Лекция по астрономии - Небесная сфера, её основные точки. Небесная сфера
Лекция № 2. Небесная сфера, её основные точки.
1. Горизонтальные и экваториальные системы небесных координат.
2. Прямое восхождение. Склонение светила.
3. Проведение вечерних астрономических наблюдений звёздного неба.
Небесная сфера. Основные точки, линии и круги на небесной сфере
Небесной сферой называют сферу любого радиуса с центром в произвольной точке пространства. За ее центр, в зависимости от постановки задачи, принимают глаз наблюдателя, центр инструмента, центр Земли и т. д.
Рассмотрим основные точки и круги небесной сферы, за центр О которой принят глаз наблюдателя (рис. 72). Через центр небесной сферы проведем отвесную линию. Точки пересечения отвесной линии со сферой называют зенитом Z и надиром п.
Рис. 72.
Плоскость, проходящую через центр небесной сферы перпендикулярно отвесной линии, называют
плоскостью истинного горизонта.
Эта плоскость, пересекаясь с небесной сферой, образует окружность большого круга, называемую истинным горизонтом. Последний делит небесную сферу на две части: надгоризонтную и подгоризонтную.
Прямую, проходящую через центр небесной сферы параллельно земной оси, называют ось ю мира. Точки пересечения оси мира с небесной сферой называются полюсами мира. Один из полюсов, соответственно полюсам Земли, называют северным полюсом мира и обозначают Pn, другой - южным полюсом мира Ps.
Плоскость QQ", проходящую через центр небесной сферы перпендикулярно оси мира, называют плоскостью небесного экватора. Эта плоскость, пересекаясь с небесной сферой, образует окружность большого круга - небесный экватор, который делит небесную сферу на северную и южную части.
Большой круг небесной сферы, проходящий через полюсы мира, зенит и надир, называют меридианом наблюдателя PN nPsZ. Ось мира делит меридиан наблюдателя на полуденную PN ZPs и полуночную PN nPs части.
Меридиан наблюдателя пересекается с истинным горизонтом в двух точках: точке севера N и точке юга S. Прямую, соединяющую точки севера и юга, называют полуденной линией.
Если из центра сферы смотреть в точку N, то справа будет точка востока O st , а слева - точка запада W. Малые круги небесной сферы аа", параллельные плоскости истинного горизонта, называют альмукантаратами; малые bb" параллельные плоскости небесного экватора, - небесными параллелями.
Круги небесной сферы Zon, проходящие через точки зенита и надира, называют вертикалами. Вертикал, проходящий через точки востока и запада, называют первым вертикалом.
Круги небесной сферы PNoPs, проходящие через полюсы мира, называют кругами склонения.
Меридиан наблюдателя является одновременно вертикалом и кругом склонения. Он делит небесную сферу на две части - восточную и западную.
Полюс мира, расположенный над горизонтом (под горизонтом), называют повышенным (пониженным) полюсом мира. Наименование повышенного полюса мира всегда одноименно с наименованием широты места.
Ось мира с плоскостью истинного горизонта составляет угол, равный географической широте места.
Положение светил на небесной сфере определяют при помощи сферических координатных систем. В мореходной астрономии применяются горизонтная и экваториальная системы координат.
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
Диаграмма, показывающая соотношение , и (в различных определениях). Заметим, что зенит противоположен надиру.
Отвесная линия - прямая, проходящая через центр небесной сферы и точку наблюдения на поверхности Земли. Отвесная линия пересекается с поверхностью небесной сферы в двух точках - над головой наблюдателя и под ногами наблюдателя.
Истинный (математический) 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. « ») - 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
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.
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
P,P" - полюсы мира, T,T" - точки равноденствия, E,C - точки солнцестояния, П,П" - полюса эклиптики, PP" - ось мира, ПП" - ось эклиптики, ATQT"- небесный экватор, ETCT" - эклиптика
Большой круг небесной сферы, по которому происходит видимое годовое движение . Плоскость эклиптики пересекается с плоскостью небесного экватора под углом ε = 23°26".
