2.1.1. Основные плоскости, линии и точки небесной сферы

Небесной сферой называется воображаемая сфера произвольного радиуса с центром в выбранной точке наблюдения, на поверхности которой расположены светила так, как они видны на небе в некоторый момент времени из данной точки пространства. Чтобы правильно представлять себе астрономическое явление, необходимо считать радиус небесной сферы намного больше радиуса Земли (R сф >> R Земли), т. е. полагать, что наблюдатель находится в центре небесной сферы, причём одна и та же точка небесной сферы (одна и та же звезда) видна из разных мест земной поверхности по параллельным направлениям.

Под небесным сводом или небом обычно понимают внутреннюю поверхность небесной сферы, на которую проектируются небесные тела (светила). Для наблюдателя на Земле днем на небе видно Солнце, иногда Луна, еще реже Венера. В безоблачную ночь видны звёзды, Луна, планеты, иногда кометы и другие тела. Звёзд, видимых невооруженным глазом, около 6000. Взаимное расположение звезд почти не меняется из-за больших расстояний до них. Небесные тела, относящиеся к Солнечной системе, изменяют свое положение относительно звёзд и друг друга, что определяется их заметным угловым и линейным суточным и годовым смещением.

Небесный свод вращается как единое целое со всеми находящимися на нем светилами около воображаемой оси. Это вращение – суточное. Если наблюдать суточное вращение звёзд в северном полушарии Земли и лицом стоять к северному полюсу, то вращение неба будет происходить против часовой стрелки.

Центр О небесной сферы – точка наблюдения. Прямая ZOZ", совпадающая с направлением нити отвеса в месте наблюдения, называется отвесной или вертикальной линией. Отвесная линия пересекается с поверхностью небесной сферы в двух точках: в зените Z, над головой наблюдателя, и в диаметрально противоположной точке Z" – надире. Большой круг небесной сферы (SWNE), плоскость которого перпендикулярна к отвесной линии, называется математическим или истинным горизонтом. Математический горизонт – плоскость, касательная к поверхности Земли в точке наблюдения. Малый круг небесной сферы (аМа"), проходящий через светило М, и плоскость которого параллельна плоскости математического горизонта, называется альмукантаратом светила. Большой полукруг небесной сферы ZMZ" называется кругом высоты, вертикальным кругом, или просто вертикалом светила.

Диаметр РР", вокруг которого происходит вращение небесной сферы, называется осью мира. Ось мира пересекается с поверхностью небесной сферы в двух точках: в северном полюсе мира Р, со стороны которого вращение небесной сферы происходит по часовой стрелке, если смотреть на сферу извне, и в южном полюсе мира Р". Ось мира наклонена к плоскости математического горизонта под углом, равным географической широте точки наблюдения φ. Большой круг небесной сферы QWQ"E, плоскость которого перпендикулярна к оси мира, называется небесным экватором. Малый круг небесной сферы (bМb"), плоскость которого параллельна плоскости небесного экватора, называется небесной или суточной параллелью светила М. Большой полукруг небесной сферы РМР* называется часовым кругом или кругом склонения светила.

Небесный экватор пересекается с математическим горизонтом в двух точках: в точке востока Е и в точке запада W. Круги высот, проходящие через точки востока и запада, называются первыми вертикалами – восточным и западным.

Большой круг небесной сферы PZQSP"Z"Q"N, плоскость которого проходит через отвесную линию и ось мира, называется небесным меридианом. Плоскость небесного меридиана и плоскость математический горизонта пересекаются по прямой линии NOS, которая называется полуденной линией. Небесный меридиан пересекается с математический горизонтом в точке севера N и в точке юга S. Небесный меридиан пересекается с небесным экватором также в двух точках: в верхней точке экватора Q, которая ближе к зениту, и в нижней точке экватора Q", которая ближе к надиру.

