Точки пересечения отвесной линии с небесной сферой. §3. Небесная сфера. Небесные координаты. Время. Вспомогательная небесная сфера

Звезды чрезвычайно удалены от Земли. Наблюдая их даже в телескоп, невозможно определить, какая из них дальше, а какая ближе. При изучении звездного неба используют математическую модель звездного неба - небесную сферу.

Небесной сферой называют воображаемую сферу произвольного радиуса с центром в точке наблюдения, на которую спроектированы небесные светила.

Угловым расстоянием между двумя точками сферы является угол между радиусами, проведенными в эти точки. Заметим, что круг, полученный при пересечении небесной сферы плоскостью, проходящей через центр сферы, называется большым кругом , а если плоскость не проходит через центр - малым кругом .

Следствием вращения Земли вокруг своей оси является видимое вращение небесной сферы в противоположном направлении. В этом легко убедиться. В течение ночи звезды описывают дуги концентрических кругов (с общей осью), ось проходит вблизи звезды Полярной (α Малой Медведицы). Сама же Полярная (m = 2; от греческого поле - я вращаюсь) остается почти неподвижной. Чтобы изучить подробнее движение звезд, необходимо ознакомиться с основными элементами небесной сферы.

Диаметр небесной сферы, вокруг которого осуществляется ее видимое вращение, называется осью мира (PP′ см. рис.1).

Ось мира пересекает небесную сферу в двух точках - полюсах мира (от греческого полос - ось ): северный ( Р - вблизи него видно Полярную звезду) и южный (Р′ - вблизи него ярких звезд нет). В 2000 году угловое расстояние между северным полюсом мира и Полярной звездой составляла всего 42`. Полярную называют звездой компасом, потому что она является ориентиром, который указывает направление на север.

Небесным экватором называется большой круг небесной сферы, перпендикулярный оси мира.

Диаметр небесной сферы, вдоль которого действует сила тяжести и проходящий через точку наблюдения, называется вертикалью , или отвесной линией ( ZZ ). Точками пересечения отвесной линии с небесной сферой является зенит (от арабского земт арарасс - вершина пути ) и надир (от арабского - направление ноги ).

Большой круг небесной сфери, перпендикулярный к вертикали, называется математическим , или настоящим, горизонтом .

Небесный экватор разделяет небесную сферу на северное и южное полушария, а горизонт - на видимое и невидимое полушария. Видимое полушарие небесной сферы еще называют небосводом .

Большой круг небесной сферы, проходящий через полюсы мира - зенит и надир - называется небесним меридианом . Горизонт пересекается с небесным меридианом в точках севера (N ) и юга ( S ), а с небесным экватором - в точках востока (E ) и запада ( W ) . Диаметр небесной сферы, соединяющий точки севера и юга, называется полуденной линией ( N S ).

Угловое расстояние светила от горизонта называется высотой светила h . Например, высота звезды в зените равна 90°.

На рис. 1 O - точка наблюдений, Р - полюс мира, N - точка севера, Т - центр Земли, а L - точка на земном экваторе. Угол OTL равняется широте ? точки О , а угол PON есть высотою полюса мира h p (или Полярной звезды, что почти тоже самое). Ось мира параллельна оси вращения Земли, а плоскость небесного экватора параллельна плоскости земного.

Итак, высота полюса мира равна географической широте местности: h p =φ .

В разных точках Земли движение звезд по небесной сфере выглядит по-разному. Для наблюдателя на полюсе нашей планеты полюс мира находится в зените ось мира совпадает с вертикаллю. Звезды движутся по окружностям, параллельным горизонту. Одни светила видны всегда, другие не видно никогда, здесь звезды не восходят и не заходят и их высота всегда одинакова.

На земном экваторе полюса мира расположены на горизонте, а ось мира совпадает с полуденной линией. Звезды движутся по окружностям перпендикулярным к плоскости горизонта. Все светила восходят и заходят, находясь на небосклоне половину суток. Если бы не «мешало» Солнце, то за сутки с экватора Земли можно было бы увидеть все яркие звезды неба.

Наблюдая за небом из средних широт, можно заметить, что одни звезды восходят и заходят, другие - не заходят вообще. Есть также звезды, которые не появляются над горизонтом никогда.

Звезды, расположенные на небесном экваторе над горизонтом, находятся столько же времени, как и под им. Солнце движется среди звезд, описывая линию, которую называют еклитикой. Дважды в год (весной - 20-21 марта и осенью - 22-23 сентября) находится на небесном экваторе в точках весеннего и осеннего равноденствий. В это время день равен ночи.

Каждая звезда в сутки дважды пересекает небесный меридиан. Явление прохождения светил через небесный меридиан называется кульминацией . В верхней кульминации высота светила наивысшая, в нижней - наименьшая (см. рис. 6 ). Движение светил между соседними кульминациями продолжается полсуток. На полюсе высота звезды в обоих кульминациях одинакова (см. рис. 3). На экваторе видно только верхнюю кульминацию, но всех светил (см. рис. 4). В средних широтах Земли для приполярных звезд видно (если бы не Солнце) обе кульминации, для других (в частности, для Солнца) - только верхнюю, а для звезд, которые не сходят - ни одной (см. рис. 5). Момент верхней кульминации центра Солнца называется настоящим полуднем, а в нижней - настоящим севером. В полдень тень от вертикального предмета падает вдоль полуденной линии.

