Одной из важнейших астрономических задач, без которой невозможно решение всех остальных задач астрономии, является определение положения небесного светила на небесной сфере.

Небесная сфера - это воображаемая сфера произвольного радиуса, описанная из глаза наблюдателя, как из центра. На эту сферу мы проектируем положение всех небесных светил. Расстояния на небесной сфере можно измерять только в угловых единицах, в градусах, минутах, секундах или радианах. Например, угловые диаметры Луны и Солнца равны примерно 0. o 5.

Одним из основных направлений, относительно которого определяется положение наблюдаемого небесного светила, является отвесная линия . Отвесная линия в любом месте земного шара направлена к центру тяжести Земли. Угол между отвесной линией и плоскостью земного экватора называется астрономической широтой .

Плоскость, перпендикулярная отвесной линии, называется горизонтальной плоскостью .

В каждой точке Земли наблюдатель видит половину сферы, плавно вращающейся с востока на запад вместе с будто прикрепленными к ней звездами. Это видимое вращение небесной сферы объясняется равномерным вращением Земли вокруг своей оси с запада на восток.

Отвесная линия пересекает небесную сферу в точке зенита , Z и в точке надира , Z ".

Рис. 2. Небесная сфера

Большой круг небесной сферы, по которому горизонтальная плоскость, проходящая через глаз наблюдателя (точка С на рис.2), пересекается с небесной сферой, называется истинным горизонтом . Напомним, что большим кругом небесной сферы является круг, проходящий через центр небесной сферы. Круги, образованные пересечением небесной сферы с плоскостями, не проходящими через ее центр, называются малыми кругами.

Линия, параллельная земной оси и проходящая через центр небесной сферы, называется осью мира . Она пересекает небесную сферу в северном полюсе мира , P, и в южном полюсе мира P".

Из рис. 1 видно, что ось мира наклонена к плоскости истинного горизонта под углом . Видимое вращение небесной сферы происходит вокруг оси мира с востока на запад, в направлении, противоположном истинному вращению Земли, которая вращается с запада на восток.

Большой круг небесной сферы, плоскость которого перпендикулярна оси мира, называется небесным экватором . Небесный экватор делит небесную сферу на две части: северную и южную. Небесный экватор параллелен экватору Земли.

Плоскость, проходящая через отвесную линию и ось мира, пересекает небесную сферу по линии небесного меридиана . Небесный меридиан пересекается с истинным горизонтом в точках севера, N , и юга, S . А плоскости этих кругов пересекаются по полуденной линии . Небесный меридиан является проекцией на небесную сферу земного меридиана, на котором находится наблюдатель. Поэтому на небесной сфере есть только один меридиан, ведь наблюдатель не может находиться на двух меридианах одновременно!

Небесный экватор пересекается с истинным горизонтом в точках востока, E , и запада, W . Линия EW перпендикулярна полуденной. Точка Q - верхняя точка экватора, а Q" - нижняя точка экватора.

Большие круги, плоскости которых проходят через отвесную линию, называются вертикалами . Вертикал, проходящий через точки W и E, называется первым вертикалом .

Большие круги, плоскости которых проходят через ось мира, называются кругами склонения или часовыми кругами .

Малые круги небесной сферы, плоскости которых параллельны небесному экватору, называются небесными или суточными параллелями. Суточными они называются потому, что по ним происходит суточное движение небесных светил. Экватор также является суточной параллелью.

Малый круг небесной сферы, плоскость которого параллельна плоскости горизонта, называется альмукантаратом .

Вопросы

1 . Есть ли место на Земле, где вращение небесной сферы происходит вокруг отвесной линии?

Задачи

1. Изобразить на чертеже небесную сферу в проекции на плоскость горизонта.

