Основные точки и круги небесной сферы. Лекция по астрономии - Небесная сфера, её основные точки Небесной сферой называется

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.

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. См . также ВРЕМЕНА ГОДА .

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.

Таблица: Сравнение систем координат

СРАВНЕНИЕ СИСТЕМ КООРДИНАТ
Характеристика	Альт-азимутальная система	Экваториальная система	Географическая система
Основной круг	Горизонт	Небесный экватор	Экватор
Полюсы	Зенит и надир	Северный и южный полюсы мира	Северный и южный полюсы
Угловое расстояние от основного круга	Высота	Склонение	Широта
Угловое расстояние вдоль основного круга	Азимут	Прямое восхождение	Долгота
Опорная точка на основном круге	Точка юга на горизонте (в геодезии – точка севера)	Точка весеннего равноденствия	Пересечение с гринвичским меридианом

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.

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 30 минут.

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.

Рис. 1. Положение в пространстве небесной сферы для наблюдателя на широте относительно Земли

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 альмукантарат

Задачи

Название	Формула	Пояснения	Примечания
Высота светила в верхней кульминации (между экватором и зенитом)	h = 90° – φ + δ z = 90° - h	d - склонение звезды, j - широта места наблюдения, h –высота светила над горизонтом z – зенитное расстояние светила
Высота светила в верх. кульминации (между зенитом и полюсом мира)	h = 90° + φ – δ
Высота светила в ниж. кульминации (незаходящая звезда)	h = φ + δ – 90°
Широта по незаходящей звезде, обе кульминации которой набл-тся к северу от зенита	φ = (h в + h н)/2	h в - высота светила над горизонтом в верхней кульминации h н - высота светила над горизонтом в нижней кульминации	Если не к северу от зенита, то δ =(h в + h н)/2
Эксцентриситет орбиты (степень вытянутости эллипса)	е = 1 – r p /a или е = r a /a - 1 или е = (1 – в 2 /а 2 ) ½	е – эксцентриситет эллипса (эллиптической орбиты) – отношение расстояния от центра до фокуса к расстоянию от центра к краю эллипса (половине большой оси); r p – перигейное расстояние орбиты r a – апогейное расстояние орбиты а – большая полуось эллипса; b – малая полуось эллипса;	Эллипсом называется кривая, у которой сумма расстояний от любой точки до его фокусов есть величина постоянная, равная большой оси эллипса
Большая полуось орбиты	r p +r a = 2a
Наименьшее значение радиус-вектора в перицентре	r p = a∙(1-e)
Наибольшее значение радиус-вектора в апоцентре (афелии)	r a = a∙(1+е)
Сплюснутость эллипса	e = (a – b)/a = 1 – в/а = 1 – (1 – e 2 ) 1/2	e - cжатие эллипса
Малая полуось эллипса	b = а∙ (1 – e 2 ) ½
Константа площадей

	|	следующая лекция ==>

Все небесные светила находятся на необычайно больших и весьма различных расстояниях от нас. Но нам они представляются одинаково удаленными и как будто расположенными на некоторой сфере. При решении практических задач по авиационной астрономии важно знать не расстояние до светил, а их положение на небесной сфере в момент наблюдения.

Небесной сферой называется воображаемая сфера бесконечно большого радиуса, центром которой является наблюдатель. При рассмотрении небесной сферы ее центр совмещают с глазом наблюдателя. Размерами Земли пренебрегают, поэтому центр небесной сферы часто совмещают также с центром Земли. Светила на сферу наносят в таком положении, в каком они видны на небе в некоторый момент времени из данной точки нахождения наблюдателя.

Небесная сфера имеет ряд характерных точек, линий и кругов. На рис. 1.1 кругом произвольного радиуса изображена небесная сфера, в центре которой, обозначенном точкой О, расположен наблюдатель. Рассмотрим основные элементы небесной сферы.

Вертикаль наблюдателя - прямая, проходящая через центр небесной сферы и совпадающая с направлением нити отвеса в точке наблюдателя. Зенит Z - точка пересечения вертикали наблюдателя с небесной сферой, расположенная над головой наблюдателя. Надир Z" - точка пересечения вертикали наблюдателя с небесной сферой, противоположная зениту.

Истинный горизонт С В Ю З - большой круг на небесной сфере, плоскость которого перпендикулярна к вертикали наблюдателя. Истинный горизонт делит небесную сферу на две части: надгоризонтную полусферу, в которой расположен зенит, и подгоризонтную полусферу, в которой расположен надир.

Ось мира РР" - прямая, вокруг которой происходит видимое суточное вращение небесной сферы.

Рис. 1.1. Основные точки, линии и круги на небесной сфере

Ось мира параллельна оси вращения Земли, а для наблюдателя, находящегося на одном из полюсов Земли, она совпадает с осью вращения Земли. Видимое суточное вращение небесной сферы является отражением действительного суточного вращения Земли вокруг своей оси.

Полюсы мира - точки пересечения оси мира с небесной сферой. Полюс мира, находящийся в области созвездия Малой Медведицы, называется Северным полюсом мира Р, а противоположный полюс называется Южным Р.

Небесный экватор - большой круг на небесной сфере, плоскость которого перпендикулярна к оси мира. Плоскость небесного экватора делит небесную сферу на северную полусферу, в которой расположен Северный полюс мира, и южную полусферу, в которой расположен Южный полюс мира.

