Небесная сфера

СОДЕРЖАНИЕ

Введение              3

1. Небесная сфера              4

2. Небесные координаты              10

3. Звездные карты              16

Заключение              20

Список  литературы              21

ВВЕДЕНИЕ

Из всех картин природы, развертывающихся перед нашими глазами, самая величественная - картина звездного неба. Мы можем облететь или объехать весь земной шар, наш мир, в котором мы живем. Звездное же небо - это необозримое, бесконечное пространство, заполненное другими мирами. Каждая звездочка, даже еле заметно мерцающая в темном небе, представляет собой огромное светило, часто более горячее и яркое, чем Солнце. Только все звезды находятся очень далеко от нас и потому светятся слабо.

Земля – одно из бесчисленных небесных тел. Чтобы  лучше изучить Землю, надо знать и то, что происходит на небе. Поэтому уже в древние времена появилась практическая необходимость в науке о небесных явлениях. Древние люди не знали ни точных механических часов, ни компаса. Их заменяло звездное небо. Луна пригодилась звездочетам для счета месяцев. Звезды вдали от родных берегов указывали мореходам направления на север, восток, юг и запад. Они служили маяками на морях и в пустынях. Их так и называли – путеводные звезды.

И чем больше вопросов задавал человек Природе, тем больше ответов могла дать ему наука о небе и его тайнах - астрономия. «Астрон» в переводе с греческого значит «земля», «номос» - закон, а слово «астрономия» можно перевести как « учение о звездных законах». Ученые смогли определить расстояния до звезд, узнать вес Солнца и его химический состав, предсказать будущие затмения Луны и Солнца, время появления хвостатых светил - комет. Но прошли многие века, прежде чем это удалось сделать.

      1. НЕБЕСНАЯ СФЕРА 

Небесная сфера, воображаемая вспомогательная сфера произвольного радиуса, на которую проектируются небесные светила, служит для решения различных астрометрических задач. Представление о небесной сфере возникло в глубокой древности; в основу его легло зрительное впечатление о существовании куполообразного небесного свода. Это впечатление связано с тем, что в результате огромной удалённости небесных светил человеческий глаз не в состоянии оценить различия в расстояниях до них, и они представляются одинаково удалёнными. У древних народов это ассоциировалось с наличием реальной сферы, ограничивающей весь мир и несущей на своей поверхности многочисленные звёзды. Таким образом,  в их представлении небесная сфера была важнейшим элементом Вселенной.

С развитием научных знаний такой взгляд на небесную сферу отпал. Однако заложенная в древности геометрия небесной сферы  в результате развития и совершенствования получила современный вид, в котором и используется в астрометрии.

  Радиус небесной сферы может быть принят каким угодно: в целях упрощения геометрических соотношений его полагают равным единице. В зависимости от решаемой задачи центр небесной сферы может быть помещен в место, где находится наблюдатель (топоцентрическая небесная сфера), в центр Земли (геоцентрическая небесная сфера), в центр той или иной планеты (планетоцентрическая небесная сфера), в центр Солнца (гелиоцентрическая небесная сфера) или в любую другую точку пространства.

Каждому светилу на небесной сфере  соответствует точка, в которой её пересекает прямая, соединяющая центр небесной сферы со светилом (с его центром). При изучении взаимного расположения и видимых движений светил на небесной сфере выбирают ту или иную систему координат, определяемую основными точками и линиями. Последние обычно являются большими кругами небесной сферы. Каждый большой круг сферы имеет два полюса, определяющиеся на ней концами диаметра, перпендикулярного к плоскости данного круга.

На рис. 1 изображена небесная сфера, которая соответствует месту наблюдения, расположенному в некоторой точке земной поверхности. Отвесная линия, проведённая через центр этой сферы, пересекает небесную сферу  в точках Z и Z', называемыми соответственно зенитом и надиром.

