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Warenmarke 1894

Stadtmuseum Aarau

Kern & Co. AG

Werke für Präzisionsmechanik, Optik und Elektronik
1819 bis 1991 in Aarau

Studiensammlung Kern Aarau

ab 2009 im Stadtmuseum Aarau

Aus dem Veranstaltungsprogramm Stadtmuseum Aarau, Februar - Juli 2016

Rolf Käser und Hansjörg Schneeberger von der Arbeitsgruppe Sammlung Kern ist es zu verdanken, dass der Kernsche Meridiankreis im Mai 2016 für kurze Zeit wieder besichtigt werden konnte.

Der Meridiankreis von Kern

Dr. Heinz Aeschlimann, Text
Aldo Lardelli, Illustrationen

Seit über 20 Jahren ist der Meridiankreis der Firma Kern in einem Depot eingelagert, dies nachdem er aus dem Lichthof des Verwaltungsgebäudes im Werk Schachen weichen musste. In der damaligen Fachzeitschrift Vermessung, Photogrammetrie, Kulturtechnik vom März 1992 befürchtete der stellvertretende Chefredaktor Walter Sigrist im Editorial

Das Exponat ist nun demontiert und in irgendeinem Keller eingelagert worden. Wir werden es also nicht mehr sehen, oder apokalyptisch "nie mehr" sehen.

Damit sollte er zum Glück Unrecht haben. Der Meridiankreis von Kern hat für eine kurze Zeit das Licht der Welt wieder erblicken dürfen. Im Foyer des Stadtmuseums Aarau wurde er ab dem 26. April 2016 wieder aufgebaut. Bis zum 1. Juni hatten die Besucher die Gelegenheit das interessante Gerät zu besichtigen, das die Firma Kern 1864 für die Sternwarte des damaligen Polytechnikums Zürich entworfen und hergestellt hatte.

Jost Bürgis Meisterwerk, die Wiener Kristalluhr mit Sekundenanzeige und Mondzifferblatt aus Fritz Staudacher, "Jost Bürgi, Kepler und der Kaiser", 2013 Verlag Neue Zürcher Zeitung

1 Woher kommt die genaue Zeit?

Messen der Zeit

Im 16. Jahrhundert wurden mechanische, heute noch laufende, hoch komplexe, den Gang des Himmelsgewölbes veranschaulichende Uhren konstruiert und installiert. Ein Pionier der damaligen Zeitmessung war der Toggenburger Jost Bürgi (1552-1632) im Dienste des Kaisers Rudolf II. zu Prag. Die Uhr im Zeitglockenturm in Bern läuft seit 1530. Sie ist eine der Touristenattraktionen. Den Takt zum Vorwärtsschreiten ihres Werkes gibt seit bald 500 Jahren ein mechanisches Pendel. Die Schwingungen von Pendeln teilen die Zeit in gleiche Zeitabschnitte. Mit einem Pendel kann man die verfliessende Zeit durch Aufsummieren der Anzahl Schwingungen messen.

Die Suche nach einem Zeitnormal

Mechanische Schwingungen sind verschiedenen Störungen ausgesetzt und deshalb nach heutigen Begriffen zu wenig genau. Man suchte nach Vorgängen, die sich störungsfrei in gleichen Zeitabständen wiederholten – bis ins 20. Jh. ein völlig unergiebiges Ansinnen. Ein genauerer periodischer Vorgang als Schwingungen von mechanischen Pendeln ist die tägliche Rotation der Erde. Um die zu wenig genau gehenden Pendeluhren zu kontrollieren waren astronomische Methoden unerlässlich.

Zytgloggeturm Bern: 1530 entstanden die kunstvolle astronomische Kalenderuhr und das Spielwerk. Die Turmuhr hatte die Funktion der Hauptuhr der Stadt und war somit massgebend in Bern. Von dort aus wurden die Wegstunden gemessen, welche auf den Stundensteinen der Kantonsstrassen vermerkt sind.

