Учебник по Астрономии (уровень стандарта). 11 класс. Пришляк

§ 2. Основы практической астрономии

Изучив этот параграф, мы:

• осмыслим наши представления о небесной сфере как вспомогательной поверхности для отсчета сферических координат небесных тел;

• научимся ориентироваться на поверхности Земли при помощи небесных светил.

1. Небесная сфера

Во время наблюдений за звездами нам кажется, что все небесные светила расположены на одинаковом расстоянии и светятся на поверхности огромной сферы, в центре которой находится наблюдатель. Известно, что звезды и планеты расположены на разных расстояниях от Земли (рис. 2.1, 2.2), а наша планета — не в центре Вселенной, поэтому такую небесную сферу считают вспомогательной при определении сферических координат светил. На такую вспомогательную сферу проецируются изображения звезд и планет, и мы можем измерить только углы между направлениями на эти светила. При этом центр небесной сферы может располагаться в любой точке пространства. В зависимости от этого различают топоцентрические, геоцентрические или гелиоцентрические координаты.

Рис. 2.1. Созвездие Орион (древняя карта звездного неба)

Рис. 2.2. Звезды в созвездии Орион расположены на разном расстоянии от Земли, а нам кажется, что они светятся на поверхности сферы

Созвездия — участки небесной сферы, на которые разделены отдельные группы звезд для удобства ориентирования

2. Точки и линии небесной сферы

На небесной и земной сферах можно провести воображаемые круги, с помощью которых определяются небесные координаты светил (рис. 2.3, а).

На земной сфере существуют две особые точки — географические полюса, где ось вращения Земли пересекает поверхность планеты (N, S — соответственно Северный и Южный полюса). Плоскость земного экватора, которая делит нашу планету на северное и южное полушарие, проходит через центр Земли перпендикулярно к ее оси вращения. Меридианы на Земле проходят через географические полюса и точки наблюдения. Начальный (нулевой) меридиан проходит вблизи местонахождения бывшей Гринвичской обсерватории.

Если продолжить ось вращения Земли в космос, то на небесной сфере мы получим две точки пересечения, которые называются полюсами мира (рис. 2.3, б): Северный полюс (в современную эпоху у Полярной звезды) и Южный полюс (в созвездии Октант). Плоскость земного экватора пересекается с небесной сферой, и в сечении мы получим небесный экватор, который делит небо на два равных полушария — Северное и Южное. Но есть одно существенное различие между полюсами и экватором на земном шаре и полюсами мира и небесным экватором. Географические полюса реально существуют как точки на поверхности Земли, где ось вращения Земли пересекается с поверхностью планеты, и к ним можно долететь или доехать так же, как и до экватора. Полюсов мира как реальных точек в космическом пространстве нет, потому радиус небесной сферы является неопределенным и мы можем обозначить только направление, в котором они наблюдаются.

Рис. 2.3. Основные точки и линии системы координат: а — земной (географической), б — небесной

Воображаемая небесная сфера произвольного радиуса помогает определить координаты небесных светил

Полюс мира — точка пересечения оси вращения Земли с небесной сферой

Небесный экватор — линия пересечения плоскости земного экватора с небесной сферой

Небесный меридиан — линия пересечения плоскости земного меридиана с небесной сферой

3. Ориентирование на местности

В повседневной жизни для определения направления мы используем ориентиры, которые нам хорошо знакомы,— дома, дороги, реки и т. д. Если мы попадаем в незнакомую местность, то наши привычные ориентиры исчезают, и мы можем заблудиться. В этом случае надежными ориентирами могут быть небесные светила, ибо они нам светят и дома, и на чужбине.

Для ориентирования на поверхности Земли астрономы применяют термины отвесная линия и горизонт. Направление отвесной линии задается силой притяжения Земли в точке наблюдения. Его можно определить с помощью обычного отвеса, который подвешивают на нитке. Предположим, что наблюдатель находится на поверхности Земли в точке О, которая имеет географическую широту φ (рис. 2.4). Направление ОО1 по отвесу вниз называют надиром, противоположное направление ΟΖ, вверх, — зенитом. Сейчас горизонт определяют как плоскость, перпендикулярную к отвесной линии.