Рис. 1. Небесная сфера Z — зенит; Z' — надир; NESW — математический горизонт; N, Е, S, W — точки севера, востока, юга и запада; Р и P' — Северный и Южный полюсы мира; AWA'E — небесный экватор.

Плоскость, проходящая через центр небесной сферы перпендикулярно отвесной линии, пересекает сферу по большому кругу NESW, называемому математическим (или истинным) горизонтом. Математический горизонт делит небесную сферу на видимую и невидимую полусферы; в первой находится зенит, во второй — надир. Прямая, проходящая через центр небесной сферы параллельно оси вращения Земли, называемой осью мира, а точки пересечения её с небесной сферы — Северным Р и Южным P' полюсами мира.

Плоскость, проходящая через центр небесной сферы перпендикулярно оси мира, пересекает сферу по большому кругу AWA'E, называется небесным экватором. Из построения следует, что угол между осью мира и плоскостью математического горизонта, а также угол между отвесной линией и плоскостью небесного экватора равны географической широте (места наблюдений. Большой круг небесной сферы, проходящий через полюсы мира, зенит и надир, называется небесным меридианом.

  Из двух точек, в которых небесный меридиан пересекается с математическим горизонтом, ближайшая к Северному полюсу мира N называется точкой севера, а диаметрально противоположная S — точкой юга. Прямая NS, проходящая через эти точки, есть полуденная линия. Точки горизонта, отстоящие на 90° от точек N и S, называются точками востока Е и запада W. Точки N, Е. S, W называются главными точками горизонта. По диаметру EW пересекаются плоскости математического горизонта и небесного экватора.

  Большой круг небесной сферы, по которому происходит видимое годичное движение центра Солнца, называется эклиптикой (рис. 2).

Рис. 2. Небесная сфера: А= A' — небесный экватор; Е = E' — эклиптика; Е и E' — точки летнего и зимнего солнцестояния; Р и P' — Северный и Южный полюсы мира; П и П' — Северный и Южный полюсы эклиптики.

Плоскость эклиптики образует с плоскостью небесного экватора угол равный 23°27'. Эклиптика пересекает экватор в двух точках, одна из которых — точка весеннего равноденствия (в ней Солнце при видимом годичном движении переходит из Южного полушария небесной сферы в Северное), а другая, диаметрально противоположная ей, — точка осеннего равноденствия. Точки эклиптики, отстоящие на 90° от точек весеннего и осеннего равноденствия, называется точками летнего и зимнего солнцестояния (первая — в Северном полушарии небесной сферы, вторая — в Южном).

Большой круг небесной сферы, проходящий через полюсы мира и точки равноденствия, называется колюром равноденствий; большой круг небесной сферы, проходящий через полюсы мира и точки солнцестояния — колюром солнцестояний. Прочерченные на звёздной карте, эти круги отсекают хвосты у древних изображений созвездий Большой Медведицы (колюр равноденствий) и Малой Медведицы (колюр солнцестояний), откуда и происходит их название (греч. kóluroi, буквально — с обрубленным хвостом).

 Видимому суточному перемещению звёзд, являющемуся отображением действительного вращения Земли вокруг оси, соответствует вращение небесной сферы вокруг оси мира с периодом, равным одним звёздным суткам. Вследствие вращения небесной сферы все изображения светил описывают в пространстве параллельные экватору окружности, называются суточными параллелями светил. В зависимости от расположения суточных параллелей относительно горизонта светила подразделяются на незаходящие (суточные параллели располагаются целиком над горизонтом), невосходящие (суточные параллели целиком под горизонтом), восходящие и заходящие (суточные параллели пересекаются горизонтом). Границами этих групп светил являются параллели KN и SM', касающиеся горизонта в точках N и S (рис. 1).