Две точки, в которых эклиптика пересекается с небесным экватором, называются точками . 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. Две точки эклиптики, отстоящие от точек равноденствия на 90° и тем самым максимально удалённые от небесного экватора, называются точками . Точка летнего солнцестояния находится в северном полушарии, точка зимнего солнцестояния - в южном полушарии. Эти четыре точки обозначаются символами ♈ ), осеннего равноденствия - знаком Весов (♎ ), зимнего солнцестояния - знаком Козерога (♑ ), летнего солнцестояния - знаком Рака (♋ )
Диаметр небесной сферы, перпендикулярный плоскости эклиптики. Ось эклиптики пересекается с поверхностью небесной сферы в двух точках - северном полюсе эклиптики , лежащем в северном полушарии, и южном полюсе эклиптики , лежащем в южном полушарии. Северный полюс эклиптики имеет экваториальные координаты R.A. = 18h00m, Dec = +66°33", и находится в созвездии , а южный полюс - R.A. = 6h00m, Dec = −66°33" в созвездии .
Круг эклиптической широты , или просто круг широты - большой полукруг небесной сферы, проходящий через полюсы эклиптики.
3.Небесная сфера. Основные плоскости, линии и точкинебесной сферы.
Под небесной сферой принято понимать сферу произвольного радиуса, центр которой находится в точке наблюдения, и на поверхность этой сферы проецируются все окружающие нас небесные тела или светила
Вращение небесной сферы для наблюдателя, находящегося на поверхности Земли, воспроизводит суточное движение светил на небе
ZOZ " – отвесная (вертикальная) линия,
SWNE – истинный (математический) горизонт,
aMa " – альмукантарат,
ZMZ " – круг высоты (вертикальный круг), или вертикал
P
OP
"
– ось вращения небесной сферы
(ось
мира),
P – северный полюс мира,
P " – южный полюс мира,
Ð PON = j (широта места наблюдения),
QWQ " E – небесный экватор,
bMb " – суточная параллель,
PMP " – круг склонения,
PZQSP " Z " Q " N – небесный меридиан,
NOS – полуденная линия
4.Системы небесных координат (горизонтальная, первая ивторая экваториальные, эклиптическая).
Поскольку радиус небесной сферы произволен, положение светила на небесной сфере однозначно определяется двумя угловыми координатами, если задана основная плоскость и начало отсчёта.
В сферической астрономии используются следующие системы небесных координат:
Горизонтальная, 1-я экваториальная,2-я экваториальная, Эклиптическая
Горизонтальная система координат
Основная плоскость – плоскость математического горизонта
1
)ÐmOM
= h
(высота)
0 £ h £ 90 0
–90 0 £ h £ 0
или ÐZOM = z (зенитное расстояние)
0 £ z £ 180 0
z + h = 90 0
2) ÐSOm = A (азимут)
0 £ A £ 360 0
1-я экваториальная система координат
Основная плоскость – плоскость небесного экватора
1) ÐmOM = d (склонение)
0 £ d £ 90 0
–90 0 £ d £ 0
или ÐPOM = p (полюсное расстояние)
0 £ p £ 180 0
p + d = 90 0
2) ÐQOm = t (часовой угол)
0 £ t £ 360 0
или 0 h £ t £ 24 h
Все горизонтальные координаты (h , z , A ) и часовой угол t первой экваториальной СК непрерывно изменяются в процессе суточного вращения небесной сферы.
Склонение d не изменяется.
Необходимо ввести вместо t такую экваториальную координату, которая бы отсчитывалась от фиксированной на небесной сфере точки.
2-я экваториальная система координат
О
сновная
плоскость – плоскость небесного экватора
1) ÐmOM = d (склонение)
0 £ d £ 90 0
–90 0 £ d £ 0
или ÐPOM = p (полюсное расстояние)
0
£
p
£
180 0
p + d = 90 0
2) Ð ¡Om = a (прямое восхождение)
или 0 h £ a £ 24 h
Горизонтальная СК используется для определения направления на светило относительно земных объектов.
