenzsystem vom Standort des Beobachters ab (Schmidt 1996; Schombert).

2.1.2 Anwendung der Astronavigation

Abbildung 4 Funktionsweise eines Sextanten (Hofmann-Wellenhof et al. 2003)

Ein Sextant ist ein sehr genaues Winkelmessgerät. Seinen Namen hat es daher, dass es den sechsten Teil eines Kreises misst. In seiner einfachsten Form befinden sich an einem Sextanten ein Fernrohr (telescope), ein kleiner Spiegel (horizon mirror), ein großer Spiegel (index mirror) und die Alhidade (alhidade) mit der zugehörigen Skala (limbus). Siehe dazu Abbildung 4. Der kleine Spiegel ist zur Hälfte durchsichtig und ist auf die Kimm (Horizont) gerichtet. Der große Spiegel dient zur Messung der Gestirnshöhe. Er ist an der Alhidade befestigt und verändert seine Ausrichtung während der Messung. Mit der Alhidade wird die Winkeleinstellung vorgenommen, indem sie auf der Skala bewegt wird. Um die Höhe des Gestirns über der Kimm anzugeben, wird der Winkel zwischen zwei Lichtstrahlen bestimmt. Dieser Winkel lässt sich über die Geometrie der doppelten Reflektion herleiten. Diese besagt: 2𝛽 = 𝑒. Wobei β der Winkel ist, um den die Alhidade verstellt werden musste, sodass der Himmelskörper auf gleicher Höhe mit der Kimm im kleinen Spiegel zu sehen ist (Hofmann-Wellenhof et al. 2003). In Abbildung 5 ist der Messablauf zu sehen.

Abbildung 5 Animation, die den Gebrauch eines Sextanten zur Messung der Sonnenhöhe zeigt: (1) Ausrichten des Sextanten zum Horizont, (2) Schwenken des Indexspiegels, (3) Sonne und Horizont egalisieren, (4) Feinabstimmung (5) Schwenken zur Verifizierung der Einstellung, (6) Ablesen der Messung (Gaspar 2007).

File:Using sextant swing.gif – Wikimedia Commons

Um den Standort zu bestimmen wird die Position des Gestirns zum Zeitpunkt der Messung in Greenwich-Zeit benötigt. Der gemessene Winkel zwischen Horizont und Gestirn kann an verschieden Standorten auf der Welt zur gleichen Zeit gemessen werden. Dadurch entsteht eine Linie mit möglichen Standorten. Diese Linien wird Standlinie genannt (Abb. 6). Wird eine zweite Messung zu einem zweiten Gestirn zur gleichen Zeit durchgeführt und dazu eine Standlinie berechnet, so schneiden sich diese beiden Kreise in zwei Punkten. Nun kann durch das Ausschlussprinzip der Standort ausgewählt werden (Schmidt 1996; Roy & Clarke 2003).

Abbildung 6 Standlinie (Nach Schmidt 1996)

2.2 Global Positioning System (GPS)

Das GPS kann jederzeit den genauen Standpunkt bestimmen. Dabei wird das System in das Weltraum-Segment, das Kontroll-Segment und das Nutzer-Segment unterteilt. Das Weltraum-Segment beinhaltet die Satelliten, die sich in einem Medium Earth Orbit (MEO) in 20.200km Höhe mindestens zu viert auf sechs unterschiedlichen Orbitalbahnen befinden. Neben dieser Mindestanforderung bewegen sich noch weitere GPS-Satelliten auf den Umlaufbahnen. Zum einen, um bei einem Ausfall als Ersatz zu dienen, zum anderen, um die Genauigkeit zu erhöhen (Dunbar 2014).

2.2.1 Funktionsweise des GPS

Positionsbestimmung mit dem GPS. Eigene Produktion.

Die Satelliten senden periodisch Radiowellen aus, die von geeigneten Empfängern verarbeitet werden. Durch die festen Umlaufbahnen können die Positionen der Satelliten berechnet werden und sind zu jeder Zeit bekannt. Die vorausberechneten Positionen werden im Almanach gespeichert. Für eine Positionsbestimmung in einem Modell, in dem genaue Zeitmessung immer möglich ist, werden drei Satelliten benötigt. Die Methode, die hinter der Positionsbestimmung steht, kann mit der Trilateration verglichen werden. Die ausgesendeten Radiowellen des ersten Satelliten (S₁) erreichen einen Empfänger (E), der mittels der Zeit (t₁), die das Signal vom Satelliten bis zum Empfänger benötigt, die Strecke (r₁) zwischen diesen beiden mittels der Lichtgeschwindigkeit berechnet.

Daraus lässt sich schließen, dass die gesuchte Position einen Abstand von r₁ vom Satelliten S₁hat. In einem dreidimensionalen Raum, in dem sich dieses Modell befindet, bedeutet das, dass sich der Empfänger irgendwo auf einer Kugel um den Satelliten S₁ befindet. Mittels der Methode der Abstandsmessung über die Zeit des Signals und der Lichtgeschwindigkeit, können nun noch die Abstände zu den Satelliten S₂ und S₃ berechnet werden. Auch bei diesen beiden entstehen Kugeln mit den Satelliten als Mittelpunkte. Werden nun die Kugeln um die Satelliten S₁ und S₂ miteinander verschnitten, so werden die möglichen Punkte auf einen Kreis reduziert. Dieser Kreis wird wiederum mit der Kugel um den Satelliten S₃ geschnitten, sodass die Anzahl der möglichen Standorte auf zwei sinkt (Abb. 7). Durch die Anordnung der Satelliten im Raum kann einer dieser Punkte ausgeschlossen werden, da sich dieser zu weit von der Erdoberfläche entfernt befindet (Rousseau et al. 2012).

Abbildung 7 Geometrie des GPS. Erstellt mit GeoGebra (Nach: Rousseau et al. 2012)

Der gemessene Abstand ist stark von der Genauigkeit der Uhren abhängig, da bereits die Abweichung einer millionstel Sekunde zu einer Ungenauigkeit von bis zu 300m führen kann. In den GPS-Satelliten werden deshalb Atomuhren verbaut. Eine solche Aufrüstung für jeden Empfänger wäre allerdings eine zu große Investition (Herring 1996). Die Kugeln um die Satelliten sind entweder zu groß, das ist der Fall, wenn die Empfängeruhr zu schnell läuft, oder zu klein, wenn die Empfängeruhr zu langsam läuft (Herring 1996). Ein vierter Satellit soll den durch die Ungenauigkeit der Empfängeruhr verursachten clock offset (τ) bestimmen. Der Empfänger zu dem ersten Satelliten (S₁) misst eine fiktive Laufzeit (T₁). Um die genaue Position zu bestimmen, wird allerdings die wahre Laufzeit (t₁) benötigt.

Der clock offset wird für alle Satelliten als gleich angenommen (Rousseau et al. 2012). Die Mathematik zu diesem Kapitel ist in Rousseau et al. 2012 nachzulesen.