Для построения звездных карт необходимо ввести систему небесных координат. В астрономии применяют несколько таких систем, каждая из которых удобна для решения различных научных и практических задач. При этом используются специальные плоскости, круги и точки небесной сферы. На ней положение звезды однозначно задается двумя углами. Если (плоскостью, в которой и от которой откладываются эти углы, является плоскость небесного экватора, то система координат называется экваториальной . В ней координатами является склонение и прямой подъем светил.

Склонением δ называется угловое расстояние светила от небесного экватора (см. рис. 7). Склонение лежит в пределах -90°< δ < 90° и принимается положительным в северном полушарии небесной сферы и отрицательным - в южной. Например, для точек на небесном экваторе δ = 0°, а для полюсов мира
,
.

Кругом склонения называется большой круг небесной сферы, проходящей через полюса мира и данное светило.

Прямым подъемом (или прямым восхождением ) α называется угловое расстояние круга склонения светила от точки весеннего равноденствия. Эту координату отсчитывают в направлении, противоположном направлению вращения небесной сферы и выражают в часовой мере. Прямое восхождение изменяется в пределах 0 ч. < α < 24 час. Всему кругу небесного экватора соответствует 24 часа (или, что то же самое, 360 °). Тогда 1 ч = 15 °, а 4 мин = 1 °. Например, α γ = 0 час. , α Ω = 12 час.

Одной из самых известных и простейших систем небесных координат является горизонтальная. Основной плоскостью в ней есть математический горизонт, а координатами - азимут А светила и высота светила над горизонтом h . Недостатком горизонтальной системы является то, что координаты светила постоянно меняются.

Время определяет порядок смены явлений. Необходимость измерения и хранения времени возникла в начале цивилизации. Для этого использовались периодические процессы, происходящих в природе. Движение нашей планеты производит видимое движение светил, в частности Солнца на небесной сфере, за которыми мы наблюдаем. Древнейшей единицей времени является сутки, продолжительность которой определяется вращением Земли вокруг своей оси.

Промежуток времени между двумя последовательными верхними (или нижними) кульминациями центра Солнца называется настоящими сутками (или настоящими солнечными сутками) .

Продолжительность полного оборота Солнца по эклиптике является единицей измерения времени в астрономии. Тропическим годом называется промежуток времени между двумя последовательными прохождениями центра диска Солнца через точку весеннего равноденствия. Тропический год длится примерно 365,2422 суток. В быту пользуются календарным годом, что почти равно тропическому.

Установлено, что Земля вращается вокруг Солнца неравномерно. Поэтому продолжительность настоящей солнечной суток периодически изменяется, хотя и незначительно. Зимой она длиннее, летом - короче. Самые длинные настоящие солнечные сутки примерно на 51 секунду длительные от коротких. Чтобы устранить это неудобство в измерении времени, используют среднее экваториальное солнце - воображаемую точку, которая равномерно движется по эклиптике и делает полный оборот по ней за тропический год. Интервал времени между двумя последовательными кульминациями среднего экваториального солнца называют средними сутками (или средними солнечными сутками). Начинаются средние солнечные сутки в момент нижней кульминации среднего экваториального солнца. Среднее экваториальное солнце это фиктивная точка, никак не обозначена на небе. Поэтому наблюдать за ее движением невозможно, а для определения ее координат делают необходимые вычисления.

Измерение времени солнечными сутками зависит от географической долготы. Для всех точек на данном меридиане время одинаково, но оно отличается от местного времени на других меридианах. Например, если у нас по местному времени север (т.е. начинается сутки), то на противоположном меридиане по их местному времени уже полдень. В 1884 во многих странах ввели поясную систему отсчета времени. Поверхность Земли разделили на 24 часовых пояса. В каждом из них лежит основной меридиан, местное время которого Т n считают поясным временем всего пояса. Расстояние между основными меридианами соседних поясов 15° или 1 час. Для удобства границы часовых поясов проходят через государственные и административные границы, а на морях малозаселенных территориях по меридианам, которые удалены от основных на 7,5 ° на восток и 7,5 ° на запад.

Гринвичский меридиан (проходит через бывшую Гринвичскую обсерваторию близ Лондона, потому что сейчас ее перенесли в другое место) является основным для нулевого часового пояса. Дальше на восток поясам присвоены номера от 1 до 23. Украина лежит во втором часовом поясе. Время Т 0 нулевого часового пояса называют всемирным временем (или западноевропейским). Справедливо соотношение: Т n = Т 0 + n , где n - номер часового пояса.

Поясное время некоторых часовых поясов имеет особые названия. Европейским (или среднеевропейском) называют время первого часового пояса, восточноевропейским - второго.

Чтобы эффективно использовать солнечный свет и экономить электроэнергию, в некоторых странах вводят летнее время, действие которого начинается ежегодно в последнее воскресенье марта в 2:00 переводом стрелок часов на час вперед. В 3 часа ночи последней воскресенье сентября стрелки часов переводят на час назад, отменяя действие летнего времени.

Известно, что основной единицей измерения времени в СИ является секунда. Ранее за одну секунду принимали 1/86400 часть солнечных суток. После обнаружения изменений в продолжительности солнечных суток возникла проблема поиска новой шкалы времени. В 1967 году на Международной конференции мер и весов единицей времени была принята атомная секунда - время, равное 9192631770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133. Шкала атомного времени основывается на основе данных цезиевых атомных часов, которые у некоторых обсерваториях и лабораториях служб времени. Атомные часы чрезвычайно точные - погрешность в 1 с они делают за миллион лет.