Im Unterschied zur Sternzeit zeigt die Sonnenuhr die mittlere Sonnenzeit, wie wir sie von den Uhren des täglichen Gebrauchs kennen, Sonnenuhr in Viznau, Gübelin Swiss.

Erläuterung der Differenz zwischen Sonnenzeit und Normalzeit, der Zeitgleichung, die aus der Sonnenuhr ebenfalls ersichtlich ist.

Definition der Zeit vor 1967

Das erste Problem war die Wahl einer Marke am Himmel, die eine ganze Umdrehung der Erde festlegt. Obwohl nahe liegend, ist die Dauer einer Umdrehung der Erde mit der Sonne als Marke nur nach erheblichen, ihrerseits zeitabhängigen Korrekturen zu bestimmen. Als Marken sind Fixsterne ideal, sie bewegen sich am Himmel nur dank der Erdrotation. Ein Sterntag ist die Dauer einer Umdrehung der Erde um ihre Achse begrenzt durch zwei aufein­ander folgende Durchgänge ein und desselben Fixsternes durch die Meridianebene am Ort der Beobachtung. Die Meridianebene geht durch die Erdachse, d.h. durch den Nord- und den Südpol der Erde, und den Ort der Beobachtung.

Mit dieser Definition wird eine neue Zeiteinheit, der Sterntag, definiert, die unserem, an die Sonne gebundenen Zeitgefühl zuwiderläuft. Die Uhren des täglichen Gebrauchs laufen nach mittlerer Sonnenzeit, das heisst nach jener Zeit, die von der Sonne angezeigt würde, wenn sie in ihrem Lauf die oben erwähnten Korrekturen berücksichtigte. Das Verhältnis der durch den Sterntag definierten Sternzeit zu der mittleren Sonnenzeit ist einfach. Es ist das Verhältnis der im Laufe eines Jahres gezählten Meridiandurchgänge ein und desselben Fixsterns zu der Anzahl Meridiandurchgänge der Sonne. Wegen der Bahn der Erde um die Sonne zählt man während eines Jahres für die Sonne einen Meridiandurchgang weniger als für einen Fixstern. Die Sternzeit und die mittlere Sonnenzeit verhalten sich deshalb wie die Anzahl Meridiandurchgänge, d.h. wie 366 / 365. Astronomische Jahrbücher enthalten auf der genauen Jahreslänge beruhende Umrechnungstabellen.

Das für die Beobachtung einer Umdrehung der Erde nach einem bestimmten Fixstern – eines Sterntages – entwickelte Instrument ist der Meridiankreis. Olaf Römer (1644 - 1710), dänischer Astronom, gilt als Erfinder. Römer wurde bekannt durch seine Bestimmung der Lichtgeschwindigkeit anhand der Jupitermonde.

Im Handbuch der Astronomischen Instrumentenkunde beschreibt Dr. L. Ambronn im Kapitel 16 von Seite 904 bis 1007 ausführlich Aufbau und Handhabung des Meridiankreises.

Im frühen 20. Jahrhundert brachten die Quarzuhren eine ausserordentliche Steigerung der Genauigkeit. Die Frequenz eines elektrischen Schwingkreises wird durch einen Piezoquarz stabilisiert. Dadurch wurde die Genauigkeit gegenüber den Pendeluhren um Grössenordnungen verbessert. Mit Quarzuhren konnten Unregelmässigkeiten der Erdrotation nachge­wiesen werden.

Der Aufbau wurde am 20. Mai abgeschlossen. Zwischen den Instrumentenpfeilern sieht man die Beobachtungsliege, in der Mitte der Regulator und rechts der Umlegewagen.

Definition der Zeit seit 1967

Um die Zeit genauer, vor allem unabhängig von äusseren Einflüssen definieren zu können, suchte man nach einem naturgegebenen Vorgang, der die Zeit als nicht von aussen beeinflussbares Mass definieren kann. Physikalische Erkenntnisse im atomaren Bereich führten 1967 zur heute geltenden Definition. Sie lautet (Bundesamt für Metrologie):

Die Sekunde ist das 9'192'631’770-fache der Periodendauer der dem Übergang zwischen den beiden Hyperfeinstrukturniveaux des Grundzustandes von Atomen des Nuklids Cäsium 133 entsprechenden Strahlung.