2.1.2. Светила, их классификация, видимые движения.
Звёзды, Солнце и Луна, планеты

Для того, чтобы ориентироваться по небу, яркие звезды объединены в созвездия. Всего созвездий на небе 88, из которых 56 видны для наблюдателя, находящегося в средних широтах северного полушария Земли. Все созвездия имеют собственные имена, связанные с названиями животных (Большая Медведица, Лев, Дракон), именами героев греческой мифологии (Кассиопея, Андромеда, Персей) или названиями предметов, очертания которых напоминают (Северная Корона, Треугольник, Весы). Отдельные звезды в созвездиях обозначаются буквами греческого алфавита, а наиболее яркие из них (около 200) получили «собственные» имена. Например, α Большого Пса – «Сириус», α Ориона – «Бетельгейзе», β Персея – «Алголь», α Малой Медведицы – «Полярная звезда», около которой находится точка северного полюса мира. Пути Солнца и Луны на фоне звезд почти совпадают и приходят по двенадцати созвездиям, которые получили названия зодиакальных, поскольку большинство из них носит название животных (от греч. «зоон» – животное). К ним относятся созвездия Овна, Тельца, Близнецов, Рака, Льва, Девы, Весов, Скорпиона, Стрельца, Козерога, Водолея и Рыб.

Траектория движения Марса по небесной сфере в 2003 году

Солнце и Луна также всходят и заходят в течение суток, но, в отличие от звезд, в разных точках горизонта в течение года. Из непродолжительных наблюдений можно заметить, что Луна перемещается на фоне звезд, передвигаясь с запада на восток со скоростью около 13° в сутки, совершая полный круг по небу за 27,32 суток. Солнце также проходит этот путь, но в течение года, перемещаясь со скоростью 59" в сутки.

Ещё в древности были замечены 5 светил, похожих на звёзды, но «блуждающих» по созвездиям. Они были названы планетами – «блуждающими светилами». Позже были открыты ещё 2 планеты и большое количество более мелких небесных тел (карликовых планет, астероидов).

Планеты большую часть времени перемещаются по зодиакальным созвездиям с запада на восток (прямое движение), но часть времени – с востока на запад (попятное движение).

Your browser does not support the video tag. Движение звёзд по небесной сфере

Небо представляется наблюдателю как сферический купол, окружающий его со всех сторон. В связи с этим еще в глубокой древности возникло понятие небесной сферы (небесного свода) и определены ее основные элементы.

Небесной сферой называется воображаемая сфера произвольного радиуса, на внутренней поверхности которой, как представляется наблюдателю, расположены небесные светила. Наблюдателю всегда кажется, что он находится в центре небесной сферы (т. на рис. 1.1).

Рис. 1.1. Основные элементы небесной сферы

Пусть наблюдатель держит в руках отвес – небольшой массивный грузик на нити. Направление этой нити называют линией отвеса . Проведем линию отвеса через центр небесной сферы. Она пересечет эту сферу в двух диаметрально противоположных точках, называемых зенитом и надиром . Зенит находится точно над головой наблюдателя, а надир скрыт земной поверхностью.

Проведём через центр небесной сферы плоскость, перпендикулярную к отвесной линии. Она пересечет сферу по большому кругу, называемому математическим или истинным горизонтом . (Напомним, что круг, образованный сечением сферы плоскостью, проходящей через центр, называется большим ; если же плоскость рассекает сферу, не проходя через ее центр, то сечение образует малый круг ). Математический горизонт параллелен видимому горизонту наблюдателя, но не совпадает с ним.

Через центр небесной сферы проведём ось, параллельную оси вращения Земли, и назовём осью мира (по латыни – Axis Mundi). Ось мира пересекает небесную сферу в двух диаметрально противоположных точках, называемых полюсами мира. Полюсов мира два – северный и южный . За северный полюс мира принимается тот, по отношению к которому суточное вращение небесной сферы, возникающее вследствие вращения Земли вокруг своей оси, происходит против часовой стрелки, если смотреть на небо изнутри небесной сферы (как мы на него и смотрим). Вблизи северного полюса мира расположена Полярная звезда – Малой Медведицы – самая яркая звезда в этом созвездии.