2.2.2 Anwendungsbereiche des GPS

Die Anwendungsmöglichkeiten des GPS sind zahlreich. Daher wird hier nur ein kleiner Teil der Möglichkeiten aufgezeigt. Neben der offensichtlichen Anwendung in der alltäglichen Navigation, wird das GPS in Verbindung mit geographischen Informationssystemen (GIS) auch in der Landwirtschaft angewendet. Dort werden genaue Karten der bewirtschafteten Felder erstellt, die Informationen über die Bodenbeschaffenheit erhalten. So kann der Landwirt entscheiden wo und in welchen Mengen Dünger und Pestizide aufgetragen werden müssen (Rey 2006). Durch Verbesserungen im GPS nutzen Geologen das System, um die Plattenverschiebung zu dokumentieren oder durch Änderung der Satelliten ihrer Umlaufbahn das Gravitationsfeld der Erde zu erforschen (Evans et al. 2002; Herring 1996). Meteorologen machen sich eine Fehlerquelle im GPS zu nutze. Die Radiowellen, die von den Satelliten ausgesendet werden, müssen die Atmosphäre durchqueren. Wenn sie die geladene Ionosphäre passieren, werden die Radiowellen gestreckt, während sie in der Troposphäre wieder zusammengedrückt werden. Die daraus resultierenden Unregelmäßigkeiten können gemessen werden und daraus Rückschlüsse auf den Wassergehalt in der Troposphäre gezogen werden (Herring 1996).

3. Zukunft der Navigation

Die vorangegangenen Kapitel haben sich damit beschäftigt wie eine Position auf der Erdoberfläche gefunden werden kann. Doch im Themenfeld der Navigation kann der Maßstab sowohl größer als auch kleiner werden. Wird der Begriff Navigation allgemein ausgelegt, geht es darum sich in einem Raum zurecht zu finden und zu bewegen. Dieser Raum war bislang die Erdoberfläche, doch er kann auf das Weltall ausgedehnt oder auf ein Zimmer, eine Wohnung oder ein Haus beschränkt werden.

Die Innenraum Navigation bedient sich verschiedener Techniken. Die Position kann zum Beispiel über einen am Körper getragenen RFID Chip und im Raum verteilten RFID Empfängern bestimmt werden. Die FH-Dortmund hat dazu geforscht und dazu einen Forschungsbericht veröffentlicht (Röhrig et al. 2016). (EL_24_3_14.pdf (engineeringletters.com))

Omnidirectional mobil robot with RFID-Localization.

Mit ähnlichen Methoden kann auch mit einem Infrarot System, Ultraschall, Wifi oder Bluetooth die Position bestimmt werden (Fallah et al. 2013).

Im Weltall befindet sich die gesuchte Position zu weit von der Erdoberfläche entfernt, sodass eine Navigation mit dem GPS nicht möglich ist. Der Blick geht wieder Richtung Sterne. Die Apollo Mission hat einen Space Sextanten an Bord gehabt. Anhand dieser periodisch durchgeführten Winkelmessungen zur Sonne, nahen Planeten und ausgewählten Sternen kann die Position im Weltall bestimmt werden (Hoag 1983). Ist der Wunsch allerdings, noch weiter unter tiefer ins Weltall vorzudringen ist eine Positionsbestimmung anhand von Winkeln nicht vorteilhaft. Wird die Position im Weltall anhand von Winkeln in einem Kugelkoordinatensystem definiert, dass seinen Ursprung in der Mitte der Sonne hat, kann die Position bis auf 5 m genau bestimmt werden. Ein Fehler in der Messung von 0.1 Bogensekunden würde auf der Entfernung von Jupiter schon eine Ungenauigkeit von 300 km bedeuten. Entfernt sich die Position noch weiter bis auf die Entfernung von Pluto, bedeutet derselbe Fehler nun schon eine Ungenauigkeit von 2300 km. Um diesen Fehler zu umgehen, wurde ein neues System entwickelt, dass die natürlichen Radiowellen oder Röntgenstrahlen der Pulsare zur Navigation benutzt (Downs 1974). Pulsare ermöglichen es im Weltall zu navigieren, indem sie die Funktion der Satelliten erfüllen (Xiong et al. 2012).

Beitrag zum Thema Space Navigation ab 7:54 min.

Literatur

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Downs, G. (1974): Interplanetary Navigation Using Pulsating Radio Sources.

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Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1 Graphical Abstract

Abbildung 2 Definition von geographischen Koordinaten und Anschauung der Erdkugel mit Koordinatensystem. Nach: (van Allen 2004)

Abbildung 3 Das Horizontalsystem. Nach: (Schmidt 1996; Schombert)

Abbildung 4 Funktionsweise eines Sextanten. (Hofmann-Wellenhof et al. 2003)

Abbildung 5 Animation, die den Gebrauch eines Sextanten zur Messung der Sonnenhöhe

Abbildung 6 Standlinie Nach: (Schmidt 1996)

Abbildung 7 Geometrie des GPS. Erstellt mit Geogebra. Nach: (Rousseau et al. 2012)

Zeit und Zeitrechnung auf der Erde

Inhaltsverzeichnis

1. Einleitung

2. Theoretische Grundlagen

2.1. Grundlagen der Zeitrechnung

2.2. Geschichte des Kalenders

3. Karlenderarten

3.1. Solarkalender

3.2. Lunarkalender

3.3. Lunisolarkalender

4. Kalender

4.1. Gregorianischer Kalender

4.2. Islamischer Kalender

4.3. Chinesischer Kalender

5. Fazit

6. Literaturverzeichnis

Abb. 1: Graphical Abstract zum Thema Zeit und Zeitrechnung auf der Erde
[1]: https://www.pngwing.com/de/free-png-zzcdi
[2]: https://de.wikipedia.org/wiki/Wasseruhr
[3]: http://saarland.digicult-museen.net/objekte/8432
[4]: https://www.pngwing.com/de/free-png-zsekz
[5]: https://www.pngwing.com/de/free-png-zkacc
[6]: https://www.pngwing.com/de/free-png-zjubt
[7]: https://www.pngwing.com/de/free-png-bztcw
[8]: https://www.pngwing.com/de/free-png-bdknt
[9]: https://www.pngwing.com/de/free-png-yjkuk)

1. Einleitung

Die Erde ist ca. 4,55 ± 0,05 Milliarden Jahre alt (Staubach 2017: 18). Diese Erkenntnis haben Forscher über Jahrhunderte rausgefunden. Die Zeitrechnung hat eine lange Geschichte und ist als erstes auf religiöse Bücher zurückzuführen, wie zum Beispiel die Bibel, die Schöpfungsgeschichten nachweisen (Staubach 2017: 15). Die Zeitrechnung hat uns also eine lange Zeit beschäftigt. Sie hat ihren Ursprung nicht an einem bestimmten Punkt, aber in religiösen Überlieferungen wird meist ein genauer Punkt genannt, wie beim jüdischen Kalender: 6. Oktober 3761, um 23 Uhr, 11 Minuten und 20 Sekunden (Staubach 2017: 15). Die Zeit, wie wir sie kennen mit Stunden, Minuten und Sekunden ist heute nicht mehr wegzudenken. Es ist wichtig auch den Kalender zu kennen, denn er beeinflusst das Leben des Menschen erheblich. Mit der Natur hängt er zusammen, denn Kalender sind abhängig von Sonne und Mond, wie viele andere Dinge auch. In dieser Arbeit wird der Kalender genauer untersucht. Es werden drei verschiedene Kalenderformen beschrieben (Lunar-, Solar- und Lunisolarkalender) und drei verschiedene, von Menschen genutzte Kalender. In diesem Fall sind es der gregorianische Kalender, der islamische Kalender und der chinesische Kalender. Es wird auf ihre Geschichte eingegangen und erläutert, inwiefern Mond- und Sonnenphasen in Verbindung damit stehen. Besonders wird betrachtet, wie die Natur unseren Kalender bestimmt und auch, welcher Kalender wie genutzt wird und ob sogar ein anderer Kalender eine bessere Alternative als der gregorianische Kalender ist.