Решение: Как известно, проекцией какой-либо точки А на какую-либо плоскость является точка пересечения плоскости и перпендикуляра, опущенного из точки А к плоскости. Проекцией отрезка, перпендикулярного к плоскости, является точка. Проекцией круга, параллельного плоскости, является такой же круг на плоскости, проекцией круга, перпендикулярного к плоскости, является отрезок, а проекцией круга, наклоненного к плоскости, является эллипс, тем более сплюснутый, чем ближе угол наклона к 90 o . Таким образом, для того, чтобы начертить проекцию небесной сферы на какую-либо плоскость, надо опустить на эту плоскость перпендикуляры из всех точек небесной сферы. Последовательность действий следующая. Прежде всего, необходимо начертить круг, лежащий в плоскости проекции, в данном случае это будет горизонт. Затем нанести все точки и линии, лежащие в плоскости горизонта. В данном случае это будет центр небесной сферы C, и точки юга S, севера N, востока E и запада W, а также полуденная линия NS. Далее опускаем перпендикуляры на плоскость горизонта из остальных точек небесной сферы и получаем, что проекцией зенита Z, надира Z" и отвесной линии ZZ" на плоскость горизонта является точка, совпадающая с центром небесной сферы C (см. рис. 3). Проекцией первого вертикала является отрезок EW, проекция небесного меридиана совпадает с полуденной линией NS. Точки, лежащие на небесном меридиане: полюса P и P", а также верхняя и нижняя точки экватора Q и Q" проецируются поэтому на полуденную линию тоже. Экватор является большим кругом небесной сферы, наклоненным к плоскости горизонта, поэтому его проекция - это эллипс, проходящий через точки востока E, запада W, и проекции точек Q и Q".

2. Изобразить на чертеже небесную сферу в проекции на плоскость небесного меридиана.

Решение: Представлено на рис.4

3. Изобразить на чертеже небесную сферу в проекции на плоскость небесного экватора.

4. Изобразить на чертеже небесную сферу в проекции на плоскость первого вертикала.

Основные элементы небесной сферы

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 и южный . 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 , называется полуденной 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 и южное полушарие с вершиной в южном полюсе мира . Плоскость небесного экватора параллельна плоскости земного экватора.

Точки севера , юга , запада и востока называются сторонами горизонта .

Большой круг небесной сферы, проходящий через полюса мира и , зенит и надир Na , 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 , называются кругами высоты или вертикальными кругами (вертикалами) . Вертикальный круг, проходящий через точки востока и запада W , называется первым вертикалом . Плоскости вертикалов перпендикулярны математическому горизонту и альмукантаратам.

Лабораторная работа

« ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ НЕБЕСНОЙ СФЕРЫ»

Цель работы: Изучение основных элементов и суточного вращения небесной сферы на ее модели.

Пособия: модель небесной сферы (или заменяющая ее небесная планисфера); черный глобус; подвижная карта звездного неба.

Краткие теоретические сведения:

Видимые положения небесных светил определяются относительно основных элементов небесной сферы.

К основным элементам небесной сферы (рис. 1) относятся:

Точки зенит Z и надир Z " , истинный или математический горизонт NESWN , ось мира РР" , полюсы мира (Р -северный и Р" - южный), небесный экватор QWQ " EQ небесный меридиан РZSР"Z"NР и точки пересечения небесного меридиана и небесного экватора с истинным горизонтом, т. е. точки юга S , севера N , востока Е и запада W .

Элементы небесной сферы могут быть изучены на ее модели (рис. 2), которая состоит из нескольких колец, изображающих основные круги небесной сферы. В кольце 1, изображающем небесный меридиан, жестко укреплена ось РР" - ось мира, вокруг которой вращается небесная сфера. Концевые точки Р и Р" этой оси лежат на небесном меридиане и представляют соответственно северный (Р ) и южный (Р" ) полюсы мира.

Металлический круг 8 изображает 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 у места наблюдения, и при установке модели на заданную географическую широту этот угол фиксируется винтом 11 , после чего истинный горизонт 8 приводится в горизонтальное положение поворотом кольца 1 (небесного меридиана), которое закрепляется в подставке 9 зажимом 10 .

Вокруг оси РР" (оси мира) свободно вращаются два скрепленных между собою кольца 2 и 3 , плоскости которых взаимно перпендикулярны. Эти кольца изображают круги склонения - большие круги, проходящие через полюсы мира. Хотя на небесной сфере через полюсы мира проходит бесчисленное множество кругов склонения, на модели небесной сферы выполнено только четыре круга склонения (в виде двух полных колец), по которым можно представить себе всю сферическую поверхность. Следует обратить внимание на то обстоятельство, что за круг склонения принимается не полная окружность, а лишь ее половина, заключенная между полюсами мира. Таким образом, два кольца модели изображают четыре круга склонения небесной сферы, отстоящие друг от друга на 90° ; они дают возможность демонстрировать экваториальные координаты небесных светил.