2.1.1. Основные плоскости, линии и точки небесной сферы

Небесной сферой называется воображаемая сфера произвольного радиуса с центром в выбранной точке наблюдения, на поверхности которой расположены светила так, как они видны на небе в некоторый момент времени из данной точки пространства. Чтобы правильно представлять себе астрономическое явление, необходимо считать радиус небесной сферы намного больше радиуса Земли (R сф >> R Земли), т. е. полагать, что наблюдатель находится в центре небесной сферы, причём одна и та же точка небесной сферы (одна и та же звезда) видна из разных мест земной поверхности по параллельным направлениям.

Под небесным сводом или небом обычно понимают внутреннюю поверхность небесной сферы, на которую проектируются небесные тела (светила). Для наблюдателя на Земле днем на небе видно Солнце, иногда Луна, еще реже Венера. В безоблачную ночь видны звёзды, Луна, планеты, иногда кометы и другие тела. Звёзд, видимых невооруженным глазом, около 6000. Взаимное расположение звезд почти не меняется из-за больших расстояний до них. Небесные тела, относящиеся к Солнечной системе, изменяют свое положение относительно звёзд и друг друга, что определяется их заметным угловым и линейным суточным и годовым смещением.

Небесный свод вращается как единое целое со всеми находящимися на нем светилами около воображаемой оси. Это вращение – суточное. Если наблюдать суточное вращение звёзд в северном полушарии Земли и лицом стоять к северному полюсу, то вращение неба будет происходить против часовой стрелки.

Центр О небесной сферы – точка наблюдения. Прямая ZOZ", совпадающая с направлением нити отвеса в месте наблюдения, называется отвесной или вертикальной линией. Отвесная линия пересекается с поверхностью небесной сферы в двух точках: в зените Z, над головой наблюдателя, и в диаметрально противоположной точке Z" – надире. Большой круг небесной сферы (SWNE), плоскость которого перпендикулярна к отвесной линии, называется математическим или истинным горизонтом. Математический горизонт – плоскость, касательная к поверхности Земли в точке наблюдения. Малый круг небесной сферы (аМа"), проходящий через светило М, и плоскость которого параллельна плоскости математического горизонта, называется альмукантаратом светила. Большой полукруг небесной сферы ZMZ" называется кругом высоты, вертикальным кругом, или просто вертикалом светила.

Диаметр РР", вокруг которого происходит вращение небесной сферы, называется осью мира. Ось мира пересекается с поверхностью небесной сферы в двух точках: в северном полюсе мира Р, со стороны которого вращение небесной сферы происходит по часовой стрелке, если смотреть на сферу извне, и в южном полюсе мира Р". Ось мира наклонена к плоскости математического горизонта под углом, равным географической широте точки наблюдения φ. Большой круг небесной сферы QWQ"E, плоскость которого перпендикулярна к оси мира, называется небесным экватором. Малый круг небесной сферы (bМb"), плоскость которого параллельна плоскости небесного экватора, называется небесной или суточной параллелью светила М. Большой полукруг небесной сферы РМР* называется часовым кругом или кругом склонения светила.

Небесный экватор пересекается с математическим горизонтом в двух точках: в точке востока Е и в точке запада W. Круги высот, проходящие через точки востока и запада, называются первыми вертикалами – восточным и западным.

Большой круг небесной сферы PZQSP"Z"Q"N, плоскость которого проходит через отвесную линию и ось мира, называется небесным меридианом. Плоскость небесного меридиана и плоскость математический горизонта пересекаются по прямой линии NOS, которая называется полуденной линией. Небесный меридиан пересекается с математический горизонтом в точке севера N и в точке юга S. Небесный меридиан пересекается с небесным экватором также в двух точках: в верхней точке экватора Q, которая ближе к зениту, и в нижней точке экватора Q", которая ближе к надиру.

2.1.2. Светила, их классификация, видимые движения.
Звёзды, Солнце и Луна, планеты

Для того, чтобы ориентироваться по небу, яркие звезды объединены в созвездия. Всего созвездий на небе 88, из которых 56 видны для наблюдателя, находящегося в средних широтах северного полушария Земли. Все созвездия имеют собственные имена, связанные с названиями животных (Большая Медведица, Лев, Дракон), именами героев греческой мифологии (Кассиопея, Андромеда, Персей) или названиями предметов, очертания которых напоминают (Северная Корона, Треугольник, Весы). Отдельные звезды в созвездиях обозначаются буквами греческого алфавита, а наиболее яркие из них (около 200) получили «собственные» имена. Например, α Большого Пса – «Сириус», α Ориона – «Бетельгейзе», β Персея – «Алголь», α Малой Медведицы – «Полярная звезда», около которой находится точка северного полюса мира. Пути Солнца и Луны на фоне звезд почти совпадают и приходят по двенадцати созвездиям, которые получили названия зодиакальных, поскольку большинство из них носит название животных (от греч. «зоон» – животное). К ним относятся созвездия Овна, Тельца, Близнецов, Рака, Льва, Девы, Весов, Скорпиона, Стрельца, Козерога, Водолея и Рыб.

