Профессиональное образовательное учреждение

«Колледж права и экономики»

РЕФЕРАТ

небесная сфера,видимые движения светил

астрономии

40.02.03 П раво и судебное администрирование

Выполнил обучающийся гр. 102 _____________ Макарова Кристина Антоновна

05.03.2018

Оценка за выполнение и защиту _____________

Проверил _____________ Ефремова Елена Владимировна

02.03.2018

Челябинск 2018

Содержание:

1.Элементы небесной сферы

2.Координаты на небесной сферы

3.Вращения небесной сферы

4.Видимые движения светил

5.Видимое годовое движение Солнца

6.Видимое движение и фазы Луны

7.Видимое движение Планет

Небесной сферой называется воображаемая сфера произвольного радиуса с центром в произвольной точке, на поверхности которой нанесены положения светил так, как они видны на небе в некоторый момент времени из данной точки.

В тёмную безлунную ночь представляется, что он находится в центре огромного плоского круга, накрытого полусферой, на которой расположены светящиеся точки - звезды. Продолжая наблюдения, можно заметить, что полусфера поворачивается и все новые появляются на востоке, в то время как другие исчезают на западе.

Образ сферы возникает потому, что человек не способен оценивать расстояние до предмета, превышающее 4-5 км. Все предметы, расположенные дальше, кажутся нам удалёнными на это расстояние. Сфера, на которой, как нам кажется, расположены звезды, и называется небесной сферой.

На первый взгляд число звёзд кажется бесконечно большим. В действительности же невооружённым глазом можно увидеть на всем небе около 6000 звёзд, а одновременно не более 2000, так как половина небесной сферы закрыта Землёй и у горизонта всегда существует дымка, скрывающая многочисленные слабые звезды.

Радиус небесной сферы произволен, и принять его можно настолько большим, что будет безразлично, где находится её центр: в глазу наблюдателя, в центре Земли, в центре или где-то на одной из планет нашей . Это возможно, поскольку большинство светил находится настолько далеко, что если смотреть с них на Солнечную систему, то она практически не будет отличаться от точки. Если говорить более точно, то два луча, направленные из Солнца и с Земли или тем более из разных точек Земли, даже к ближайшей звезде, практически параллельны. Если говорить о Солнечной системы или о , то различие направлений придётся учитывать, но это лишь незначительно усложнит , которые достаточно просто решаются с помощью небесной сферы.

Элементы небесной сферы.

Очевидно, что в центре небесной сферы (рис. 12) находится другая сфера, а именно Земля, на поверхности которой в некоторой точке находится наблюдатель. Земля вращается, что даёт возможность выделить некоторую прямую - ось вращения Земли (обычно строится ось мира PP’ и экватор). Соответственно на небесной сфере строится ось мира (PP’ - линия, параллельная оси вращения Земли и проходящая через центр небесной сферы) и небесный экватор (слово «небесный» обычно опускают). Пересечение оси мира и небесной сферы определяют полюсы - северный P и южный P’ .

Большой круг, плоскость которого перпендикулярна оси мира, называется небесным экватором . Он пересекается с горизонтом в точках востока и запада.

Вертикальная отвесная линия ( OZ ) является продолжением радиуса Земли, она пересекает небесную сферу в двух точках. Та, что находится над головой, называется « зенит », противоположная ей - « надир ». Перпендикулярная ей плоскость - это плоскость горизонта, которая образует при пересечении с небесной сферой математический горизонт (слово «математический» можно опустить).

При изображении небесной сферы принято ориентировать её так, чтобы вертикальная линия была в центре, а ось мира наклонена к ней.

Две прямые (ось мира и вертикальная линия) определяют плоскость небесного меридиана , а её пересечение с небесной сферой - большой круг - небесный меридиан . Меридиан пересекается с горизонтом в двух точках - точке севера N и точке юга S . Небесный меридиан является проекцией земного меридиана на небесную сферу.

Большой круг - окружность, получаемая пересечением сферы плоскостью, проходящей через её центр. Если плоскость не проходит через центр, то круг называется малым . Расстояние, измеренное по поверхности сферы, между двумя точками большого круга является минимальным. Это говорит о прямой аналогии между прямыми на плоскости и большими кругами на сфере.