Вопреки распространенному мнению, Полярная не является самой яркой звездой на звездном небе. Она имеет вторую звездную величину и не относится к ярчайшим звездам. Неопытный наблюдатель вряд ли быстро отыщет ее на небе. Искать Полярную звезду по характерной фигуре ковша Малой Медведицы непросто – остальные звезды этого созвездия еще слабее, чем Полярная, и надежными ориентирами быть не могут. Найти Полярную звезду на небосводе начинающему наблюдателю легче всего, ориентируясь по звездам расположенного рядом яркого созвездия Большой Медведицы (рис. 1.2). Если мысленно соединить две крайние звездочки ковша Большой Медведицы, и , и продолжить прямую линию до пересечения с первой более-менее заметной звездой, то это и будет Полярная звезда. Расстояние на небе от звезды Большой Медведицы до Полярной примерно в пять раз превышает расстояние между звездами и Большой Медведицы.

Рис. 1.2. Околополярные созвездия Большая медведица
и Малая Медведица

Южный полюс мира отмечен на небе еле заметной звездой Сигма Октанта.

Точка математического горизонта, наиболее близкая к северному полюсу мира, называется точкой севера . Самая отдаленная от северного полюса мира точка истинного горизонта – точка юга . Она же расположена ближе всего к южному полюсу мира. Линия в плоскости математического горизонта, проходящая через центр небесной сферы и точки севера и юга , называется полуденной линией .

Через центр небесной сферы перпендикулярно к оси мира проведём плоскость. Она пересечет сферу по большому кругу, называемому небесным экватором . Небесный экватор пересекается с истинным горизонтом в двух диаметрально противоположных точках востока и запада . Небесный экватор делит небесную сферу на две половины – северное полушарие с вершиной в северном полюсе мира и южное полушарие с вершиной в южном полюсе мира . Плоскость небесного экватора параллельна плоскости земного экватора.

Точки севера , юга , запада и востока называются сторонами горизонта .

Большой круг небесной сферы, проходящий через полюса мира и , зенит и надир Na , называется небесным меридианом . Плоскость небесного меридиана совпадает с плоскостью земного меридиана наблюдателя и перпендикулярна плоскостям математического горизонта и небесного экватора. Небесный меридиан делит небесную сферу на два полушария – восточное , с вершиной в точке востока , и западное , с вершиной в точке запада . Небесный меридиан пересекает математический горизонт в точках севера и юга . На этом основаны метод ориентации по звездам на земной поверхности. Если мысленно соединить точку зенита , лежащую над головой наблюдателя, с Полярной звездой и продолжить эту линию дальше, то точка ее пересечения с горизонтом и будет точкой севера . Небесный меридиан пересекает математический горизонт по полуденной линии.

Малый круг, параллельный истинному горизонту, называется альмукантарат (по-арабски – круг равных высот). На небесной сфере можно провести сколько угодно альмукантаратов.

Малые круги, параллельные небесному экватору, называются небесными параллелями , их также можно провести бесконечно много. Суточное движение звёзд происходит вдоль небесных параллелей.

Большие круги небесной сферы, проходящие через зенит и надир , называются кругами высоты или вертикальными кругами (вертикалами) . Вертикальный круг, проходящий через точки востока и запада W , называется первым вертикалом . Плоскости вертикалов перпендикулярны математическому горизонту и альмукантаратам.

Большие круги, проходящие через полюса мира и , называются часовыми кругами или кругами склонения . Плоскости часовых кругов перпендикулярны небесному экватору и небесным параллелям.

Небесный меридиан является одновременно и вертикальным кругом, и кругом склонения, поэтому его плоскость перпендикулярна и математическому горизонту, и небесному экватору.

В какой бы точке на поверхности Земли не находился наблюдатель, он всегда видит суточное вращение небесной сферы, происходящее вокруг оси мира. Наблюдателю при этом кажется, что каждое светило небосвода описывает в течение суток окружность вокруг Полярной звезды, то есть двигается по небесной параллели.