Im Folgenden ist hier ein Video von Terra X , das einen ersten Überblick über das Thema Zeit gibt.

Video: Terra X – Wie Wir Zeit messen

2. Theoretische Grundlagen

Um auf die verschiedenen Kalenderarten eingehen zu können, muss man erstmal verstehen, wie man überhaupt dazu gekommen ist die Zeit zu hinterfragen. Die Grundlagen dafür sind notwendig und diese werden im Folgenden behandelt. An welchem Punkt haben sich die Menschen gefragt, wie viel Uhr es ist? Unter Punkt 2 werden nun die Grundlagen der Zeitrechnung erklärt und die Geschichte des Kalenders.

2.1. Die Grundlagen der Zeitrechnung

Zeitrechnung ist etwas, was die Menschen schon eine lange Zeit beschäftigt hat. Darunter gehören auch Entstehungstheorien der Erde. Wie alt ist die Erde wirklich? Auch das ist eine Zeitrechnung. Mit der Frage der Uhrzeit und des Datums kam auch die Frage zum wahren Alter der Erde vor der Menschheit auf.

Eine Entstehungstheorie ist zum Beispiel die Urknalltheorie (Grotzinger & Jordan 2017: 216). Die Theorie besagt, dass „[…] unser Universum vor etwa 13,7 Mrd. Jahren mit einer kosmischen „Explosion“ begonnen hat.“ (Grotzinger & Jordan 2017: 216). Zuvor waren alle Materie und Energie auf einen einzigen Punkt unvorstellbar hoher Dichte konzentriert (Grotzinger & Jordan 2017: 216). Die Zeitrechnung bezieht sich also nicht nur auf die Kalender, sondern auch um die Zeit vor der Menschheit selbst. Heute wissen wir mit verschiedensten Forschungen, wie z.B. Gesteinsanalysen und Analysen Radioaktiver Stoffe, dass die Erde ca. 4,5 Milliarden Jahre alt ist (Staubach 2017: 16-18).

Das ist nur eine von vielen anderen Theorien, die die Entstehung unseres Universums betreffen. Es gibt auch die Nebular-Hypothese, die besagt „[…], dass unser Sonnensystem aus einer rotierenden Wolke aus Gas und Staub hervorgegangen sei […].“ (Grotzinger & Jordan 2017: 216). Die eigentliche Frage ist aber, wie die Menschen selbst eine Zeitrechnung gefunden haben.

Früher war der Tag- und Nachtwechsel, der Wechsel der Jahreszeiten und die Mondphasen maßgeblich für den Lebensrhythmus der Menschen (Meyer 2008: 91). „In der Urzeit zählte der Mensch die Tage, seit denen er nichts gegessen hatte, wie viele Winter er gefroren oder Ernten er eingebracht hatte. Den Tag teilte die Sonne auf natürliche Weise in Morgen, Mittag, den Abend und die Nacht“ (Meyer 2008: 91). Die Menschen haben also keine genauen Uhrzeiten oder Kalender gehabt, um die Zeit zu messen.

Um die Zeit genauer messen zu können, hat man den eigenen Schatten gemessen, die man durch die Sonne gekriegt hat (Meyer 2008: 91). Daraus entwickelten sich auch verschiedenste Sonnenuhren, die einem die genaue Zeit sagte. Die Ägypter haben so eine Sonnenuhr gebaut, die den Tag von Sonnenaufgang bis Untergang in zwölf Stunden aufgeteilt hat (Hense 2017: 20). So gab es zum Beispiel die altrömische Hohlsonnenuhr (Meyer 2008: 95). Man konnte aber diese Uhren bei Dunkelheit oder dichter Bewölkung nicht ablesen (Hense 2017: 20). Als Ausweg dafür haben die Ägypter Wasseruhren genutzt: „Sie bestand im Wesentlichen aus einem wassergefüllten Gefäß, durch dessen Boden das Wasser heraustropfte. Mithilfe von Markierungen an der Gefäßwand ließ sich dann ablesen, um wie viel der Wasserspiegel gesunken und damit wie viel Zeit vergangen war.“ (Hense 2017: 20). Es gab auch Kerzen, die man an dem Verlust des Materials beim Abbrennen zur Zeitmessung genutzt hat (Hense 2017: 20).

Sonnenuhren waren aber sehr teuer und die römische Bevölkerung rief drei Mal am Tag die Zeit auf: hora tertia (Mitte des Vormittags), sexta (Mittagszeit) und nona (Mitte des Nachmittags) (Meyer 2008: 95). Zudem wurden der natürliche Sonnenaufgang und Sonnenunterfang auch berücksichtigt und so konnte man sich den Tag aufteilen (Meyer 2008: 95).

Die Uhr entwickelte sich somit immer weiter und das Verlangen nach genaueren Zeiten wurde immer größer (Hense 2017: 21). Heute werden Quarz-Funkuhren besonders oft genutzt und auch Atomuhren werden für die gesetzliche Zeit genutzt (Hense 2017: 21). Die Uhr, die wir heute kennen wurde maßgeblich von dem Verlangen nach einem geordneten Alltag geprägt und wurde so im Laufe der Zeit erfunden.

2.2. Geschichte des Kalenders

Laut Büntgen und Oppenheimer (2020: 1) sind Kalender durch die Signifikanz von Landwirtschaft, Jagen und Sammeln und Navigation hervorgekommen. Zusammen mit der Uhr sind Kalender maßgebend für den Alltag und somit auch ein wichtiger Punkt der Zeitrechnung. Das Wort Kalender kommt aus dem lateinischen (Kalandae) und ist das Wort für den ersten Tag des Monats (Lazar 2020: 2). Das aktuelle Kalendersystem leitet sich von verschiedenen Systemen und Kulturen ab (Lazar 2020: 2). Dass die Stunde in Minuten und Sekunden aufgeteilt wurde kam vom Sexagesimalsystem der Mesopotamier und der 24-Stunden-Tag entstand durch die Ägypter (Lazar 2020: 2). Die 7-Tage-Woche entstand laut Lazar aus dem alten Nahen Osten (Lazar 2020: 2). Man kann also keinen genauen Ort benennen, der den Kalender zu dem gemacht hat, den wir heute kennen. Es gab viele Einflüsse.

Im Folgenden wird über die julianischen Kalender und seine Geschichte berichtet, da der julianische Kalender der Vorgänger des gregorianischen Kalenders ist (Lazar 2020: 1). Dieser Kalender wurde von Julius Caesar 45 v. Chr. eingeführt und wurde bis in die 1500er Jahre genutzt und wird heute teilweise immer noch in manchen Ländern genutzt, sowie von der Orthodoxen Kirche (Lazar 2020: 1).

Vor dem Julianischen Kalender reformierte Numa Pompilius, der zweite König Roms, ca. 713 v. Chr. den bestehenden Kalender damit man auf eine bessere Einigung zwischen den Monaten und den Jahreszeiten kam (Sparavigna 2019: 2). Jedoch musste man bei diesem Kalender einen Schalttag einplanen, was von Priestern, die eine hohe Stellung hatten, durchgeführt wurde (Sparavigna 2019: 2). Jedoch wurde dies oft ausgenutzt: “Because a Roman magistrate’s term of office corresponded with a calendar year, “the power of intercalation was prone to abuse: the priests could lengthen a year in order to keep an ally in office, or shorten it when an opponent was in power.” (Sparavigna 2019: 2). Man konnte also den Kalender so umstellen, dass man das Jahr verlängern oder verkürzen konnte, je nach dem wer die Macht hatte in dem Jahr. Deshalb hat Julius Caesar seinen Kalender eingeführt, der 365 Tage und keine Verwirrung verbreitet hat (Sparavigna 2019: 2). „Unter Rückgriff auf das 283 v.Chr. durch das Dekret von Canopus reformierte äg. Sonnenjahr wurde das Julianische Jahr mit 365 Tagen angesetzt, dem alle vier Jahre ein Schaltjahr mit 366 Tagen folgte.“ (Mohn et al. 2011).

