При изучении вида звездного неба пользуются понятием небесной сферы - воображаемой сферы произвольного радиуса, к внутренней поверхности которой как бы «подвешены» звезды. В центре этой сферы (в точке О) и находится наблюдатель (рисунок 1). Точка небесной сферы, расположенная прямо над головой наблюдателя, называется зенитом, противоположная ей - надиром. Точки пересечения воображаемой оси вращения Земли («оси мира») с небесной сферой называются полюсами мира. Проведем через центр небесной сферы три воображаемые плоскости: первую перпендикулярно к отвесной линии, вторую перпендикулярно к оси мира и третью - через отвесную линию (через центр сферы и зенит) и ось мира (через полюс мира). В результате на небесной сфере получим три больших круга (центры которых совпадают с центром небесной сферы): горизонт, небесный экватор и небесный меридиан. Небесный меридиан пересекается с горизонтом в двух точках: точке севера (N) и точка юга (S), небесный экватор - в точке востока (Е) и точке запада (W). Линия SN, определяющая направление «север - юг», называется полуденной линией.
Рисунок 1 - Основные точки и линии небесной сферы; стрелкой указано направление ее вращения
Видимое годичное передвижение центра диска Солнца среди звезд происходит по эклиптике - большому кругу, плоскость которого составляет с плоскостью небесного экватора угол е = 23°27 / . С небесным экватором эклиптика пересекается в двух точках (рисунок 2): в точке весеннего равноденствия Т (20 или 21 марта) и в точке осеннего равноденствия (22 или 23 сентября).
Небесные координаты
Как и на глобусе - уменьшенной модели Земли, на небесной сфере, можно построить координатную сетку, позволяющую определить координаты любого светила. Роль земных меридианов на небесной сфере играют круги склонений, проходящие от северного полюса мира к южному, вместо земных параллелей на небесной сфере проводятся суточные параллели. Для каждого светила (рисунок 2) можно найти:
1. Угловое расстояние а его круга склонения от точки весеннего равноденствия, измеренное вдоль небесного экватора против суточного движения небесной сферы (аналогично тому, как вдоль земного экватора мы измеряем географическую долготу X - угловое расстояние меридиана наблюдателя от нулевого гринвичского меридиана). Эта координата называется прямым восхождением светила.
2. Угловое расстояние светила б от небесного экватора- склонение светила, измеренное вдоль круга склонений, проходящего через это светило (соответствует географической широте).
Рисунок 2 - Положение эклиптики на небесной сфере; стрелкой указано направление видимого годичного движения Солнца
Прямое восхождение светила а измеряется в часовой мере - в часах (ч или h), минутах (м или т) и секундах (с или s) от 0 h до 24 h склонение б - в градусах, со знаком «плюс» (от 0° до +90°) по направлению от небесного экватора к северному полюсу мира и со знаком «минус» (от 0° до -90°) - к южному полюсу мира. В процессе суточного вращения небесной сферы эти координаты для каждого светила остаются неизменными.
Положение каждого светила на небесной сфере в данный момент времени можно описать и двумя другими координатами: его азимутом и угловой высотой над горизонтом. Для этого от зенита через светило к горизонту проводим мысленно большой круг - вертикал. Азимут светила А отсчитывается от точки юга S к западу до точки пересечения вертикала светила с горизонтом. Если же отсчет азимута ведется от точки юга против часовой стрелки, то ему приписывают знак минус. Высота светила h отсчитывается вдоль вертикала от горизонта до светила (рисунок 4). Из рисунка 1, видно, что высота полюса мира над горизонтом равна географической широте наблюдателя.
Цель работы : изучение основных элементов и суточного вращения небесной сферы на ее модели.
Пособия : модель небесной сферы (армиллярная сфера); черный глобус; подвижная карта звездного неба.
Небо представляется наблюдателю как сферический купол, окружающий его со всех сторон. В связи с этим еще в глубокой древности возникло понятие небесной сферы (небесного свода) и определены ее основные элементы.
Небесной сферой называется воображаемая сфера произвольного радиуса, на внутренней поверхности которой, как представляется наблюдателю, расположены небесные светила. Наблюдателю всегда кажется, что он находится в центре небесной сферы (т. на рис. 1.1).
Рис. 1.1. Основные элементы небесной сферы
Пусть наблюдатель
держит в руках отвес – небольшой
массивный грузик на нити. Направление
этой нити называют линией
отвеса
.
Проведем линию отвеса через центр
небесной сферы. Она пересечет эту сферу
в двух диаметрально противоположных
точках, называемых зенитом
и надиром
.
Зенит находится точно над головой
наблюдателя, а надир скрыт земной
поверхностью.
Проведём через центр небесной сферы плоскость, перпендикулярную к отвесной линии. Она пересечет сферу по большому кругу, называемому математическим или истинным горизонтом . (Напомним, что круг, образованный сечением сферы плоскостью, проходящей через центр, называется большим ; если же плоскость рассекает сферу, не проходя через ее центр, то сечение образует малый круг ). Математический горизонт параллелен видимому горизонту наблюдателя, но не совпадает с ним.
Через центр небесной
сферы проведём ось, параллельную оси
вращения Земли, и назовём осью
мира
(по
латыни – Axis Mundi). Ось мира пересекает
небесную сферу в двух диаметрально
противоположных точках, называемых
полюсами
мира.