Ohne diese Definition und der sie realisierenden Atomuhren wäre GPS nicht möglich.

Animation "Standort", für das Stadtmuseum Aarau erstellt von Pascal Griesshammer nach einer Idee von Aldo Lardelli

2 Meridiankreise

Hauptinstrument der Positionsastronomie

Laut Schweizer Lexikon 1947 besteht der Meridiankreis aus einem Fernrohr, das in der Meridianebene kippbar aufgestellt ist und einem Ablesekreis auf der gleichen Achse. Mit Hilfe der gemessenen Meridianhöhen und der dazugehörigen Uhrangaben können Sternörter bestimmt werden, ferner kann aus bekannten Sternörtern der Uhrfehler berechnet werden.

Bis 1967 war die Zeit durch die Erdrotation definiert. Die Zeiteinheit war der Sterntag, unterteilt in 24 Stunden zu 60 Minuten zu 60 Sekunden. Um genaue Zeitzeichen telegraphisch verbreiten zu können, wurden mit Meridiankreisen die oben erwähnten "Uhrfehler" fortlaufend bestimmt. Der Meridiankreis, so scharfsinnig er auch konstruiert und gebaut war, er spielte nur die Rolle eines Hilfsgerätes zur Kontrolle dieser Uhr auf definitionsgemässen Gang.

Aus dem Katalog von 1897: Meridiankreis von Kern, erhältlich in den Ausführungen 202 bis 207

Aus dem Preis-Courant von 1878: Meridiankreise von Kern, erhältlich in den Ausführungen 225 bis 230, mit unterschiedlichen Fernrohren, Kreisdurchmessern und Fernrohr-Brennweiten

Meridiankreise von Kern

Im Katalog (Preis-Courant) der Firma J. Kern Aarau aus dem Jahre 1878 steht auf den Seiten 14 und 15:

Die beiden Kreise sind am Ende der Rotationsachse befestigt. Die Ablesung geschieht bei den grössern Kreisen durch 4, bei den kleinen Kreisen durch 2 Micrometer-Microscope, welche auf einem kreisförmigen Träger sitzen und durch diesen mit den Steinpfeilern des Instruments solide verbunden sind. Der Microscopenträger ist mit Versicherungslibelle versehen. Die beiden Kreise sind von gleicher Grösse und Schwere, der eine ist zum Ablesen fein getheilt, der andere als Gegengewicht dienend, nur mit grober Theilung zum Aufsuchen und mit Nonius versehen. Die Klemm- und Micrometerbewegung geht vom Mittel der Achse aus, so dass kein Kreis berührt wird. Das Umlegen geschieht vermittelst des Umlegewagens. Das Fernrohr hat, der grossen Steifigkeit halber, conisch geformte Röhren, ist balancirt und können Objectiv und Ocular umgesteckt werden. Die Beleuchtung für helles Feld und dunkle Fäden mit einer Vorrichtung zur Moderation des Lichtes, geschieht durch die Hauptachse und kann vom Ocular aus regulirt werden; die Beleuchtung für helle Fäden und dunkles Feld geschieht durch Ocularrohre. Das Instrument ist in allen seinen Theilen auf’s Vollkommenste balancirt und hat eine Libelle für die Hauptachse von circa 1 Sec. Ausschlag per 1’’ Paris. Zur Untersuchung der genauen Ründe der Stahlzapfen der Hauptachse sind bei den grössern Instrumenten empfindliche Libellen angebracht.

Erhältlich in den Ausführungen 225 bis 230, gemäss Spezifikationen in nebenstehender Abbildung.

Wir verweisen hiebei auf den Meridian-Kreis, welchen wir anno 1864 auf der Sternwarte des eidgenössischen Polytechnikums in Zürich aufgestellt haben.

