Что в астрономии понимается под небесной сферой. Небесная сфера
Вспомогательная небесная сфера
Системы координат, используемые в геодезической астрономии
Географические широты и долготы точек земной поверхности и азимуты направлений определяются из наблюдений небесных светил – Солнца и звезд. Для этого необходимо знать положение светил как относительно Земли, так и относительно друг друга. Положения светил могут задаваться в целесообразно выбранных системах координат. Как известно из аналитической геометрии, для определения положения светила s можно использовать прямоугольную декартову систему координат XYZ или полярную a,b, R (рис.1).
В прямоугольной системе координат положение светила s определяется тремя линейными координатамиX,Y,Z. В полярной системе координат положение светила s задается одной линейной координатой, радиусом-вектором R = Оs и двумя угловыми: углом a между осью X и проекцией радиуса-вектора на координатную плоскость XOY, и углом b между координатной плоскостью XOY и радиусом-вектором R. Связь прямоугольных и полярных координат описывается формулами
X = R cos b cos a,
Y = R cos b sin a,
Z = R sin b,
Эти системы используются в тех случаях, когда линейные расстояния R = Os до небесных светил известны (например, для Солнца, Луны, планет, искусственных спутников Земли). Однако для многих светил, наблюдаемых за пределами Солнечной системы, эти расстояния либо чрезвычайно велики по сравнению с радиусом Земли, либо неизвестны. Чтобы упростить решение астрономических задач и обходиться без расстояний до светил, полагают, что все светила находятся на произвольном, но одинаковом расстоянии от наблюдателя. Обычно это расстояние принимают равным единице, вследствие чего положение светил в пространстве может определяться не тремя, а двумя угловыми координатами a и b полярной системы. Известно, что геометрическое место точек, равноудаленных от данной точки “О”, есть сфера с центром в этой точке.
Вспомогательная небесная сфера – воображаемая сфера произвольного или единичного радиуса, на которую проецируются изображения небесных светил (рис. 2). Положение любого светила s на небесной сфере определяется при помощи двух сферических координат, a и b:
x = cos b cos a,
y = cos b sin a,
z = sin b.
В зависимости от того, где расположен центр небесной сферы О, различают:
1)топоцентрическую небесную сферу - центр находится на поверхности Земли;
2)геоцентрическую небесную сферу – центр совпадает с центром масс Земли;
3)гелиоцентрическую небесную сферу – центр совмещен с центром Солнца;
4) барицентрическую небесную сферу – центр находится в центре тяжести Солнечной системы.
Основные круги, точки и линии небесной сферы изображены на рис.3.
Одним из основных направлений относительно поверхности Земли является направление отвесной линии , или силы тяжести в точке наблюдения. Это направление пересекает небесную сферу в двух диаметрально противоположных точках - Z и Z". Точка Z находится над центром и называется зенитом , Z" – под центром и называетсянадиром .
Проведем через центр плоскость, перпендикулярную отвесной линии ZZ". Большой круг NESW, образованный этой плоскостью, называетсянебесным (истинным) или астрономическим горизонтом . Это есть основная плоскость топоцентрической системы координат. На ней имеются четыре точки S, W, N, E, где S - точка Юга , N - точка Севера , W - точка Запада , E - точка Востока . Прямая NS называетсяполуденной линией .
Прямая P N P S , проведенная через центр небесной сферы параллельно оси вращения Земли, называется осью Мира . Точки P N - северный полюс мира ; P S - южный полюс мира . Вокруг оси Мира происходит видимое суточное движение небесной сферы.
Проведем через центр плоскость, перпендикулярную оси мира P N P S . Большой круг QWQ"E, образованный в результате пересечения этой плоскостью небесной сферы, называетсянебесным (астрономическим) экватором . Здесь Q - верхняя точка экватора (над горизонтом), Q"- нижняя точка экватора (под горизонтом). Небесный экватор и небесный горизонт пересекаются в точках W и E.
Плоскость P N ZQSP S Z"Q"N, содержащая в себе отвесную линию и ось Мира, называется истинным (небесным) или астрономическим меридианом. Это плоскость параллельна плоскости земного меридиана и перпендикулярна к плоскости горизонта и экватора. Ее называютначальной координатной плоскостью.