Полюсов
мира два – северный
июжный
.
За северный полюс мира принимается тот,
по отношению к которому суточное вращение
небесной сферы, возникающее вследствие
вращения Земли вокруг своей оси,
происходит против часовой стрелки, если
смотреть на небо изнутри небесной сферы
(как мы на него и смотрим). Вблизи северного
полюса мира расположена Полярная звезда
–
Малой Медведицы – самая яркая звезда
в этом созвездии.
Вопреки
распространенному мнению, Полярная не
является самой яркой звездой на звездном
небе. Она имеет вторую звездную величину
и не относится к ярчайшим звездам.
Неопытный наблюдатель вряд ли быстро
отыщет ее на небе. Искать Полярную звезду
по характерной фигуре ковша Малой
Медведицы непросто – остальные звезды
этого созвездия еще слабее, чем Полярная,
и надежными ориентирами быть не могут.
Найти Полярную звезду на небосводе
начинающему наблюдателю легче всего,
ориентируясь по звездам расположенного
рядом яркого созвездия Большой Медведицы
(рис. 1.2). Если мысленно соединить две
крайние звездочки ковша Большой
Медведицы,
и
,
и продолжить прямую линию до пересечения
с первой более-менее заметной звездой,
то это и будет Полярная звезда. Расстояние
на небе от звезды
Большой Медведицы до Полярной примерно
в пять раз превышает расстояние между
звездами
и
Большой Медведицы.
Рис. 1.2. Околополярные созвездия Большая медведица и Малая Медведица
Южный полюс мира отмечен на небе еле заметной звездой Сигма Октанта.
Точка математического
горизонта, наиболее близкая к северному
полюсу мира, называется точкой
севера
.
Самая отдаленная от северного полюса
мира точка истинного горизонта –точка
юга
.
Она же расположена ближе всего к южному
полюсу мира. Линия в плоскости
математического горизонта, проходящая
через центр небесной сферы и точки
севера
и
юга
,
называетсяполуденной
линией
.
Через центр небесной
сферы перпендикулярно к оси мира проведём
плоскость. Она пересечет сферу по
большому кругу, называемому небесным
экватором
.
Небесный экватор пересекается с истинным
горизонтом в двух диаметрально
противоположных точках востока
и запада
.
Небесный экватор делит небесную сферу
на две половины – северное
полушарие
с вершиной в северном полюсе мира
июжное
полушарие
с
вершиной в южном полюсе мира
.
Плоскость небесного экватора параллельна
плоскости земного экватора.
Точки севера
,
юга
,
запада
и востока
называютсясторонами
горизонта
.
Большой круг
небесной сферы, проходящий через полюса
мира
и
,
зенит
и надирNa
,
называется небесным
меридианом
.
Плоскость небесного меридиана совпадает
с плоскостью земного меридиана наблюдателя
и перпендикулярна плоскостям
математического горизонта и небесного
экватора. Небесный меридиан делит
небесную сферу на два полушария –
восточное
,
с вершиной в точке востока
,
и западное
,
с вершиной в точке запада
.
Небесный меридиан пересекает математический
горизонт в точках севера
и юга
.
На этом основаны метод ориентации по
звездам на земной поверхности. Если
мысленно соединить точку зенита
,
лежащую над головой наблюдателя, с
Полярной звездой и продолжить эту линию
дальше, то точка ее пересечения с
горизонтом и будет точкой севера
.
Небесный меридиан пересекает математический
горизонт по полуденной линии.
Малый круг, параллельный истинному горизонту, называется альмукантарат (по-арабски – круг равных высот). На небесной сфере можно провести сколько угодно альмукантаратов.
Малые круги, параллельные небесному экватору, называются небесными параллелями , их также можно провести бесконечно много. Суточное движение звёзд происходит вдоль небесных параллелей.
Большие круги
небесной сферы, проходящие через зенит
и надир
,
называютсякругами
высоты
или
вертикальными
кругами (вертикалами)
.
Вертикальный круг, проходящий через
точки востока
и западаW
,
называется первым
вертикалом
.
Плоскости вертикалов перпендикулярны
математическому горизонту и альмукантаратам.
Большие круги,
проходящие через полюса мира
и
,
называютсячасовыми
кругами
или
кругами
склонения
.
Плоскости часовых кругов перпендикулярны
небесному экватору и небесным параллелям.
Небесный меридиан является одновременно и вертикальным кругом, и кругом склонения, поэтому его плоскость перпендикулярна и математическому горизонту, и небесному экватору.
В какой бы точке на поверхности Земли не находился наблюдатель, он всегда видит суточное вращение небесной сферы, происходящее вокруг оси мира. Наблюдателю при этом кажется, что каждое светило небосвода описывает в течение суток окружность вокруг Полярной звезды, то есть двигается по небесной параллели.
Пусть
наблюдатель находится на поверхности
Земли в точке с географической широтой
.
Изобразим схематично земной шар и
наблюдателя на нем (рис. 1.3). Отметим
положения основных элементов небесной
сферы в проекции на плоскость
географического меридиана наблюдателя.