Небесный меридиан, или меридиан наблюдателя, - большой круг на небесной сфере, проходящий через полюсы мира, зенит и надир. Он совпадает с плоскостью земного меридиана наблюдателя и делит небесную сферу на восточную и западную полусферы.

Точки севера и юга - точки пересечения небесного меридиана с истинным горизонтом. Точка, ближайшая к Северному полюсу мира, называется точкой севера истинного горизонта С, а точка, ближайшая к Южному полюсу мира, - точкой юга Ю. Точки востока и запада - точки пересечения небесного экватора с истинным горизонтом.

Полуденная линия - прямая линия в плоскости истинного горизонта, соединяющая точки севера и юга. Полуденной называется эта линия потому, что в полдень по местному истинному солнечному времени тень от вертикального шеста совпадает с этой линией, т. е. с истинным меридианом данной точки.

Южная и северная точки небесного экватора - точки пересечения небесного меридиана с небесным экватором. Точка, ближайшая к южной точке горизонта, называется точкой юга небесного экватора , а точка, ближайшая к северной точке горизонта, - точкой севера

Вертикал светила, или круг высоты, - большой круг на небесной сфере, проходящий через зенит, надир и светило. Первый вертикал - вертикал, проходящий через точки востока и запада.

Круг склонения, или часовой круг светила, РМР - большой круг на небесной сфере, проходящий через полюсы миоа и светило.

Суточная параллель светила - малый круг на небесной сфере, проведенный через светило параллельно плоскости небесного экватора. Видимое суточное движение светил происходит по суточным параллелям.

Альмукантарат светила АМАГ - малый круг на небесной сфере, проведенный через светило параллельно плоскости истинного горизонта.

Рассмотренные элементы небесной сферы широко используются в авиационной астрономии.

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

Небесная сфера - это воображаемая сферическая поверхность произвольного радиуса, в центре которой находится наблюдатель. Небесные тела проектируются на небесную сферу .

Из-за малых размеров Земли, в сравнении с расстояниями до звезд, наблюдателей, расположенных в разных местах земной поверхности, можно считать находящимися в центре небесной сферы . В действительности никакой материальной сферы, окружающей Землю, в природе не существует. Небесные тела движутся в беспредельном мировом пространстве на самых различных расстояниях от Земли. Эти расстояния невообразимо велики, наше зрение не в состоянии их оценить, поэтому человеку все небесные тела представляются одинаково удаленными.

За год Солнце описывает большой круг на фоне звездного неба. Годичный путь Солнца по небесной сфере называется эклиптикой. Перемещаясь по эклиптике . Солнце в равноденственных точках дважды пересекает небесный экватор. Это бывает 21 марта и 23 сентября.

Точка небесной сферы, которая остается неподвижной при суточном движении звезд, условно называется северным полюсом мира. Противоположная точка небесной сферы называется южным полюсом мира. Жители северного полушария его не видят, т. к. он находится под горизонтом. Отвесная линия, проходящая через наблюдателя, пересекает небо над головой в точке зенита и в диаметрально противоположной точке, называемой надиром.

Ось видимого вращения небесной сферы, соединяющую оба полюса мира и проходящую через наблюдателя, называют осью мира. На горизонте под северным полюсом мира лежит точка севера , диаметрально противоположная ей точка - точка юга . Точки востока и запада лежат на линии горизонта и отстоят от точек севера и юга на 90°.

Плоскость, проходящая через центр сферы перпендикулярно оси мира, образует плоскость небесного экватора , параллельную плоскости земного экватора. Плоскость небесного меридиана проходит через полюсы мира, точки севера и юга, зенит и надир.

Небесные координаты

Система координат, в которой отсчет производится от плоскости экватора, называется экваториальной . Угловое расстояние светила от небесного экватора называется , которое меняется от -90° до +90°. Склонение считается положительным к северу от экватора и отрицательным к югу. измеряется углом между плоскостями больших кругов, один из которых проходит через полюсы мира и данное светило, второй — через полюсы мира и точку весеннего равноденствия, лежащую на экваторе.

Горизонтальные координаты

Угловым расстоянием называется расстояние между объектами на небе, измеряемое углом, который образован лучами, идущими к объекту из точки наблюдения. Угловое расстояние светила от горизонта называют высотой светила над горизонтом. Положение светила относительно сторон горизонта называется азимутом. Отсчет ведется от юга по часовой стрелке. Азимут и высоту светила над горизонтом измеряют теодолитом. В угловых единицах выражают не только расстояния между небесными объектами, но и размеры самих объектов. Угловое расстояние полюса мира от горизонта равно географической широте местности.

Высота светил в кульминации

Явления Прохождения светил через небесный меридиан называются кульминациями. Нижней кульминацией называется прохождение светил через северную половину небесного меридиана. Явление прохождения светилом южной половины небесного меридиана называется верхней кульминацией. Момент верхней кульминации центра Солнца называется истинным полднем, а момент нижней кульминации — истинной полночью. Промежуток времени между кульминациями - полсуток .

У незаходящих светил над горизонтом видны обе кульминации, у восходящих и заходящих нижняя кульминация происходит под горизонтом, ниже точки севера. Каждая звезда кульминирует в данной местности всегда на одной и той же высоте над горизонтом, потому что ее угловое расстояние от полюса мира и от небесного экватора не меняется. Солнце же и Луна меняют высоту, на
которой они кульминируют .