Так как видимость светил определяется положением горизонта, плоскость которого перпендикулярна отвесной линии, то условия видимости небесных светил различны для мест на поверхности Земли с различной географической широтой. Это явление, известное уже в древности, служило одним из доказательств шарообразности Земли. На экваторе (географическая широта 0°) ось мира PP' располагается в плоскости горизонта и совпадает с полуденной линией NS. Суточные параллели (KK', MM') всех светил пересекают плоскость горизонта под прямыми углами. Здесь все светила являются восходящими и заходящими (рис. 3).

Рис. 3. Изображение небесной сферы для экватора.

Рис. 4. Изображение небесной сферы для полюса.

По мере перемещения наблюдателя по земной поверхности от экватора к полюсу наклон оси мира к горизонту увеличивается. Всё большее число светил становится незаходящими и невосходящими. На полюсе (географическая широта 90°) ось мира совпадает с отвесной линией, а плоскость экватора — с плоскостью горизонта. Здесь все светила разделяются только на незаходящие и невосходящие, так каких суточные параллели (KK', MM') располагаются в плоскостях, параллельных горизонту (рис. 4).

2. НЕБЕСНЫЕ КООРДИНАТЫ

Системы небесных координат используются в астрономии для описания положения светил на небе или точек на воображаемой небесной сфере. Координаты светил или точек задаются двумя угловыми величинами (или дугами), однозначно определяющими положение объектов на небесной сфере. Таким образом, системы небесных координат являются сферическими системами координат, в которых третья координата — расстояние — часто неизвестна и не играет роли. Эти системы отличаются друг от друга выбором основной плоскости и началом отсчёта.

В зависимости от стоящей задачи, может быть более удобным использовать ту или иную систему. Наиболее часто используются горизонтальная и экваториальные системы координат. Реже — эклиптическая, галактическая и другие.

Горизонтальная система координат

В этой системе основной плоскостью является плоскость математического горизонта. Одной координатой при этом является либо высота светила h, либо его зенитное расстояние z. Другой координатой является азимут A.

Высотой h светила называется дуга вертикального круга от математического горизонта до светила, или угол между плоскостью математического горизонта и направлением на светило.

Высоты отсчитываются в пределах от 0° до + 90° к зениту и от 0° до −90° к надиру.

Зенитным расстоянием z светила называется дуга вертикального круга от зенита до светила, или угол между отвесной линией и направлением на светило.

Зенитные расстояния отсчитываются в пределах от 0° до 180° от зенита к надиру.

Азимутом A светила называется дуга математического горизонта от точки юга до вертикального круга светила, или угол между полуденной линией и линией пересечения плоскости математического горизонта с плоскостью вертикального круга светила.

Азимуты отсчитываются в сторону суточного вращения небесной сферы, т. е. к западу от точки юга, в пределах от 0° до 360°. Иногда азимуты отсчитываются от 0° до +180° к западу и от 0° до −180° к востоку. (В геодезии азимуты отсчитываются от точки севера.)

Первая экваториальная система координат

В этой системе основной плоскостью является плоскость небесного экватора. Одной координатой при этом является склонение δ (реже — полярное расстояние p). Другой координатой — часовой угол t.

Склонением δ светила называется дуга круга склонения от небесного экватора до светила, или угол между плоскостью небесного экватора и направлением на светило.

Склонения отсчитываются в пределах от 0° до +90° к северному полюсу мира и от 0° до −90° к южному полюсу мира.

Полярным расстоянием p светила называется дуга круга склонения от северного полюса мира до светила, или угол между осью мира и направлением на светило.

Полярные расстояния отсчитываются в пределах от 0° до 180° от северного полюса мира к южному.

Часовым углом t светила называется дуга небесного экватора от верхней точки небесного экватора (то есть точки пересечения небесного экватора с небесным меридианом) до круга склонения светила, или двугранный угол между плоскостями небесного меридиана и круга склонения светила.

Часовые углы отсчитываются в сторону суточного вращения небесной сферы, т. е. к западу от верхней точки небесного экватора, в пределах от 0° до 360° (в градусной мере) или от 0h до 24h (в часовой мере). Иногда часовые углы отсчитываются от 0° до +180° (от 0h до +12h) к западу и от 0° до −180° (от 0h до −12h) к востоку.