Из
рис. 1.3 видно, что угол наклона оси мира
к плоскости математического горизонта
равен
.
Это позволяет нам
сформулировать
теорему
о высоте Полярной звезды над горизонтом:
Высота северного полюса мира (Полярной звезды) над горизонтом численно равна географической широте места наблюдения.
Для г. Стерлитамака
географическая широта равна:
=53°27′,
то есть Северный полюс мира, отмеченный
на небе Полярной звездой (
Малой Медведицы), находится на высоте
53°27′.
Земля обращается вокруг Солнца по орбите, форма которой близка к круговой, с периодом один год. Земному наблюдателю, не замечающему собственного движения, при этом кажется, что Солнце описывает среди звезд на небесной сфере круг с периодом 1 год.
Рис. 1.3. расположение основных элементов небесной сферы относительно земного наблюдателя
Большой круг небесной сферы, по которому происходит видимое годовое движение Солнца, называется эклиптикой (рис. 1.4). Эклиптика проходит через 12 созвездий, называемых зодиакальными . Это – Овен (Aries – ), Телец (Taurus – ♉), Близнецы (Gemini – ♊), Рак (Cancer – ♋), Лев (Leo – ♌), Дева (Virgo – ♍), Весы (Libra – ♎), Скорпион (Scorpius – ♏), Стрелец (Sagittarius – ♐), Козерог (Capricornus – ), Водолей (Aquarius – ♒), Рыбы (Pisces – ♓).
Профессиональные астрономы пользуются латинскими названиями созвездий, поэтому в списке зодиакальных созвездий в скобках мы привели латинские аналоги названий, а также указали символы зодиакальных созвездий (так называемые, знаки зодиака ).
Рис. 1.4. Основные точки эклиптики
После пересмотра понятия «созвездие» в 1922 г. на Первом съезде Международного астрономического союза, когда под созвездием стали понимать не характерную группу ярких звезд, а определенную площадку на небе, отмеченную строгими границами, получилось, что эклиптика проходит еще через одно созвездие – Змееносец (или Змеедержец), традиционно не относящееся к зодиакальным.
Солнце в астрономии обычно обозначается символом ☉.
Плоскость эклиптики
наклонена к плоскости небесного экватора
на угол, равный 23°
26′,
который называется наклонением
эклиптики
и
обозначается
.
Это – угол между плоскостями орбиты
Земли и земного экватора.
Точки небесной
сферы, удаленные от всех точек эклиптики
на 90 ° ,
называются полюсами
эклиптики
(рис. 1.4). Северный полюс эклиптики,
обозначаемый
,
находится в северном полушарии небесной
сферы, южный
– в южном полушарии. Примечательно, что
недалеко от северного полюса эклиптики
расположена чрезвычайно красивая
планетарная туманность Кошачий Глаз
(NGC 6543), к сожалению, не видимая невооруженным
глазом.
Точки пересечения эклиптики и небесного экватора называются точками равноденствий. Их две. Одна из них – точка весеннего равноденствия , обозначаемая символом созвездия Овен и находящаяся ныне в соседнем созвездии Рыбы. В ней Солнце бывает ежегодно 21 марта. Вторая – точка осеннего равноденствия , которую Солнце проходит 23 сентября. Она обозначается знаком созвездия Весов, а находится в настоящее время в Деве.
Наиболее отдаленные от небесного экватора точки эклиптики называют точками солнцестояний . Их также две. Точку летнего солнцестояния , находящуюся в Близнецах, Солнце проходит 22 июня, а в точке зимнего солнцестояния , расположенной в Стрельце, бывает 22 декабря.
Еще в глубокой древности, видимо, задолго до нашей эры, была изобретена механическая модель небесной сферы , называемая также армиллярной сферой (armilla по-латыни – кольцо, браслет). Ее изобретение приписывают древнегреческому геометру Эратосфену (III век до н.э.).
В Древней Греции изготавливались весьма сложные действующие (вращающиеся) модели небесной сферы. Иногда они приводились в движение потоком падающей воды. Есть свидетельства, что великий греческий математик и инженер Архимед (287–212 гг. до н.э.) изготовил механический звездный глобус, внутри которого был подвешен земной, и даже написал книгу «Об устройстве небесного глобуса», увы, не дошедшую до нас.В V книге труда «Альмагест» великого греческого астронома Клавдия Птолемея (II век н.э.) армиллярная сфера описана как астролабон . Она включает в себя все упомянутые выше основные элементы – круги и оси.
Независимо от европейцев армиллярная сфера была также изобретена в начале II века до н.э. в Древнем Китае знаменитым астрономом Чжан Хэном (Лю Ся Хуном) и представлена им в 104 г. до н.э. на собрании астрономов, посвященному ведению календаря. Изготовленная Чжан Хэном действующая модель небесной сферы вращалась вместе с небом, приводясь в движение водяными часами, что вызывало восхищение современников.
В настоящее время армиллярные сферы как научные приборы не используются. В основном они применяются в качестве наглядных пособий в процессе изучения астрономии. Но в этих моделях по-прежнему представлены все основные элементы небесной сферы.
Опишем главные элементы армиллярных сфер, используемых при выполнении учебных лабораторных работ в кабинете астрономии Института математики и естественных наук СГПА им. Зайнаб Биишевой.