Wie man also sehen kann, hat der Kalender eine lange Geschichte, die man kurz gar nicht zusammenfassen kann. Die Zeitrechnung ist für den Alltag der Menschen heute wichtiger denn je und man fragt sich immer wieder, wo die genauen Wurzeln der Zeitrechnung liegen. Es gibt keinen genauen Punkt, denn die heutige Zeitrechnung kommt aus verschiedensten Kulturen.

3. Kalenderarten

Wie wir bereits festgestellt haben, richten sich die Menschen ihr Leben stark nach der Sonne und dem Mond. Auch die Kalender richten sich nach ihnen. Kalender werden aus den Einheiten Tag, Monat und Jahr gebildet (Xin & Aslaksen 2001: 3). Im Folgenden werden die drei verschiedenen Kalenderarten und ihre Unterschiede vorgestellt.

3.1. Solarkalender

Der Solarkalender ist, wie der Name schon sagt, abhängig von der Sonnenbewegung und ignoriert somit komplett die Mondbewegung (Xin & Aslaksen 2001: 8). Außerdem soll sichergestellt werden, dass die Jahreszeiten sich nicht verschieben und deswegen werden Schalttage genutzt (Xin & Aslaksen 2001: 8). Ein Beispiel für einen Solarkalender ist der gregorianische Kalender (Xin & Aslaksen 2001: 8). Die Standardeinheit für den Solarkalender sind Tage (Xin & Aslaksen 2001: 8). Die Einzelheiten für den gregorianischen Kalender werden noch genauer erläutert.

3.1. Lunarkalender

Der Lunarkalender folgt den Mondzyklen und ignoriert somit die Sonnenbewegung (Xin & Aslaksen 2001: 8). Lunarkalender stellen sicher, dass Konjuktion, die Sichtbarkeit des Halbmonds oder des Vollmonds den Monatsanfang bestimmen (Xin & Aslaksen 2001: 8). Das Mondlicht, das auf der Erde gesehen wird, ist Sonnenlicht, das von der grauen Oberfläche des Mondes reflektiert wird (NASA Solar System Exploration 2019).

Die Mondphasen ändern sich über den Monat hinweg, da der Mond die Erde umkreist und die Erde umkreist die Sonne (NASA Solar System Exploration 2019). Die NASA definiert den Neumond wie folgt: „Wenn Sonnenlicht von der anderen Seite des Mondes fällt – der Seite, die wir ohne die Hilfe eines Raumfahrzeugs nicht von der Erde aus sehen können – wird es Neumond genannt“ (NASA Solar System Exploration 2019). Wenn das Sonnenlicht von der nahen Seite reflektiert wird es ein Vollmond (NASA Solar System Exploration 2019). Der Mondzyklus hat eine bestimme Reihenfolge, der sich alle 29,5 Tage wiederholt: Neumond, Zunehmender Sichelmond, Zunehmender Halbmond (Erstes Viertel), Zunehmender Dreiviertelmond, Vollmond, Abnehmender Dreiviertelmond, Abnehmender Halbmond (Letztes Viertel) und Abnehmender Sichelmond (NASA Solar System Exploration 2019). In der heutigen Zeit benutzt der islamische Kalender den Mondkalender (Mohn et al. 2011).

3.3. Lunisolarkalender

Der Lunisolarkalender folgt sowohl dem Mond als auch der Sonne. Der Kalender soll dem tropischen Jahr oder auch Sonnenjahr genannt sich annähern in dem er Schaltmonate hinzufügt (Xin & Aslaksen 2001: 9). Laut Lazar ist das tropische Jahr die Zeit, die die Erde braucht, um die Sonne einmal zu umkreisen und somit hat man einen vollen Zyklus von einer Sommersonnenwende zur nächsten (2020: 3). Die Standardeinheit der Lunisolarkalender ist der Mondmonat, der 12 Monate geht (Xin & Aslaksen 2001: 9). Ein 13. Monat wird als Schaltmonat ca. alle drei Jahre hinzugefügt, damit der Kalender den Jahreszeiten entspricht (Xin & Aslaksen 2001: 9). Ein Beispiel für den Lunisolarkalender wäre der chinesische Kalender (Ben-Dov et al. 2012: 349).

4. Kalender

Im Folgenden werden Beispiele für die drei oben beschriebenen Kalender vorgestellt. Diese drei sind recht häufig genutzte Kalender unserer Zeit.

4.1. Gregorianischer Kalender

Der gregorianische Kalender, auch bekannt als der christliche Kalender, ist ein international akzeptierter gesetzlicher Kalender, der sich aus Tagen, Monaten und Jahren zusammensetzt (Lazar 2020: 1). Wie schon erwähnt ist der gregorianische Kalender ein Solarkalender und richtet sich nach der Sonnenbewegung (Lazar 2020: 2). Ein Jahr hat 365 Tage und insgesamt 97 Schalttage alle 400 Jahre (Lazar 2020: 1). Jedes Jahr, das durch vier teilbar ist, ist ein Schaltjahr, aber jedes Jahr, das durch 100 teilbar ist, ist kein Schaltjahr (Lazar 2020: 1). Jedes Jahr, das durch 400 teilbar ist, ist ein Schaltjahr (Lazar 2020: 1). Demnach sind beispielsweise Jahre, wie 1700 oder 1800 kein Schaltjahr, aber die Jahre 1600 oder 2000 ein Schaltjahr (Lazar 2020: 1). Ein Schaltjahr ist es dann, wenn der Februar 29 statt 28 Tage hat (Wahyuni et al. 2019: 1).

Der Kalender wurde vom Physiker Aloisius Lilius vorgeschlagen und von Papst Gregor XIII im Februar 1582 eingeführt bzw. reformiert (und nach ihm benannt), denn der gregorianische Kalender ist der Nachfolger des julianischen Kalenders (Lazar 2020: 1). Einheitlich wurde der Kalender im späten 18. Jahrhundert in Europa verbreitet und genutzt (Lazar 2020: 1). Die letzten Länder, die den Kalender eingeführt haben, sind: Türkei (1917), Russland (1918), Jugoslawien, Rumänien (1919) und Griechenland (1923) (Cohen 2000: 6). Manche Länder benutzen für religiöse Feiertage immer noch den julianischen Kalender (Lazar 2020: 4). Beispielsweise in Griechenland, Russland, Serbien und Bulgarien ist Weihnachten und Ostern ungefähr 2 Wochen früher als in der westlichen Welt (Lazar 2020: 4). In der Physik, Astronomie und Navigation wird das tropische Jahr genutzt und nicht der gregorianische Kalender (Lazar 2020: 3).

4.2. Islamischer Kalender

Der islamische Kalender ist ein Lunarkalender und folgt den Mondzyklen und Mondphasen (Wahyuni et al. 2019: 1). Der islamische Kalender ist auf das Jahr (im gregorianischen Kalender) 622 zurückzuführen (Mohn et al. 2011). Vorher wurde ein Lunisolarkalender genutzt und ein 13. Schaltmonat, doch der Prophet Mohammad hat vor seinem Tod angekündigt nur noch den Mondkalender zu nutzen und somit galt der Mondkalender für alle Muslime (Mohn et al. 2011). Der 14. Januar 2021 wäre im islamischen Kalender 30. Dshumada ‚l-Ula 1442 – also im islamischen Kalender wären wir im Jahr 1442.