Все эти элементы небесной сферы связаны с наблюдателем. Ось мира и экватор общие для всех наблюдателей на Земле; вертикальная линия, зенит, надир, плоскости меридиана и горизонта свои для каждого наблюдателя. Их положение относительно других элементов небесной сферы определяется положением наблюдателя на поверхности Земли.

Вращение небесной сферы.

Наблюдения звездного неба показывают, то небесная сфера медленно вращается в направлении с востока на запад Зори созвездия поднимаются над горизонтом в восточной части неба и прячутся за горизонт в западной Для наблюдателя, который находится в северном полушарии Земли и стоит лицом к югу, это вращение небесной сферы происходит по часовой стрелке, слева направо Для наблюдателя, который находится в южном полушарии (например, в Австралии), напротив. Солнце всходит справа и двигаясь против часовой стрелки, заходит слева, ночью так же смещаются на небосклоне зари.

Как знаем, это видимое вращательное движение небесной сферы есть иллюзорным. Потому что в действительности это Земля вращается вокруг своей оси, и этому есть много доказательств Например, плоскость маятника Фуко, пытаясь сохранить свое положение относительно далеких зрение, относительно земных ориентиров возвращается вокруг вертикали Другим доказательством, о чем будет язык дальше, есть сплющенная Земли около полюсов: экваториальный радиус Земли больше от полярного.

Видимое вращение небесной сферы и принято называть суточным вращением, поскольку n-ного период равняется одним суткам (понятие суток уточнено ниже). Как вспоминалось, это вращение осуществляется вокруг оси мира. В действительности вращательное движение происходит вокруг оси вращения Земли. Однако радиус Земли очень малый сравнительно с расстояниями д зрение, и эта разница для наблюдателя, который находится на поверхности, а не в центре Земли, незаметная.

Вращение небесной сферы , вследствие суточного движения зори на небе описывают круги разной величины - тем меньшие, чем ближе к полюсу мира находится заря. Северный го мое мира находится вблизи Полярной зари в созвездии Малой Медведицы: в 1966 г. - на угловом расстоянии 54" от нее, в 1986 г. это расстояние представляло уже 49". Причину уменьшения ее (благодаря процесии) приведем ниже

Вследствие суточного вращения небесной сферы каждое светило дважды пересекает (проходит ли) небесный меридиан Явление прохождения светила через небесный меридиан будет судиться кульминацией светила (от лат. culmen - вер) "В верхней кульминации светило пересекает ту часть небесного меридиана, в которой находится зенит, в нижней оно проходит через часть меридиана, в которой размещен надир.

Видимое движение светил.

Чтобы понять видимое движение Солнца и других светил на , рассмотрим истинное движение Земли. Земля является одной из планет солнечной системы. Она непрерывно вращается вокруг своей оси. Период вращения ее равен одним суткам. Поэтому наблюдателю, находящемуся на Земле, кажется, что все небесные светила обращаются вокруг Земли с востока на запад с тем же периодом. Но Земля не только вращается вокруг своей оси. Она обращается также вокруг Солнца по эллиптической орбите. Полный оборот вокруг Солнца она совершает за один год. Ось вращения Земли наклонена к плоскости орбиты под углом 66°33". Положение оси в пространстве при движении Земли вокруг Солнца все время остается почти неизменным (рис. 1.10). Поэтому Северное и Южное полушария попеременно бывают обращены в сторону Солнца, в результате чего на Земле происходит смена времен года.

При внимательном наблюдении неба можно заметить, что звезды на протяжении многих лет неизменно сохраняют свое взаимное расположение. Вследствие их чрезвычайной удаленности и весьма малых собственных движений относительно друг друга они с любой точки земной орбиты видны одинаково. Тела же солнечной системы - Солнце, Луна и планеты, которые находятся сравнительно недалеко от Земли, меняют свое положение среди звезд. Таким образом, Солнце наравне со всеми светилами участвует в суточном движении и одновременно имеет собственное видимое движение (оно называется годовым движением), обусловленное движением Земли вокруг Солнца.