В центре модели небесной сферы расположен небольшой шарик, имитирующий Землю. Через него проходит отвесная линия (тонкая проволочная ось). Она показывает направление на зенит.
Большое массивное металлическое кольцо, изображающее небесный меридиан, жестко укреплено на оси мира, вокруг которой вращается небесная сфера. Конечные точки этой оси лежат на небесном меридиане и представляют соответственно северный и южный полюса мира.
Белый
металлический круг имитирует истинный
или математический горизонт, который
при работе с моделью небесной сферы
должен всегда устанавливаться в
горизонтальном положении. Ось мира
образует с плоскостью истинного горизонта
угол, равный географической широте
места наблюдения. При установке модели
на заданную широту этот угол жестко
фиксируется специальным винтом.
Широкое голубое кольцо, плоскость которого перпендикулярна к оси мира, представляет собой небесный экватор. Малые круги голубого цвета, параллельные экватору, – небесные параллели.
Металлические кольца белого цвета, проходящие через полюса мира и жестко скрепленные с небесным экватором, представляют часовые круги.
Широкое кольцо желтого цвета, жестко скрепленное под острым углом с небесным экватором, является эклиптикой. Она разделена на 12 частей, в каждой из которых указан месяц года, когда Солнце находится на этом участке. Точки пересечения эклиптики с небесным экватором отображают точки равноденствий.
2.1 Отвесная линия и связанные с ней понятия
2.2 Суточное вращение небесной сферы и связанные с ним понятия
2.3 Термины, рождаемые в пересечениях понятий «Отвесная линия» и «Вращение небесной сферы»
2.4 Годовое движение Солнца по небесной сфере и связанные с ним понятия
Введение
1 История
2 Элементы небесной сферы
3 Любопытные факты
Введение
Небесная сфера разделена небесным экватором.
Небе́сная сфе́ра - воображаемая сфера произвольного радиуса, на которую проецируются небесные тела: служит для решения различных астрометрических задач. За центр небесной сферы принимают глаз наблюдателя; при этом наблюдатель может находиться как на поверхности Земли, так и в других точках пространства (например, он может быть отнесён к центру Земли). Для наземного наблюдателя вращение небесной сферы воспроизводит суточное движение светил на небе.
Каждому небесному светилу соответствует точка небесной сферы, в которой её пересекает прямая, соединяющая центр сферы с центром светила. При изучении положений и видимых движений светил на небесной сфере выбирают ту или иную систему сферических координат. Расчёты положений светил на небесной сфере производятся с помощью небесной механики и сферической тригонометрии.
1. История
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.
2. Элементы небесной сферы
Прецессия равноденствий планеты Земля, благодаря которой возможна смена времён года
2.1. Отвесная линия и связанные с ней понятия
Отвесная линия - прямая, проходящая через центр небесной сферы и точку наблюдения на поверхности Земли. Отвесная линия пересекается с поверхностью небесной сферы в двух точках -зените над головой наблюдателя инадире под ногами наблюдателя.
Математический горизонт - большой круг небесной сферы, плоскость которого перпендикулярна к отвесной линии. Математический горизонт делит поверхность небесной сферы на две полусферы:видимую полусферу с вершиной в зените иневидимую полусферу с вершиной в надире. Математический горизонт не совпадает с видимым горизонтом вследствие приподнятости точки наблюдения над земной поверхностью, а также по причине искривления лучей света в атмосфере.
Круг высоты иливертикал светила - большой полукруг небесной сферы, проходящий через светило, зенит и надир.Альмукантара́т (араб. «круг равных высот») - малый круг небесной сферы, плоскость которого параллельна плоскости математического горизонта. Круги высоты и альмукантараты образуют координатную сетку, задающую горизонтальные координаты светила.
2.2. Суточное вращение небесной сферы и связанные с ним понятия
Ось мира - воображаемая линия, проходящая через центр мира, вокруг которой происходит вращение небесной сферы. Ось мира пересекается с поверхностью небесной сферы в двух точках -северном полюсе мира июжном полюсе мира . Вращение небесной сферы происходит против часовой стрелки вокруг северного полюса, если смотреть на небесную сферу изнутри.
Небесный экватор - большой круг небесной сферы, плоскость которого перпендикулярна оси мира. Небесный экватор делит небесную сферу на два полушария:северное июжное .
Круг склонения - большой круг небесной сферы, проходящий через полюсы мира.
Суточная параллель - малый круг небесной сферы, плоскость которого параллельна плоскости небесного экватора. Видимые суточные движения светил совершаются по суточным параллелям. Круги склонения и суточные параллели образуют на небесной сфере координатную сетку, задающую экваториальные координаты светила.
2.3. Термины, рождаемые в пересечениях понятий «Отвесная линия» и «Вращение небесной сферы»
Небесный экватор пересекается с математическим горизонтом в точке востока иточке запада . Точкой востока называется та, в которой точки вращающейся небесной сферы восходят из-за горизонта. Полукруг высоты, проходящий через точку востока, называетсяпервым вертикалом .
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 изападное полушарие .
Полуденная линия - линия пересечения плоскости небесного меридиана и плоскости математического горизонта. Полуденная линия и небесный меридиан пересекают математический горизонт в двух точках:точке севера иточке юга . Точкой севера называется та, которая ближе к северному полюсу мира.