Пусть наблюдатель находится на поверхности Земли в точке с географической широтой . Изобразим схематично земной шар и наблюдателя на нем (рис. 1.3). Отметим положения основных элементов небесной сферы в проекции на плоскость географического меридиана наблюдателя.

Из рис. 1.3 видно, что угол наклона оси мира к плоскости математического горизонта равен . Это позволяет нам сформулировать теорему о высоте Полярной звезды над горизонтом:

§ 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.

Небесная сфера (рис. 8.1) – воображаемая сфера произвольного радиуса, центром которой является наблюдатель (О).

Зенит (Z) – точка на небесной сфере, расположенная по вертикали над головой наблюдателя.

Надир (Z") – точка на небесной сфере, противоположная зениту.

Истинный горизонт (круг NESW) – большой круг на небесной сфере, плоскость которого перпендикулярна вертикальной линии (ZZ").

Вертикал светила (ZCZ") – большой круг небесной сферы, проходящий через зенит наблюдателя и данное светило. Он перпендикулярен к плоскости истинного горизонта. Вертикал, проходящий через точки E и W, называется первым вертикалом.

Рис. 8.1. Основные точки и круги на небесной сфере

Альмукантарат (DCD 1) – малый круг на небесной сфере, параллельный плоскости истинного горизонта.

Ось мира (PP") – прямая, параллельная оси вращения земли. Точки ее пересечения с небесной сферой P и P" называются полюсами мира, соответственно – северным и южным.

Небесный экватор (QWQ"E) – большой круг на небесной сфере, плоскость которого перпендикулярна оси мира.

Круг склонения (часовой круг) светила (PCP") – большой круг, проходящий через полюсы мира и светило.

Небесный меридиан (ZPQZ"P"Q") – большой круг на небесной сфере, проходящий через полюс и зенит наблюдателя. Пересечение его с истинным горизонтом в точке N называется точкой севера , в точке S – точкой юга .

Пересечение небесного экватора с истинным горизонтом в точке Е называется точкой востока , в точке W – точкой запада .

Полуденная линия – прямая, соединяющая точки N и S.

Суточная параллель светила (KCK 1) – малый круг на небесной сфере, проведенный через светило параллельно небесному экватору

8.3. Системы небесных координат

Горизонтальная система координат (ГСК) . В этой системе (рис. 8.2) основными кругами, относительно которых определяется место светила, являются истинный горизонт и небесный меридиан; координатами являются высота светила () и его азимут ().

Высота светила () – угол между плоскостью истинного горизонта и направлением на светило. Отсчитывается от 0° до ±90° (положительное значение к зениту от горизонта, отрицательное – к надиру).

Зенитное расстояние () – угол в плоскости вертикала от отвесной линии до направления на светило. Измеряется от 0° до 180° и является дополнением высоты до 90°

. (8.1)

Рис. 8.2. Горизонтальная система координат

Азимут светила () – угол в плоскости истинного горизонта между северным направлением полуденной линии и плоскостью вертикала светила. Измеряется от 0° до 360° в восточном направлении.

Экваториальная система координат (ЭСК) . В этой системе (рис. 8.3) основными кругами, относительно которых определяется место светила, являются небесный экватор и небесный меридиан. Координатами являются: склонение светила (), его часовой угол () и прямое восхождение (
).

Рис. 8.3. Экваториальная система координат

Склонение светила () – угол между плоскостью небесного экватора и направлением па светило. Измеряется от 0° до ±90° (положительное значение – к северу от экватора, отрицательное – к югу).

Часовой угол светила () – угол между южной частью плоскости небесного меридиана и плоскостью круга склонения светила. Измеряется от 0° до 180° в западном и восточном направлениях. В авиационном астрономическом ежегоднике (ААЕ) часовой угол дается западным в пределах от 0° до 360°.