1-я экваториальная СК используется преимущественно при определении точного времени.
2
-я
экваториальная СК является общепринятой
в астрометрии.
Эклиптическая СК
Основная плоскость – плоскость эклиптики E¡E"d
Плоскость эклиптики наклонена к плоскости небесного меридиана под углом ε = 23 0 26"
ПП" – ось эклиптики
E – точка летнего солнцестояния
E" – точка зимнего солнцестояния
1) ¡m = λ (эклиптическая долгота)
2) mM = b (эклиптическая широта)
5.Суточное вращение небесной сферы на разных широтах исвязанные с ним явления. Суточное движение Солнца. Смена сезонов и тепловыепояса.
Измерения высоты Солнца в полдень (т.е. в момент его верхней кульминации) на одной и той же географической широте показали, что склонение Солнца d в течение года изменяется в пределах от +23 0 36" до –23 0 36", два раза проходя через нуль.
Прямое восхождение Солнца a на протяжении года также постоянно изменяется от 0 до 360 0 или от 0 до 24 h .
Рассматривая непрерывное изменение обеих координат Солнца, можно установить, что оно перемещается среди звёзд с запада на восток по большому кругу небесной сферы, который называется эклиптикой .
20-21 марта Солнце находится в точке ¡, его склонение δ = 0 и прямое восхождение a = 0. В этот день (весеннего равноденствия) Солнце восходит точно в точке E и заходит в точке W . Максимальная высота центра Солнца над горизонтом в полдень этого дня (верхняя кульминация): h = 90 0 – φ + δ = 90 0 – φ
Затем Солнце сдвинется по эклиптике ближе к точке E, т.е. δ > 0 и a > 0.
21-22 июня Солнце находится в точке E, его склонение максимально δ = 23 0 26", а прямое восхождение a = 6 h . В полдень этого дня (летнего солнцестояния) Солнце поднимается на максимальную высоту над горизонтом: h = 90 0 – φ + 23 0 26"
Т.о., в средних широтах Солнце НИКОГДА не бывает в зените
Широта Минска φ = 53 0 55"
Затем Солнце сдвинется по эклиптике ближе к точке d, т.е. δ начнёт уменьшаться
Около 23 сентября Солнце придёт в точку d, его склонение δ = 0, прямое восхождение a = 12 h . Этот день (начало астрономической осени) называется днём осеннего равноденствия.
22-23 декабря Солнце окажется в точке E", его склонение минимально δ = – 23 0 26", а прямое восхождение a = 18 h .
Максимальная высота над горизонтом: h = 90 0 – φ – 23 0 26"
Изменение экваториальных координат Солнца в течение года происходит неравномерно.
Склонение изменяется быстрее всего при движении Солнца вблизи точек равноденствий, и медленнее всего – вблизи точек солнцестояний.
Прямое восхождение, наоборот, медленнее изменяется вблизи точек равноденствий, и быстрее – вблизи точек солнцестояний.
Видимое движение Солнца по эклиптике связано с действительным движением Земли по своей орбите вокруг Солнца, а также с тем фактом, что ось вращения Земли не перпендикулярна плоскости её орбиты, а составляет угол ε = 23 0 26".
Если бы ε = 0, то на любой широте в любой день года день был бы равен ночи (без учёта рефракции и размера Солнца).
Полярные дни, длящиеся от 24 h до полугода и соответствующие ночи, наблюдаются за полярными кругами, широты которых определяются условиями:
φ = ±(90 0 – ε) = ± 66 0 34"
Положение оси мира и, следовательно, плоскости небесного экватора, а также точек ¡ и d не постоянно, а периодически изменяется.
Вследствие прецессии земной оси ось мира описывает конус вокруг оси эклиптики с углом раствора ~23,5 0 за 26 000 лет.
Вследствие возмущающего действия планет кривые, описываемые полюсами мира, не замыкаются, а стягиваются в спираль.