2.4. Годовое движение Солнца по небесной сфере и связанные с ним понятия
P,P" - полюсы мира, T,T" - точки равноденствия, E,C - точки солнцестояния, П,П" - полюса эклиптики, PP" - ось мира, ПП" - ось эклиптики, ATQT"- небесный экватор, ETCT" - эклиптика
Эклиптика - большой круг небесной сферы, по которому происходит видимое годовое движение Солнца. Плоскость эклиптики пересекается с плоскостью небесного экватора под углом ε = 23°26".
Две точки, в которых эклиптика пересекается с небесным экватором, называются точками равноденствия. В точке весеннего равноденствия Солнце в своём годовом движении переходит из южного полушария небесной сферы в северное; вточке осеннего равноденствия - из северного полушария в южное. Две точки эклиптики, отстоящие от точек равноденствия на 90° и тем самым максимально удалённые от небесного экватора, называются точками солнцестояния.Точка летнего солнцестояния находится в северном полушарии,точка зимнего солнцестояния - в южном полушарии.
Ось эклиптики - диаметр небесной сферы, перпендикулярный плоскости эклиптики. Ось эклиптики пересекается с поверхностью небесной сферы в двух точках -северном полюсе эклиптики , лежащем в северном полушарии, июжном полюсе эклиптики , лежащем в южном полушарии. Северный полюс эклиптики имеет экваториальные координаты R.A. = 18h00m, Dec = +66°33", и находится в созвездии Дракона.
Круг эклиптической широты , или простокруг широты - большой полукруг небесной сферы, проходящий через полюсы эклиптики.
3. Любопытные факты
Слово зенит пришло к нам из арабского языка, где оно произносится какзамт . Переписанное латинскими буквами как zamt, оно было впоследствии искажено переписчиками, превратившись в zanit, а затем и в зенит.
Основные точки, линии и плоскости небесной сферы Небесная сфера – воображаемая сфера произвольного радиуса с центром в произвольной точке, на поверхность которой проецируются светила так, как их видит наблюдатель из определённой точки пространства в некоторый момент времени. – ZZ’ отвесная (вертикальная линия) Z- зенит Z’ – надир
Основные точки, линии и плоскости небесной сферы PP’ – ось мира (совпадает с осью вращения Земли) P – северный полюс мира P’- южный полюс мира Небесный меридиан – большая окружность проходящая через полюса мира, зенит и надир Математический (истинный) горизонтбольшой круг небесной сферы, плоскость которого перпендикулярна к отвесной линии. Небесный меридиан и математический горизонт пересекаются в точках Севера (N) и Юга (S) пересечение происходит по полуденной линии
Основные точки, линии и плоскости небесной сферы Небесный экватор – большой круг небесной сферы, плоскость которого перпендикулярна к оси мира. Эклиптика – окружность небесной сферы по которой происходит видимое годичное движение Солнца Точки пересечения небесного экватора и эклиптики называются точками весеннего и равноденствия Точки отстоящие от точки весеннего равноденствия называются точками солнцестояния
Основные точки, линии и плоскости небесной сферы а а М Малый круг небесной сферы проходящий через светило и плоскость которого параллельна плоскости математического горизонта называется амульканторатом светила (а. Ма) Большой круг небесной сферы, проходящий через зенит, надир и светило называется кругом высоты, вертикальным кругом или вертикалом
Малый круг небесной сферы, плоскость которого параллельна плоскости небесного экватора, называется небесной или суточной параллелью светила. Большой полукруг небесной сферы, проходящий через полюсы мира и через светило, называется часовым кругом или кругом склонения.
Горизонтальная система координат В горизонтальной системе координат основной плоскостью является плоскость математического горизонта, отсчет ведется от зенита (z) или математического горизонта (h), и от одной из точек математического горизонта - точки юга. h - высота светила над горизонтом; z - зенитное расстояние светила, z = 90 - h; A - азимут светила, отсчитывается к западу от точки юга Вследствие вращения небесной сферы горизонтальные координаты непрерывно меняются, поэтому вместе с горизонтальными координатами светила необходимо указывать время их определения.
Экваториальная система координат I экваториальная система координат: - склонение светила: угол между плоскостью небесного экватора и светилом; t - часовой угол: угол между плоскостью небесного меридиана и направлением на светило, отсчитываемый в сторону суточного вращения неба, выражается в градусах или часах и минутах. II экваториальная система координат: - склонение светила, Р - полярное расстояние; P = 90 - ; - прямое восхождение: угол между точкой весеннего равноденствия и направлением на светило, отсчитываемый против часовой стрелки, выражается в часах и минутах или в градусах.
Вид звездного неба на экваторе На экваторе Земли суточные параллели небесных светил перпендикулярны математическому горизонту. Все светила являются восходяще-заходящими. Верхняя кульминация происходит вблизи зенита, нижняя - вблизи надира.
Вид звездного неба на полюсах На полюсах Земли суточные параллели светил (за исключением Луны и Солнца) параллельны математическому горизонту. Все светила (кроме Солнца и Луны) являются незаходящими или невосходящими. Небесный экватор параллелен (совпадает) с математическим горизонтом. Верхняя и нижняя кульминации совпадают.