Рассмотрим отдельно эти два главных видимых движения Солнца и разберемся, какие изменения они вносят в положение Солнца на небесной сфере.

Видимое годовое движение Солнца.

Наиболее просто годовое движение Солнца можно объяснить по рис. 1.11, на котором изображена , Солнце и орбита Земли. Из этого рисунка видно, что в зависимости от положения Земли на орбите наблюдатель с Земли будет видеть Солнце на фоне разных созвездий. Ему будет казаться, что оно все время перемещается по небесной сфере. Это движение является отражением обращения Земли вокруг Солнца. За год Солнце сделает полный оборот.

Большой круг на небесной сфере, по которому происходит видимое годовое движение Солнца, называется эклиптикой. Эклиптика - слово греческое и в переводе означает затмение. Этот круг назвали так потому, что затмения Солнца и Луны происходят только тогда, когда оба светила находятся на этом круге.

Следует отметить, что плоскость эклиптики совпадает с плоскостью орбиты Земли. Видимое годовое движение Солнца по эклиптике происходит в том же направлении, в котором Земля движется по орбите вокруг Солнца, т. е. оно перемещается к востоку. В течение года Солнце последовательно проходит по эклиптике 12 созвездий, которые образуют пояс Зодиака и называются зодиакальными. Зодиак - слово греческое, которое означает звериный круг (большинство созвездий этого круга имеют названия животных).

Пояс Зодиака образуют следующие созвездия: Рыбы, Овен, Телец, Близнецы, Рак, Лев, Дева, Весы, Скорпион, Стрелец, Козерог и Водолей. В каждом из них Солнце бывает примерно месяц. Эклиптика дается на специальной звездной карте, прилагаемой к Авиационному астрономическому ежегоднику (приложение 3). Вследствие того, что плоскость земного экватора наклонена к плоскости орбиты Земли на , плоскость небесного экватора также наклонена к плоскости эклиптики на угол . Наклон эклиптики к экватору не сохраняется постоянным. В 1896 г. при утверждении астрономических постоянных решено было наклон эклиптики к экватору считать равным .

Вследствие воздействия на Землю сил притяжения Солнца и Луны он постепенно изменяется в пределах от до . В данный период времени угол равен и непрерывно уменьшается на 0,47" в год.

Эклиптика пересекается с небесным экватором в двух точках, которые называются точками весеннего и осеннего равноденствий.Точку весеннего равноденствия принято обозначать знаком созвездия Овен Т, а точку осеннего равноденствия - знаком созвездия Весов Солнце в этих точках соответственно бывает 21 марта и 23 сентября. В эти дни на Земле день равен ночи, Солнце точно восходит в точке востока и заходит в точке запада.

Точки эклиптики, отстоящие от точек равноденствий на 90°, называются точками солнцестояний. Точка Е на эклиптике, в которой Солнце занимает самое высокое положение относительно небесного экватора, называется точкой летнего солнцестояния, а точка Е, в которой оно занимает самое низкое положение, называется точкой зимнего солнцестояния. В точке летнего солнцестояния Солнце бывает 22 июня, а в точке зимнего солнцестояния - 22 декабря. В течение нескольких дней, близких к датам солнцестояний, полуденная высота Солнца остается почти неизменной, в связи с чем эти точки и получили такое название. Когда Солнце находится в точке летнего солнцестояния день в Северном полушарии самый длинный, а ночь самая короткая, а когда оно находится в точке зимнего солнцестояния - наоборот.

В день летнего солнцестояния точки восхода и захода Солнца максимально удалены к северу от точек востока и запада на горизонте, а в день зимнего солнцестояния они имеют наибольшее удаление к югу.

Движение Солнца по эклиптике приводит к непрерывному изменению его экваториальных координат, ежедневному изменению полуденной высоты и перемещению по горизонту точек восхода и захода.

Известно, что склонение Солнца отсчитывается от плоскости небесного экватора, а прямое восхождение - от точки весеннего равноденствия. Поэтому когда Солнце находится в точке весеннего равноденствия, его склонение и прямое восхождение равны нулю. В течение года склонение Солнца в настоящий период изменяется от до переходя два раза в год через нуль, а прямое восхождение от 0 до 360°.