Траектория движения Марса по небесной сфере в 2003 году

Солнце и Луна также всходят и заходят в течение суток, но, в отличие от звезд, в разных точках горизонта в течение года. Из непродолжительных наблюдений можно заметить, что Луна перемещается на фоне звезд, передвигаясь с запада на восток со скоростью около 13° в сутки, совершая полный круг по небу за 27,32 суток. Солнце также проходит этот путь, но в течение года, перемещаясь со скоростью 59" в сутки.

Ещё в древности были замечены 5 светил, похожих на звёзды, но «блуждающих» по созвездиям. Они были названы планетами – «блуждающими светилами». Позже были открыты ещё 2 планеты и большое количество более мелких небесных тел (карликовых планет, астероидов).

Планеты большую часть времени перемещаются по зодиакальным созвездиям с запада на восток (прямое движение), но часть времени – с востока на запад (попятное движение).

Your browser does not support the video tag. Движение звёзд по небесной сфере

Решебник по астрономии 11 класс на урок №2 (рабочая тетрадь) - Небесная сфера

1. Закончите предложение.

Созвездием называют участок звёздного неба с характерной наблюдаемой группой звёзд.

2. Используя карту звездного неба, внесите в соответствующие графы таблицы схемы созвездий с яркими звездами. В каждом созвездии выделите наиболее яркую звезду и укажите ее название.

3. Закончите предложение.

На звездных картах не указывают положение планет, так как карты предназначены для описания звёзд и созвездий.

4. Расположите следующие звезды в порядке убываний их блеска:

1) Бетельгейзе; 2) Спика; 3) Альдебаран; 4) Сириус; 5) Арктур; 6) Капелла; 7) Процион; 8) Вега; 9) Альтаир; 10) Поллукс.

4

5

8

6

7

1

3

9

2

10

5. Закончите предложение.

Звезды 1-й величины ярче звезд 6-й величины в 100 раз.

Эклиптикой называется видимый годовой путь Солнца среди звёзд.

6. Что называют небесной сферой?

Воображаемая сфера произвольного радиуса.

7. Укажите названия точек и линий небесной сферы, обозначенных цифрами 1-14 на рисунке 2.1.

1. Северный полюс мира
2. зенит; точка зенита
3. вертикальная линия
4. небесный экватор
5. запад; точка запада
6. центр небесной сферы
7. полуденная линия
8. юг; точка юга
9. линия горизонта
10. восток; точка востока
11. южный полюс мира
12. надир; тока надира
13. точка севера
14. лини небесного меридиана

8. Используя рисунок 2.1, ответьте на вопросы.

Как располагается ось мира относительно земной оси?

Параллельно.

Как располагается ось мира относительно плоскости небесного меридиана?

Лежит на плоскости.

В каких точках небесный экватор пересекается с линией горизонта?

В точках востока и запада.

В каких точках небесный меридиан пересекается с линией горизонта?

В точках севера и юга.

9. Какие наблюдения убеждают нас в суточном вращении небесной сферы?

Если наблюдать за звёздами долго, звёзды покажутся единой сферой.

10. Используя подвижную звездную карту, впишите в таблицу по два-три созвездия, видимые на широте 55° в Северном полушарии.

Решение к 10 заданию соответствует реальности событий 2015 года, однако не все учителя проверяют на звёздной карте на соответствие действительности решение задания каждого ученика

ТЕСТ . Небесная сфера (Гомулина Н.Н.)

1. Небесная сфера - это:
А) воображаемая сфера бесконечно большого радиуса, описанная вокруг центра Галактики;
Б) хрустальная сфера, на которой по представлению древних греков прикреплены светила;
В) воображаемая сфера произвольного радиуса, центром которой является глаз наблюдателя.
Г) воображаемая сфера - условная граница нашей Галактики.

2. Небесная сфера:
А) неподвижна, по ее внутренней поверхности движутся Солнце, Земля, другие планеты и их спутники;
Б) вращается вокруг оси, проходящей через центр Солнца, период вращения небесной сферы равен периоду обращения Земли вокруг Солнца, т. е. одному году;
В) вращается вокруг земной оси с периодом равным периоду вращения Земли вокруг своей оси, т.е. одним суткам;
Г) вращается вокруг центра Галактики, период вращения небесной сферы равен периоду вращения Солнца вокруг центра Галактики.

3. Причиной суточного вращения небесной сферы является:
А) Собственное движение звезд;
Б) Вращение Земли вокруг оси;
В) Движение Земли вокруг Солнца;
Г) Движение Солнца вокруг центра Галактики.

4. Центр небесной сферы:
А) совпадает с глазом наблюдателя;
Б) совпадает с центром Солнечной системы;
В) совпадает с центром Земли;
Г) совпадает с центром Галактики.

5. Северный полюс мира в настоящее время:
А) совпадает с Полярной звездой;
Б) находится в 1°,5 от a Малой Медведицы;
В) находится около самой яркой звезды всего небосвода - Сириуса;
Г) находится в созвездии Лиры около звезды Вега.

6. Созвездие Большой Медведицы совершает полный оборот вокруг Полярной звезды за время равное
А) одной ночи;
Б) одним суткам;
В) одному месяцу;
Г) одному году.

