Bahnelement

Bahnelemente der elliptischen Umlaufbahn eines Himmelskörpers um einen Zentralkörper (Sonne/Erde)
Sechs Bahnelemente
a: Länge der großen Halbachse
e: numerische Exzentrizität
i: Bahnneigung, Inklination
Ω: Länge/Rektaszension des aufsteigenden Knotens
ω: Argument der Periapsis, Periapsisabstand
t: Zeitpunkt der Periapsispassage, Periapsiszeit, Epoche des Periapsisdurchgangs
Weitere Bezeichnungen
M: Ellipsenzentrum.   B: Brennpunkt, Zentralkörper, Sonne/Erde.   P: Periapsis.   A: Apoapsis.   AP: Apsidenlinie.   HK: Himmelskörper, Planet/Satellit.   ☋: absteigender Knoten.   ☊: aufsteigender Knoten.   ☋☊: Knotenlinie.   ♈: Frühlingspunkt.   ν: wahre Anomalie.   r: Abstand des Himmelskörpers HK vom Zentralkörper B

Als Bahnelemente werden die Parameter bezeichnet, die die Bahn und die Bewegung eines astronomischen Objekts beschreiben, das den Keplerschen Gesetzen im Schwerefeld eines Himmelskörpers gehorcht (Zweikörperproblem).

Sind keine Bahnstörungen zu berücksichtigen, so genügen zur vollständigen Beschreibung sechs Bahnelemente. Zwei Bahnelemente beschreiben die Gestalt der Bahn, drei Elemente beschreiben die Lage der Bahn im Raum und ein Element ist der Zeitpunkt, an dem der Himmelskörper einen bestimmten Punkt auf der Bahn passiert. Die häufigste mit Elementen beschriebene Bahn ist die Ellipse.

Satellitenbahnelemente enthalten außer den 6 Elementen einer ungestörten Bewegung auf einer Keplerellipse üblicherweise weitere Parameter, mit denen Bahnstörungen berücksichtigt werden.

Die Bahnelemente bei elliptischer Bahn

Zentralkörperspezifische Angaben sind, wie in der Abbildung oben, in der Reihenfolge Sonne/Erde durch Schrägstrich markiert.

Gestaltelemente

Die Beschreibung der Gestalt der Bahnkurve erfordert zwei Werte, die die Form und die Größe festlegen:

Daraus abgeleitet werden:

  • Der Halbparameter $ \textstyle p $. Mit ihm ergibt sich die Parameterdarstellung der Keplerbahn: $ \textstyle r(\varphi )=r(p,e) $.
  • Die Periapsisdistanz $ \textstyle r_{\text{min}} $: Entfernung des Hauptscheitels zum Brennpunkt.
  • Der Exzentrizitätswinkel $ \textstyle \Phi =\arcsin e $

Lageelemente

Die Lage im Raum relativ zu einem Referenzsystem wird durch drei Parameter bestimmt:

  • die Inklination $ \textstyle i $: Das ist der Winkel der Bahnebene zur Referenzebene.
  • den Winkel des aufsteigenden Knotens (Länge/Rektaszension des Knotens) $ \textstyle \Omega $: Der Winkel von der Referenzebenen-Bezugsrichtung zum aufsteigenden Knoten (an der Schnittlinie Referenzebene-Bahnebene).
  • das Argument der Periapsis $ \textstyle \omega $: Der Winkel vom aufsteigenden Knoten zur Periapsis (zentrumsnächster Punkt der Bahn auf der großen Halbachse).

Zeitbezug

Der Zeitbezug legt den Zeitnullpunkt fest:

  • Epoche $ \textstyle t $ des Periapsisdurchgangs des Körpers.