Экваториальные координаты Солнца в течение года изменяются неравномерно. Происходит это вследствие неравномерности движения Солнца по эклиптике и наклона эклиптики к экватору. Половину своего видимого годового пути Солнце проходит за 186 суток с 21 марта по 23 сентября, а вторую половину за 179 суток с 23 сентября по 21 марта. Неравномерность движения Солнца по эклиптике связана с тем, что Земля на протяжении всего периода обращения вокруг Солнца движется по орбите не с одинаковой скоростью. Из второго закона Кеплера известно, что линия, соединяющая Солнце и планету, за равные промежутки времени описывает равные площади. Согласно этому закону Земля, находясь ближе всего к Солнцу, т. е. в перигелии, движется быстрее, а находясь дальше всего от Солнца, т. е. в афелии - медленнее. Ближе к Солнцу Земля бывает зимой, а летом - дальше. Поэтому в зимние дни она движется по орбите быстрее, чем в летние. Вследствие этого суточное изменение прямого восхождения Солнца в день зимнего солнцестояния равно тогда как в день летнего солнцестояния оно равно только .

Различие скоростей движения Земли в каждой точке орбиты вызывает неравномерность изменения не только прямого восхождения, но и склонения Солнца. Однако за счет наклона эклиптики к экватору его изменение имеет другой характер. Наиболее быстро склонение Солнца изменяется вблизи точек равноденствия, а у точек солнцестояния оно почти не изменяется.

Знание характера изменения экваториальных координат Солнца позволяет производить приближенный расчет прямого восхождения и склонения Солнца. Для выполнения такого расчета берут ближайшую дату с известными экваториальными координатами Солнца. Затем учитывают, что прямое восхождение Солнца за сутки изменяется в среднем на 1°, а склонение Солнца в течение месяца до и после прохождения точек равноденствия изменяется на 0,4° в сутки; в течение месяца перед солнцестояниями и после них - на 0,1° в сутки, а в течение промежуточных месяцев между указанными - на 0,3°.

Видимое движение и фазы Луны.

Луна является естественным спутником Земли и ближайшим к ней небесным телом. Она обращается вокруг Земли по эллиптической орбите в том же направлении, что и Земля вокруг Солнца. Среднее расстояние Луны от Земли равно 384 400 км. Плоскость орбиты Луны наклонена к плоскости эклиптики на .

Точки пересечения орбиты Луны с эклиптикой называются узлами лунной орбиты. Движение Луны вокруг Земли для наблюдателя представляется как видимое ее движение по . Видимый путь Луны по небесной сфере называется видимой орбитой Луны. За сутки Луна перемещается по видимой орбите относительно звезд примерно на 13,2°, а относительно Солнца на 12,2°, так как Солнце за это время тоже перемещается по эклиптике в среднем на 1°. Промежуток времени, в течение которого Луна совершает полный оборот по своей орбите относительно звезд, называется звездным, или сидерическим, месяцем. Его продолжительность равна 27,32 средних солнечных суток.

Промежуток времени, в течение которого Луна совершает полный оборот по своей орбите относительно Солнца, называется с инодическим месяцем. Он равен 29,53 средних солнечных суток. Сидерический и синодический месяцы различаются примерно на двое суток за счет движения Земли по своей орбите вокруг Солнца. На рис. 1.15 показано, что при нахождении Земли на орбите в точке 1 Луна и Солнце наблюдаются на в одном и том же месте, например на фоне звезды . Через 27,32 сут, т. е. когда Луна сделает полный оборот вокруг Земли, она снова будет наблюдаться на фоне той же звезды. Но так как Земля вместе с Луной за это время переместится по своей орбите относительно Солнца примерно на 27° и будет находиться в точке 2, то Луне необходимо еще пройти 27°, чтобы занять прежнее положение относительно Земли и Солнца, на что понадобится около 2 сут. Таким образом, синодический месяц длиннее сидерического на отрезок времени, который нужен Луне, чтобы переместиться на 27°.

