Die Suche nach dem richtigen Weg dürfte so alt sein, wie die Menschheit selbst. Umwege mag niemand und gefährliche Orte zu meiden, gebietet der Überlebensinstinkt. Besonders verschärft sind die Bedingungen auf dem Meer. Wer dort im Kreis segelt oder rudert, steckt schnell in Schwierigkeiten. Die Frage "Wo bin ich eigentlich?" wird dann zur Überlebensfrage.
In Küstennähe bieten tagsüber Landmarken Orientierungshilfe, Leuchttürme gibt es mindestens seit der Antike. Hat man die Route schon einmal erfolgreich hinter sich gebracht, ist es naheliegend sie erneut zu wählen. Es sei denn man sucht nach Abkürzungen. Dann kann es passieren, dass man in Amerika landet statt in Indien.
Wer sich fragt, wie vor rund 60.000 Jahren Australien besiedelt wurde, sollte den damals zwischen 70 bis 100 m niedrigeren Meeresspiegel bedenken, der eine Landverbindung zwischen Australien, Neuguinea und Tasmanien ermöglichte. Die weitesten Strecken lagen im Bereich von 100 km und wurden mit einfachen Flößen und Booten zurückgelegt.
Fest steht: auf gut Glück gingen Menschen nur im Ausnahmefall auf Reisen. Sonne bei Tag und Fixsterne bei Nacht waren Jahrtausende lang verlässliche Orientierungshilfen. Die Vorfahren der Polynesier - die Lapita - begannen vor mindestens 3000 Jahren von Südostasien aus den Pazifik zu befahren und Inseln, die heute als Ozeanien bezeichnet werden, zu besiedeln. Ihre Navigation basierte auf der Beobachtung von Wind, Wolken, Wellen und Tieren und vor allem der Gestirne (Astronavigation).
Eine systematische Entwicklung der Navigation erfolgte bereits 4000 Jahre vor unserer Zeitrechnung in Indien, Ägypten und dem heutigen Libanon. Man nutzte dazu die sogenannte Koppelnavigation (Abdrift, Geschwindigkeit + Orientierungspunkt) und ebenfalls die Pfade der Sterne und die Position des Zenitsterns, der als "höchster" Stern am Himmel über dem Beobachter steht. Welcher das ist, hängt vom Breitengrad des jeweiligen Standpunktes ab (Sternpfad- und Zenitsternnavigation). Besonders nützlich: die Höhe des Himmelspols entspricht immer dem Breitengrad.
Ab dem 1.Jahrtausend v.Chr. begann man diese Methoden auch für Expeditionen an Land einzusetzen, überlebenswichtig blieben sie aber weiter in der Seefahrt. Zusätzlich zu den bereits genannten Möglichkeiten der Positionsbestimmung und dem daraus (mehr geschätzten als) berechneten Kurs nutzte man - wenn möglich - die Wassertiefe um sich zu orientieren. Erste schriftliche Erwähnung fanden Lotungen um 500 v.Chr u.a. beim griechischen Geschichtsschreiber Herodot (490/480-430/420 v.Chr.) und in den Apostelgeschichten des Neuen Testaments, die ab dem ersten nachchristlichen Jahrhundert entstanden. Aber wahrscheinlich ist diese Methode so alt wie die Seefahrt selbst.
Überlieferungen nach benutzten die Wikinger einen "Sonnenstein" um auch bei bedecktem Himmel oder starkem Schneefall die Position der Sonne ermitteln zu können. Es gibt tatsächlich transparente Mineralien, die durch Polarisation des Lichts (Filtern von Wellenlängen) so eine Verwendung plausibel erscheinen lassen. Jahrhundertelang navigierte man mit einer Kombination folgender Hilfsmittel:
Astrolabium
Das Astrolabium ist eine Art scheibenförmiger Rechenschieber, mit dem vom frühen Mittelalter bis in die frühe Neuzeit der Nachthimmel mit seinen Sternpositionen berechnet wurde. Horizont und horizontale Koordinaten sind auf einer festen Scheibe (Tympanon) abgebildet. Einige Sterne und die Jahresbahn der Sonne befinden sich darüber auf der frei drehbaren Sternenscheibe (Rete). Auf der Unter- oder Rückseite befindet sich ein Visierlineal (Alhidade) und eine Visiereinrichtung (Diopter) um den Höhenwinkel eines Himmelskörpers zu berechnen. Anders als der Mechanismus von Antikythera (Artikel dazu hier) hat das Astrolabium weder Zahnräder, noch Getriebe, alle Bewegungen der Rete werden direkt übertragen.
