Небесная сфера: понятие, элементы, отвесная линия, суточное вращение, системы координат

Из статьи вы узнаете: что такое небесная сфера, как она устроена, что такое отвес и какие понятия с ним связаны, как происходит суточное вращение и какие существуют сферические системы координат. А также как меняется вид звездного неба в зависимости от времени года, дня и места, где вы находитесь.

Что такое небесная сфера

Долгое время люди считали Землю плоским диском, и что все небесные тела вращаются вокруг него в небесном куполе. Дни невежества давно прошли, и с выходом в космос нет никаких сомнений в том, что Земля сферическая. Но понятие купола трансформировалось в понятие «небесная сфера”.

Небесная сфера – это сфера неограниченного размера, на нее проецируются все видимые звезды. В центре находится наблюдатель, из которого строится вся сфера, независимо от того, находится он на Земле или на борту космической станции. Эта проекция предназначена для упрощения решения астрономических задач.

Небесная сфера: понятие, элементы, отвес, суточное вращение, системы координат

Небесная сфера

Каждый элемент космоса проецируется на небесную сферу Земли. Астрономы часто используют разные системы координат для решения разных задач, но все они одинаковы. Наука, изучающая расположение звезд на сфере, называется сферической астрономией и включает в себя специальные виды механики и тригонометрии, которые были разработаны именно для работы с поверхностью шара, а не плоскостями, как большинство тригонометрических наук.

Элементы небесной сферы

Небесная сфера включает в себя не только расположение всех звезд, но и множество ориентиров, по которым ученые могут четко определить, измерить и предсказать движение звезд. Важно понимать, что в большинстве расчетов сфера — это просто рисунок, на котором указаны многие из обсуждаемых ниже условностей.

Отвесная линия и связанные с ней понятия

Отвес, также известный как вертикальная линия, — это ось, совпадающая с положением нити воображаемого маятника (отвеса), помещенного в центр сферы. Эта линия пересекает его в двух точках: точно над головой наблюдателя (в зените) и под ногами (в надире). Это главная ось небесной сферы в горизонтальной системе координат.

Небесная сфера: понятие, элементы, отвес, суточное вращение, системы координат

Главная ось небесной сферы

Астрономический (истинный) горизонт – это большой круг небесной сферы, плоскость которого строго перпендикулярна отвесу. Он делит сферу на две равные части: видимую полусферу, лежащую над наблюдателем, и невидимую, лежащую ниже. Ошибочно полагать, что при взгляде с земли истинный горизонт будет совпадать с видимым. Их положение будет разным из-за искривления светила и того, что точка наблюдения разорвана земной поверхностью.

Небесная сфера: понятие, элементы, отвес, суточное вращение, системы координат

Астрономический горизонт

Для навигации по небесной сфере она имеет свою координатную сетку, но вместо осей ординат и абсцисс имеет высотные круги и альмукантараты.

Круг высот представляет собой плоскость, проходящую перпендикулярно астрономическому горизонту через зенит небесной сферы, надир и небесное тело. Альмукантарат, с другой стороны, представляет собой плоскость, параллельную истинному горизонту. Точка пересечения этих плоскостей с небесной сферой определяет сферическую координату звезды. 

Суточное вращение небесной сферы и связанные с ним понятия

Мировая ось аналогична оси вращения Земли. Он проходит через северный и южный небесные полюса, которые могут не совпадать с точками зенита и надира. Небесная сфера вращается вокруг этой прямой и строго против часовой стрелки. Небесный экватор — это, как и земной, линия, которая делит земной шар на две равные части — северное и южное полушарие. Небесный экватор перпендикулярен мировой оси и проходит строго через центр сферы. Круг света – это круг, обозначающий движение солнца по небесной сфере, проходящий через оба полушария и точку, в которой находится небесное тело. Суточная параллель — это окружность небесной сферы, по которой светильник совершает свое суточное движение, причем в северном полушарии все наблюдаемые светильники всегда движутся против часовой стрелки, а в южном полушарии — по часовой стрелке.

Вместе круги звезд и дневные параллели образуют еще одну систему координат, называемую экваториальной.

Термины, связанные с понятием “Отвесная линия” и “Вращение небесной сферы”

Поскольку небесный экватор и истинный горизонт представляют собой две окружности, они имеют только 2 точки пересечения. Их называют точками на западе и востоке. Небесные тела всегда поднимаются из-за горизонта около точки на востоке и заходят около точки на западе.

Полуокружность, соединяющая северный и южный полюса через восточную точку, называется первой вертикалью. Параллельно отвесу и оси мира проходит еще одна плоскость — небесный меридиан. Он делит сферу на два полушария — восточное и западное.