Кольцо 4 , плоскость которого перпендикулярна к оси мира, изображает небесный экватор. К нему под углом 23°,5 прикреплено кольцо 5 , представляющее эклиптику.

Кольца, изображающие небесный меридиан 1 , небесный экватор 4 , эклиптику 5 , круги склонения 2 и 3 и истинный горизонт 8 , являются большими кругами небесной сферы - их плоскости проходят через центр O модели, в котором мыслится наблюдатель.

Перпендикуляр к плоскости истинного горизонта, восставленный из центра O модели небесной сферы, пересекает небесный меридиан в точках, называемых зенитом Z (над головой наблюдателя) и надиром Z " (надир находится под ногами наблюдателя и скрыт от него земной поверхностью).

В зените, на небесном меридиане укрепляется подвижной рейтер 12 , со свободно вращающейся на нем дугой 13 , плоскость которой также проходит через центр модели небесной сферы. Дуга 13 изображает круг высоты (вертикал) и позволяет демонстрировать горизонтальные координаты небесных светил.

Помимо больших кругов на модели небесной сферы показаны два малых круга 6 и 7 -две небесных параллели, отстоящие от небесного экватора на 23°,5 . Остальные небесные параллели на модели не показаны. Плоскости небесных параллелен не проходят через центр небесной сферы, параллельны плоскости небесного экватора и перпендикулярны к оси мира.

К модели небесной сферы приложены две насадки, одна-в виде кружка, другая - в виде звездочки. Эти насадки служат для изображения небесных светил и могут быть укреплены на любом круге модели небесной сферы.

В дальнейшем все элементы модели небесной сферы именуются теми же терминами, которые приняты для соответствующих элементов небесной сферы.

Вследствие равномерного вращения Земли вокруг своей оси в направлении с запада на восток (или против часовой стрелки) наблюдателю представляется, что небесная сфера равномерно вращается вокруг оси мира РР" в обратном направлении, т. е. по часовой стрелке, если смотреть на нее извне со стороны северного полюса мира (или если наблюдатель в центре сферы обращен спиной к северному полюсу мира, а лицом - к югу). За сутки небесная сфера совершает один оборот; это ее кажущееся вращение называется суточным. Направление суточного вращения небесной сферы показано на рис. 1 стрелкой.

На модели небесной сферы можно четко уяснить себе, что хотя небесная сфера вращается как единое целое, большинство основных ее элементов в суточном вращении сферы не участвует, оставаясь неподвижными относительно наблюдателя. Небесный экватор вращается в своей плоскости вместе с небесной сферой, скользя в неподвижных точках востока E и запада W . В процессе суточного вращения все точки небесной сферы (кроме неподвижных точек) дважды в сутки пересекают небесный меридиан, один раз-южную его половину (к югу от северного полюса мира, дуга Р ZS Р" ), другой раз - северную его половину (к северу от северного полюса мира, дуга Р NZ " P " ). Эти прохождения точек через небесный меридиан называются, соответственно, верхней и нижней кульминацией. Через зенит Z и надир Z " проходят не все, а только определенные точки небесной сферы, склонение δ которых (как это будет видно в дальнейшем) равно географической широте φ места наблюдателя (δ = φ). Точки небесной сферы, находящиеся над истинным горизонтом, видны наблюдателю; полусфера, находящаяся под истинным горизонтом, наблюдениям недоступна (на рис. 1 она обозначена вертикальной штриховкой).

Дуга NES истинного горизонта, над которой точки небесной сферы поднимаются, называется восточной его половиной и простирается на 180º от точки севера N , через точку востока Е , до точки юга S . Противоположная, западная половина SWN истинного горизонта, за которую заходят точки небесной сферы, также содержит 180º и также ограничена точками юга S и севера N , но проходит через точку запада W . Восточную и западную половины истинного горизонта не следует смешивать с его сторонами, которые определяются по основным его точкам-точкам востока, юга, запада и севера.