Период вращения Луны вокруг своей оси равен периоду ее обращения вокруг Земли. Поэтому Луна обращена к Земле всегда одной и той же стороной. Вследствие того, что Луна за одни сутки перемещается по небесной сфере с запада на восток, т. е. в сторону, обратную суточному движению , на 13,2°, ее восход и заход ежесуточно запаздывают примерно на 50 мин. Это ежедневное запаздывание приводит к тому, что Луна непрерывно меняет свое положение относительно Солнца, но через строго определенный период времени вновь возвращается в исходное положение. В результате движения Луны по видимой орбите происходит непрерывное и быстрое изменение ее экваториальных

координат. В среднем за сутки прямое восхождение Луны изменяется на 13,2°, а склонение - на 4°. Изменение экваториальных координат Луны происходит не только за счет ее быстрого движения по орбите вокруг Земли, но и вследствие необычайной сложности этого движения. На Луну действуют многие силы, имеющие различную величину и период, под влиянием которых все элементы лунной орбиты постоянно изменяются.

Наклон орбиты Луны к эклиптике колеблется в пределах от до 5° 19" за время, несколько меньшее полугода. Изменяются формы и размеры орбиты. Непрерывно с периодом 18,6 года меняется положение орбиты в пространстве, в результате чего происходит перемещение узлов лунной орбиты навстречу движению Луны. Это приводит к постоянному изменению угла наклона видимой орбиты Луны к небесному экватору от до . Поэтому пределы изменения склонения Луны не остаются постоянными. В некоторые периоды оно изменяется в пределах а в другие - ±18° 17".

Склонение Луны и ее гринвичский часовой угол даются в ежедневных таблицах ААЕ на каждый час гринвичского времени.

Движение Луны на сопровождается непрерывным изменением ее внешнего вида. Происходит так называемая смена лунных фаз. Фазой Луны называется видимая часть лунной поверхности, освещенная солнечными лучами.

Рассмотрим, вследствие чего происходит изменение лунных фаз. Известно, что Луна светит отраженным солнечным светом-Половина ее поверхности всегда освещена Солнцем. Но вследствие различных взаимных положений Солнца, Луны и Земли освещенная поверхность представляется земному наблюдателю в разных

видах. Принято различать четыре фазы Луны: новолуние, первая четверть, полнолуние и последняя четверть.

Во время новолуния Луна проходит между Солнцем и Землей. В этой фазе Луна обращена к Земле неосвещенной стороной, и поэтому она не видна земному наблюдателю. В фазе первой четверти Луна находится в таком положении, что наблюдатель видит ее в виде половины освещенного диска. Во время полнолуния Луна находится в направлении, противоположном направлению на Солнце. Поэтому к Земле обращена вся освещенная сторона Луны и она видна в виде полного диска. После полнолуния видимая с Земли освещенная часть Луны постепенно уменьшается. Когда Луна достигает фазы последней четверти, она снова видна в виде половины освещенного диска. В Северном полушарии в первой четверти освещена правая половина диска Луны, а в последней - левая.

В промежутке между новолунием и первой четвертью и в промежутке между последней четвертью и новолунием к Земле обращена небольшая часть освещенной Луны, которая наблюдается в виде серпа. В промежутках между первой четвертью и полнолунием, полнолунием и последней четвертью Луна видна в виде ущербленного диска. Полный цикл смены лунных фаз происходит в течение строго определенного периода времени. Его называют периодом фаз. Он равен синодическому месяцу, т. е. 29,53 сут.

Промежуток времени между основными фазами Луны равен примерно 7 сут. Количество дней, прошедших с момента новолуния, принято называть возрастом Луны. С изменением возраста изменяются и точки восхода и захода Луны. Даты и моменты наступления основных фаз Луны по гринвичскому времени даны в ААЕ.

Движение Луны вокруг Земли является причиной лунных и солнечных затмений. Затмения происходят только тогда, когда Солнце и Луна одновременно располагаются вблизи узлов лунной орбиты. Солнечное затмение происходит, когда Луна находится между Солнцем и Землей, т. е. в период новолуния, а лунное - когда Земля находится между Солнцем и Луной, т. е. в период полнолуния.

Видимое движение планет.