Вторая экваториальная система координат

В этой системе, как и в первой экваториальной, основной плоскостью является плоскость небесного экватора, а одной координатой — склонение δ (реже — полярное расстояние p). Другой координатой является прямое восхождение α.

Прямым восхождением α светила называется дуга небесного экватора от точки весеннего равноденствия до круга склонения светила, или угол между направлением на точку весеннего равноденствия и плоскостью круга склонения светила.

Прямые восхождения отсчитываются в сторону, противоположную суточному вращению небесной сферы, в пределах от 0° до 360° (в градусной мере) или от 0h до 24h (в часовой мере).

Эклиптическая система координат

В этой системе основной плоскостью является плоскость эклиптики. Одной координатой при этом является эклиптическая широта β, а другой — эклиптическая долгота λ.

Эклиптической широтой β светила называется дуга круга широты от эклиптики до светила, или угол между плоскостью эклиптики и направлением на светило.

Эклиптические широты отсчитываются в пределах от 0° до +90° к северному полюсу эклиптики и от 0° до -90° к южному полюсу эклиптики.

Эклиптической долготой λ светила называется дуга эклиптики от точки весеннего равноденствия до круга широты светила, или угол между направлением на точку весеннего равноденствия и плоскостью круга широты светила.

Эклиптические долготы отсчитываются в сторону видимого годового движения Солнца по эклиптике, т. е. к востоку от точки весеннего равноденствия в пределах от 0° до 360°.

Галактическая система координат

В этой системе основной плоскостью является плоскость нашей Галактики. Одной координатой при этом является галактическая широта b, а другой — галактическая долгота l.

Галактической широтой b светила называется дуга круга галактической широты от эклиптики до светила, или угол между плоскостью галактического экватора и направлением на светило.

Галактические широты отсчитываются в пределах от 0° до +90° к северному галактическому полюсу и от 0° до -90° к южному галактическому полюсу.

Галактической долготой l светила называется дуга галактического экватора от точки начала отсчёта C до круга галактической широты светила, или угол между направлением на точку начала отсчёта C и плоскостью круга галактической широты светила.

Галактические долготы отсчитываются против часовой стрелки, если смотреть с северного галактического полюса, т. е. к востоку от точки начала отсчёта C в пределах от 0° до 360°.

Точка начала отсчёта C находится вблизи направления на галактический центр, но не совпадает с ним, поскольку последний, вследствие небольшой приподнятости Солнечной системы над плоскостью галактического диска, лежит примерно на 1° к югу от галактического экватора. Точку начала отсчёта C выбирают таким образом, чтобы точка пересечения галактического и небесного экваторов с прямым восхождением 280° имела галактическую долготу 32,93192° (на эпоху 2000).

Изменения координат при вращении небесной сферы

Высота h, зенитное расстояние z, азимут A и часовой угол t светил постоянно изменяются вследствие вращения небесной сферы, так как отсчитываются от точек, не связанных с этим вращением. Склонение δ, полярное расстояние p и прямое восхождение α светил при вращении небесной сферы не изменяются, но они могут меняться из-за движений светил, не связанных с суточным вращением.

История и применение

Небесные координаты употреблялись уже в глубокой древности. Описание некоторых систем содержится в трудах древнегреческого геометра Евклида (около 300 до н. э.). Опубликованный в «Альмагесте» Птолемея звёздный каталог Гиппарха содержит положения 1022 звёзд в эклиптической системе небесных координат.

Наблюдения изменений небесных координат привели к величайшим открытиям в астрономии, которые имеют огромное значение для познания Вселенной. К ним относятся явления прецессии, нутации, аберрации, параллакса, собственных движений звёзд и другие. Небесные координаты позволяют решать задачу измерения времени, определять географические координаты различных мест земной поверхности. Широкое применение находят небесные координаты при составлении различных звёздных каталогов, при изучении истинных движений небесных тел — как естественных, так и искусственных — в небесной механике и астродинамике и при изучении пространственного распределения звёзд в проблемах звёздной астрономии.