Die Abmessungen im Instrumentenbau des 19. Jh. wurden aufgrund der Vormachtstellung von Frankreich in der Metrologie meistens in französischen Massen angegeben:

1 Pied de Paris (1’) = 0.32484 m, 1' = 12’’ (pouce),
1’’ = 12’’’ (ligne), 1’’’= 12’’’’ (point).

Prof. Rudolf Wolf (1816-1893), Gründer und erster Direktor der Eidgenössischen Sternwarte Zürich von 1864 bis 1893 (library.ethz)

Geschichte der Vermessungen in der Schweiz, Rudolf Wolf, Zürich, 1879, ETH-Bibliothek Zürich (e-rara.ch)

Das Kernsche Meridianinstrument im Meridiansaal der ehemaligen Eidgenössischen Sternwarte in Zürich. Zu erkennen sind die Beobachtungsliege, die Teilkreise mit den Messmikroskopen, ein Umlegewagen sowie der auf einem isolierten Pfeiler montierten Regulator von Mairet (e-pics.ethz)

Beobachter am Meridiankreis Kern bei der audio-visuellen Messung (library, ethz)

3 Prof. Dr. Rudolf Wolf und die Sternwarte des Polytechnikums

Wolf veröffentlichte 1879 ein fundamentales Werk über die bisher geleisteten geodätischen, vermessungstechnischen und kartographischen Bemühungen in der Schweiz. Es ist die "Geschichte der Vermessungen in der Schweiz als Historische Einleitung zu den Arbeiten der schweiz. geodätischen Commission, Zürich, Commission von S. Höhr 1879".

Die nachfolgend erwähnten Einzelheiten zur Gründung der Sternwarte am damaligen Polytechnikum stehen auf Seite 299.

Wolf wurde 23. April 1855 an das obere Gymnasium in Zürich berufen. Gleichzeitig übernahm er nach Eröffnung des Studienbetriebs am Polytechnikum (der späteren ETH) im Sommer 1855 dort einen Kurs in Astronomie mit Übungen. Schon vor seiner Übersiedlung von der Sternwarte Bern nach Zürich fand 1854 eine Sitzung einer vom Bundesrat einberu­fenen Kommission über die Organisation des Poly statt, an der Wolf seine Vorstellungen von einem astronomischen Institut derart überzeugend darlegte, dass er aufgefordert wurde, seine Wünsche zu formulieren. Oben auf Seite 299 steht, dass er einen Kredit von Fr. 10'500 beantragte "um eine aus Horner’s Nachlass erhältliche Repsold’sche Pendeluhr anzukaufen und in München bei Ertel einen astronomischen Theodoliten und einen dem für Bern gelieferten ähnlichen Meridiankreis, bei Merz einen Sechsfüsser zu bestellen, welche neben dem Inventar der alten Feer’schen Sternwarte, ein paar Sextanten, etc. wenigstens für den Anfang zu genügen schienen … ".

Interessant ist die Bestellung eines Meridianinstruments bei Ertel und eines "Sechsfüssers" bei Merz in München. Der "Sechsfüsser" war ein Fernrohrobjektiv von 6 Fuss Brennweite, das Wolf schon für eine spätere Verwendung vorgesehen hatte, ohne sogleich zu verraten, was er im Schilde führte. Merz war ein sehr renommierter Hersteller von Fernrohr­objektiven und anderen Optikteilen.

Seite 300 oben lässt Wolf die Katze aus dem Sack.

"Nachdem 1861 VIII 7 [7. August 1861], anlehnend an eine von mir ermittelte Mittagslinie die Aussteckung des Gebäudes erfolgt war, und, nach Ablauf des Termins für Einsprachen, im Herbst einige Erdarbeiten stattgefunden hatten, wurde im Winter unter Leitung von Semper die eigentlichen Baupläne ausgefertigt, und durch mich der Instrumentenvorrat durch Bestellung eines achtfüssigen, mit Merz‘schen Gläsern und vollständiger parallaktischer Montierung versehenen Refractors bei Kern in Aarau, eines Walzenchronographen und dreier sympathischer (durch die mit elektrischer Auslösung versehene Repsold‘sche Uhr in Gang zu bringender) Uhren bei Hipp in Neuenburg und eines Regulators bei der Association Ouvrière au Locle vervollständigt, wobei zugleich in Aussicht genommen wurde später den bereits vorhandenen Sechsfüsser zur Construction eines grösseren Meridianinstrumentes zu verwenden."