Abgeleitete Größen

Die Umlaufzeit als siebentes Bahnelement

Streng genommen gehört die Umlaufzeit $ \textstyle P $ als siebentes Bahnelement zu den zur allgemeinen Beschreibung des Zweikörperproblems notwendigen unabhängigen Größen. Sie wird oft nicht angegeben, da sie und die große Halbachse über das Gravitationsgesetz miteinander verknüpft sind, und die Masse des betrachteten Körpers gegenüber der des Zentralkörpers vernachlässigbar ist. Wenn die Masse des kleineren Körpers ebenfalls im Gravitationsgesetz beachtet werden muss, ist sie indirekt das siebente Bahnelement.[1]

Die Angabe von Bahnelementen

Das 6-Tupel $ \textstyle {\begin{pmatrix}p,&e,&i,&\Omega ,&\omega ,&t\end{pmatrix}} $ bezeichnet man als klassische Bahnelemente[2].

Daneben gibt es auch andere Möglichkeiten, die dem jeweiligen Fall angepasst sind:

  • $ \textstyle {\begin{pmatrix}a,&e,&i,&\Omega ,&\omega ,&t\end{pmatrix}} $ ist besonders für Kometen und die Planeten des Sonnensystems geeignet.
  • $ \textstyle {\begin{pmatrix}a,&e,&i,&\Omega ,&\omega ,&M\end{pmatrix}} $ für den Pluto und die Kleinplaneten, wie sie der Astronomical Almanac verwendet[3].
  • $ \textstyle {\begin{pmatrix}a,&e,&i,&\Omega ,&\Pi ,&L\end{pmatrix}} $ gibt etwa die Planetentheorie VSOP 82 auf indirektem Wege.
  • $ \textstyle {\begin{pmatrix}n,&e,&i,&\Omega ,&\omega ,&M\end{pmatrix}} $ das System des NASA/NORAD Two Line Elements Format für künstliche Erdsatelliten

Übersicht

Bahnelement Verwendbarkeit
Bahnelement Bezug Symbol Dimension Ellipse Parabel / Hyperbel
Numerische Exzentrizität Form e, ε 1 Ja Ja
Exzentrizitätswinkel Form Φ 1 Ja Nein
Halbparameter Größe p Länge Ja Ja
Periapsisdistanz Größe rmin Länge Ja Ja
Große Halbachse Größe a, α Länge Ja Nein
Inklination, Bahnneigung Lage i Winkel Ja Ja
Winkel des Knotens Lage Ω Winkel Ja teilweise 1
Argument der Periapsis Lage ω Winkel Ja Ja
Mittlere Bewegung Zeitverhalten μ, n, V 1 / Zeit Ja Ja
Winkelgeschwindigkeit 2 Zeit-Ortverhalten Winkel / Zeit Ja Ja
Mittlere Anomalie 2 Bahnort M Winkel Ja Nein
Mittlere Länge 2 Bahnort λ, L Winkel Ja Nein
Radiusvektor 2 Bahnort $ {\vec {R}} $ Länge Ja Ja
Umlaufperiode Zeitbezug P Zeit Ja Nein
Periapsiszeit Zeitbezug t Zeit Ja Ja
1 offene Bahnen haben nicht immer einen aufsteigenden Knoten
2 zu einem bestimmten Zeitpunkt

Siehe auch

Literatur

  • Andreas Guthmann: Einführung in die Himmelsmechanik und Ephemeridenrechnung. BI-Wiss.-Verl., Mannheim 1994, ISBN 3-411-17051-4
  • Wolfgang Vollmann: Wandelgestirnörter. In: Hermann Mucke (Hrsg.): Moderne astronomische Phänomenologie. 20. Sternfreunde-Seminar, 1992/93. Zeiss-Planetarium der Stadt Wien und Österreichischer Astronomischer Verein 1992, S. 55–102 (weblink, 3. Feb. 2011)
  • Jean Meeus: Astronomical Algorithms. Willmann-Bell, Richmond 1991, ISBN 0-943396-35-2

Weblinks

Einzelnachweise

  1. Oliver Montenbruck: Grundlagen der Ephemeridenrechnung, Sterne und Weltraum, Heidelberg 2001, ISBN 3-87973-941-2, S. 57
  2. Guthmann, S. 163
  3. Vollmann, 8.1

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