В состав Солнечной системы входит девять планет. Пять из них можно видеть на небе невооруженным глазом. Это планеты Меркурий, Венера, Марс, Юпитер и Сатурн. Среди звезд планеты выделяются своей яркостью. Но их видимое положение относительно звезд непостоянно. Они непрерывно перемещаются по небу, как бы блуждают среди звезд. Видимое происходит вблизи эклиптики, т. е. в поясе зодиакальных созвездий. В отличие от видимого движения Солнца и Луны оно имеет сложный характер, так как является отражением действительных движений Земли и планет по их орбитам вокруг Солнца.

По положению своих орбит относительно орбиты Земли планеты делятся на внутренние и внешние. Внутренние планеты обращаются вокруг Солнца внутри орбиты Земли, а внешние - за ее пределами. К внутренним планетам относятся Меркурий и Венера, а к внешним - Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун и Плутон. Когда планета проходит между Землей и Солнцем и находится в точке 1, она земному наблюдателю не видна, так как в это время к Земле обращена неосвещенная сторона планеты. Спустя некоторое время после прохождения точки 1, планета становится видимой и наблюдателю будет казаться, что она относительно Солнца отклоняется вправо.

Когда планета достигнет точки 2, наблюдатель увидит ее на в точке А. Затем в своем видимом движении планета совершает среди звезд петлю и начинает двигаться в обратном направлении. Удаление ее от Солнца уменьшается, она постепенно скрывается в его лучах и заходит одновременно с ним. В это время планета проходит за Солнцем. Через некоторое время планета становится снова видимой, но теперь уже слева от Солнца. Достигнув предельного отклонения от Солнца влево, планета в точке В снова делает петлю, меняет направление своего движения и затем начинает приближаться к Солнцу. Таким образом, видимое движение внутренней планеты представляется как бы колебанием ее около Солнца.

При положении планеты справа от Солнца она наблюдается на как утренняя звезда, а при положении слева - как вечерняя звезда.

Наиболее благоприятными условиями наблюдения внутренних планет являются условия, при которых они находятся вбизи точек наибольшего углового отклонения от Солнца. У Меркурия максимальное угловое отклонение достигает 28°, а у Венеры - 48°. Поскольку Меркурий находится близко к Солнцу, то наблюдать его трудно. Даже при максимальном угловом отклонении от Солнца его можно наблюдать только в сумерках вскоре после захода Солнца или непосредственно перед восходом Солнца. Венера при наибольшем угловом отклонении восходит примерно за 3-4 ч до восхода Солнца, а при вечерней видимости через столько же времени заходит после захода Солнца.

Экипажу самолета важно знать, когда, утром или вечером, будет видна планета Венера в заданную дату полета. Наиболее просто это можно определить по ААЕ. Для этого необходимо сравнить часовые углы Солнца и Венеры, взятые из ААЕ для заданной даты для любого целого часа времени. Если часовой угол Венеры больше часового угла Солнца, Венера будет видна утром на востоке, а если меньше - вечером на западе.

Внешние планеты обращаются вокруг Солнца на более далеком расстоянии, чем Земля. Поэтому характер их видимого движения несколько иной, чем у внутренних планет. Среди звезд они перемещаются медленнее видимого годового движения Солнца. Среди внешних планет наиболее быстрое видимое движение имеет Марс, который расположен ближе всего к Земле. Противостоянием называется положение планеты на относительно Земли в направлении, противоположном Солнцу. В противостоянии планета наблюдается в нулевой фазе (диск освещен полностью). Поэтому это положение планеты является самым удобным для ее наблюдения. В период противостояния планета находится в созвездии, противоположном тому, в котором в это время находится Солнце. Следовательно, в этом положении планета может быть видна на небе всю ночь. Для отыскания планет на небесной сфере пользуются специальными схемами, которые даны в приложении к ААЕ. На этих схемах показан видимый годовой путь среди звезд планет, используемых в авиационной астрономии (см. приложение 4). Видимое приводит к непрерывному изменению их экваториальных координат, значения которых даются в ААЕ на каждый час гринвичского времени.

Источники.

http://stu.sernam.ru/book_aa.php?id=7

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.

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.

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.

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.