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Erdkrümmung

aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie
Datei:ISS-40 Sicily and Italy.jpg
Italien aus dem Weltraum und die Erdkrümmung aus einer Höhe von 400 km (ISS) gesehen
Datei:Erdkrümmung erklärt.webm
Video: Die Erdkrümmung veranschaulicht am Beispiel der Luftlinie zwischen Konstanz und Bregenz über den Bodensee hinweg

Unter Erdkrümmung versteht man die Krümmung der großräumig betrachteten Erdoberfläche als Folge der Tatsache, dass die Form der Erde ungefähr einer Kugel entspricht. Ihre gekrümmte Oberfläche weicht daher von einer Tangentialebene ab, was am Beispiel der Meeresoberfläche schon bei verhältnismäßig kurzen Distanzen offensichtlich wird.

Dass die Erde annähernd kugelförmig ist, war ionischen Wissenschaftlern um 600 v. Chr. bereits bekannt.<ref>Die Naturphilosophen kannten drei Beweise, die später Aristoteles in seine Schriften übernahm: 1) Unterschiedlicher Sternhimmel je nach Breitenkreis, 2) Sinkende Sichtbarkeit von Schiffen nach der Ausfahrt, 3) Kreisförmiger Erdschatten bei Mondfinsternissen.</ref> Dass die Erdfigur von der Kugelform derart abweicht, dass sie durch ein passendes Ellipsoid besser anzunähern ist, liegt an der Rotation der Erde, die zur Erdabplattung führt. Der für den Umfang des Äquators angenäherte Durchmesser ist um etwa 0,3 % größer als der Abstand zwischen den Polen. Beim derzeitigen Referenzellipsoid (WGS 84) macht der Unterschied knapp 43 km aus. Hingegen beträgt die bezüglich des mittleren Meeresspiegels angegebene Differenz zwischen dem höchsten Punkt der Erdoberfläche, am Gipfel des Mount Everest, und dem tiefstgelegenen Punkt der bekannten Oberfläche der (ozeanischen) Erdkruste im Marianengraben knapp 20 km.

Berechnung

Für die Abschätzung des Abstandes zwischen der Erdoberfläche und einer Geraden die zwei Punkte der Oberfläche verbindet, existieren verschiedene Näherungsformeln. Sie basieren auf der Annahme einer Kugelform der Erde. Als Erdradius wird im Folgenden ein Wert von 6371 km angenommen.

Als einfache Näherungsformel für kleine Distanzen <math>L</math> kann die Formel

<math>y = \frac{L^2}{2R}</math>

dienen, wobei <math>L</math> die Entfernung, <math>R</math> der Erdradius und <math>y</math> die Abweichung in Metern ist. Daraus ergeben sich folgende Bespiele

0,8 mm auf 100 m
20 mm auf 500 m
78 mm auf 1 km
1,96 m auf 5 km
7,85 m auf 10 km

Zur Veranschaulichung: Zwei Personen befinden sich auf der als Kugel angenommenen Erde 10.000 m  voneinander entfernt. Beträgt bei beiden die Augenhöhe 1,96 m über der Erdoberfläche, so können sie eben noch Sichtkontakt haben (der Berührungspunkt ihrer gemeinsamen Tangentialebene mit der Erdoberfläche liegt jeweils in <math>L</math> = 5000 m Entfernung). Würden die Augen der einen Person sich genau auf Höhe der Erdoberfläche befinden, so müsste die 10.000 m entfernte andere Person für Sichtkontakt eine Augenhöhe von mindestens 7,85 m über der Erdoberfläche einnehmen.

Mit einer etwas genaueren Näherungsformel

<math>y = \sqrt{L^2 + R^2} - R</math>, ergeben sich folgende Werte:
0000,31 m bei 02 km
0001,96 m bei 05 km
0007,85 m bei 10 km
0031 m bei 020 km
0196 m bei 050 km
0784 m bei 100 km
1764 m bei 150 km
3135 m bei 200 km
4898 m bei 250 km

Die folgende Formel ermöglicht die Berechnung exakter Werte, wobei aufgrund der Abweichung der Erdoberfläche von einer idealen Kugelform dies jedoch nur als weitere Näherung betrachtet werden kann.

<math> y = R \left(1-\cos\left(\frac{L}{R}\right)\right)</math>
Datei:Erdkruemmung.png
Wegen der Erdkrümmung ist ein direkter Lichtkontakt zwischen zwei Objekten, die sich 1000 km voneinander entfernt (entspricht etwa der Nord-Süd-Ausdehnung von Frankreich oder einem Vierzigstel des Erdumfangs) in gleicher Höhe über der Erdoberfläche befinden, erst ab einer Mindesthöhe möglich; diese beträgt, nach der Näherungsformel mit L = 500 km berechnet, etwa 19,6 km (schwarze Punkte).

Die Korrektur von Höhenmessungen wegen der Erdkrümmung ist also schon auf kurze Strecken unerlässlich und wächst quadratisch mit der Distanz. Bei Vermessungen der Lage wirkt sich die Erdkrümmung erst in größerer Entfernung aus und führte zur Unterscheidung zwischen „niederer“ und „höherer Geodäsie“.