So können nach dem Einstellen von Datum und Uhrzeit Sternpositionen abgelesen werden oder umgekehrt durch Datum und Position eines Himmelskörpers auf Uhrzeit oder Himmelsrichtung geschlossen werden. Vorläufer dieses, im Mittelalter von den Arabern weiterentwickelten, Instruments ist die Armillarsphäre, die dem griechischen Mathematiker und Astronomen Eratosthenes (276/273-194 v.Chr.) zugeschrieben wird. Die erste vollständige Beschreibung dieses Geräts findet sich in Ptolemäus' "Almagest" aus dem 2.Jahrhundert.
Kompass
Das wohl bekannteste klassische Hilfsmittel zur Bestimmung von Himmelsrichtungen wurde wahrscheinlich in China erfunden. Seit der Zeit Konfuzius' (Zeit der Streitenden Reiche, 475-221 v.Chr.) war bekannt, dass sich Magneteisenstein-Splitter stets in Nord-Süd-Richtung drehen. Auch den alten Griechen war dieses Phänomen schon bekannt, Beweise für seine erste praktische Anwendung stammen aber aus der mittelalterlichen Jahrtausendwende in China in Form einer schwimmenden Kompassnadel, die Südweiser genannt wurde.
Bald darauf übernahmen die Kreuzfahrer diesen "nassen Kompass" um schneller und trockenen Fußes Jerusalem endlich unter europäische Herrschaft bringen zu können. Der noch heute gebräuchliche "trockene Kompass", der sich daraus entwickelte, wird im Jahr 1269 zum ersten Mal schriftlich erwähnt. Am Hafen von Amalfi (Italien) wird mit einem Denkmal dessen angeblicher Erfinder Flavio Gioia geehrt. Der ist aber nur Legende, da nirgends schriftlich belegt.
Um 1400 wurde dieser, auf einem Stift sitzende, trockene Kompass mit einer Windrose kombiniert und kam um 1600 über das von Portugiesen und Spaniern besetzte Japan (zurück) nach China. Zu dieser Zeit bemerkte man in Europa die sogenannte Deklination (Missweisung) von einigen Grad nach Osten oder Westen - je nachdem, wo man sich gerade befindet.
Karten
Orte mit gleicher Missweisung werden auf Karten mit einer Hilfslinie verbunden, den Isogonen. Linien zwischen Orten ohne Deklination werden als Agone bezeichnet. Mit Hilfe von Karten, die diese Hilfslinien aufweisen, kann die, bei der Verwendung des Kompasses auftretende, Abweichung korrigiert werden. Das Beschreiben und das Kartieren (oder Aufzeichnen) bereits bekannter Orte ist schon seit langem gebräuchlich und für die Navigation unverzichtbar. Dazu der Artikel "Karten: Abbilder der vermessenen Welt".
Jakobsstab
Winkel- und Richtungsmessungen wurden ab dem 13.Jahrhundert auch mit einem einfachen trigonometrischen Gradstock mit verschiedenen Querlatten durchgeführt. Auf dem, nach dem Jakobsstab der Jakobspilger, benannten Stock befand sich eine Ableseskala und quer darüber ein oder - bei Bedarf - zwei "Läufer" für die Winkelmessung. Der Vorläufer dazu stammt aus dem 11.Jahrhundert vom persischen Universalgelehrten Avicenna (980-1037), sein nicht lateinisierter Name war Abū Alī al-Husain ibn Abd Allāh ibn Sīnā. Gemessen wird damit der Höhenwinkel der Sonne oder eines Fixsterns (z.b. Polarstern) über dem Horizont - wieder zur Bestimmung des Breitengrades.
Mit Kompass, Karten und Jakobsstab oder Astrolabium kam man schon recht gut voran. Aber Umwege und Irrfahrten mußten bei sich ändernden Wetter- und Windverhältnissen immer einkalkuliert werden. Als Spielball der Elemente in einer hölzernen Nußschale auf hoher See hilft auch mit bester technischer Ausstattung nur mehr beten (wenn überhaupt).
Logbuch
Um dieses oft wochenlange Herumirren schön säuberlich festzuhalten, kam ab dem 16.Jahrhundert immer öfter das Logbuch zum Einsatz. Das "Log" oder die "Logge" war ein einfaches Holzbrett an einem Seil. Anhand der Länge des abgelaufenen Seils, konnte die Geschwindigkeit ermittelt werden. So ein Bordbuch führte bereits Christoph Kolumbus (1451-1506), ab dem 18.Jahrhundert wurde es auf Kriegs- und Handelschiffen verbindlich eingeführt, mit stündlichen Eintragungen.