Следует обратить особое внимание на то обстоятельство, что небесная сфера делится на северную и южную полусферы небесным экватором, а не истинным горизонтом, над которым всегда находятся области обеих полусфер, как северной, так и южной. Величина этих областей зависит от географической широты у места наблюдения: чем ближе к северному полюсу Земли находится место наблюдения (чем больше его φ), тем меньшая область южной небесной полусферы доступна наблюдениям, и тем большая область северной небесной полусферы одновременно видна над истинным горизонтом (а южном полушарии Земли - наоборот).

Продолжительность пребывания точек небесной сферы на протяжении суток над истинным горизонтом (и под ним) зависит от соотношения склонения δ этих точек с географической широтой φ места наблюдения, а для определенной φ -только от их склонения δ. Поскольку небесный экватор и истинный горизонт пересекаются в диаметрально противоположных точках, то любая точка небесного экватора (δ = 0°) всегда полусуток находится над истинным горизонтом и полусуток - под ним, независимо от географической широты у места наблюдения (кроме географических полюсов Земли, φ = ± 90°).

Для изучения основных элементов небесной сферы можно при отсутствии модели воспользоваться небесной планисферой (планшет 10), которая, конечно, не так наглядна, как пространственная модель, но все же может дать правильное представление об основных элементах и суточном вращении небесной сферы. Планисфера представляет собой ортогональную (прямоугольную) проекцию небесной сферы на плоскость небесного меридиана и состоит из круга SZNZ " , изображающего небесный меридиан, через центр О которого проведена отвесная линия ZZ " и след плоскости истинного горизонта N S . Точки востока Е и запада W проектируются в центр планисферы. Градусные деления на небесном меридиане дают высоту h альмукантаратов (малых кругов, параллельных истинному горизонту), которая над истинным горизонтом считается положительной (h > 0°), а под ним - отрицательной (h < 0°).

Ось мира РР" , небесный экватор QQ " и небесные параллели изображены в той же проекции на кальке, на которой пунктиром изображены также два положения эклиптики, соответствующие ее наивысшему ξξ") и наинизшему (ξоξо") положению над истинным горизонтом. Градусная оцифровка на кальке дает угловое расстояние небесных параллелей от небесного экватора, т. е. их склонение δ, считаемое в северной небесной полусфере - положительным (δ > 0°), а в южной небесной полусфере-отрицательным (δ < 0°).

Наложив кальку симметрично на круг небесного меридиана и повернув ее вокруг общего центра О на некоторый угол 90°- φ, мы получим вид небесной сферы (в проекции на плоскость небесного меридиана) на географической широте φ. Тогда сразу станет ясным расположение элементов небесной сферы относительно истинного горизонта NS и относительно наблюдателя, находящегося в центре О небесной сферы. Направление же суточного вращения небесной сферы вокруг оси мира приходится изображать стрелками вдоль небесного экватора и небесных параллелей.

Весьма полезно представить себе соответствие элементов небесной сферы точкам и кругам земной поверхности. Для наглядности этого соответствия лучше всего представить радиус небесной сферы сколь угодно большим, но не бесконечным, так как в случае бесконечно большого радиуса участки сферы вырождаются в плоскость. При сколь угодно большом радиусе небесной сферы наблюдатель О , находящийся в некоторой точке земной поверхности, видит небесную сферу так же, как и из центра Земли С (рис. 3), но с сохранением прежнего направления на зенит Z . Тогда становится ясным, что отвесная линия OZ является продолжением земного радиуса СО в месте наблюдения (Земля принимается за шар), ось мира РР" идентична земной оси вращения рр" , полюсы мира Р и Р" соответствуют географическим полюсам Земли р и р" , небесный экватор QQ " образован на небесной сфере плоскостью земного экватора qq " , а небесный меридиан Р Z Р" Z "Р образован на небесной сфере плоскостью земного меридиана рО q р" q " p на котором находится наблюдатель О . Плоскость же истинного горизонта является касательной к поверхности Земли в точке наблюдения О . Этим и объясняется неподвижность небесного меридиана, зенита, надира и истинного горизонта относительно наблюдателя, которые вращаются вместе с ним вокруг земной оси. Полюсы мира Р и Р" также неподвижны относительно наблюдателя, поскольку они лежат на земной оси, не участвующей в суточном вращении Земли. Любой земной параллели kO с географической широтой а соответствует небесная параллель К Z . со склонением и δ = φ. Поэтому точки этой небесной параллели проходят через зенит места наблюдения О .