Der islamische Kalender hat 12 Monate und ein Jahr hat 354 oder 355 Tage (Wahyuni et al. 2019: 1). Demnach verschiebt sich der islamische Kalender immer ca. 11 Tage jedes Jahr im Vergleich zum gregorianischen Kalender (Mohn et al. 2011). Die 12 Kalendermonate im islamischen Kalender heißen wie folgt: Safar, Rabiul awal, Rabiul akhir, Jumadil awal, Jumadil akhir, Rajab, Sya’ban, Ramadan, Syawal, Dzulkaidah und Dzulhijjah (Wahyuni et al. 2019: 1). Jeder Monat fängt ab dem Zeitpunkt an, an dem der Mond auf einer geraden Linie zwischen Sonne und Erde liegt (Wahyuni et al. 2019: 1). Somit haben die Monate 29 oder 30 Tage und es gibt keine bestimmte Reihenfolge, wann der Monat wie viele Tage hat (Wahyuni et al. 2019: 1). Der islamische Tag beginnt bei Sonnenaufgang und ein neuer Monat beginnt im islamischen Kalender bei der Sichtung des Hilals, der Mondsichel, kurz nach Sonnenuntergang (Wahyuni et al. 2019: 1). Wenn die Mondsichel nicht direkt nach Sonnenuntergang des 29. Tages gesichtet wird, dann fängt nicht der neue Monat an, sondern der aktuelle Monat hat 30 Tage statt 29 (Wahyuni et al. 2019: 1).

Also weiß man, dass die Sichtung der Mondsichel besonders wichtig ist für den Kalender, da er bestimmt, ob der nächste Monat nun anfängt oder nicht. Dies ist besonders wichtig, da so muslimische Feste jedes Jahr auf ein neues Datum fallen. Besonders wichtig ist der 9. Monat Ramadan, da die muslimische Bevölkerung genau wissen muss, wann sie mit dem Fastenmonat beginnen müssen und wann er endet (Xin & Aslaksen 2001: 9). Somit eignet sich der islamische Kalender nicht für Zwecke, wie Landwirtschaft, da er nicht mit den Jahreszeiten vereinbar ist und ca. 11 Tage kürzer ist als unser Kalender (Mohn et al. 2011). Er ist eher für religiöse Zwecke gedacht.

4.3. Chinesischer Kalender

Der chinesische Kalender ist ein Lunisolarkalender und hat eine über 3000 Jahre alte Geschichte (Ben-Dov et al. 2012: 349). Der Monatsanfang wird beim chinesischen Kalender, wie beim normalen Lunarkalender, von der Mondphase bestimmt (Ben-Dov et al. 2012: 349). Der Jahresanfang wird jedoch vom tropischen bzw. vom Solarjahr bestimmt (Ben-Dov et al. 2012: 349). Der chinesische Kalender beinhaltet 12 Mondmonate und jeweils ein Schaltmonat ca. alle 3 Jahre (Aslaksen 2010: 11). Es ist auch wichtig anzumerken, dass der Kalender eine Kombination von Solarkalender und Lunisolarkalender ist (Aslaksen 2010: 19).

Der chinesische Solarkalender ist in 24 Hauptabschnitte (jiéqì) aufgeteilt und wird auch Bauernkalender genannt (Aslaksen 2010: 19). Der Solarkalender des chinesischen Kalenders fängt immer an der Sonnenwende im Dezember an (Aslaksen 2010: 19). Die 24 Teile des Bauernkalenders geben an, wann die Jahreszeiten ungefähr sind und sie geben auch an, wie das Wetter zu den bestimmten Zeiten wird (Aslaksen 2010: 14). Als Beispiel von einem der 24 Aufteilungen J2: Jīngzhé: Erwachen der Insekten am 6. März (Aslaksen 2010: 14). Der Solarkalender folgt dem tropischen Jahr und eignet sich somit auch für Agrarwirtschaft, der Lunisolarkalender jedoch nicht (Aslaksen 2010: 19).

Abb. 2: Die 24 Hauptabschnitte (Jiéqì) (Aslaksen 2010: 14)

Der Lunisolarkalender beginnt am chinesischen Neujahr und hat 12 oder 13 Monate, je nach Jahr (Aslaksen 2010: 19). Somit gibt es laut dem Kalender zwei verschiedene Jahre, die sich suì und nián nennen (Aslaksen 2010: 19). Suì bezeichnet das Solarjahr, das von einer Dezember Sonnenwende zur nächsten geht und nián bezeichnet das Jahr, das beim chinesischen Neujahr beginnt bis zum nächsten Neujahr (Aslaksen 2010: 19).

Da ein chinesisches Jahr 12 oder 13 Mondmonate haben kann, haben sie entweder 29 oder 30 Tage (Aslaksen 2010: 19). Die Länge von einem nián kann deshalb 353, 354 oder 355 Tage haben, wenn es ein normales Jahr ist und 383, 384 oder 385 Tage, wenn es ein Schaltjahr ist (Aslaksen 2010: 19). Aufgrund des Schaltmonats fällt das chinesische Neujahr immer zwischen dem 21. Januar und dem 20. Februar (Aslaksen 2010: 29).

5. Fazit

Es gibt viele weitere Kalender auf der Welt und hier wurden nur drei Stück vorgestellt. Zusammenfassend kann man sagen, dass der gregorianische Kalender für unsere Nutzung am meisten Sinn ergibt. Der islamische Kalender wird beispielsweise eher für religiöse Zwecke genutzt als für den Alltag. Alle Kalender haben eine lange Geschichte und auch seinen eigenen Zweck. Für die Chinesen hat Neujahr eine große Bedeutung und das Datum wird anhand ihres Kalenders berechnet.

An der Zeitrechnung erkennt man auch, wie sehr der Mensch an die Natur und vor allem an Sonne und Mond gebunden ist. Ein geordneter Alltag wäre nicht möglich ohne unsere Uhren und Kalender. Nicht jeder Kalender ist besonders funktionell, jedoch haben Kalender, wie der islamische Kalender kulturell und religiöse Hintergründe. Unser Kalender und unsere Erde hat alle eine lange Geschichte, die uns zu Erkenntnissen der Vergangenheit führen. Mit der Geschichte können wir uns vorstellen, wie die Menschen früher gelebt haben. Es gibt bestimmt noch vieles, dass wir nicht wissen, aber mit Studien über unsere Vergangenheit lernt man noch eine Menge dazu.