Встрепенулись в марте рыбы, Встал в апреле овен сам, В мае вы к тельцу зашли бы, А в июне к близнецам. Погостил июль у рака солнце в августе у льва, В сентябре у девы злаки, В октябре на вес трава. Скорпион в ноябрь вползает, В декабре стрелец во мгле, В козий рог январь сгибает, Стунут воды в феврале.
Люди в древности считали, что все звезды располагаются на небесной сфере, которая как единое целое вращается вокруг Земли. Уже более 2.000 лет тому назад астрономы стали применять способы, которые позволяли указать расположение любого светила на небесной сфере по отношению к другим космическим объектам или наземным ориентирам. Представлением о небесной сфере удобно пользоваться и теперь, хотя мы знаем, что этой сферы реально не существует.
Небесная сфера - воображаемая шаровая поверхность произвольного радиуса, в центре которой находится глаз наблюдателя, и на которую мы проецируем положение небесных светил.Понятием небесной сферы пользуются для угловых измерений на небе, для удобства рассуждений о простейших видимых небесных явлениях, для различных расчетов, например вычисления времени восхода и захода светил.
Построим небесную сферу и проведем из ее центра луч по направлению к звезде А .
Там, где этот луч пересечет поверхность сферы, поместим точку А 1 изображающую эту звезду. Звезда В будет изображаться точкой В 1 . Повторив подобную операцию для всех наблюдаемых звезд, мы получим на поверхности сферы изображение звездного неба – звездный глобус. Ясно, что если наблюдатель находится в центре этой воображаемой сферы, то для него направление на сами звезды и на их изображения на сфере будут совпадать.
- Что является центром небесной сферы? (Глаз наблюдателя)
- Каков радиус небесной сферы? (Произвольный)
- Чем отличаются небесные сферы двух соседей по парте? (Положением центра).
Для решения многих практических задач расстояния до небесных тел не играют роли, важно лишь их видимое расположение на небе. Угловые измерения не зависят от радиуса сферы. Поэтому, хотя в природе небесной сферы и не существует, но астрономы для изучения видимого расположение светил и явлений, которые можно наблюдать на небе в течении суток или многих месяцев, применяют понятие Небесная сфера. На такую сферу и проецируются звезды, Солнце, Луна, планеты и т.д, отвлекаясь от действительных расстояний до светил и рассматривая лишь угловые расстояние между ними. Расстояния между звездами на небесной сфере можно выражать только в угловой мере. Эти угловые расстояния измеряются величиной центрального угла между лучами, направленными на одну и другую звезду, или соответствующими им дугами на поверхности сферы.
Для приближенной оценки угловых расстояний на небе полезно запомнить такие данные: угловое расстояние между двумя крайними звездами ковша Большой Медведицы (α и β) составляет около 5°, а от α Большой Медведицы до α Малой Медведицы (Полярной звезды) – в 5 раз больше – примерно 25°.
Простейшие глазомерные оценки угловых расстояний можно провести также с помощью пальцев вытянутой руки.
Только два светила – Солнце и Луну – мы видим как диски. Угловые диаметры этих дисков почти одинаковы – около 30" или 0,5°. Угловые размеры планет и звезд значительно меньше, поэтому мы их видим просто как светящиеся точки. Для невооруженного глаза объект не выглядит точкой в том случае, если его угловые размеры превышают 2–3". Это означает, в частности, что наш глаз различает каждую по отдельности светящуюся точку (звезду) в том случае, если угловое расстояние между ними больше этой величины. Иначе говоря, мы видим объект не точечным лишь в том случае, если расстояние до него превышает его размеры не более чем в 1700 раз.
Отвесная линия Z, Z’ , проходящая через глаз наблюдателя (точка С), находящегося в центре небесной сферы, пересекает небесную сферу в точках Z - зенит, Z’ - надир .
Зенит - эта наивысшая точка над головой наблюдателя.
Надир - противоположная зениту точка небесной сферы .
Плоскость, перпендикулярная отвесной линии, называется горизонтальной плоскостью (или плоскостью горизонта) .
Математическим горизонтом называется линия пересечения небесной сферы с горизонтальной плоскостью, проходящей через центр небесной сферы.
Невооруженным глазом на всем небе можно видеть примерно 6000 звезд, но мы видим лишь половину из них, потому что другую половину звездного неба закрывает от нас Земля. Движутся ли звезды по небосводу? Оказывается, движутся все и притом одновременно. В этом легко убедиться, наблюдая звездное небо (ориентируясь по определенным предметам).
Вследствие ее вращения вид звездного неба меняется. Одни звезды только еще появляются из-за горизонта (восходят) в восточной его части, другие в это время находятся высоко над головой, а третьи уже скрываются за горизонтом в западной стороне (заходят). При этом нам кажется, что звездное небо вращается как единое целое. Теперь каждому хорошо известно, что вращение небосвода - явление кажущееся, вызванное вращением Земли.
Картину того, что в результате суточного вращения Земли происходит со звездным небом, позволяет запечатлеть фотоаппарат.
