Variation der Elemente
Die Variation der Elemente ist eine im 19. Jahrhundert entwickelte Methode zur genauen Bahnbestimmung von Himmelskörpern. Sie dient bis heute zur Modellierung von Bahnstörungen.
In der Idealisierung des Zweikörperproblems verlĂ€uft die Umlaufbahn eines Planeten um die Sonne, oder eines Mondes um einen Planeten, exakt auf einer Keplerellipse. Voraussetzung hierfĂŒr ist, dass beide Körper kugelförmig sind, sich im Vakuum bewegen und keine weiteren Himmelskörper oder KrĂ€fte wirken. FĂŒr die Berechnung solcher Keplerellipsen genĂŒgen sechs Bahnelemente und die drei Keplerschen Gesetze. Erstere 6 Zahlenwerte bleiben konstant â das heiĂt die Bahnellipse und ihre Ebene verĂ€ndern sich nicht bezĂŒglich des Zentralkörpers und des Fixsternhimmels.
De facto sind jedoch immer Bahnstörungen wirksam: dritte Körper, interplanetare Gase und Staub, Strahlungsdruck der Sonne, AtmosphÀren, Abplattung von Planeten usw. Diese störenden KrÀfte verÀndern die 6 Bahnelemente langsam und verursachen zusÀtzliche Abweichungen von der Keplerbahn.
Das Verfahren
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Lagrange und andere Astronomen entwickelten daher das Modell der oskulierenden Bahnen. Wenn die Umlaufbahn eines Himmelskörpers allzu variabel war, wird der momentan gĂŒltigen eine Ellipsenbahn angepasst, die sich allen Beobachtungen möglichst gut anschmiegt. So entsteht im Laufe der Zeit eine Folge oskulierender Bahnelemente, die stetig ineinander ĂŒbergehen. Jeder dieser ElementensĂ€tze reprĂ€sentiert eine Bahn, auf welcher der Himmelskörper genau weiterfliegen wĂŒrde, sollten keine störenden KrĂ€fte mehr wirken.
Bei den Berechnungen werden nĂ€herungsweise mittels Differentialgleichungen die Elemente zu bestimmten Zeitpunkten ermittelt. Aus den errechneten Bahnen wird sodann die HĂŒllkurve bestimmt, welche dann die âtheoretischeâ Bahn des Objektes ergibt. Die zeitliche VerĂ€nderung der Bahnelemente kann sĂ€kular, periodisch und bis zu einem gewissen Grad auch unregelmĂ€Ăig sein â je nach verursachender Kraft und Bahnelement. FĂŒr jeden der 6 Zahlenwerte lassen sich daher zeitabhĂ€ngige Terme bestimmen, welche die VerĂ€nderung der Elemente charakterisieren.
Die Abweichungen der tatsĂ€chlichen Umlaufbahn von der knapp vorher gĂŒltigen oskulierenden Ellipse können als Funktion der störenden KrĂ€fte berechnet werden. Auf diese Art wurden erstmals 1846 Störungen der Uranusbahn modelliert, die zur Entdeckung des Planeten Neptun fĂŒhrten. Umgekehrt kann â zum Beispiel fĂŒr Raumsonden â die Gravitation aller bekannten Körper berĂŒcksichtigt oder die Wirkung kurzer Korrekturmanöver berechnet werden.
Heutige Computer erlauben eine beliebig genaue Bahnbestimmung, wenn nur der Aufwand entsprechend hoch getrieben wird. Dabei bevorzugt man iterative Methoden und benĂŒtzt zur sogenannten Bahnverbesserung die Ausgleichsrechnung bzw. die Kollokation. Nach einer ersten (genĂ€herten) Bahnbestimmung aus wenigen Messungen (mindestens 3) berechnet man die Ărter des Himmelskörpers zu den Zeitpunkten aller seiner Beobachtungen. Die Abweichungen von dieser Ephemeride sind die EingangsgröĂen der Bahnverbesserung. Sie bringt durch geeignete Variation der Elemente die berechneten Positionen in Einklang mit den Messungen. Dadurch und mittels Einbeziehung von Distanzmessungen mit Radar hat sich die Rechengenauigkeit im inneren Sonnensystem auf 1:10 Millionen und besser (Erdbahn auf km) erhöht.
Statt die Bahnelemente gezielt zu verĂ€ndern, gibt es im Ergebnis gleichwertige Verfahren wie die Variation der geozentrischen Entfernung. Das Lösen der dabei entstehenden Differentialgleichungen erfolgt beispielsweise nach Runge-Kutta. Nach einer Ă€hnlichen Methode arbeitet die numerische Integration des Jet Propulsion Laboratory (JPL-Programm DE200/LE200). Mit ihm werden alljĂ€hrlich die Positionen aller groĂen Planeten und einiger Asteroiden fĂŒr den Astronomical Almanac vorausberechnet.
Literatur
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]- SatellitengeodĂ€sie: Grundlagen, Methoden und Anwendungen von GĂŒnter Seeber, 1989; Verlag de Gruyter (ISBN 978-3110100822)
Weblinks
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]- Theorie der Satellitenbewegung ( vom 11. Juni 2007 im Internet Archive) (PDF-Datei, 0,6Â MB)
- Zweikörper-Bahnmechanik; Abgerufen am 23. September 2009