Все небесные светила находятся на необычайно больших и весьма различных расстояниях от нас. Но нам они представляются одинаково удаленными и как будто расположенными на некоторой сфере. При решении практических задач по авиационной астрономии важно знать не расстояние до светил, а их положение на небесной сфере в момент наблюдения.
Небесной сферой называется воображаемая сфера бесконечно большого радиуса, центром которой является наблюдатель. При рассмотрении небесной сферы ее центр совмещают с глазом наблюдателя. Размерами Земли пренебрегают, поэтому центр небесной сферы часто совмещают также с центром Земли. Светила на сферу наносят в таком положении, в каком они видны на небе в некоторый момент времени из данной точки нахождения наблюдателя.
Небесная сфера имеет ряд характерных точек, линий и кругов. На рис. 1.1 кругом произвольного радиуса изображена небесная сфера, в центре которой, обозначенном точкой О, расположен наблюдатель. Рассмотрим основные элементы небесной сферы.
Вертикаль наблюдателя - прямая, проходящая через центр небесной сферы и совпадающая с направлением нити отвеса в точке наблюдателя. Зенит Z - точка пересечения вертикали наблюдателя с небесной сферой, расположенная над головой наблюдателя. Надир Z" - точка пересечения вертикали наблюдателя с небесной сферой, противоположная зениту.
Истинный горизонт С В Ю З - 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 РР" - прямая, вокруг которой происходит видимое суточное вращение небесной сферы.
Рис. 1.1. Основные точки, линии и круги на небесной сфере
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 Р, а противоположный полюс называется Южным Р.
Небесный экватор - 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.
Небесный меридиан, 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.
Южная и северная точки небесного экватора - 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
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 часовой круг светила, РМР - большой круг на небесной сфере, проходящий через полюсы миоа и светило.
Суточная параллель светила - малый круг на небесной сфере, проведенный через светило параллельно плоскости небесного экватора. Видимое суточное движение светил происходит по суточным параллелям.
Альмукантарат светила АМАГ - малый круг на небесной сфере, проведенный через светило параллельно плоскости истинного горизонта.
Рассмотренные элементы небесной сферы широко используются в авиационной астрономии.
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.
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,
где R=
.
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.
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).
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.
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.