На полученном снимке каждая звезда оставила свой след в виде дуги окружности. Но есть и такая звезда, передвижение которой в течение всей ночи почти незаметно. Эту звезду назвали Полярной. Она в течение суток описывает окружность малого радиуса и всегда видна почти на одной и той же высоте над горизонтом в северной стороне неба. Общий центр всех концентрических следов звезд находится на небе неподалеку от Полярной звезды. Эта точка, в которую направлена ось вращения Земли, получила название северный полюс мира. Дуга, которую описала Полярная звезда, имеет наименьший радиус. Но и эта дуга, и все остальные - независимо от их радиуса и кривизны - составляют одну и ту же часть окружности. Если бы удалось сфотографировать пути звезд на небе за целые сутки, то на фотографии получились бы полные окружности - 360°. Ведь сутки - это период полного оборота Земли вокруг своей оси. За час Земля повернется на 1/24 часть окружности, т. е. на 15°. Следовательно, длина дуги, которую звезда опишет за это время, составит 15°, а за полчаса - 7,5°.
Звезды в течение суток описывают тем большие окружности, чем дальше от Полярной звезды они находятся.
Ось суточного вращения небесной сферы называют осью мира (РР" ).
Точки пересечения небесной сферы с осью мира называют полюсами мира (точка Р - северный полюс мира, точка Р" - южный полюс мира).
Полярная звезда расположена вблизи северного полюса мира. Когда мы смотрим на Полярную звезду, точнее, на неподвижную точку рядом с ней - северный полюс мира, направление нашего взгляда совпадает с осью мира. Южный полюс мира находится в южном полушарии небесной сферы.
Плоскость ЕА WQ , перпендикулярная оси мира РР" и проходящая через центр небесной сферы, называется плоскостью небесного экватора , а линия пересечения ее с небесной сферой - небесным экватором .
Небесный экватор – линия окружности, полученная от пересечения небесной сферы с плоскостью проходящая через центр небесной сферы перпендикулярно к оси мира.
Небесный экватор делит небесную сферу на два полушария: северное и южное.
Ось мира, полюса мира и небесный экватор аналогичны оси, полюсам и экватору Земли, так как перечисленные названия связаны с видимым вращением небесной сферы, а оно является следствием действительного вращения земного шара.
Плоскость, проходящая через точку зенита Z , центр С небесной сферы и полюс Р мира, называют плоскостью небесного меридиана , а линия пересечения ее с небесной сферой образует линию небесного меридиана .
Небесный меридиан – большой круг небесной сферы, проходящий через зенит Z, полюс мира Р, южный полюс мира Р", надир Z"
В любом месте Земли плоскость небесного меридиана совпадает с плоскостью географического меридиана этого места.
Полуденная линия NS - это линия пересечения плоскостей меридиана и горизонта. N – точка севера, S – точка юга
Она названа так потому, что в полдень тени от вертикальных предметов падают по этому направлению.
- Каков период вращения небесной сферы? (Равен периоду вращения Земли – 1 сутки).
- В каком направлении происходит видимое (кажущееся) вращение небесной сферы? (Противоположно направлению вращения Земли).
- Что можно сказать о взаимном расположении оси вращения небесной сферы и земной оси? (Ось небесной сферы и земная ось будут совпадать).
- Все ли точки небесной сферы участвуют в видимом вращении небесной сферы? (Точки, лежащие на оси, покоятся).
Земля движется по орбите вокруг Солнца. Ось вращения Земли наклонена к плоскости орбиты на угол 66,5°. Вследствие действия сил тяготения со стороны Луны и Солнца ось вращения Земли смещается, в то время как наклон оси к плоскости земной орбиты остается постоянным. Ось Земли как бы скользит по поверхности конуса. (то же происходит с осью у обыкновенного волчка в конце вращения).
Это явление было открыто еще в 125 г. до н. э. греческим астрономом Гиппархом и названо прецессией .
Один оборот земная ось совершает за 25 776 лет – этот период называется платоническим годом. Сейчас вблизи Р – северного полюса мира находится Полярная звезда – α Малой Медведицы. Полярной называется та звезда, которая на сегодняшний день находится вблизи Северного полюса мира. В наше время, примерно с 1100 года, такой звездой является альфа Малой Медведицы – Киносура. Раньше титул Полярной поочередно присваивался π, η и τ Геркулеса, звездам Тубан и Кохаб. Римляне вовсе не имели Полярной звезды, а Кохаб и Киносуру (α Малой Медведицы) называли Стражами.
На начало нашего летоисчисление – полюс мира был вблизи α Дракона – 2000 лет назад. В 2100 г полюс мира будет всего в 28" от Полярной звезды – сейчас в 44". В 3200г полярным станет созвездие Цефей. В 14000 г – полярной будет Вега (α Лиры).
Как найти в небе Полярную звезду?
Чтобы найти Полярную звезду, нужно через звезды Большой Медведицы (первые 2 звезды "ковша") мысленно провести прямую линию и отсчитать по ней 5 расстояний между этими звездами. В этом месте рядом с прямой мы увидим звезду, почти одинаковую по яркости со звездами "ковша" – это и есть Полярная звезда.
В созвездии, которое нередко называют Малый Ковш, Полярная звезда является самой яркой. Но так же, как и большинство звезд ковша Большой Медведицы, Полярная - звезда второй величины.