Небесная сфера: понятие, элементы, отвес, суточное вращение, системы координат

Небесный меридиан

Полуденная линия небесной сферы – это прямая линия, на которой пересекаются истинный горизонт и небесный меридиан. Пересечение этой линии с небесной сферой образует еще две новые точки: точку севера, которая находится ближе к северному полюсу, и точку юга, вблизи южного полюса.

Годовое движение Солнца по небесной сфере

Солнце движется по небесной сфере по определенному пути, называемому эклиптикой. Он образует круг, который отклоняется от небесного экватора на 23 градуса.

В день равноденствия эклиптика пересекает небесный экватор. Их называют точками весеннего и осеннего равноденствия, так как через них проходит солнце из северного полушария в южное и наоборот. Оба равноденствия соединены прямой линией, проходящей через центр сферы, называемой равноденствием.

Небесная сфера: понятие, элементы, отвес, суточное вращение, системы координат

Прямое восхождение и равноденствие

Если из центра точки равноденствия провести прямую линию перпендикулярно плоскости небесному экватору, то она обозначит еще две важные точки на небесной сфере — летнее и зимнее солнцестояния.

Чаще всего на схемах и моделях точки равноденствия и солнцестояния обозначаются зодиакальными символами, которым соответствовали созвездия, в которых расположены отметки на сфере:

  • Весеннее равноденствие — Овен;
  • Осеннее равноденствие — Весы;
  • Зимнее солнцестояние — Козерог;
  • Летнее солнцестояние — Рак

Еще одна важная прямая на небесной сфере — ось эклиптики. Она перпендикулярна плоскости эклиптики и проходит через центр сферы, отмечая на ней две точки — северный и южный полюса эклиптики.

Сферические системы координат

На поверхности небесной сферы проблематично использовать классическую трехмерную систему координат. Для этого была разработана специальная система небесных координат, с помощью которой астрономы могут фиксировать и описывать положение всех наблюдаемых небесных тел. Две первичные координаты определяются двумя дугами, а третья (расстояние до объекта) часто может быть неизвестна.

Известно, что сферические системы начали использовать около 2500 лет назад. Евклид первым описал поведение геометрических фигур и их взаимодействие на поверхности шара. Впоследствии его труды стали использоваться физиками и астрономами всего мира и получили название «евклидова геометрия”.

Горизонтальная система координат

Чаще всего используется, когда центр небесной сферы находится на поверхности Земли, для определения положения тела на небе. Координаты не требуют сложных расчетов и могут быть получены с помощью одного телескопа на азимутальной установке. Из-за своей простоты и широкого применения он используется в большинстве астрономических программ для записи положений звезд.

Небесная сфера: понятие, элементы, отвес, суточное вращение, системы координат

Сетка горизонтальной системы координат

Согласно этой системе координат точка отсчета находится в центре небесной сферы и использует плоскость истинного горизонта в качестве главной плоскости. Первая координата обычно определяется либо высотой искомой точки, либо ее зенитным расстоянием. Вторая координата определяется азимутом.

Разберем эти понятия подробнее:

  • Высота (h) – это дуга, проведенная под прямым углом от точки пересечения горизонта и небесной сферы к свету. Единицей измерения является угол между отрезками от источника света до центра сферы и от центра сферы до пересечения линии высот и горизонта. Измеряется в градусах от 90 до -90.
  • Зенитное расстояние (z) можно измерить несколькими способами. Во-первых, как угол между отвесом и пересечением небесной сферы с радиусом, соединяющим арматуру и центр сферы. Во-вторых, как расстояние от зенита до света. Помимо высоты, она измеряется в градусах, но в диапазоне от 0 до 180, где 0 — зенитная точка, а 180 — надир.
  • Азимут (А) — это угол дуги, проведенной от южной точки до окружности звезды. Азимут всегда отсчитывается на запад и измеряется в диапазоне от 0 до 360 градусов, но в некоторых научных документах можно встретить и диапазон от 180 до -180. Не путайте астрономический азимут с навигационным азимутом, так как последний отсчитывается на север.

Небесная сфера: понятие, элементы, отвес, суточное вращение, системы координат

Высота, зенитное расстояние и азимут

Координаты светил на небесной сфере постоянно меняются как из-за вращения самой сферы, так и из-за не зависящих от нее причин. Так, например, приведенные выше измерения естественным образом изменяются в результате суточного вращения, но такие показатели, как склонение или прямое восхождение, остаются постоянными независимо от вращения сферы. Их можно изменить только под действием внешних сил.

Экваториальная система координат № 1

Для использования этой системы требуется специальная установка телескопа, называемая экваториальной. Чаще всего его используют для определения точного времени движения небесных тел.

Главной плоскостью этой системы является небесный экватор. Первая координата определяется склонением или полярным расстоянием, а вторая представлена ​​часовым углом. Склонение — это угол между плоскостью экватора и прямой линией, проходящей через центр сферы и арматуру. Как и высота, измеряется в градусах от +90 до -90. Если небесное тело проходит через зенит, его склонение всегда равно широте центра сферы (наблюдателя).