7. Ось мира это:
А) линия, проходящая через зенит Z и надир Z" и проходящая через глаз наблюдателя;
Б) линия, соединяющая точки юга S и севера N и проходящая через глаз наблюдателя;
В) линия, соединяющая точки востока E и запада W и проходящая через глаз наблюдателя;
Г) Линия, соединяющая полюса мира Р и Р" и проходящая через глаз наблюдателя.

8. Полюсами мира называются точки:
А) точки севера N и юга S.
Б) точки востока E и запада W.
В) точки пересечения оси мира с небесной сферой Р и Р";
Г) северный и южный полюса Земли.

9. Точкой зенита называется:

10. Точкой надира называется:
А) точка пересечения небесной сферы с отвесной линией, находящаяся над горизонтом;
Б) точка пересечения небесной сферы с отвесной линией, находящаяся под горизонтом;
В) точка пересечения небесной сферы с осью мира, находящаяся в северном полушарии;
Г) точка пересечения небесной сферы с осью мира, находящаяся в южном полушарии.

11. Небесным меридианом называется:
А) плоскость, проходящая через полуденную линию NS;
Б) плоскость, перпендикулярная оси мира Р и Р";
В) плоскость, перпендикулярная отвесной линии, проходящей через зенит Z и надир Z";
Г) плоскость, проходящая через точку севера N, полюсы мира Р и Р", зенит Z, точку юга S.

12. Полуденной линией называют:
А) линию, соединяющую точки востока E и запада W;
Б) линию, соединяющую точки юга S и севера N;
В) линию, соединяющую точки полюса мира Р и полюса мира Р";
Г) линию, соединяющую точки зенита Z и надира Z".

13. Видимые пути звезд, при движении по небу параллельны
А) небесному экватору;
Б) небесному меридиану;
В) эклиптики;
Г) горизонту.

14. Верхняя кульминация - это:
А) положение светила, в котором высота над горизонтом минимальна;
Б) прохождение светила через точку зенита Z;
В) прохождение светила через небесный меридиан и достижение наибольшей высоты над горизонтом;
Г) прохождение светила на высоте, равной географической широте места наблюдения.

15. В экваториальной системе координат основной плоскостью и основной точкой являются:
А) плоскость небесного экватора и точка весеннего равноденствия g;
Б) плоскость горизонта и точка юга S;
В) плоскость меридиана и точка юга S;
Г) плоскость эклиптики и точка пересечения эклиптики и небесного экватора.

16. Экваториальными координатами являются:
А) склонение и прямое восхождение;
Б) зенитное расстояние и азимут;
В) высота и азимут;
Г) зенитное расстояние и прямое восхождение.

17. Угол между осью мира и земной осью равен: А) 66°,5; Б) 0°; В) 90°; Г) 23°,5.

18. Угол между плоскостью небесного экватора и осью мира равен: А) 66°,5; Б) 0°; В) 90°; Г) 23°,5.

19. Угол наклона земной оси к плоскости земной орбиты равен: А) 66°,5; Б) 0°; В) 90°; Г) 23°,5.

20. В каком месте Земле суточное движение звезд происходит параллельно плоскости горизонта?
А) на экваторе;
Б) на средних широтах северного полушария Земли;
В) на полюсах;
Г) на средних широтах южного полушария Земли.

21. Где бы вы искали Полярную звезду, если бы вы находились на экваторе?
А) в точке зенита;

В) на горизонте;

22. Где бы вы искали Полярную звезду, если бы вы находились на северном полюсе?
А) в точке зенита;
Б) на высоте 45° над горизонтом;
В) на горизонте;
Г) на высоте, равной географической широте места наблюдения.

23. Созвездием называется:
А) определенная фигура из звезд, в которую звезды объединены условно;
Б) участок неба с установленными границами;
В) объем конуса (со сложной поверхностью), уходящего в бесконечность, вершина которого совпадает с глазом наблюдателя;
Г) линии, соединяющие звезды.

24. Если звезды в нашей Галактике движутся в разных направлениях, причем относительная скорость движения звезд достигает сотни километров в секунду, то следует ожидать, что очертания созвездий заметно изменяются:
А) в течение одного года;
Б) за время, равное средней продолжительности человеческой жизни;
В) за века;
Г) за тысячелетия.

25. Всего на небе насчитывается созвездий: А)150; Б)88; В)380; Г)118.

1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16	17	18	19	20	21	22	23	24	25
В	В	Б	А	Б	Б	Г	В	А	Б	Г	Б	А	В	А	А	Б	В	А	В	В	А	Б	Г	Б

Тема 4. НЕБЕСНАЯ СФЕРА. АСТРОНОМИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ КООРДИНАТ

4.1. НЕБЕСНАЯ СФЕРА

Небесная сфера – воображаемая сфера произвольного радиуса, на которую проецируются небесные светила. Служит для решения различных астрометрических задач. За центр небесной сферы, как правило, принимают глаз наблюдателя. Для находящегося на поверхности Земли наблюдателя вращение небесной сферы воспроизводит суточное движение светил на небе.

Представление о Небесной сфере возникло в глубокой древности; в основу его легло зрительное впечатление о существовании куполообразного небесного свода. Это впечатление связано с тем, что в результате огромной удалённости небесных светил человеческий глаз не в состоянии оценить различия в расстояниях до них, и они представляются одинаково удалёнными. У древних народов это ассоциировалось с наличием реальной сферы, ограничивающей весь мир и несущей на своей поверхности многочисленные звёзды. Таким образом, в их представлении небесная сфера была важнейшим элементом Вселенной. С развитием научных знаний такой взгляд на небесную сферу отпал. Однако заложенная в древности геометрия небесной сферы в результате развития и совершенствования получила современный вид, в котором и используется в астрометрии.