Использование различных систем координат

Горизонтальная система координат используется для определения направления на светило с помощью угломерных инструментов и при наблюдениях в телескоп, смонтированный на азимутальной установке.

Эклиптическая система координат используется в теоретической астрономии при определении орбит небесных тел.

Первая экваториальная система координат используется для определения точного времени и при наблюдениях в телескоп, смонтированный на экваториальной установке.

Вторая экваториальная система координат является общепринятой в астрометрии. В этой системе составляются звёздные карты и описываются положения светил в каталогах.

3. ЗВЕЗДНЫЕ КАРТЫ

Деление неба на созвездия было удобно для астрономов. Границы созвездий и отдельные звезды издавна наносились на небесные карты. И служат небесные карты для тех же целей, что и обычные земные: по ним легко ориентироваться среди звезд.

Звездные карты используются для наведения телескопа в нужную точку неба, для отождествления звёзд на небе или их изображений на астрофотографиях со звёздами, описанными в звёздных каталогах, для отыскания на звёздном небе объектов (планет, комет, переменных звёзд и т. п.) по их координатам.

Звездные карты  используются также для определения приближённых координат небесных объектов (например, искусственных спутников Земли при визуальных наблюдениях) путём нанесения их на карты, имеющие координатную сетку.

Наиболее древние из известных звездных карт  относятся к 13 в. до этого пользовались только звёздными глобусами. В 1603 немецкий астроном И. Байер в звёздном атласе "Уранометрия" яркие звёзды каждого созвездия обозначил буквами греческого алфавита, эти обозначения сохранились до наших дней. В 17-19 вв. появились атласы польского астронома Я. Гевелия (1690), английского астронома Дж. Флемстида (1729), немецких астрономов И. Э. Воде (1782), Ф. Аргеландера (1843), Э. Хейса (1872). Большое значение для астрономии имели "Атлас северного звёздного неба", выполненный на основе составленного Аргеландером "Боннского обозрения северного неба", и атлас южного неба - на основе "Кордовского обозрения". Первая русская звездная карта была составлена в 1699 по распоряжению Петра I. Широкое применение нашли изданные в 20 в. звёздные атласы советского астронома А. А. Михайлова, чехословацкого астронома А. Бечваржа и атлас Смитсоновской астрофизической обсерватории (США) для всего неба, изданный вместе с каталогом для обеспечения фотографических наблюдений искусственных спутников Земли.

В 1887 Международным астрономическим конгрессом было принято решение о составлении фотографической "Карты неба". Эта работа выполнялась на 21 обсерватории различных стран и должна была дать после завершения приблизительно 22 000 листов фотографического атласа всего неба до 15-й звёздной величины (работа осталась незавершённой). В США в 1954-67 издан фотографический атлас Национального географического общества и Паломарской обсерватории. Атлас содержит фотографии звёздного неба в синих лучах (предельная звёздная величина 21,0) и красных лучах (предельная звёздная величина 20,0). В 20 в. изданы звездные карты, представляющие собой репродукции с фотографий с нанесением градусной сетки. Таковы звездные карты австрийского астронома И. Пализы по фотографиям немецкого астронома М. Вольфа, карты Королевского астрономического общества (Англия) и атлас немецкого астронома Г. Ференберга.

Набор звездных карт  смежных участков неба, покрывающих всё небо или некоторую его часть, называются звёздным атласом. Общие обзорные звездные карты обычно составляют отдельно для Северного и Южного полушарий неба в стереографической проекции. Для изображения экваториального пояса неба применяют цилиндрические проекции. Полярные районы неба изображаются в азимутальных проекциях, а промежуточные - в конических. Различают рисованные и фотографические звездные карты. На рисованных картах звёзды изображаются кружками различного диаметра в зависимости от их блеска и наносятся на карту в соответствии с их координатами, взятыми из звёздных каталогов. Те из них, которые образуют характерные фигуры созвездий, соединены сплошными линиями. Границы созвездий обозначены пунктиром.