0 " style="border-collapse:collapse;border:none">

Название

Положение относительно наблюдателя

Расположение относительно истинного горизонта

3. На глобусе могут быть изображены:

4. На подвижной карте изображены:

7. Соответствие точек и кругов:

Чертеж прилагается.

8. Три чертежа прилагаются.

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 и составляют предмет сферической астрономии .

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.

Элементы небесной сферы

Отвесная линия и связанные с ней понятия

Отве́сная ли́ния (или вертика́льная ли́ния ) - прямая , проходящая через центр небесной сферы и совпадающая с направлением нити отвеса в месте наблюдения. Отвесная линия пересекается с поверхностью небесной сферы в двух точках - зените над головой наблюдателя и надире под ногами наблюдателя.

Истинный (математический, или астрономический) горизонт - большой круг небесной сферы, плоскость которого перпендикулярна к отвесной линии. Истинный горизонт делит поверхность небесной сферы на две полусферы: видимую полусферу с вершиной в зените и невидимую полусферу с вершиной в надире. Истинный горизонт не совпадает с видимым горизонтом вследствие приподнятости точки наблюдения над земной поверхностью, а также по причине искривления лучей света в атмосфере.

Круг высоты, или вертикал, 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.

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 и южном 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 и проходит через центр небесной сферы. Небесный экватор делит небесную сферу на два полушария: северное и южное .

Круг склонения светила - большой круг небесной сферы, проходящий через полюсы мира и данное светило.

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.

Термины, рождаемые в пересечениях понятий «Отвесная линия» и «Вращение небесной сферы»

Небесный экватор пересекается с математическим горизонтом в точке востока и точке запада . Точкой востока называется та, в которой точки вращающейся небесной сферы восходят из-за горизонта. Полукруг высоты, проходящий через точку востока, называется первым 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 и западное 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 и точке юга . Точкой севера называется та, которая ближе к северному полюсу мира.

Годовое движение Солнца по небесной сфере и связанные с ним понятия

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; в точке осеннего равноденствия - из северного полушария в южное. Прямая, проходящая через эти две точки, называется линией равноденствий . 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. Эти четыре точки обозначаются символами зодиака , соответствующими

Содержание статьи

НЕБЕСНАЯ СФЕРА. Когда мы наблюдаем небо, все астрономические объекты кажутся расположенными на куполообразной поверхности, в центре которой находится наблюдатель. Этот воображаемый купол образует верхнюю половину воображаемой сферы, которую называют «небесной сферой». Она играет фундаментальную роль при указании положения астрономических объектов.

Хотя Луна, планеты, Солнце и звезды расположены на разных расстояниях от нас, даже самые близкие из них находятся так далеко, что мы не в состоянии на глаз оценить их удаленность. Направление на звезду не изменяется, когда мы перемещаемся по поверхности Земли. (Правда, оно немного изменяется при перемещении Земли по орбите, но заметить это параллактическое смещение можно лишь с помощью точнейших приборов.)

Нам кажется, что небесная сфера вращается, поскольку светила восходят на востоке и заходят на западе. Причиной этого служит вращение Земли с запада на восток. Кажущееся вращение небесной сферы происходит вокруг воображаемой оси, продолжающей земную ось вращения. Эта ось пересекает небесную сферу в двух точках, называемых северным и южным «полюсами мира». Северный полюс мира лежит примерно в градусе от Полярной звезды, а вблизи южного полюса нет ярких звезд.