Радиус небесной сферы может быть принят каким угодно: в целях упрощения геометрических соотношений его полагают равным единице. В зависимости от решаемой задачи центр небесной сферы может быть помещен в место:

где находится наблюдатель (топоцентрическая небесная сфера),

в центр Земли (геоцентрическая небесная сфера),

в центр той или иной планеты (планетоцентрическая небесная сфера),

в центр Солнца (гелиоцентрическая небесная сфера) или в любую др. точку пространства.

Каждому светилу на небесной сфере соответствует точка, в которой её пересекает прямая, соединяющая центр небесной сферы со светилом (с его центром). При изучении взаимного расположения и видимых движений светил на небесной сфере выбирают ту или иную систему координат), определяемую основными точками и линиями. Последние обычно являются большими кругами небесной сферы. Каждый большой круг сферы имеет два полюса, определяющиеся на ней концами диаметра, перпендикулярного к плоскости данного круга.

Названия важнейших точек и дуг на небесной сфере

Отвесная линия (или вертикальная линия) – прямая, проходящая через центры Земли и небесной сферы. Отвесная линия пересекается с поверхностью небесной сферы в двух точках – зените , над головой наблюдателя, и надире – диаметрально противоположной точке.

Математический горизонт – большой круг небесной сферы, плоскость которого перпендикулярна к отвесной линии. Плоскость математического горизонта проходит через центр небесной сферы и делит ее поверхность на две половины: видимую для наблюдателя, с вершиной в зените, и невидимую , с вершиной в надире. Математический горизонт может не совпадать с видимым горизонтом вследствие неровности поверхности Земли и различной высотой точек наблюдения, а также искривлением лучей света в атмосфере.

Рис. 4.1. Небесная сфера

Ось мира – ось видимого вращения небесной сферы, параллельная оси Земли.

Ось мира пересекается с поверхностью небесной сферы в двух точках – северном полюсе мира и южном полюсе мира .

Полюс мира – точка на небесной сфере, вокруг которой происходит видимое суточное движение звезд из-за вращения Земли вокруг своей оси. Северный полюс мира находится в созвездии Малой Медведицы , южный в созвездии Октант . В результате прецессии полюса мира смещаются примерно на 20" в год.

Высота полюса мира равна широте места наблюдателя. Полюс мира, расположенный в надгоризонтной части сферы, называется повышенным, другой же полюс мира, находящийся в подгоризонтной части сферы, называется пониженным.

Небесный экватор – большой круг небесной сферы, плоскость которого перпендикулярна оси мира. Небесный экватор делит поверхность небесной сферы на два полушария: северное полушарие , с вершиной в северном полюсе мира, и южное полушарие , с вершиной в южном полюсе мира.

Небесный экватор пересекается с математическим горизонтом в двух точках: точке востока и точке запада . Точкой востока называется та, в которой точки вращающейся небесной сферы пересекают математический горизонт, переходя из невидимой полусферы в видимую.

Небесный меридиан – большой круг небесной сферы, плоскость которого проходит через отвесную линию и ось мира. Небесный меридиан делит поверхность небесной сферы на два полушария – восточное полушарие , с вершиной в точке востока, и западное полушарие , с вершиной в точке запада.

Полуденная линия – линия пересечения плоскости небесного меридиана и плоскости математического горизонта.

Небесный меридиан пересекается с математическим горизонтом в двух точках: точке севера и точке юга . Точкой севера называется та, которая ближе к северному полюсу мира.

Эклиптика – траектория видимого годичного движения Солнца по небесной сфере. Плоскость эклиптики пересекается с плоскостью небесного экватора под углом ε = 23°26".

Эклиптика пересекается с небесным экватором в двух точках – весеннего и осеннего равноденствия . В точке весеннего равноденствия Солнце переходит из южного полушария небесной сферы в северное, в точке осеннего равноденствия - из северного полушария небесной сферы в южное.

Точки эклиптики, отстоящие от точек равноденствия на 90°, называются точкой летнего солнцестояния (в северном полушарии) и точкой зимнего солнцестояния (в южном полушарии).

Ось эклиптики – диаметр небесной сферы, перпендикулярный плоскости эклиптики.

4.2. Основные линии и плоскости небесной сферы

Ось эклиптики пересекается с поверхностью небесной сферы в двух точках – северном полюсе эклиптики , лежащем в северном полушарии, и южном полюсе эклиптики, лежащем в южном полушарии.

Альмукантарат (араб. круг равных высот) светила – малый круг небесной сферы, проходящий через светило, плоскость которого параллельна плоскости математического горизонта.

Круг высоты или вертикальный круг или вертикал светила – большой полукруг небесной сферы, проходящий через зенит, светило и надир.

Суточная параллель светила – малый круг небесной сферы, проходящий через светило, плоскость которого параллельна плоскости небесного экватора. Видимые суточные движения светил совершаются по суточным параллелям.

Круг склонения светила – большой полукруг небесной сферы, проходящий через полюсы мира и светило.