Проведем через ZZ" вертикальную плоскость, перпендикулярную небесному меридиану. Полученный круг ZWZ"E называется первым вертикалом .
Большой круг ZsZ", по которому вертикальная плоскость, проходящая через светило s, пересекает небесную сферу, называетсявертикалом или кругом высот светила .
Большой круг P N sP S , проходящий через светило перпендикулярно небесному экватору, называется кругом склонения светила .
Малый круг nsn", проходящий через светило параллельно небесному экватору, называетсясуточной параллелью. Видимое суточное движение светил происходит вдоль суточных параллелей.
Малый круг аsа", проходящий через светило параллельно небесному горизонту, называется кругом равных высот , или альмукантаратом .
В первом приближении орбита Земли может быть принята за плоскую кривую - эллипс, в одном из фокусов которого находится Солнце. Плоскость эллипса, принимаемого за орбиту Земли, называетсяплоскостьюэклиптики .
В сферической астрономии принято говорить овидимом годичном движении Солнца. Большой круг ЕgЕ"d, по которому происходит видимое движение Солнца в течение года, называетсяэклиптикой . Плоскость эклиптики наклонена к плоскости небесного экватора на угол, примерно равный 23.5 0 . На рис. 4 показаны:
g – точка весеннего равноденствия;
d – точка осеннего равноденствия;
Е – точка летнего солнцестояния; Е" – точка зимнего солнцестояния; R N R S – ось эклиптики; R N - северный полюс эклиптики; R S - южный полюс эклиптики; e - наклон эклиптики к экватору.
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.
Вы спрашивали...
Как принято обозначать самые яркие звезды в созвездии?
Ответ. На звездных картах и в литературе самую яркую звезду в созвездии обозначают греческой буквой а (альфа), за ней следует менее яркая b (бета), за ней гамма и т.д. Кроме этого применяют обозначение в цифрах, например: звезда 61 Лебедя. Некоторые типы звезд имеют специальные обозначения: так переменные звезды обозначают латинскими буквами.
Когда я смотрю на небо, то мне кажется что над моей головой простирается сферический купол усеянный звездами. Как это объяснить?
Ответ. Кажущийся сферический купол объясняется особенностью нашего глаза не улавливать разницы в расстояниях, если эти расстояния превосходят 500 метров.
Почему полярная звезда почти не меняет своего положения?
Ответ. Потому что она находится вблизи полюса мира.
Как располагается ось мира относительно земной оси? Ответ. Ось мира параллельна оси вращения Земли.
Что такое надир? Ответ. Точка противоположная зениту.
Звезды заметно меняют свое положение из месяца в месяц из сезона к сезону. Скажите, почему вид звездного неба через год повторяется? Ответ. Вспомните, период обращения Земли вокруг Солнца- год.
Какой небесный круг все светила пересекают дважды в сутки? Ответ. Небесный меридиан.
Можно ли по виду звездного неба определить, что Вы находитесь на Северном полюсе Земли?
Ответ. Да. Полярная звезда всегда будет видна почти в зените, при суточном вращении земли звезды не восходят и не заходят. Над горизонтом видны только звезды северного полушария.
Правда ли, что Солнце неравномерно вращается вокруг своей оси?
Ответ. Так как Солнце - раскаленный плазменный шар, то экваториальные области имеют период - 25 суток, а полюсные - 30.
Какое полное затмение (солнечное или лунное) продолжительнее?
Ответ. Чтобы Луна прошла сквозь земную тень, требуется значительное время, тогда как лунная тень, имеющая меньшие размеры, быстро проходит через данный пункт Земли.
О Луне...
В течение лунных суток температура на Луне изменяется на 300 град.С. (+130 град. на солнечной стороне, - 170 -на противоположной). Чем объяснить такие значительные перепады температур?
Ответ. Поверхность Луны обладает малой теплопроводностью и имеет большую пористость.
Правда ли, что первый отпечаток ноги астронавта Нейла Армстронга на Луне даже через миллион лет будет выглядеть точно так же, как 20 июля 1969 года?