Летний (летне-осенний) треугольник = звезда Вега (α Лиры, 25,3 св. лет), звезда Денеб (α Лебедя, 3230 св. лет), звезда Альтаир (α Орла, 16,8 св. лет)
Небесные координаты
Чтобы отыскать на небе светило, надо указать, в какой стороне горизонта и как высоко над ним оно находится. С этой целью используется система горизонтальных координат – азимут и высота. Для наблюдателя, находящегося в любой точке Земли, нетрудно определить вертикальное и горизонтальное направления.
Первое из них определяется с помощью отвеса и изображается на чертеже отвесной линией ZZ", проходящей через центр сферы (точку О).
Точка Z, расположенная прямо над головой наблюдателя, называется зенитом.
Плоскость, которая проходит через центр сферы перпендикулярно отвесной линии, образует при пересечении со сферой окружность – истинный, или математический, горизонт.
Высота светила отсчитывается по окружности, проходящей через зенит и светило, и выражается длиной дуги этой окружности от горизонта до светила. Эту дугу и соответствующий ей угол принято обозначать буквой h.
Высота светила, которое находится в зените, равна 90°, на горизонте – 0°.
Положение светила относительно сторон горизонта указывает его вторая координата – азимут, обозначаемый буквой А. Азимут отсчитывается от точки юга в направлении движения часовой стрелки , так что азимут точки юга равен 0°, точки запада – 90° и т. д.
Горизонтальные координаты светил непрерывно меняются с течением времени и зависят от положения наблюдателя на Земле, потому что по отношению к мировому пространству плоскость горизонта в данном пункте Земли вращается вместе с ней.
Горизонтальные координаты светил измеряют для определения времени или географических координат различных пунктов на Земле. На практике, например в геодезии, высоту и азимут измеряют специальными угломерными оптическими приборами – теодолитами.
Чтобы создать звездную карту, изображающую созвездия на плоскости, надо знать координаты звезд. Для этого нужно выбрать такую систему координат, которая вращалась бы вместе со звездным небом. Для указания положения светил на небе используют систему координат, аналогичную той, которая используется в географии, - систему экваториальных координат.
Система экваториальных координат сходна с системой географических координат на земном шаре. Как известно, положение любого пункта на земном шаре можно указать с помощью географических координат - широты и долготы.
Географическая широта - это угловое расстояние пункта от земного экватора. Географическая широта (φ) отсчитывается по меридианам от экватора к полюсам Земли.
Долгота - угол между плоскостью меридиана данного пункта и плоскостью начального меридиана. Географическая долгота (λ) отсчитывается вдоль экватора от начального (Гринвичского) меридиана.
Так, например, Москва имеет следующие координаты: 37°30" восточной долготы и 55°45" северной широты.
Введем систему экваториальных координат , которая указывает положение светил на небесной сфере относительно друг друга.
Проведем через центр небесной сферы линию, параллельную оси вращения Земли, - ось мира. Она пересечет небесную сферу в двух диаметрально противоположных точках, которые называются полюсами мира - Р и Р΄. Северным полюсом мира называют тот, вблизи которого находится Полярная звезда. Плоскость, проходящая через центр сферы параллельно плоскости экватора Земли, в сечении со сферой образует окружность, называемую небесным экватором. Небесный экватор (подобно земному) делит небесную сферу на два полушария: Северное и Южное. Угловое расстояние светила от небесного экватора называется склонением. Склонение отсчитывается по кругу, проведенному через светило и полюса мира, оно аналогично географической широте.
Склонение - угловое расстояние светил от небесного экватора . Склонение обозначают буквой δ. В северном полушарии склонения считают положительными, в южном - отрицательными.
Вторая координата, которая указывает положение светила на небе, аналогична географической долготе. Эта координата называется прямым восхождением . Прямое восхождение отсчитывается по небесному экватору от точки весеннего равноденствия γ, в которой Солнце ежегодно бывает 21 марта (в день весеннего равноденствия). Оно отсчитывается от точки весеннего равноденствия γ против часовой стрелки, т. е. навстречу суточному вращению неба. Поэтому светила восходят (и заходят) в порядке возрастания их прямого восхождения.
Прямое восхождение - угол между плоскостью полукруга, проведенного из полюса мира через светило (круга склонения), и плоскостью полукруга, проведенного из полюса мира через лежащую на экваторе точку весеннего равноденствия (начального круга склонений). Прямое восхождение обозначается буквой α
Склонение и прямое восхождение (δ, α) называют экваториальными координатами.
Склонение и прямое восхождение удобно выражать не в градусах, а в единицах времени. Учитывая, что Земля делает один оборот за 24 ч, получаем:
360° - 24 ч, 1 ° - 4 мин;
15° - 1 ч, 15" -1 мин, 15" - 1 с.
Следовательно, прямое восхождение, равное, например, 12 ч, составляет 180°, а 7 ч 40 мин соответствует 115°.
Если не нужна особая точность, то небесные координаты для звезд можно считать неизменными. При суточном вращении звездного неба вращается и точка весеннего равноденствия. Поэтому положения звезд относительно экватора и точки весеннего равноденствия не зависят ни от времени суток, ни от положения наблюдателя на Земле.
Экваториальная система координат изображена на подвижной карте звездного неба.