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Abbildung 2: Die 24 Hauptabschnitte (Aslaksen 2010: 14)

Natürliche Zyklen auf der Erde und ihr Einfluss auf den Menschen

Inhaltsverzeichnis

Einleitung und Einordnung in das Oberthema
Alltägliche Zyklen
1. Tag und Nacht
2. Gezeiten
Zyklen mit extremen Folgen
1. Tornados als Beispiel für Zyklen mit verheerenden Auswirkungen auf den Menschen
2. Forschungsprojekt: Tornados
3. Hochwasser
4. Hochwasser am Nil als Beispiel eines Zyklus mit positiven Auswirkungen auf den Menschen
5. Forschungsprojekt: Hochwasser
Fazit

Literaturverzeichnis

1. Einleitung und Einordnung in das Oberthema

Der Mensch passt seinen Alltag und das Leben immer wieder an die Erde an, da die Menschen sich an der Natur der Erde orientieren und somit bilden sich gewisse Strukturen für den Menschen aus. Dazu gehören zum Beispiel die Navigation, die Zeitrechnung, verschiedene Betrachtungsweisen der Erde und natürliche Zyklen. Natürliche Zyklen sind Ereignisse auf der Erde, die wiederholt auftauchen und keinen anthropogen Ursprung haben. Sie geben uns Strukturen vor, an die wir uns anpassen müssen. Es gibt eine große Anzahl an natürlichen Zyklen mit den unterschiedlichsten Ursachen und Folgen. Dabei entstehen, zum Beispiel durch die Erdrotation oder dem Umlauf der Erde um die Sonne, der Tageszeitenzyklus und der Jahreszeitenzyklus (Haack 2008: 196). Auch weitere astronomische Parameter sorgen dafür, dass auf unserer Erde gewisse Zyklen, wie der Gezeitenzyklus, stattfinden (Malcherek 2010: 13). Teilweise haben wir uns schon so gut an diese Zyklen angepasst, dass wir unseren Alltag nach diesen Zyklen ausrichten. Warum stehen wir immer morgens auf, wenn die Sonne aufgeht? Warum kann man an der Nordsee nicht den ganzen Tag im Meer baden? All diese Fragen finden ihre Antwort, wenn man sich mit entsprechenden Zyklen beschäftigt, die diese Aspekte beeinflussen. Ziel dieser Arbeit ist es einige natürliche Zyklen der Erde genauer zu erläutern und dabei besonders die Folgen für den Menschen herauszuarbeiten.

2. Alltägliche Zyklen

Einige Zyklen erscheinen für den Menschen als alltäglich, da der Mensch sich bereits gut an diese angepasst hat. Dazu gehören zum Beispiel der Tageszeitenrhythmus, der Jahreszeitenrhythmus, die Gezeiten, die Regen- und Trockenzeiten und der Wasserkreislauf.

2.1. Tag und Nacht

Aufgrund der Erdrotation um die eigene Achse ist immer nur eine Seite des Planeten der Sonne zugewandt. Auf der Seite, die der Sonne zugewandt und somit beleuchtet ist, herrscht somit Tag und auf der anderen Seite Nacht. Eine Umdrehung dauert dabei 23 h, 56 min und 4 sek und die Erde bewegt sich 30 m pro Sekunde. Die Rotationsachse verläuft vom Nordpol bis zum Südpol durch den Erdkörper und die Erde dreht sich Richtung Osten (Abb. 1). Da die Erde rund ist, unterscheidet sich die Tageslänge hinsichtlich der unterschiedlichen Standorte. Entlang des Äquators dauern die Nacht und der Tag jeweils genau 12 h. Am Nordpol und Südpol hingegen dauert der Tag 186 Tage und die Nacht 179 Tage. Das hat den Grund, dass die Erdachse 23,44° gegen die Ekliptik geneigt ist und somit ein Pol immer mehr der Sonne zugeneigt ist. Außerdem variiert die Tageslänge hinsichtlich der Jahreszeit (Weltkugel-Globus.de 2020). Auch dieser Zyklus hat Auswirkungen auf den Menschen, da der Mensch seinen Tagesablauf an diesen Zyklus angepasst hat (merken Sie selbst im Alltag, dass die Erdrotation und der infolgedessen entstehende Tages- und Nachtzyklus Ihr Leben auf der Erde beeinflusst oder strukturiert?). Früher musste der Mensch am Tag körperliche Leistung während der Jagd erbringen und nachts sollte der Körper sich ausruhen und erholen. Auch heute ist dieser Rhythmus zu erkennen, denn der menschliche Körper orientiert sich an der Helligkeit am Tag und der Dunkelheit in der Nacht und lebt somit in einem Wechsel zwischen Wach- und Schlafphasen (licht.de 2018). Außerdem erhalten wir durch das Sonnenlicht Vitamin D, welches ein wichtiges Vitamin für den Körper darstellt, da es zum Beispiel für die Knochengesundheit verantwortlich ist (Muscogiuri, G. et al. 2019: 262.265).

Abbildung 2: Tag und Nacht (Geographie Infothek 2012)

2.2 Gezeiten

Ebenso stellen die Gezeiten einen natürlichen Zyklus der Erde dar. Ebbe und Flut entstehen durch ein geophysikalisches Kräftesystem. Die Gezeiten haben sich ausgebildet, da die Rotation der Erde um die eigene Achse von den Gravitatonskräften der Sonne und vom Mond beeinflusst wird. Die Gravitationskräfte werden dabei größtenteils durch die Zentrifugalkraft ausgeglichen. Jedoch bleibt ein Teil der Kräfte über, der dabei nicht ausgeglichen wird, sodass Ebbe und Flut entstehen (Malcherek 2010: 13). Der Mond sorgt mit seiner Anziehungskraft dafür, dass auf der Seite der Erde, die zum Mond geneigt ist, ein Wasserberg entsteht, da das Wasser sich dem Mond entgegen wölbt. Dieser wandert aufgrund der Erdrotation und der Bewegung des Mondes um die Erde, über die Meere der Erde. Wenn dieser an den Küsten ankommt, dann herrscht dort Flut und wenn der Wasserberg sich weiterbewegt herrscht an den Küsten wieder Ebbe. Auf der anderen Seite hingegen überlagert eine Fliehkraft, welche durch die Rotation der Erde entsteht, die Gravitationskraft des Mondes und es kommt dort ebenfalls zur Flut (Abb. 2) (hier gibt es einen Verschnitt zum Themenfeld astronomische Einflüsse auf die Erde und dem Unterthema Die Gravitation zwischen Erde, Mond und Sonne). An den Küsten macht der Anstieg und Abstieg des Wassers ungefähr eine Höhe von 5 m aus (Wissenschaft im Dialog 2008). Da das Wasser somit an den Küsten mal vortritt und mal zurücktritt, muss der Mensch sich diesem Zyklus anpassen. Besonders die Strandtouristen müssen ihre Urlaubsplanung an die Gezeiten anpassen. Aber auch für den Fischfang und den Schiffsverkehr sind die Gezeiten von großer Bedeutung. Der natürliche Zyklus der Gezeiten beeinflusst somit das Leben der Menschen an den Küsten und muss in verschiedenen Bereichen immer wieder beachtet werden (Stapel, H. & Maier, Y. 2019).

Abbildung 3: Entstehung von Gezeiten (KlasseWasser.de o.J.)

3. Zyklen mit extremen Folgen

Es gibt Zyklen, die von den Menschen viel Vorbereitung erfordern, da diese nicht regelmäßig auftreten, oder negative Folgen mit sich bringen. So kann zum Beispiel ein Tornado, Hurrikane oder Hochwasser die ganze Stadt zerstören. Für weitere Zyklen, wie das El-Niño- oder La Niña-Phänomen und den Monsun müssen ebenfalls Vorkehrungen getroffen werden, um die negativen Folgen möglichst zu minimieren. Außerdem gibt es Zyklen, wie den Wilson-Zyklus oder das Eintreten von Eiszeiten, die sich über Millionen von Jahren erstrecken (Zingg, E. 2017).