Небесная сфера: понятие, элементы, отвес, суточное вращение, системы координат

Склонение и полярное расстояние

Полярное расстояние — это дуга между точкой на Северном полюсе и светом. Он измеряется с помощью угла между мировой осью и точкой на небесной сфере, на которой находится источник света. Измеряется в градусах от 0 до 180 от Северного полюса до Южного.

Часовой угол напрямую зависит от координаты склонения. Он представляет собой угол между центром сферы, точкой, где экватор пересекает меридиан, и точкой склонения. В разных документах могут быть как измерения в градусах (от 0 до 360), так и в часах (от 0 до 24 часов). Также есть отчет от 180 до -180 градусов и от 12 до -12 часов.

Небесная сфера: понятие, элементы, отвес, суточное вращение, системы координат

Угол часов

Экваториальная система координат № 2

Это основная система координат в астрономии. Он позволяет не только определять местоположение отдельных звезд, но и создавать максимально точные карты звездного неба. Главное отличие состоит в том, что он зависит от дня весеннего равноденствия, изменение положения которого характерно для определения изучаемой эпохи. Из-за этого при изучении данных, полученных в прошлом, необходимо делать поправку на параллакс и вычислять координаты точки весеннего равноденствия на конкретную дату.

Как и предыдущая система, она основана на экваториальной плоскости небесной сферы, но вместо часовых углов использует координату прямого восхождения.

Прямое восхождение – это дуга, соединяющая точку весеннего равноденствия и круг склонения света. В отличие от других систем координат, во второй экваториальные координаты отсчитываются в направлении, противоположном направлению движения сферы. В дополнение к часовому углу подъем измеряется как в градусах (0–60), так и в часах (0–4).

Небесная сфера: понятие, элементы, отвес, суточное вращение, системы координат

Экваториальная сетка

Другим значением, характерным только для этой системы, является RA. Это сферическая аналогия долготы. Как и долгота, он измеряет угол вдоль экватора по отношению к определенной точке, называемой нулевым меридианом. Эта точка указывает место, наиболее близкое к точке весеннего равноденствия, где солнце пересекает небесный меридиан.

Эклиптическая система координат

Как следует из названия, основанием этой системы координат является плоскость эклиптики.

Его две основные координаты — эклиптическая широта и эклиптическая долгота:

  1. Эклиптическая широта — это угол между центром небесной сферы, плоскостью эклиптики и точкой, указывающей свет. Широта измеряется в диапазоне от 90 до -90 градусов от Северного полюса до Южного.
  2. Эклиптическая долгота — это угол между окружностью широты и отрезком от центра сферы до точки весеннего равноденствия. Как и большинство других координат, она измеряется в градусах от 0 до 360 в направлении движения солнца по сфере.

Небесная сфера: понятие, элементы, отвес, суточное вращение, системы координат

Эклиптическая система координат

В основном эта система координат используется для изучения тел, входящих в состав Солнечной системы. Например, для определения орбит планет и их спутников.

Изменение вида звездного неба в зависимости от места, времени суток и года

На движение небесной сферы в первую очередь влияет то, когда и откуда производятся наблюдения. Так, например, если наблюдатель находится в зенитной точке, видимые ему звезды никогда не изменятся. Они будут вращаться вокруг зенита и ни одна звезда не зайдет и не взойдет из-за горизонта. Вот почему с каждого полюса доступно только одно полушарие неба, а звезды другого будут все время скрыты.

Но уже на экваторе ситуация совершенно противоположная. Звёзды на небесной сфере здесь постоянно перемещаются и с экватора видны абсолютно все звёзды обоих полушарий. Они будут двигаться перпендикулярно горизонту в направлении, противоположном вращению Земли.

Однако не только суточный цикл планеты влияет на движение звезд. Земля также движется вокруг Солнца, что также оставляет свой след. Каждый день траектория движения солнца по небу немного меняется. Ученые установили, что это изменение равно 4 угловым секундам, при скорости вращения планеты в 1 угловую секунду в минуту становится очевидным, что каждый день становится на 4 минуты длиннее или короче в зависимости от полушария. Для астрономов это означает, что звездные сутки на 4 минуты короче солнечных.

Это также говорит о том, что созвездия, которые поднимаются в небе каждую ночь, перемещаются в направлении с востока на запад на 4 угловых секунды вместе с солнцем. Таким образом, продолжительность светового дня меняется каждый месяц примерно на 1,5-2 часа, а созвездия, которые можно наблюдать на небе, полностью проходят всю небесную сферу, уступая место следующему. Через год, когда планета совершает полный оборот вокруг Солнца, этот цикл замыкается и начинается снова.

Видео: Небесная сфера
Оцените статью
kuzyeti.ru
Добавить комментарий

Adblock
detector