Т
.к.
и плоскость небесного экватора, и
плоскость эклиптики медленно изменяют
свое положение в пространстве, то точки
их пересечения (¡
и d)
медленно перемещаются к западу.
Скорость перемещения (общая годовая прецессия в эклиптике) за год: l = 360 0 /26 000 = 50,26"".
Общая годовая прецессия в экваторе: m = l cos ε = 46,11"".
В начале нашей эры точка весеннего равноденствия находилась в созвездии Овна, от которого и получила своё обозначение (¡), а точка осеннего равноденствия – в созвездии Весов (d). С тех пор точка ¡ переместилась в созвездие Рыб, а точка d – в созвездие Девы, но их обозначения остались прежними.
| " |
Точки и линии небесной сферы - как найти альмукантарат, где проходит небесный экватор, что представляет собой небесный меридиан.
Что представляет собой Небесная сфера
Небесная сфера — абстрактное понятие, воображаемая сфера бесконечно большого радиуса, центром которой является наблюдатель. При этом центр небесной сферы как бы находится на уровне глаз наблюдателя (иными словами, все что вы вы видите над головой от горизонта до горизонта — и есть эта самая сфера). Впрочем, для простоты восприятия, можно считать центром небесной сферы и центр Земли, никакой ошибки в этом нет. Положения звезд, планет, Солнца и Луны на сферу наносят в таком положении, в каком они видны на небе в определенный момент времени из данной точки нахождения наблюдателя.
Иными словами, хотя наблюдая положение светил на небесной сфере, мы, находясь в разных местах планеты, постоянно будем видеть несколько различную картину, зная принципы «работы» небесной сферы, взглянув на ночное небо мы без труда сможем сориентироваться на местности пользуясь простой техникой. Зная вид над головой в точке А, мы сравним его в с видом неба в точке Б, и по отклонениям знакомых ориентиров, сможем понять где именно находимся сейчас.
Люди давно уже придумали целый ряд инструментов облегчающих нашу задачу. Если ориентироваться по «земному» глобусу просто с помощью широты и долготы, то целый ряд подобных элементов — точек и линий, предусмотрен и для «небесного» глобуса — небесной сферы.
Небесная сфера и положение наблюдателя. Если наблюдатель сдвинется, то сдвинется и вся видимая им сфера
Элементы небесной сферы
Небесная сфера имеет ряд характерных точек, линий и кругов, рассмотрим основные элементы небесной сферы.
Вертикаль наблюдателя
Вертикаль наблюдателя - прямая, проходящая через центр небесной сферы и совпадающая с направлением нити отвеса в точке наблюдателя. Зенит - точка пересечения вертикали наблюдателя с небесной сферой, расположенная над головой наблюдателя. Надир - точка пересечения вертикали наблюдателя с небесной сферой, противоположная зениту.
Истинный горизонт - 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 (Земная ось) - прямая, вокруг которой происходит видимое суточное вращение небесной сферы. 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, а противоположный полюс называется Южным полюсом .
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.
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.
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 небесного экватора .
Вертикал светила
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 , - большой круг на небесной сфере, проходящий через полюсы мира и светило.
Малый круг на небесной сфере, проведенный через светило параллельно плоскости небесного экватора. Видимое суточное движение светил происходит по суточным параллелям.
Альмукантарат светила
Альмукантарат светила - малый круг на небесной сфере, проведенный через светило параллельно плоскости истинного горизонта.
Все отмеченные выше элементы небесной сферы активно используются для решения практических задач ориентирования в пространстве и определения положения светил. В зависимости от целей и условий измерения применяют две отличающиеся системы сферических небесных координат .
В одной системе светило ориентируют относительно истинного горизонта и называют эту систему , а в другой - относительно небесного экватора и называют .
В каждой из этих систем положение светила на небесной сфере определяется двумя угловыми величинами подобно тому, как при помощи широты и долготы определяется положение точек на поверхности Земли.