Рис. 2.4. Плоскость математического горизонта перпендикулярна к отвесной линии

Горизонт, или линия пересечения плоскости горизонта с небесной сферой, является окружностью, в центре которой находится наблюдатель. На горизонте различают четыре точки: N — север, S — юг, Е — восток, W — запад, с помощью которых люди ориентируются и определяют направление во время путешествий (рис. 2.5).

Рис. 2.5. Ночью надежным ориентиром может быть Полярная звезда P1, на которую направлена ось обращения Земли. Если смотреть на Полярную звезду, то впереди будет направление на север, позади — на юг, справа — на восток, слева — на запад. Точка Q — кульминация Солнца

Кульминация — пересечение светилами небесного меридиана вследствие суточного обращения Земли вокруг оси

Вследствие вращения Земли вокруг оси плоскости меридиана и горизонта в течение суток смещаются в пространстве относительно звезд, но нам на поверхности Земли кажется, что все происходит наоборот — небесные светила движутся относительно горизонта, Мы говорим, что Солнце восходит, когда оно появляется над горизонтом на востоке. Затем Солнце поднимается все выше и выше и в полдень занимает наибольшую высоту над горизонтом. Этот момент астрономы называют верхней кульминацией (от лат. — вершина). Верхняя кульминация наступает в тот момент, когда Солнце пересекает плоскость меридиана и находится над точкой юга.

Момент верхней кульминации Солнца можно определить с помощью палочки, установленной перпендикулярно к горизонту (рис. 2.6). Для определения кульминации внимательно следите за длиной тени: когда Солнце находится над точкой юга, тень указывает направление на север и имеет наименьшую длину.

Рис. 2.6. В полдень тень от палочки направлена на север

Только в марте и сентябре Солнце восходит вблизи точки восхода, а заходит возле точки запада. Летом Солнце восходит на северо-востоке, а заходит на северо-западе. Зимой Солнце восходит на юго-востоке, а заходит на юго-западе.

Некоторые звезды на наших широтах никогда не заходят, поэтому на небе мы можем увидеть не только верхнюю, но и нижнюю кульминацию, когда светило находится ниже всего над горизонтом.

4. Экваториальная система небесных координат и карты звездного неба

Основными плоскостями в этой системе координат являются плоскости небесного экватора и круг склонений. Для определения экваториальных небесных координат светила S проводят круг склонений через полюсы мира P1 и Р2, который пересекает небесный экватор в точке М (рис. 2.7). Первая координата а называется прямое восхождение и отсчитывается по дуге небесного экватора от точки весеннего равноденствия ϒ против хода часовой стрелки, если смотреть с Северного полюса, и измеряется часами. Вторая координата δ — склонение, определяется дугой круга склонений MS от экватора к данному светилу и измеряется градусами. К северу от экватора склонение положительное, к югу — отрицательное. Границы определения экваториальных координат следующие:

0 час ≤ α ≤ 24 час; -90° ≤ δ ≤ + 90°.

Рис. 2.7. Экваториальная система небесных координат

Небесные координаты: α — прямое восхождение; δ — склонение

Карта звездного неба в форме прямоугольника является определенной проекцией небесной сферы на плоскость, на которой обозначены экваториальные координаты α, δ (рис. 2.8). Эти координаты не зависят от места наблюдения на Земле и почти не меняются в течение года, поэтому картой звездного неба можно пользоваться в любой стране. Правда, через тысячи лет экваториальные координаты звезд могут существенно измениться, поскольку меняется со временем положение небесного экватора и полюсов мира, к тому же звезды обращаются вокруг центра Галактики (см. § 15).

Рис. 2.8. Карта звездного неба экваториальной зоны. Даты, когда эти созвездия кульминируют в вечернее время, обозначены внизу карты. Отыщите их после захода Солнца в южной части небосвода

Существует карта звездного неба в виде круга. Северный полюс мира находится в центре карты вблизи Полярной звезды. Круг склонений в проекции на плоскость карты имеет вид радиальной линии, которую проводят от Северного полюса мира. Небесный экватор на карте изображен выделенной окружностью, а концентрические круги для различных склонений проведены через каждые 30°.