Die Einweihung der Sternwarte benützte Wolf zu einem weiteren Schachzug. Man liest auf Seite 300 weiter unten:

"Den officiellen Abschluss bildete die 1864 X 23 [23. Oktober 1864] von den durch den Bundesrath bezeichneten Experten Prof. Hirsch und Architekt Kubli vorgenommene Collaudation, welche mir die Bewilligung zur Ausführung des zweiten Meridiankreises und zur Bestellung eines zweiten Regulators bei Mairet in Locle eintrug. Bau und Ausrüstung zusammen kamen schliesslich auf 250'000 Fr. zu stehen, von welchen circa 70% auf die eigentliche Bausumme 20 auf die Instrumente und 10 auf das officielle Mobiliar, die Gas- und Telegraphenleitung etc. fielen.

Gesellschaft für Schweizerische Kunstgeschichte GSK, Bern 1998

Eidgenössische Sternwarte Zürich, Ansicht von Südwesten, 1889 (e-pics.ethz)

Aus: "Wolf, Astronomische Mittheilungen 61 - 70", 1884 - 1887, Vierteljahrsschrift der Naturforschenden Gesellschaft in Zürich

4 T. K. Friedli: Die Sternwarte als Ort astronomischer Lehre und Forschung

Schweizerische Kunstführer GSK (ISBN 3-85782-631-2): Sempers ehemalige Eidgenössi­sche Sternwarte in Zürich

Abschnitte "Der Meridiansaal" und "Die öffentliche Nutzung" soweit Meridianinstrumente betroffen sind.

Der Meridiansaal

Der Meridiansaal bildet den abgewinkelten Ostflügel des Sternwartengebäudes und beherbergte das "Heiligtum" der Sternwarte, die Instrumente zur astronomischen Positionsbestimmung von Gestirnen. Durch eine leichte Zwischenwand getrennt, stand in der östlichen Abteilung auf vom übrigen Gebäude abgetrennten Sockeln der Meridiankreis von Kern in Aarau und in der westlichen Abteilung derjenige von Ertel in München. Über jedem Instru­ment liess sich das Dach sowie die südliche und nördliche Gebäudewand einen Spalt breit öffnen, so dass alle Sterne vom Nordhorizont über den Zenit bis zum Südhorizont der Beobachtung zugänglich waren. Beide Instrumente konnten lediglich um eine horizontale, Ost-West orientierte Achse bewegt werden und daher nur Sterne im Meridian beobachten. Für den Beobachter stand je ein "Liegestuhl" zur Verfügung, mit dem er auf Schienen unter das Instrument fahren und so entspannt die Meridianpassagen der in Zenitnähe kulminierenden Sterne registrieren konnte. An beiden Enden der Horizontalachsen waren Teilkreise befestigt, an denen mittels Messmikroskopen die Stellung der Visierfernrohre abgelesen werden konnte.

Die Handhabung der beiden Meridiankreise erforderte jahrelange Übung und eiserne Disziplin in der systematischen Erfassung der Messgrössen sowie in der langwierigen rechnerischen Reduktion der zahlreichen systematischen und zufälligen Mess- und Beobachtungsfehler. So mussten beispielsweise die Nivellierung der lnstrumente, die Schiefe der horizontalen Drehachsen, die Zapfenform, die mechanische Durchbiegung der Visierteleskope sowie die Exzentrizitäts- und Teilungsfehler der Teilkreise bestimmt und mitberücksichtigt werden. Da im Sommer der Meridiansaal nur ungenügend gelüftet werden konnte, wodurch der notwendige Temperaturausgleich verzögert wurde, musste in die rechnerische Reduktion zudem ein zusätzliches "Semper-Glied" (wie Wolf es nannte) eingeführt werden.