Ось вращения Земли наклонена примерно на 23,5° относительно перпендикуляра, проведенного к плоскости земной орбиты (к плоскости эклиптики). Пересечение этой плоскости с небесной сферой дает круг – эклиптику, видимый путь Солнца за год. Ориентация земной оси в пространстве почти не изменяется. Поэтому каждый год в июне, когда северный конец оси наклонен в сторону Солнца, оно высоко поднимается на небе в Северном полушарии, где дни становятся длинными, а ночи короткими. Переместившись на противоположную сторону орбиты в декабре, Земля оказывается развернута к Солнцу Южным полушарием, и у нас на севере дни становятся короткими, а ночи – длинными.

Однако под влиянием солнечного и лунного притяжения ориентация земной оси все же постепенно меняется. Основное движение оси, вызванное влиянием Солнца и Луны на экваториальное вздутие Земли, называют прецессией. В результате прецессии земная ось медленно поворачивается вокруг перпендикуляра к орбитальной плоскости, описывая за 26 тыс. лет конус радиусом 23,5°. По этой причине через несколько столетий полюс уже не будет вблизи Полярной звезды. Кроме того, ось Земли совершает мелкие колебания, называемые нутацией и связанные с эллиптичностью орбит Земли и Луны, а также с тем, что плоскость лунной орбиты немного наклонена к плоскости земной орбиты.

Как мы уже знаем, вид небесной сферы в течение ночи меняется из-за вращения Земли вокруг оси. Но даже если наблюдать небо в одно и то же время в течение года, его вид будет меняться из-за обращения Земли вокруг Солнца. Для полного оборота по орбите на 360° Земле требуется ок. 365 1 / 4 суток – примерно по градусу в сутки. Кстати, сутки, а точнее – солнечные сутки – это время, за которое Земля поворачивается один раз вокруг оси по отношению к Солнцу. Оно состоит из времени, за которое Земля совершает оборот по отношению к звездам («звездные сутки»), плюс небольшое время – около четырех минут, – необходимое для поворота, компенсирующего орбитальное перемещение Земли за сутки на один градус. Таким образом, в году ок. 365 1 / 4 солнечных суток и ок. 366 1 / 4 звездных.

При наблюдении из определенной точки Земли звезды, расположенные вблизи полюсов, либо всегда находятся над горизонтом, либо никогда не поднимаются над ним. Все остальные звезды восходят и заходят, причем каждый день восход и заход каждой звезды происходит на 4 мин раньше, чем в предыдущий день. Некоторые звезды и созвездия поднимаются на небе ночью в зимнее время – мы называем их «зимними», а другие – «летними».

Таким образом, вид небесной сферы определяется тремя временами: временем суток, связанным с вращением Земли; временем года, связанным с обращением вокруг Солнца; эпохой, связанной с прецессией (хотя последний эффект едва ли заметишь «на глаз» даже за 100 лет).

Системы координат.

Существуют различные способы для указания положения объектов на небесной сфере. Каждый из них подходит к задачам определенного типа.

Альт-азимутальная система.

Для указания положения объекта на небе по отношению к окружающим наблюдателя земным предметам используют «альт-азимутальную», или «горизонтальную», систему координат. В ней указывают угловое расстояние объекта над горизонтом, называемое «высотой», а также его «азимут» – угловое расстояние вдоль горизонта от условной точки до точки, лежащей прямо под объектом. В астрономии азимут отсчитывают от точки юга к западу, а в геодезии и навигации – от точки севера к востоку. Поэтому, прежде чем пользоваться азимутом, нужно выяснить, в какой системе он указан. Точка неба, находящаяся прямо над головой, имеет высоту 90° и называется «зенит», а диаметрально противоположная ей точка (под ногами) – «надир». Для многих задач важен большой круг небесной сферы, называемый « небесным меридианом»; он проходит через зенит, надир и полюсы мира, а горизонт пересекает в точках севера и юга.

Экваториальная система.

Из-за вращения Земли звезды постоянно перемещаются относительно горизонта и сторон света, а их координаты в горизонтальной системе изменяются. Но для некоторых задач астрономии система координат должна быть независимой от положения наблюдателя и времени суток. Такую систему называют «экваториальной»; ее координаты напоминают географические широты и долготы. В ней плоскость земного экватора, продолженная до пересечения с небесной сферой, задает основной круг – «небесный экватор». «Склонение» звезды напоминает широту и измеряется ее угловым расстоянием к северу или югу от небесного экватора. Если звезда видна точно в зените, то широта места наблюдения равна склонению звезды. Географической долготе соответствует «прямое восхождение» звезды. Оно измеряется к востоку от точки пересечения эклиптики с небесным экватором, которую Солнце проходит в марте, в день начала весны в Северном полушарии и осени – в Южном. Эту важную для астрономии точку называют «первой точкой Овна», или «точкой весеннего равноденствия», и обозначают знаком . Значения прямого восхождения обычно указывают в часах и минутах, считая 24 ч равными 360°.