Ответ. Вполне вероятно, так как на Луне давно завершилась эпоха активного вулканизма, практически прекратилась бомбардировка поверхности метеоритами. Отсутствие атмосферы - говорит о невозможности появления ветра, дождя.
Объясните, почему Луна в среднем восходит каждый день позже на 50 минут, чем накануне?
Ответ. Луна быстрее перемещается на фоне звездного неба, чем другие планеты, которые более удалены от Земли. Скорость составляет 13 градусов в сутки с запада на восток, в направлении, противоположном суточному вращению небесной сферы, поэтому к небесному меридиану приходит с опозданием в 50 минут. Почему планеты двигаются петлеобразно?
А знаете ли Вы?
Диковины Магеллановых облаков
Франческо Антонио Пигафетта, 28-летний уроженец города Винченцы, знаток математики и морского дела, в 1519 г. решил принять уча стие в первом кругосветном путешествии. Вместе с Магелланом он отправился в южное полушарие Земли, через узкий пролив на юге американского континента проник в Тихий океан и, переплыв его, участвовал в битве с аборигенами Филиппинских островов. В этой битве, как известно, Магеллан погиб, а тяжело раненный Пигафетта осенью 1522 г. вернулся в Севилью и подробно описал все, что видел во время своего длительного путешествия. Ему особенно запомнились стоящие высоко в небе странные светящиеся облака, напоминающие обрывки Млечного Пути. Они неуклонно сопровождали экспедицию Магеллана и совсем не походили на обычную облачность. В честь великого путешественника Пигафетта назвал их Магеллановыми Облаками. Так впервые европеец увидел бли жайшие к нам галактики, совершенно, впрочем не отдавая себе отчета, что это такое. Магеллановы Облака сравнительно близки к нам. Большое отстоит от центра нашей Галактики на расстоянии 182000 св. лет, Ма лое - чуть ближе (165000 св. лет). Поперечник Большого Облака около 33000 св. лет, Малого Облака - примерно втрое меньше. В сущности, это громадные звездные системы, из которых большая объединяет 6 миллиардов звезд, меньшая - около полумиллиарда. В Магеллановых Облаках видны двойные и переменные звезды, звездные скопления и туманности разных типов. Примечательно, что в Большом Облаке очень много голубых сверхгигантских звезд, каждая из которых по светимости в десятки тысяч раз ярче Солнца. Оба облака принадлежат к типу неправильных галактик, но в Большом Облаке наблюдатели еще давно заметили, что оба облака когда-то были спиральными галактиками, как и наша звездная система. Ныне они погружены разряженную газовую вуаль, которая тянется в сторону Галактики, и таким образом оба облака и наша звездная спи раль представляют собой тройную галактику. В Большом Магеллановом Облаке давно известна звезда S из созвездия Золотая Рыба. Это белая горячая гигантская звезда необычайной яркости. Она испускает свет, в миллион раз интенсивнее Солнца. Бели бы S Золотой Рыбы поместить на месте Альфы Центавра, она светила бы ночью впятеро ярче полной Луны. Светлячок и мощнейший прожектор - таково примерно соотношение в яркости между Солнцем и S Золотой Рыбы. Если бы эту удивительную звезду удалось поместить на место Солнца, она заняла бы пространство почти до орбиты Марса и Земля очутилась бы внутри звезды! Но этим звездным исполином не ограничиваются чудеса Ма геллановых Облаков. В том же созвездии Золотой Рыбы, где видно Большое Магелланово Облако, блестит «странная туманность, представляющаяся в каком-то разбросанном и растерзанном виде», - как писал когда-то Фламмарион. Вероятно, из-за этого облика газовая туманность названа Тарантулом. Она достигает в поперечнике 660 св. лет, и из вещества Тарантула можно было бы изготовить 5 миллионов Солнц. Ничего похожего в нашей Галактике нет, и самая большая в ней газопылевая туманность во много раз меньше Тарантула. Если бы Тарантул оказался на месте известной туманности Ориона, то он занял бы все созвездие и свет от него был бы так ярок, что по ночам земные предметы отбрасывали бы тень. Источник. Астрономия.11 класс: поурочные планы по учебнику Е.П.Левитана /авт.-сост. В.Т.Оськина.- Волгоград: Учитель, 2007.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.
| 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.