3.1. Tornados als Beispiel für Zyklen mit verheerenden Auswirkungen auf den Menschen

Tornados gehören unter anderem zu den gefährlichsten meteorologischen Phänomenen weltweit (Bryukhan, & Potapov 2014: 346). Da Tornados sehr klein sind, eine sehr kurze Lebensdauer haben und eine sehr hohe Geschwindigkeit, ist es sehr schwer, sie vorherzusagen (Novitski et al. 2016: 683). Die Regionen der Erde erleben immer wieder zyklische Tornadosaisons. Besonders häufig treten Tornados zum Beispiel im Südosten der USA auf (Ash 2016: 1). Außerdem kann man feststellen, dass die Anzahl an Tornados pro Jahr immer weiter ansteigt (Elsner et al. 2014: 651-659). Die Hauptsaison geht von März bis Mai. Dabei schiebt sich kalte Luft aus dem Norden Amerikas über die heiß-feuchte Luft aus dem Golf von Mexiko. Jedoch hat warme Luft eine geringere Dichte und steigt nach oben und es bilden sich durch Kondensation Gewitterfronten. Sobald die Kaltluft die Luftmassengrenze durchbricht, fällt sie sturzartig, in Form eines Strudels nach unten. Ein trichterförmiger Wolkenschlauch wird somit sichtbar. Diese Trichterform wächst immer weiter, bis sie die Erde erreicht. Außerdem wird die Kaltluft am Rande vom Strudel durch Warmluft ersetzt. Der Raum der angesaugten Luft wird somit immer kleiner, sodass sich die Drehgeschwindigkeiten immer weiter erhöhen. Der Seitenwind sorgt dafür, dass die warmen Luftmassen beginnen zu rotieren. Der Tornado dreht sich um seine eigene Achse, die senkrecht verläuft. Außerdem liegen hohe vertikale Temperaturgegensätze vor (Lohmann & Kretschmer 2014: 161). Aufgrund der Coriolis-Kraft, drehen sich Tornados auf der Nordhemisphäre gegen den Uhrzeigersinn und auf der Südhemispähre mit dem Uhrzeigersinn (Stewart et al. 2020). Die Drehgeschwindigkeit liegt bei 50-60 km pro Stunde, kann aber in extremen Fällen auch auf bis zu 500 km pro Stunde ansteigen (1999 wütete ein Tornado in Oklahoma mit der höchsten gemessenen Windgeschwindigkeit von 510 Kilometern pro Stunde. Er verursachte einen Schaden von 1,1 Milliarden US-Dollar und 48 Menschen kamen dabei ums Leben (Wissen.de 2020)). Der Durchmesser kann zwischen ein paar Metern und mehreren hundert Metern liegen. Durch den niedrigen Luftdruck im Tornado und die rotierenden Winde entwickelt der Tornado seine zerstörenden Kräfte. Da der Luftdruck im Tornado deutlich geringer als in der Umgebung ist, entstehen Aufwinde, die alles in ihrer Umgebung mit sich nach oben ziehen (Abb. 3). Tornados entwickeln sich an sogenannten Konvergenzlinien und Aufwindbereichen von Superzellen. Konvergenzlinien sind Linien an denen verschiedene Winde aufeinander treffen und sich Wirbel entwickeln. Die Lebenszeit eines Tornados beträgt dabei meist zwischen ein paar MInuten und einer Stunde. Um die Windgeschwindigkeiten zu messen nutzt man die Fujiata-Skala. Dabei sind nicht nur die Windgeschwindigkeiten von großer Bedeutung, sondern auch der durch den Tornado verursachte Schaden. In tornadoreichen Regionen wird sogar in der Schule unterrichtet, wie man sich bei einem Tornado zu verhalten hat, denn ein Tornado kann enorme Schäden verursachen. Tornados führen teilweise dazu, dass sich der Asphalt vom Boden löst und Autos und Busse werden durch die Gegend geschleudert. Teilweise werden Häuser sogar zerstört. Die durch die Luft wirbelnden Gegenstände gefährden die Menschen, die sich diesen nähern und können zu vielen Todesopfern führen. In den USA treten im Jahr über 1000 Tornados auf und ein Großteil davon entlang der Tornado-Alley. Tornado-Alley bezeichnet dabei einen tornadogefährdeten Bereich im mittleren Westen der USA (Lohmann & Kretschmer 2014: 161-166).

Abbildung 4: Entstehung von Tornados (Infografik Die Welt 2013)

3.2. Forschungsprojekt: Tornados

Das national severe storms laboratory hat mit dem TORUS-Projekt seit 2019 das Ziel, die Entstehung von Tornados genauer zu erforschen und somit die Tornadoprognosen und Tornadowarnungen zu verbessern. Durch dieses Projekt erhofft man sich die Minimierung von Sachschäden und das Retten von mehr Menschenleben. Die NSSL-Forscher haben dafür ein Modell entwickelt, welches ein Tornado-erzeugendes Gewitter in 3D-Form darstellt (der folgende Link führt direkt zum 3D Modell des Projekts der NSSL, zur besseren Veranschaulichung des Forschungsprojekts: https://www.nssl.noaa.gov/research/thunderstorms/img/model-output.gif). Anhand dieses Modells soll näher untersucht werden, welche Änderungen der Umgebung dazu führen, dass ein Gewitter ein Tornado erzeugen kann. Außerdem haben die Forscher einen Tornado-Erkennungsalgorithmus entwickelt um Tornados besser zu erkennen. Die Forscher sind damit beschäftigt, die Superzellen eines Gewitters gezielt durch Radar und UAS (Unmanned Aerial System) durch Drohnen zu beobachten. Somit sollen die Beziehungen zwischen Tornados und schweren Gewittern erforscht werden (NSSL 2020).

3.3. Hochwasser

Ein weiterer natürlicher Zyklus auf der Erde ist die Entstehung von Hochwasser. Es kann durch anhaltende Regenfälle, dem Schmelzen von Schnee, Küstenüberschwemmungen, Damm- oder Deichbrüche, den Meeresspiegelanstieg, den Bruch eines Gletscherbeckens oder durch Wasserstau aufgrund von Erdrutschen entstehen. Auch das Speichervermögen des Bodens beeinflusst die Entstehung von Hochwasser. Das Speichervermögen ist dabei abhängig von der Hangneigung, der Höhenlage, der Vegetationsdecke, der Wassersättigung und der Durchlässigkeit des Bodens in dem Gebiet. Sobald die Speichermöglichkeit des Erdbodens vollkommen ausgenutzt und der Boden wassergesättigt ist, müssen die Wassermengen über die Oberfläche in Bäche und Flüsse abfließen. Da dies aber langsam geschieht, bilden sich Hochwasserwellen aus (Wissen.de 2020). Der Mensch beeinflusst diesen Zyklus aber auch, indem er zum Beispiel die Bergländer entwaldet. Somit kommt es zu fehlendem Vegetationsschutz und es kommt zur Erosion in Hanglagen. Auch durch Versieglung wird die Bildung von Hochwasser vorangetrieben. Ebenfalls wird durch die Ackernutzung der Boden verdichtet und es bildet sich eine neue Bodenstruktur aus, was zu vermehrtem Oberflächenabfluss führt (Schwetz, H. & Überwimmer, F. 2015: 111-119). Die Wellen des Hochwassers sind teilweise so stark, dass sie Gegenstände, Bäume oder auch Felsen mit sich reißen, die zu Schäden führen können, wenn sie auf Personen, Gebäuden oder andere Konstruktionen treffen (Blanaru 2006: 3). Infolge eines Hochwasserereignisses können Hungerkatastrophen, Seuchengefahren und Trinkwassermangel eintreten (Wissen.de 2020). Hochwasser gehören zu den Naturkatastrophen die weltweit der Grund für die größten und häufigsten Schäden sind. Im Jahr entstehen dabei weltweit Schäden von ungefähr 19 Mrd. $ und 115 Mio. Personen sind von dieser Naturkatastrophe betroffen (Nachtnebel, H. & Apperl, B. 2015: 120-130) (1887 starben in Huang He in China mindestens 900.000 Menschen während einer Überschwemmung (Brierley 2015: 13)).