Экваториальную систему используют при наблюдении с телескопами. Телескоп устанавливают так, чтобы он мог вращаться с востока на запад вокруг оси, направленной на полюс мира, компенсируя этим вращение Земли.

Другие системы.

Для некоторых целей используются и другие системы координат на небесной сфере. Например, когда изучают движение тел в Солнечной системе, используют систему координат, основной плоскостью которой служит плоскость земной орбиты. Строение Галактики изучают в системе координат, главной плоскостью которой служит экваториальная плоскость Галактики, представленная на небе кругом, проходящим вдоль Млечного Пути.

Сравнение систем координат.

Важнейшие детали горизонтальной и экваториальной систем показаны на рисунках. В таблице эти системы сопоставлены с географической системой координат.

Переход из одной системы в другую.

Часто возникает необходимость по альт-азимутальным координатам звезды вычислить ее экваториальные координаты, и наоборот. Для этого необходимо знать момент наблюдения и положение наблюдателя на Земле. Математически проблема решается с помощью сферического треугольника с вершинами в зените, северном полюсе мира и звезде Х; его называют «астрономическим треугольником».

Угол с вершиной в северном полюсе мира между меридианом наблюдателя и направлением на какую-либо точку небесной сферы называют «часовым углом» этой точки; его измеряют к западу от меридиана. Часовой угол точки весеннего равноденствия, выраженный в часах, минутах и секундах, называют «звездным временем» (Si. T. – sidereal time) в точке наблюдения. А поскольку прямое восхождение звезды – это тоже полярный угол между направлением на нее и на точку весеннего равноденствия, то звездное время равно прямому восхождению всех точек, лежащих на меридиане наблюдателя.

Таким образом, часовой угол любой точки на небесной сфере равен разности звездного времени и ее прямого восхождения:

Пусть широта наблюдателя равна j . Если даны экваториальные координаты звезды a и d , то ее горизонтальные координаты а и можно вычислить по следующим формулам:

Можно решить и обратную задачу: по измеренным значениям а и h , зная время, вычислить a и d . Склонение d вычисляется прямо из последней формулы, затем из предпоследней вычисляется Н , а из первой, если известно звездное время, вычисляется a .

Представление небесной сферы.

Многие столетия ученые искали наилучшие способы представления небесной сферы для ее изучения или демонстрации. Предлагались два типа моделей: двумерные и трехмерные.

Небесную сферу можно изобразить на плоскости таким же образом, как сферическую Землю изображают на картах. В обоих случаях необходимо выбрать систему геометрической проекции. Первой попыткой представить участки небесной сферы на плоскости были наскальные рисунки звездных конфигураций в пещерах древних людей. В наши дни существуют различные звездные карты, изданные в виде рисованных или фотографических звездных атласов, покрывающих все небо.

Древние китайские и греческие астрономы представляли небесную сферу в виде модели, известной как «армиллярная сфера». Она состоит из металлических кругов или колец, соединенных вместе так, чтобы показать важнейшие круги небесной сферы. Сейчас нередко используют звездные глобусы, на которых отмечены положения звезд и основных кругов небесной сферы. У армиллярных сфер и глобусов есть общий недостаток: положение звезд и разметка кругов нанесены на их внешней, выпуклой стороне, которую мы рассматриваем снаружи, тогда как на небо мы смотрим «изнутри», и звезды нам кажутся размещенными на вогнутой стороне небесной сферы. Это иногда приводит к путанице направлений движения звезд и фигур созвездий.

Наиболее реалистическое представление небесной сферы дает планетарий. Оптическая проекция звезд на полусферический экран изнутри позволяет очень точно воспроизвести вид неба и всевозможные движения светил на нем.