ЭЛЕМЕНТЫ СФЕРИЧЕСКОЙ АСТРОНОМИИ

2 ЭЛЕМЕНТЫ СФЕРИЧЕСКОЙ АСТРОНОМИИ

2.1 Основные точки и линии небесной сферы

При изучении вида звездного неба пользуются понятием небесной сферы – воображаемой сферы произвольного радиуса, к внутренней поверхности которой как бы «подвешены» звезды. В центре этой сферы (в точке О) и находится наблюдатель (рисунок 1). Точка небесной сферы, расположенная прямо над головой наблюдателя, называется зенитом, противоположная ей – надиром. Точки пересечения воображаемой оси вращения Земли («оси мира») с небесной сферой называются полюсами мира. Проведем через центр небесной сферы три воображаемые плоскости: первую перпендикулярно к отвесной линии, вторую перпендикулярно к оси мира и третью – через отвесную линию (через центр сферы и зенит) и ось мира (через полюс мира). В результате на небесной сфере получим три больших круга (центры которых совпадают с центром небесной сферы): горизонт, небесный экватор и небесный меридиан. Небесный меридиан пересекается с горизонтом в двух точках: точке севера (N) и точка юга (S), небесный экватор – в точке востока (Е) и точке запада (W). Линия SN, определяющая направление «север – юг», называется полуденной линией.

Рисунок 1 – Основные точки и линии небесной сферы; стрелкой указано направление ее вращения

Видимое годичное передвижение центра диска Солнца среди звезд происходит по эклиптике – большому кругу, плоскость которого составляет с плоскостью небесного экватора угол е = 23°27^/. С небесным экватором эклиптика пересекается в двух точках (рисунок 2): в точке весеннего равноденствия Т (20 или 21 марта) и в точке осеннего равноденствия (22 или 23 сентября).

2.2 Небесные координаты

Как и на глобусе – уменьшенной модели Земли, на небесной сфере, можно построить координатную сетку, позволяющую определить координаты любого светила. Роль земных меридианов на небесной сфере играют круги склонений, проходящие от северного полюса мира к южному, вместо земных параллелей на небесной сфере проводятся суточные параллели. Для каждого светила (рисунок 2) можно найти:

1. Угловое расстояние а его круга склонения от точки весеннего равноденствия, измеренное вдоль небесного экватора против суточного движения небесной сферы (аналогично тому, как вдоль земного экватора мы измеряем географическую долготу X – угловое расстояние меридиана наблюдателя от нулевого гринвичского меридиана). Эта координата называется прямым восхождением светила.

2. Угловое расстояние светила б от небесного экватора– склонение светила, измеренное вдоль круга склонений, проходящего через это светило (соответствует географической широте).

Рисунок 2 – Положение эклиптики на небесной сфере; стрелкой указано направление видимого годичного движения Солнца

Прямое восхождение светила а измеряется в часовой мере – в часах (ч или h), минутах (м или т) и секундах (с или s) от 0^h до 24^h склонение б – в градусах, со знаком «плюс» (от 0° до +90°) по направлению от небесного экватора к северному полюсу мира и со знаком «минус» (от 0° до –90°) – к южному полюсу мира. В процессе суточного вращения небесной сферы эти координаты для каждого светила остаются неизменными.

Положение каждого светила на небесной сфере в данный момент времени можно описать и двумя другими координатами: его азимутом и угловой высотой над горизонтом. Для этого от зенита через светило к горизонту проводим мысленно большой круг – вертикал. Азимут светила А отсчитывается от точки юга S к западу до точки пересечения вертикала светила с горизонтом. Если же отсчет азимута ведется от точки юга против часовой стрелки, то ему приписывают знак минус. Высота светила h отсчитывается вдоль вертикала от горизонта до светила (рисунок 4). Из рисунка 1, видно, что высота полюса мира над горизонтом равна географической широте наблюдателя.

2.3 Кульминация светил

В процессе суточного вращения Земли каждая точка небесной сферы дважды проходит через небесный меридиан наблюдателя. Прохождение того или другого светила через ту часть дуги небесного меридиана, на которой расположен зенит наблюдателя, называется верхней кульминацией светила. При этом высота светила над горизонтом достигает наибольшего значения. В момент нижней кульминации светило проходит противоположную часть дуги меридиана, на которой находится надир. Временем, прошедшим после верхней кульминации светила, измеряется часовой угол светила U.

Если светило в верхней кульминации проходит через небесный меридиан к югу от зенита, то его высота над горизонтом в этот момент равна:

2.4 Сутки, звездные сутки

Постепенно поднимаясь вверх, Солнце достигает своего наивысшего положения на небе (момент верхней кульминации), после чего медленно опускается вниз, чтобы на несколько часов снова скрыться за горизонтом. Спустя 30 – 40 минут после захода Солнца, когда закончатся вечерние сумерки, на небе появляются первые звезды. Это правильное чередование дня и ночи, являющееся отображением вращения Земли вокруг своей оси, и дало людям естественную единицу времени – сутки.

Итак, сутки – это промежуток времени между двумя последовательными одноименными кульминациями Солнца. За начало истинных солнечных суток принимают момент нижней кульминации центра диска Солнца (полночь). В согласии с традицией, которая пришла к нам из Древнего Египта и Вавилонии, сутки делятся на 24 часа, каждый час – на 60 минут, каждая минута - на 60 секунд. Время Т₀, измеренное от нижней кульминации центра диска Солнца, называется истинным солнечным временем.

Но Земля является шаром. Поэтому свое собственное (местное) время будет одинаковым лишь для пунктов, находящихся на одном и том же географическом меридиане.

Уже говорилось о вращении Земли вокруг своей оси относительно Солнца. Оказалось удобным и даже необходимым ввести еще одну единицу времени – звездные сутки, как промежуток времени между двумя последовательными одноименными кульминациями одной и той же звезды. Так как, вращаясь вокруг оси, Земля еще и движется по своей орбите, то звездные сутки короче солнечных почти на четыре минуты. В году же звездных суток ровно на единицу больше, чем солнечных.

За начало звездных суток принят момент верхней кульминации точки весеннего равноденствия. Отсюда звездное время – это время, истекшее с момента верхней кульминации точки весеннего равноденствия. Оно измеряется часовым углом точки весеннего равноденствия. Звездное время равно прямому восхождению светила, находящегося в данный момент времени в верхней кульминации (в это время часовой угол светила t = 0).

Уравнение времени говорит о том, что истинное Солнце в своем движении на небесной сфере то «обгоняет» среднее солнце, то «отстает» от него, и если время измеряется по среднему солнцу, то тени от всех предметов отбрасываются из-за их освещения истинным Солнцем. Предположим, что кто-то решил построить здание лицом к югу. Желаемое направление ему укажет полуденная линия: в момент верхней кульминации Солнца, когда оно, пересекая небесный меридиан, «проходит над точкой юга», тени от вертикальных предметов падают вдоль полуденной линии по направлению к северу. Поэтому для решения задачи достаточно подвесить на нити грузик и в упомянутый момент времени вбить колышки вдоль отброшенной нитью тени.

Но установить «на глаз», когда центр диска Солнца пересекает небесный меридиан, невозможно, этот момент следует рассчитать заранее.

Звездное время используем для определения того, какие участки звездного неба (созвездия) будут видны над горизонтом в то или другое время суток и года. В каждый конкретный момент времени в верхней кульминации находятся те звезды, для которых а = 5. Рассчитывая звездное время s, и определяем условия видимости звезд и созвездий.