Круг эклиптической широты́ , или просто круг широты светила – большой полукруг небесной сферы, проходящий через полюсы эклиптики и светило.

Круг галактической широты́ светила – большой полукруг небесной сферы, проходящий через галактические полюсы и светило.

2. АСТРОНОМИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ КООРДИНАТ

Система небесных координат используется в астрономии для описания положения светил на небе или точек на воображаемой небесной сфере. Координаты светил или точек задаются двумя угловыми величинами (или дугами), однозначно определяющими положение объектов на небесной сфере. Таким образом, система небесных координат является сферической системой координат, в которой третья координата – расстояние – часто неизвестна и не играет роли.

Системы небесных координат отличаются друг от друга выбором основной плоскости. В зависимости от стоящей задачи, может быть более удобным использовать ту или иную систему. Наиболее часто используются горизонтальная и экваториальная системы координат. Реже – эклиптическая, галактическая и другие.

Горизонтальная система координат

Горизонтальная система координат (горизонтная) – это система небесных координат, в которой основной плоскостью является плоскость математического горизонта, а полюсами – зенит и надир. Она применяется при наблюдениях звёзд и движения небесных тел Солнечной системы на местности невооружённым глазом, в бинокль или телескоп. Горизонтальные координаты планет, Солнца и звёзд непрерывно изменяются в течение суток ввиду суточного вращения небесной сферы.

Линии и плоскости

Горизонтальная система координат всегда топоцентрическая. Наблюдатель всегда находится в фиксированной точке на поверхности земли (отмечена буквой O на рисунке). Будем предполагать, что наблюдатель находится в Северном полушарии Земли на широте φ. При помощи отвеса определяется направление на зенит (Z), как верхняя точка, в которую направлен отвес, а надир (Z") – как нижняя (под Землёй). Поэтому и линия (ZZ"), соединяющая зенит и надир называется отвесной линией.

4.3. Горизонтальная система координат

Плоскость, перпендикулярная к отвесной линии в точке O называется плоскостью математического горизонта. На этой плоскости определяется направление на юг (географический) и север, например, по направлению кратчайшей за день тени от гномона. Кратчайшей она будет в истинный полдень, и линия (NS), соединяющая юг с севером, называется полуденной линией. Точки востока (E) и запада (W) берутся отстоящими на 90 градусов от точки юга соответственно против и по ходу часовой стрелки, если смотреть из зенита. Таким образом, NESW – плоскость математического горизонта

Плоскость, проходящая через полуденную и отвесную линии (ZNZ"S) называется плоскостью небесного меридиана , а плоскость, проходящая через небесное тело – плоскостью вертикала данного небесного тела . Большой круг, по которому она пересекает небесную сферу, называется вертикалом небесного тела .

В горизонтальной системе координат одной координатой является либо высота светила h, либо его зенитное расстояние z . Другой координатой является азимут A .

Высотой h светила называется дуга вертикала светила от плоскости математического горизонта до направления на светило. Высоты отсчитываются в пределах от 0° до +90° к зениту и от 0° до −90° к надиру.

Зенитным расстоянием z светила называется дуга вертикала светила от зенита до светила. Зенитные расстояния отсчитываются в пределах от 0° до 180° от зенита к надиру.

Азимутом A светила называется дуга математического горизонта от точки юга до вертикала светила. Азимуты отсчитываются в сторону суточного вращения небесной сферы, то есть к западу от точки юга, в пределах от 0° до 360°. Иногда азимуты отсчитываются от 0° до +180° к западу и от 0° до −180° к востоку (в геодезии азимуты отсчитываются от точки севера).

Особенности изменения координат небесных тел

За сутки звезда описывает круг, перпендикулярный оси мира (PP"), которая на широте φ наклонена к математическому горизонту на угол φ. Поэтому она будет двигаться параллельно математическому горизонту лишь при φ равном 90 градусов, то есть на Северном полюсе. Поэтому все звёзды, видимые там, будут незаходящими (в том числе и Солнце на протяжении полугода, см. долгота дня) а их высота h будет постоянной. На других широтах доступные для наблюдений в данное время года звёзды делятся на:

заходящие и восходящие (h в течение суток проходит через 0)

незаходящие (h всегда больше 0)

невосходящие (h всегда меньше 0)

Максимальная высота h звезды будет наблюдаться раз в день при одном из двух её прохождений через небесный меридиан – верхней кульминации, а минимальная – при втором из них – нижней кульминации. От нижней до верхней кульминации высота h звезды увеличивается, от верхней до нижней – уменьшается.

Первая экваториальная система координат

В этой системе основной плоскостью является плоскость небесного экватора. Одной координатой при этом является склонение δ (реже – полярное расстояние p). Другой координатой – часовой угол t.

Склонением δ светила называется дуга круга склонения от небесного экватора до светила, или угол между плоскостью небесного экватора и направлением на светило. Склонения отсчитываются в пределах от 0° до +90° к северному полюсу мира и от 0° до −90° к южному полюсу мира.

4.4. Экваториальная система координат

Полярным расстоянием p светила называется дуга круга склонения от северного полюса мира до светила, или угол между осью мира и направлением на светило. Полярные расстояния отсчитываются в пределах от 0° до 180° от северного полюса мира к южному.