Datei:Image taken from page 195 of 'La Terra, trattato popolare di geografia universale per G. Marinelli ed altri scienziati italiani, etc. (With illustrations and maps.)' (11291523126).jpg
Historische Darstellung (1898) der theoretischen Sichtweite von den Gipfeln des Mont Blanc und des Monte Venda

Bei einem praktischen Beispiel, der Höhenwinkelbestimmung von Bergen im Gebirge, ergeben sich rechnerisch durch die Erdkrümmung z. B. für den Mont Blanc mit 4810 m Höhe in Abhängigkeit von der Entfernung folgende Höhenwinkel (unter der Annahme eines Blickpunktes auf Seehöhe, in Klammern die Werte ohne Erdkrümmung):

bei 050 km +5,27° (5,49°)
bei 100 km +2,30° (2,75°)
bei 150 km +1,16° (1,83°)
bei 200 km +0,48° (1,38°)
bei 250 km −0,02°

Der 250-km-Wert besagt, dass bei dieser Entfernung die Spitze des Mont Blanc unter der „Horizontlinie“ liegt. Für Beobachtungspunkte oberhalb der Seehöhe vergrößert sich der rechnerische Höhenwinkel, weil die sich die „Horizontlinie“ vom Beobachter entfernt und nur der Erdkrümmungsanteil jenseits davon wirksam wird. In der Praxis spielt auch noch die terrestrische Refraktion eine Rolle. Durch sie werden die Lichtstrahlen in Richtung Erdkrümmung gebrochen, so dass die Höhenwinkel leicht vergrößert werden. Man kann sie so deuten, dass die durch die Erdkrümmung verursachten Erniedrigungen um 5 bis 15 % verringert werden, abhängig von meteorologischen Bedingungen. Wenn z. B. der Einfluss der Refraktion 15 % wäre, dann würde sich im letzten Fall ein Höhenwinkel von 0,04° ergeben.

Fotografische Dokumentation

Die Erdkrümmung kann beispielsweise mit Teleobjektivaufnahmen weit entfernter Schiffe auf Wasserflächen oder von Bergen bei guter Fernsicht mit entsprechender Sichtweite dokumentiert werden. Weit entfernte Objekte erscheinen nicht nur aufgrund des Sehwinkels (Perspektive) kleiner, sondern liegen aufgrund der Erdkrümmung darüber hinaus tiefer im Bild als dies auf einer geometrischen Ebene der Fall wäre. Dabei werden die unteren Bereiche des Motivs vom Horizont verdeckt. Die Größe des Effekts unterliegt einigen Schwankungen, die vor allem der terrestrischen Refraktion zuzuordnen sind.

Datei:More Head - geograph.org.uk - 434643.jpg
Abbildungsfehler infolge tonnenförmiger Verzeichnung durch das Objektiv: Kimmlinie dadurch gebogen dargestellt

Nicht geeignet sind Aufnahmen mit nicht verzeichnungsfrei abbildenden Weitwinkelobjektiven aus niedrigen Höhen. Die gebogene Horizontlinie zeigt dort nicht die Erdkrümmung, sondern einen Abbildungsfehler des Objektivs. Der Fehler nimmt in Richtung der Bildränder zu und ist bei einer durch die Bildmitte des Objektivs (optische Achse) verlaufenden Horizontlinie unauffällig. Auf Weitwinkelaufnahmen aus üblichen Reiseflughöhen von etwa 10,5 km lässt sich die Erdkrümmung technisch nachweisen, deutlich sichtbar wird die gekrümmte Horizontlinie jedoch erst ab Höhen von etwa 15 km.<ref>{{#invoke:Vorlage:Literatur|f}}</ref><ref>{{#if:|{{#iferror: {{#iferror:{{#invoke:Vorlage:FormatDate|Execute}}|}}| |}}}}{{#if:Andrea Schorsch|Andrea Schorsch: }}{{#if:|{{#if:Von wo sieht man die Erdkrümmung?|[{{#invoke:Vorlage:Internetquelle|archivURL|1={{#invoke:URLutil|getNormalized|1={{{archiv-url}}}}}}} {{#invoke:Vorlage:Internetquelle|TitelFormat|titel=Von wo sieht man die Erdkrümmung?}}]{{#if:| ({{{format}}})}}{{#if:| {{{titelerg}}}{{#invoke:Vorlage:Internetquelle|Endpunkt|titel={{{titelerg}}}}}}}}}|{{#if:https://www.n-tv.de/wissen/frageantwort/Von-wo-sieht-man-die-Erdkruemmung-article20421755.html%7C{{#if:{{#invoke:TemplUtl%7Cfaculty%7C}}%7C{{#invoke:Vorlage:Internetquelle%7CTitelFormat%7Ctitel={{#invoke:WLink%7CgetEscapedTitle%7C1=Von wo sieht man die Erdkrümmung?}}}}|[{{#invoke:URLutil|getNormalized|1=https://www.n-tv.de/wissen/frageantwort/Von-wo-sieht-man-die-Erdkruemmung-article20421755.html}} {{#invoke:Vorlage:Internetquelle|TitelFormat|titel={{#invoke:WLink|getEscapedTitle|1=Von wo sieht man die Erdkrümmung?}}}}]}}{{#if:| ({{{format}}}{{#if:NTV.de2018-05-08{{#if: 2018-08-23 | {{#if:{{#invoke:TemplUtl|faculty|}}||1}}}}

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Siehe auch

Literatur

  • Heribert Kahmen: Vermessungskunde. Band 1. De Gruyter, Berlin / New York 1988, ISBN 3-11-011759-2.
  • Karl Ledersteger: Astronomische und Physikalische Geodäsie (Erdmessung) (= Handbuch der Vermessungskunde. Band 5). Metzler, Stuttgart 1969, S. 79–155, 455 ff., 705 ff.
  • Günter Petrahn: Grundlagen der Vermessungstechnik (= Taschenbuch Vermessung.) 2. Auflage, Cornelsen, Berlin 2000, ISBN 3-464-43305-6.

Weblinks

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Anmerkungen

<references />