3.4. Hochwasser am Nil als Beispiel eines Zyklus mit positiven Auswirkungen auf den Menschen

Jedoch kann Hochwasser auch positive Folgen für den Menschen haben. Die Überflutung des Nils in Ägypten gehört zu den Gebieten, in denen das Hochwasser lebenswichtig für die Bevölkerung ist. Ägypten ist ein sehr regenarmes Land. Nahe der Mittelmeerküste kann man dabei von 200 mm Niederschlag im Jahr ausgehen, weiter im Süden Ägyptens hingegen in Kairo liegt der Niederschlag nur noch bei 35 mm im Jahr. Ohne den Nil wäre Ägypten eine vollständige Wüste. Da jährlich Hochwasser am Nil eintreten, wird das Land um den Nil überschwemmt und es entsteht fruchtbares Land in einem Bereich von 1000 km an beiden Ufern des Nils (Abb. 5) (Wölfel, W. 1998: 1-6). Im Bereich des Einzugsgebietes des Nils liegt die Bevölkerungsdichte bei 1492 Menschen pro Quadratkilometer. Somit zählt dieser Bereich zu den Gebieten mit der höchsten Bevölkerungsdichte, abgesehen von Großstädten (Falke, A. 2004: 1-2). Das Nilhochwasser kommt jedes Jahr, sodass das Wasser des Nils von Juli bis Oktober ansteigt, wenn es im Quellgebiet in Ostafrika stark geregnet hat (Klett 2016: 48). Der höchste Stand wird dabei Nilschwelle genannt. Bei Khart steigt das Wasser dabei bis zu 12 m an. Die Höhe des Hochwassers beeinflusst dabei das umliegende Land und die Ernteeinträge. Das Hochwasser des Nils beeinflusst das Leben der Menschen dort sogar so stark, dass sie ihren Kalender nach diesem richten. Am 19. Juli, wenn das Hochwasser den Memprus erreicht, beginnt das Kalenderjahr. Außerdem lässt sich das Kalenderjahr in drei Jahreszeiten gliedern. Dazu gehören die Überschwemmung, die Aussaat und die Erntezeit. Nachdem das Hochwasser zurückgegangen ist bleibt ein fruchtbarer Schlamm zurück, welcher das Land bedeckt (hier liegt ein Verschnitt zum Thema „Zeit und Zeitrechnung auf der Erde“ vor. Man kann anhand dessen feststellen, dass natürliche Zyklen die Zeitrechnung des Menschen beeinflussen, da die Nilüberflutung mit ihren Phasen hier als Rhythmus-bestimmender Faktor gilt). Der Schlamm besteht aus fruchtbaren Schwebstoffen, die durch den Nil aus dem Einzugsgebiet herantransportiert werden. Dabei handelt es sich vorwiegend um Erosionsprodukte mit vulkanischem Ursprung. Der Schlamm besteht dabei aus 63 % Sand und Ton, 18 % kohlensaurem Magnesium, 9 % organischen Bestandteilen und 6 % Eisenoxid (Wölfel, W. 1998: 1-6). Die Bevölkerung und Vegetation Ägyptens ist auf das Niltal und Nildelta beschränkt, da der fruchtbare Schlamm sich dort absetzt. Das Niltal ist ein fruchtbarer Streifen zwischen 3 und 20 km Breite mit einer Fläche von 27.000 km². Das Nildelta ist 250 km breit und hat eine Fläche von 28.000 km²(Falke, A. 2004: 1-2). Die Bevölkerung Ägyptens hat Dämme und Kanäle gebaut, um den fruchtbaren Schlamm für die Landwirtschaft zu nutzen und so die eigene Ernährung zu sichern (Cornelsen 2019: 2). Ägypten verdankt seinen Wohlstand der Nilüberschwemmung. Heute wird die Nilüberschwemmung jedoch durch den Assuanstaudamm im Bereich der Stadt Assuan reguliert, sodass keine jährlichen Überschwemmungen mehr auftreten, da sonst die Gefahr bestünde, dass die Überschwemmung zu gering oder zu hoch werden würde. Der Damm staut das Wasser dort zu einem See auf. Somit ist die Bevölkerung nicht mehr abhängig von der Überschwemmung, muss aber auf künstlichen Dünger zurückgreifen (Gierlich, G. 2012:8).

Abbildung 5: Fruchtbares Land um den Nil (Selket’s Ägypten 2018)

3.5. Forschungsprojekt: Hochwasser

Im Jahre 2013, nach einem Hochwasser im Osten Deutschlands (Abb. 5), starteten Wissenschaftler der Helmholtz-Gemeinschaft das Forschungsprojekt „Hochwasser 2013“ mit dem Ziel die Hintergründe und Ursachen, sowie Vorsorgungsmöglichkeiten für Hochwasserereignisse besonders in Deutschland zu untersuchen. Dieses Projekt soll dabei helfen, zukünftige Hochwasser schneller einzuordnen und zu bewerten, sowie Extremszenarien abzuleiten um den Katastrophenschutz zu verbessern. Bei diesem Projekt wurden die vergangenen Hochwasser der letzten 60 Jahre in Deutschland zusammengefasst und anhand der Niederschlagsmengen und weiteren Aspekten untersucht. Letztendlich wurde ein Konzept vorgestellt, welches für den Umgang mit Hochwasserereignissen nützlich sein soll. Es soll ein bundesweit einheitliches Kommunikationskonzept erscheinen und eine länderübergreifende Regelung zur Freistellung und Kostenverantwortung von Helfern. Außerdem sollen Personen, die in Hochwassergefährdeten Gebieten leben, eine Elementarschadenszusatzversicherung abschließen (DKKV 2015: 1-208).

Abbildung 6: Übersicht über die Hochwasser 2013, 2010 und 2002 stark betroffenen Gemeinden in Deutschland (Karte: eskp.de, Lizenz: CC BY 4.0 2015)

4. Fazit

Zusammenfassend kann gesagt werden, dass es viele natürliche Zyklen auf der Erde gibt, welche den Menschen auf unterschiedlichste Art und Weise beeinflussen und dem Menschen gewisse Strukturen vorgeben. Dabei kann ein solcher Zyklus den Menschen positiv beeinflussen, wie zum Beispiel das Nilhochwasser, welches für Ägyptens Wohlstand sorgte und fruchtbares Land als Folge hatte. Jedoch gibt es auch natürliche Zyklen, die negative Auswirkungen auf den Menschen haben, wie ein Tornado, welcher für Todesopfer und Zerstörung und Verwüstung von Städten verantwortlich ist. Außerdem gibt es Zyklen, die für uns Menschen alltäglich geworden sind, wie der Tageszeitenrhythmus oder der Gezeitenzyklus und es gibt Zyklen, bei denen es auch noch für den Menschen an großen Vorbereitungen bedarf. Kommt ein Tornado auf ein Land zu, so bedarf es an gewissen Vorkehrungen, um sich vor diesen Wetterereignissen zu schützen, damit die Schäden möglichst gering gehalten werden. Somit ist die Erde in vielerlei Hinsicht strukturgebendes Element, an welches wir unseren Alltag anpassen.

Literaturverzeichnis

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