Звезды на картах и в атласах изображают либо белыми точками на черном фоне неба, либо черными - на белом. Каждый из типов карт имеет свои преимущества. Карты первого типа особенно удобны при поисках в телескоп очень слабых объектов, поскольку при отождествлении звезд на карте и на небе белый фон даже в условиях очень тусклого красного освещения несколько ослабляет адаптацию глаз к темноте. Однако на большинстве карт изображены черные звезды на белом фоне; существенное преимущество этих карт заключается в возможности нанесения на них любых других интересующих вас объектов. Многие атласы печатаются в обоих вариантах.

Фотографические звездные карты  представляют собой комплекты отпечатков с фотографий звёздного неба. Фотографические карты представляют собой гномоническую проекцию звездного неба, они содержат больше звёзд, чем рисованные.

Если говорить о современных картах неба в общем, то они различаются по масштабу изображаемого участка (и, соответственно, угловым размерам представленной области неба), выборке изображенных небесных тел (обычно это звезды и незвездные объекты до некоторой предельной звездной величины) и сервисных дополнений (координатной сетки, границ и фигур созвездий, эклиптики, галактического экватора и т.д.), что в зависимости от предназначения карт может изменяться в широких пределах.

На картах, являющихся изображением участков небесной сферы на плоскости (аналогично географическим картам), неизбежны искажения, поэтому важное значение имеет выбор рациональной картографической проекции. Но в целом эти искажения тем сильнее, чем большая область неба изображается. А область эта, в числе всего прочего, ограничивается и общим количеством изображаемых объектов - если их будет слишком много, то такими картами будет трудно пользоваться. В результате приходится увеличивать масштаб, например, объем атласа "Уранометрия 2000.0", в котором изображены все звезды до 9m.5, составил порядка 450 карт.

Для первоначального ознакомления с небом издаются звездные атласы и карты, содержащие только звёзды, видимые невооружённым глазом.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Как правило, мы не задумываемся, откуда взялось деление времени на часы и минуты, и почему самолет, вылетевший из одного аэропорта, спокойно приземляется в другом, а не блуждает беспомощно над землей в поисках места, где можно совершить посадку. Или как корабли находят дорогу в нужный порт, даже когда приходится плыть вдали от суши, и никто не подскажет правильного направления.

Оказывается, всему этому мы обязаны астрономии. АСТРОНОМИЯ-это наука о звездах и планетах, о галактике и межпланетном пространстве, о кометах и метеоритах, о космических взрывах и звездных туманностях, в общем, это наука обо всей гигантской Вселенной вокруг нашей планеты и о самой Земле в этой загадочной, непонятной и полной всяких тайн Вселенной.

Наша Земля - всего только одно из бесчисленных небесных тел, и даже причина ее возникновения остается предметом особого научного спорта. Жизнь на Земле подчинена тому, что происходит на небе - смене дня и ночи, времен года, полнолуниям и солнечным затмениям.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.                 Агекян Т.А. Звезды. Галактика. Метагалактика. - М., 1981.

2.                 Воронцов-Вельяминов Б.А. Астрономия. – М., 1989.

3.                 Гурштейн А.А. Извечные тайны неба.М., 1973.

4.                 Зигель Ф.Ю. Астрономия в ее развитии. М., 1988.

5.                 Справочник любителя астрономии. – М., 1997.                  

6.                 Левитан Е.П. Астрономия. М., 1993.

7.                 Томилин А. Занимательно об астрономии. – М., 1999.

8.                 Чернин А.Д. Звезды и физика. – М., 1984.

4