Часовым углом t светила называется дуга небесного экватора от верхней точки небесного экватора (то есть точки пересечения небесного экватора с небесным меридианом) до круга склонения светила, или двугранный угол между плоскостями небесного меридиана и круга склонения светила. Часовые углы отсчитываются в сторону суточного вращения небесной сферы, то есть к западу от верхней точки небесного экватора, в пределах от 0° до 360° (в градусной мере) или от 0h до 24h (в часовой мере). Иногда часовые углы отсчитываются от 0° до +180° (от 0h до +12h) к западу и от 0° до −180° (от 0h до −12h) к востоку.

Вторая экваториальная система координат

В этой системе, как и в первой экваториальной, основной плоскостью является плоскость небесного экватора, а одной координатой – склонение δ (реже – полярное расстояние p). Другой координатой является прямое восхождение α. Прямым восхождением (RA, α) светила называется дуга небесного экватора от точки весеннего равноденствия до круга склонения светила, или угол между направлением на точку весеннего равноденствия и плоскостью круга склонения светила. Прямые восхождения отсчитываются в сторону, противоположную суточному вращению небесной сферы, в пределах от 0° до 360° (в градусной мере) или от 0h до 24h (в часовой мере).

RA – астрономический эквивалент земной долготы. И RA и долгота измеряют угол восток-запад вдоль экватора; обе меры берут отсчёт от нулевого пункта на экваторе. Для долготы, нулевой пункт – нулевой меридиан; для RA нулевой отметкой является место на небе, где Солнце пересекает небесный экватор в весеннее равноденствие.

Склонение (δ) в астрономии – одна из двух координат экваториальной системы координат. Равняется угловому расстоянию на небесной сфере от плоскости небесного экватора до светила и обычно выражается в градусах, минутах и секундах дуги. Склонение положительно к северу от небесного экватора и отрицательно к югу. У склонения всегда указывается знак, даже если склонение положительно.

Склонение небесного объекта, проходящего через зенит, равно широте наблюдателя (если считать северную широту со знаком +, а южную отрицательной). В северном полушарии Земли для заданной широты φ небесные объекты со склонением

δ > +90° − φ не заходят за горизонт, поэтому называются незаходящими. Если же склонение объекта δ

Эклиптическая система координат

В этой системе основной плоскостью является плоскость эклиптики. Одной координатой при этом является эклиптическая широта β, а другой – эклиптическая долгота λ.

4.5. Связь эклиптической и второй экваториальной систем координат

Эклиптической широтой β светила называется дуга круга широты от эклиптики до светила, или угол между плоскостью эклиптики и направлением на светило. Эклиптические широты отсчитываются в пределах от 0° до +90° к северному полюсу эклиптики и от 0° до −90° к южному полюсу эклиптики.

Эклиптической долготой λ светила называется дуга эклиптики от точки весеннего равноденствия до круга широты светила, или угол между направлением на точку весеннего равноденствия и плоскостью круга широты светила. Эклиптические долготы отсчитываются в сторону видимого годового движения Солнца по эклиптике, то есть к востоку от точки весеннего равноденствия в пределах от 0° до 360°.

Галактическая система координат

В этой системе основной плоскостью является плоскость нашей Галактики. Одной координатой при этом является галактическая широта b, а другой – галактическая долгота l.

4.6. Галактическая и вторая экваториальная системы координат.

Галактической широтой b светила называется дуга круга галактической широты от эклиптики до светила, или угол между плоскостью галактического экватора и направлением на светило.

Галактические широты отсчитываются в пределах от 0° до +90° к северному галактическому полюсу и от 0° до −90° к южному галактическому полюсу.

Галактической долготой l светила называется дуга галактического экватора от точки начала отсчёта C до круга галактической широты светила, или угол между направлением на точку начала отсчёта C и плоскостью круга галактической широты светила. Галактические долготы отсчитываются против часовой стрелки, если смотреть с северного галактического полюса, то есть к востоку от точки начала отсчёта C в пределах от 0° до 360°.

Точка начала отсчёта C находится вблизи направления на галактический центр, но не совпадает с ним, поскольку последний, вследствие небольшой приподнятости Солнечной системы над плоскостью галактического диска, лежит примерно на 1° к югу от галактического экватора. Точку начала отсчёта C выбирают таким образом, чтобы точка пересечения галактического и небесного экваторов с прямым восхождением 280° имела галактическую долготу 32,93192° (на эпоху 2000).

Системы координат . ... на материале темы «Небесная сфера . Астрономические координаты ». Сканирование изображений с астрономическим содержанием. Карта...

«Разработка пилотного проекта модернизированной системы местных систем координат Субъектов Федераций»

Документ

Соответствующим рекомендациям международных астрономической и геодезической организаций... связи земной и небесной систем координат ), с периодической сменой... сфер деятельности, использующих геодезию и картографию. "Местные системы координат Субъектов...

Млечномеда – Философия Сефирного сонцеализма сварги 21 Века

Документ

Временной Координатой , дополнненная Традиционной Координатой Огненной... , на небесной сфере - 88 созвездии... волнами, или циклами, - астрономическими , астрологическими, историческими, духовными... собность системы . В системе познания выявляются...

Пространство событий

Документ

Равноденствия на небесной сфере весною 1894 года Согласно астрономическим справочникам, точка... вращательные координаты . Поступательное и вращательное движение. Системы отсчёта как с поступательными, так и вращательными системами координат . ...