Die "Deutsche Uhrmacher Zeitung", Nummer 1 von 1907 enthält einen umfassenden und verständlichen Artikel von Dr. Johannes Riem über den Aufbau, Zweck und die Handhabung des Meridiankreises (Quelle: SLUB, TU Dresden)

Animation "Beobachten" (mit Ton) für das Stadtmuseum Aarau erstellt von Pascal Griesshammer nach einer Idee von Aldo Lardelli

Mitteilung an die "Astronomische Nachrichten" vom 1. Januar 1867, Resultate der Bestimmung der Polhöhe mit dem Meridiankreis

Chronograph zur Registrierung der Durchgangszeiten auf einem Papierstreifen, ID-Nr. 5017

Die öffentliche Nutzung

Die Haupanwendung der Meridiankreise lag weniger in der Bestimmung von Positionen unbekannten Himmelskörpern als vielmehr in der hochgenauen Orts- und Zeitbestimmung mittels Positionen bekannter Sterne.

Da die Meridiankreise fix montiert waren, konnte durch das Beobachten ein und desselben Sternes über mehrere Nächte hinweg der Gang einer Uhr kontrolliert werden und die so genannte Uhrkorrektion (die Abweichung der von der Uhr angezeigten zur astronomisch beobachteten Zeit) und ihre Veränderung gemessen werden. Dies erlaubte die Rekonstruktion der astronomisch korrekten Uhrzeit für jeden gewünschten Zeitpunkt. Vor der Einführung der Quarzuhren war diese astronomische Eichung die einzige Möglichkeit zur Regulierung von mechanischen und elektrischen Uhren. Die Kantone liessen sich deshalb von öffentlichen Sternwarten regelmässig die genaue astronomische Zeit übermitteln.

In der Eidgenössischen Sternwarte waren hierzu mehrere hochgenaue Pendeluhren (so genannte Regulatoren) in Betrieb, deren Uhrkorrektion und Variation über Jahrzehnte sorgfältig überwacht wurde. So stand in der Bibliothek neben dem Meridiansaal ein auf mittlere Zeit eingestellter Regulator der Association ouvrière aus le Locle mit Temperaturkompensation, in der Ertelschen Abteilung des Meridiansaales eine Uhr mit Quecksilberkompensation von Johann Georg Repsold (1770 – 1830) in Hamburg welche elektrische Signale abgeben konnte. Und in der Kern­schen Abteilung des Meridiansaales ein auf mittlere Sternzeit eingestellter Regulator von Louis Mairet (1812 – 1875) aus Le Locle sowie eine (schon oben erwähnte) registrierende Pendeluhr (ein sogenannter Chronograph) von Hipp aus Neuenburg. Über eine eigens in die Sternwarte gezogene Telegraphenleitung wurden die elektrischen Uhren der Stadt Zürich von einer in der Ertelschen Abteilung des Meridiansaales aufgestellten städtischen Normaluhr gesteuert.

Ist die astronomisch genaue Uhrzeit bekannt, kann umgekehrt aus der Passage von Sternen die geographische Lage des Instrumentes bestimmt werden, was für die geodätische Landesvermessung von grösster Wichtigkeit ist. In der Eidgenössischen Sternwarte war das Achsenkreuz des Kernschen Meridiankreises ein derartiger geodätischer Fundamentalpunkt, der gegenüber dem Ertelschen Meridiankreis, den südlichen Instrumentenpfeilern auf der Beobachtungsterrasse sowie weiter entfernten Geländepunkten (sogenannten Miren) versichert wurde. In mehreren Messkampagnen wurde dieser Messpunkt zudem mittels korrespondierender Beobachtungen von Meridiandurchgängen und telegrafischer Bestimmung der Längendifferenzen gegenüber den Observatorien in Genf und Neuenburg sowie dem geodätischen Signal auf Rigi-Kulm eingemessen.