Oktant
Der Vorläufer des heute noch bekannten und beliebten Navigations-Oldtimers, dem Sextanten, ist - vereinfacht ausgedrückt - eine kompakte Weiterentwicklung von Jakobsstab und Astrolabium, erweitert um Fernrohr und Spiegel. Tatsächlich übernimmt er deren konzeptionelle Elemente, ist aber aus anderen Bauteilen äußerst raffiniert zusammengesetzt, wodurch er robuster und einfacher zu bedienen ist. "Einfach" ist natürlich ein relativer Begriff, aber dazu gleich mehr im Abschnitt über den Sextanten.
Als Erfinder des Oktanten gilt der englische Mathematiker und Astronom John Hadley (1682-1744), zusammen mit seinen jüngeren Brüdern George (1685–1768) und Henry (1687-?). Die ursprünglich 50 cm große hölzerne Apparatur wurde 1731 zum ersten Mal vorgestellt und durch die Verwendung von Messing später auf ein handliches Maß verkleinert. Zu Beginn trug das Gerät noch den Namen "Hadley-Quadrant", es setzte sich aber bald die lateinische Bezeichnung für den achten Teil des Kreises (45°) dafür durch. Grund ist die angebrachte Skala von 45°, der Messumfang beträgt aber durch Spiegelung 90°.
Auch der Optiker Thomas Godfrey (1704–1749) erhob Anspruch auf diese Erfindung. Tatsächlich entwickelte er unabhängig von den Hadleys in einer britischen Überseekolonie in den heutigen USA zur selben Zeit ein ähnliches Gerät, geriet aber in Vergessenheit, nachdem John Hadley das Patent dafür zugesprochen wurde. Isaac Newton (1642-1726) entwarf zwar bereits um 1700 das erste Konzept eines derartigen Winkelmessinstrumentes, seine Arbeiten dazu wurden aber erst 1742 - nach seinem Tod - veröffentlicht.
Sextant
Der Sextant erhöhte nicht nur den Messbereich von 90° auf 120°, er ist auch - wie der Oktant - der Grund für die bei Seeleuten damals oft anzutreffende Augenklappe. Der Pirat von früher hatte eben außer mit Säbel und Pistole auch noch mit der anzuvisierenden Sonne zu kämpfen - auf Kosten der Sehkraft. Zu seinem Namen kam der Sextant ebenfalls durch seinen physischen Gradbogen - jetzt 60°. Im 20.Jahrhundert bekam er noch eine Wasserwaage spendiert, um anhand ihrer Libelle das Gerät horizontal auszurichten. Das erspart bei schlechter Sicht die Suche nach der Wasserlinie, ist aber bei dem üblichen Seegang trotzdem kein leichtes Unterfangen.
Die Funktionsweise ist dieselbe wie beim Oktant: man blickt durch das Fernrohr auf den Horizont. Dann wird die Alhidade (der bewegliche Arm) so eingestellt, dass das vom Indexspiegel gespiegelte Bild der Sonne im halbtransparenten Horizontspiegel erscheint. Ziel ist es, den Unterrand der Sonne exakt auf den Horizont zu bringen – das nennt man "Berührungspunkt". Die anschliessende Winkelmessung erfolgt über den Gradbogen und die Trommel des Sextanten und ergibt den Höhenwinkel der Sonne über dem Horizont.
Und was sagt mir das über den Breitengrad? Alles - vor allem bei der Messung zu Mittag, wenn die Sonne ihren Zenit erreicht:
1. Höhe = 64°04′
2. Handbuch nehmen: Deklination der Sonne am 10.Juli = +21°30′ (nördlich vom Himmelsäquator)
3. Breitengrad = 90° minus Höhe plus Deklination
Rechnung:
90° - 64°04′ + 21°30′ = 47°26′ Nord
Jetzt brauche ich aber noch den Längengrad. Dafür muss die Sonnenhöhe vor, während und nach dem Sonnenhöchststand gemessen werden. Uhrzeit des tatsächlichen Zeitpunkts des Höchststandes wird notiert:
1. 12:58:16 MESZ = 10:58:16 GMT (Greenwich)
2. Zeitdifferenz zum Höchsstand in Greenwich (12:00 GMT): 61,732 Minuten
3. Längengrad = Zeitdifferenz x (15°/60)
Rechnung:
61,732 × (15/60) = 15,433° = 15°26′ Ost
47°26′ Nord, 15°26′ Ost: ich bin also in Graz (Österreich) und weder mitten im Atlantik, noch am Nordpol und das ohne versengtes Auge. Heute geht das dank griffbereitem Taschencomputer mit Netzanbindung bedeutend bequemer. So verliert man auf Dauer zwar nicht das Augenlicht, aber auf Dauer den natürlichen Sinn für Orientierung. Wie Navigation heute aussieht und wie GPS und Google Maps uns heute dort hinführen, wo wir glauben sein zu müssen, beschreibt einer der nächsten Artikel auf TechnoSoph|Technik.