§ 48. Небесная сфера. Основные точки, линии и круги на небесной сфере
Небесной сферой называют сферу любого радиуса с центром в произвольной точке пространства. За ее центр, в зависимости от постановки задачи, принимают глаз наблюдателя, центр инструмента, центр Земли и т. д.Рассмотрим основные точки и круги небесной сферы, за центр О которой принят глаз наблюдателя (рис. 72). Через центр небесной сферы проведем отвесную линию. Точки пересечения отвесной линии со сферой называют зенитом Z и надиром п.
Рис. 72.
Плоскость, проходящую через центр небесной сферы перпендикулярно отвесной линии, называют плоскостью истинного горизонта. Эта плоскость, пересекаясь с небесной сферой, образует окружность большого круга, называемую истинным горизонтом. Последний делит небесную сферу на две части: надгоризонтную и подгоризонтную.
Прямую, проходящую через центр небесной сферы параллельно земной оси, называют ось ю мира. Точки пересечения оси мира с небесной сферой называются полюсами мира. Один из полюсов, соответственно полюсам Земли, называют северным полюсом мира и обозначают Pn, другой - южным полюсом мира Ps.
Плоскость QQ", проходящую через центр небесной сферы перпендикулярно оси мира, называют плоскостью небесного экватора. Эта плоскость, пересекаясь с небесной сферой,образует окружность большого круга - небесный экватор, который делит небесную сферу на северную и южную части.
Большой круг небесной сферы, проходящий через полюсы мира, зенит и надир, называют меридианом наблюдателя PN nPsZ. Ось мира делит меридиан наблюдателя на полуденную PN ZPs и полуночную PN nPs части.
Меридиан наблюдателя пересекается с истинным горизонтом в двух точках: точке севера N и точке юга S. Прямую, соединяющую точки севера и юга, называют полуденной линией.
Если из центра сферы смотреть в точку N, то справа будет точка востока O st , а слева - точка запада W. Малые круги небесной сферы аа", параллельные плоскости истинного горизонта, называют альмукантаратами; малые bb" параллельные плоскости небесного экватора, - небесными параллелями.
Круги небесной сферы Zon, проходящие через точки зенита и надира, называют вертикалами. Вертикал, проходящий через точки востока и запада, называют первым вертикалом.
Круги небесной сферы PNoPs, проходящие через полюсы мира, называют кругами склонения.
Меридиан наблюдателя является одновременно вертикалом и кругом склонения. Он делит небесную сферу на две части - восточную и западную.
Полюс мира, расположенный над горизонтом (под горизонтом), называют повышенным (пониженным) полюсом мира. Наименование повышенного полюса мира всегда одноименно с наименованием широты места.
Ось мира с плоскостью истинного горизонта составляет угол, равный географической широте места.
Положение светил на небесной сфере определяют при помощи сферических координатных систем. В мореходной астрономии применяются горизонтная и экваториальная системы координат.
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 мо-мент времени из данной точки.
Небесная сфера вращается. В этом нетрудно убедиться, просто наблюдая изменение поло-жения небесных светил относительно наблюдателя или гори-зонта. Если направить фотоаппарат на звезду Малой Медведицы и открыть объектив на несколько часов, то изображения звёзд на фотопластинке опишут дуги, центральные углы ко-торых одинаковы (рис. 17). Материал с сайта
Из-за вращения небесной сферы каждое светило движется по малому кругу, плоскость которого параллельна плоскости экватора — суточной параллели . Как видно из рисунка 18, суточная параллель может пересекать математический гори-зонт, но может и не пересекать его. Пересечение горизонта светилом называется восходом светила , если оно переходит в верхнюю часть небесной сферы, и заходом при переходе све-тила в нижнюю часть небесной сферы. В том случае, если су-точная параллель, по которой движется светило, не пересека-ет горизонта, светило называется невосходящим либо незахо-дящим в зависимости от того, где оно находится: всегда в верхней или всегда в нижней части небесной сферы.