Прямое восхождение светила (
) – угол между плоскостью круга склонения точки весеннего равноденствия и плоскостью круга склонения светила. Измеряется от 0° до 360° против суточного вращения небесного свода.

Основные точки, линии и плоскости небесной сферы Небесная сфера – воображаемая сфера произвольного радиуса с центром в произвольной точке, на поверхность которой проецируются светила так, как их видит наблюдатель из определённой точки пространства в некоторый момент времени. – ZZ’ отвесная (вертикальная линия) Z- зенит Z’ – надир

Основные точки, линии и плоскости небесной сферы PP’ – ось мира (совпадает с осью вращения Земли) P – северный полюс мира P’- южный полюс мира Небесный меридиан – большая окружность проходящая через полюса мира, зенит и надир Математический (истинный) горизонтбольшой круг небесной сферы, плоскость которого перпендикулярна к отвесной линии. Небесный меридиан и математический горизонт пересекаются в точках Севера (N) и Юга (S) пересечение происходит по полуденной линии

Основные точки, линии и плоскости небесной сферы Небесный экватор – большой круг небесной сферы, плоскость которого перпендикулярна к оси мира. Эклиптика – окружность небесной сферы по которой происходит видимое годичное движение Солнца Точки пересечения небесного экватора и эклиптики называются точками весеннего и равноденствия Точки отстоящие от точки весеннего равноденствия называются точками солнцестояния

Основные точки, линии и плоскости небесной сферы а а М Малый круг небесной сферы проходящий через светило и плоскость которого параллельна плоскости математического горизонта называется амульканторатом светила (а. Ма) Большой круг небесной сферы, проходящий через зенит, надир и светило называется кругом высоты, вертикальным кругом или вертикалом

Малый круг небесной сферы, плоскость которого параллельна плоскости небесного экватора, называется небесной или суточной параллелью светила. Большой полукруг небесной сферы, проходящий через полюсы мира и через светило, называется часовым кругом или кругом склонения.

Горизонтальная система координат В горизонтальной системе координат основной плоскостью является плоскость математического горизонта, отсчет ведется от зенита (z) или математического горизонта (h), и от одной из точек математического горизонта - точки юга. h - высота светила над горизонтом; z - зенитное расстояние светила, z = 90 - h; A - азимут светила, отсчитывается к западу от точки юга Вследствие вращения небесной сферы горизонтальные координаты непрерывно меняются, поэтому вместе с горизонтальными координатами светила необходимо указывать время их определения.

Экваториальная система координат I экваториальная система координат: - склонение светила: угол между плоскостью небесного экватора и светилом; t - часовой угол: угол между плоскостью небесного меридиана и направлением на светило, отсчитываемый в сторону суточного вращения неба, выражается в градусах или часах и минутах. II экваториальная система координат: - склонение светила, Р - полярное расстояние; P = 90 - ; - прямое восхождение: угол между точкой весеннего равноденствия и направлением на светило, отсчитываемый против часовой стрелки, выражается в часах и минутах или в градусах.

Вид звездного неба на экваторе На экваторе Земли суточные параллели небесных светил перпендикулярны математическому горизонту. Все светила являются восходяще-заходящими. Верхняя кульминация происходит вблизи зенита, нижняя - вблизи надира.

Вид звездного неба на полюсах На полюсах Земли суточные параллели светил (за исключением Луны и Солнца) параллельны математическому горизонту. Все светила (кроме Солнца и Луны) являются незаходящими или невосходящими. Небесный экватор параллелен (совпадает) с математическим горизонтом. Верхняя и нижняя кульминации совпадают.

Встрепенулись в марте рыбы, Встал в апреле овен сам, В мае вы к тельцу зашли бы, А в июне к близнецам. Погостил июль у рака солнце в августе у льва, В сентябре у девы злаки, В октябре на вес трава. Скорпион в ноябрь вползает, В декабре стрелец во мгле, В козий рог январь сгибает, Стунут воды в феврале.