Координату δ на карте определяют как отрезок радиальной линии от экватора к данной звезде. Склонение звезд на экваторе равно 0°, а на Северном полюсе миpa +90°. Прямое восхождение на карте определяют как дугу экватора от точки весеннего равноденствия к радиальной линии, проведенной от полюса мира через данную звезду. Для удобства α обозначена на экваторе через каждый час (1h, 2h, 3h, ...).

Вследствие обращения Земли вокруг оси плоскость горизонта смещается в пространстве, поэтому все светила тоже изменяют свое положение относительно горизонта. Момент, когда некоторые светила пересекают плоскость горизонта, называют восходом или заходом светила. Моменты восхода-захода небесных светил можно определить с помощью подвижной карты звездного неба, или планисферы, на которой есть специальный накладной круг с линией горизонта и меридианом. Такой картой можно пользоваться в любой стране северного полушария на географической широте Украины (+50° ± 5°).

Для любознательных

На звездных картах не изображены планеты, поскольку они обращаются вокруг Солнца и со временем изменяют свои экваториальные координаты. Для определения положения планет относительно звезд надо пользоваться астрономическим календарем (см. § 3, 4).

Выводы

Воображаемая небесная сфера помогает определить положение космических тел в определенной системе координат. На картах звездного неба используют экваториальную систему координат, в которой положение звезд определяют при помощи прямого восхождения и склонения. Небесные светила помогают также определить стороны горизонта в случае, если мы заблудились в незнакомой местности.

Тесты

1. Северный полюс мира находится:

А. В Арктике. Б. В Антарктике. В. В созвездии Орион. Г. В созвездии Большая Медведица. Д. Вблизи Полярной звезды.

2. Момент, когда светило имеет самую большую высоту над горизонтом, называется:

А. Прямое восхождение. Б. Верхняя кульминация. В. Нижняя кульминация. Г. Верхняя культивация. Д. Нижняя культивация.

3. Можно ли в Канаде и Украине одновременно увидеть созвездие Большая Медведица?

А. Нельзя. Б. Можно только летом. В. Можно только зимой. Г. Можно в любой момент. Д. Можно только весной.

4. Можно ли в Австралии и Украине одновременно увидеть Полярную звезду?

А. Нельзя. Б. Можно только летом. В. Можно только зимой. Г. Можно в любой момент. Д. Можно только осенью.

5. Как называются точки пересечения небесной сферы с осью обращения Земли, продолженной в космос?

А. Зенит. Б. Надир. В. Полюс мира. Г. Географический полюс. Д. Горизонт.

6. Когда наступает кульминация Солнца?

7. В какие дни года Солнце восходит в точке востока и заходит в точке запада?

8. Можно ли в Австралии с помощью Полярной звезды находить направление на север?

9. Как можно, находясь на Северном полюсе Земли, определить направление на юг?

10. Отыщите на карте звездного неба какую-нибудь яркую звезду. С помощью накладного круга к карте измерьте моменты, когда восходит, заходит и кульминирует эта звезда.

11. С помощью подвижной карты звездного неба определите, какие созвездия никогда не заходят для наблюдателя в Украине.

Диспуты на предложенные темы

12. Можно ли пользоваться нашей картой звездного неба на поверхности других планет Солнечной системы? Во время межпланетных полетов? На планетах, обращающихся вокруг других звезд?

Задания для наблюдений

13. Найдите Полярную звезду и определите направление меридиана с севера на юг относительно вашего дома. Нарисуйте схему расположения вашего дома относительно меридиана и определите угол между меридианом и любой стеной вашего дома.

14. Лабораторная работа № 1 «Определение географической широты на местности с помощью Полярной звезды».

Ключевые понятия и термины:

Зенит, кульминация, небесный экватор, небесный меридиан, небесная сфера, прямое восхождение, полюса мира, склонение, точка весеннего равноденствия.