Небесные координаты
Урок 2. Небесные координаты. Часть 2. Как строят горизонтальную систему небесных координат.
Подумайте, пожалуйста, над вопросами:
— Можно ли, наблюдая за звёздным небом, доказать, что Земля вращается вокруг своей оси?
— Как можно сориентироваться ночью по звёздам?
— А знаете ли вы, что Солнце в Австралии светит не на юге, а на севере, и перемещается по небу не по часовой стрелке, а против часовой. А звезды около полюса, наоборот, вращаются по часовой стрелке.
— Может ли человек, далёкий от астрономии, найти на небе определенную звезду или планету (видимую на данной широте, в заданное время суток, с учётом времени года)? Вдруг рядом с ней происходят какие-то невероятные космические события, например, к Земле летит астероид, комета или космический корабль с представителями инопланетной цивилизации? Что может понадобиться для таких изысканий?
Для поиска на небе определенных светил необходимо научиться пользоваться звездной картой и знать, как связаны видимое расположение объектов на небе и географические координаты наблюдателя.
Небесная сфера
Представьте себе, что вы находитесь в центре огромной хрустальной сферы. Она охватывает всю солнечную систему вместе с Землей. Из космоса на неё спроектированы все звезды, а с земной поверхности – географические параллели и меридианы. Такую воображаемую сферу называют небесной сферой.
Так, где же находится центр воображаемой небесной сферы?
— За центр небесной сферы принимают глаз наблюдателя.
Если земную ось вращения продолжить до пересечения с данной сферой, то получим две точки, называемые Северным и Южным Полюсами Мира, а сама прямая будет называться Осью Мира.
Мысленно продолжим плоскость земного экватора до пересечения с небесной сферой, получим большой круг, называемый Небесным экватором.
Он делит поверхность небесной сферы на два полушария: северное полушарие, с вершиной в северном полюсе мира (около Полярной звезды), и южное полушарие, с вершиной в южном полюсе мира.
Почему мы всё так привязываем к небесной сфере, которой, вообще-то говоря, и не существует? Вспомним, от кого нам досталась астрономия?
— Правильно, от древнегреческого ученого Птолемея, который не знал закона всемирного тяготения и представлял всё прикрепленным к хрустальным, двигающимся вокруг Земли, сферам. А почему же мы до сих пор пользуемся его небесной сферой? Она оказалась удобной для расчетов, к ней легко привязать сферическую геометрию.
Экваториальная система координат
Чтобы сделать звездную карту, изображающую созвездия на плоскости, надо знать координаты звезд. Введенная система координат на небесной сфере является экваториальной системой. Она так названа потому, что экватор служит той плоскостью, от которой и в которой производятся отсчеты координат. В этой системе одной координатой является угловое расстояние светила от небесного экватора, называемое склонением δ, оно аналогично географической широте и меняется в пределах ±90°, считается положительным к северу от экватора и отрицательным к югу.
Вторая координата аналогична географической долготе и называется прямым восхождением α. Прямое восхождение светила М измеряется углом между плоскостями больших кругов, один проходит через полюсы мира и данное светило М, а другой — через полюсы мира и точку весеннего равноденствия, лежащую на экваторе. Так назвали эту точку потому, что в ней Солнце бывает (на небесной сфере) весной 20-21 марта, когда день равен ночи.
Прямое восхождение отсчитывают по дуге небесного экватора от точки весеннего равноденствия против хода часовой стрелки, если смотреть с северного полюса. Оно изменяется в пределах от 0 до 360°. Поскольку это явление связано с вращением Земли, то прямое восхождение принято выражать не в градусах, а в единицах времени. За 24 ч Земля (а нам кажется, что звезды) совершает один оборот — 360°. Следовательно, 360° соответствуют 24 ч, тогда 15° — 1 ч, 1° — 4 мин. Например, 90° составляют 6 ч. В единицах времени прямое восхождение обозначается на координатной сетке звездных карт, атласов и глобусов.
Эклиптика
Земному наблюдателю кажется, что Солнце не только каждый день бегает вокруг Земли, но и перемещается на фоне далеких неподвижных зодиакальных созвездий в течении года. Это кажущееся движение вызвано вращением Земли вокруг Солнца. Плоскость движения называется плоскостью эклиптики, которая пересекает небесную сферу по зодиакальным созвездиям.
Небесный экватор и плоскость эклиптики (плоскость движения Солнца, Луны и планет по небосклону) являются двумя большими кругами на небесной сфере, расположенными под углом в 23,5 градуса по отношению друг к другу (из-за наклона земной оси к орбите движения). Точки их пересечения называются точками равноденствия. Точки равноденствия играют важную роль в определении времени года. Поскольку эти точки лежат на эклиптике, то Солнце проходит через них каждый год. Проходя через точку весеннего равноденствия (обычно 20 или 21 марта), оно пересекает небесный экватор с юга на север, что означает окончание зимы в Северном полушарии. И аналогично, когда Солнце проходит через точку осеннего равноденствия (обычно 22 или 23 сентября), оно пересекает небесный экватор с севера на юг, что означает конец зимы в Южном полушарии.
На других широтах
Наблюдатель на других широтах будет видеть другие звезды, и хотя они будут так же двигаться вдоль небесных параллелей, но на разных широтах по-разному, то есть в зависимости от места наблюдения на Земле меняется вид звёздного неба и характер суточного движения звёзд.
Поскольку экваториальная система координат связана с небесной сферой, то она вместе со звездами смещается относительно поверхности Земли в течении суток.
Как же путешественники определяли широту, на которой они находятся, по звездам? Оказывается, угловое расстояние от горизонта (в астрономии говорят — высота над горизонтом h) Полярной звезды (полюса мира) равно географической широте местности. Чтобы определить географическую широту местности, достаточно измерить высоту полюса мира над горизонтом с помощью угломерного инструмента (h = φ).
Для приближенной оценки угловых расстояний на небе полезно знать, что угловое расстояние между двумя звездами «ковша» (α и β) Большой Медведицы равно примерно 5°.
Видимые размеры небесных объектов также можно выразить в угловых единицах. Например, диаметры Солнца и Луны в угловой мере примерно равны 0,5°.
Горизонтальная система координат
На практике часто используют горизонтальную систему координат, которая непосредственно связана с наблюдателем и его местоположением на поверхности Земли.
В этой системе координат основной линией является горизонт.
Чтобы построить её, необходимо взять грузик на ниточке – отвес, мысленно продолжить линию отвеса вверх и вниз до пересечения с небесной сферой. Верхняя точка пересечения даёт точку зенита (Z), нижняя точка (под Землёй) – даёт точку надира (Z’), а линия (ZZ’), соединяющая зенит и надир называется отвесной линией.
Слово «зенит» произошло от арабского выражения, означающего «направление на голову», «нади́р» – от араб «напротив».
Горизонтальная система координат – это система небесных координат, в которой основной плоскостью является плоскость математического горизонта, а полюсами — зенит и надир.
Плоскость, перпендикулярная к отвесной линии в точке O называется плоскостью математического горизонта. На этой плоскости определяется направление на юг (S — South) (географический) и север (N — North). Линия (NS), соединяющая юг с севером, называется полуденной линией. Точки востока (E — East) и запада (W — West) берутся отстоящими на 90 градусов от точки юга соответственно против и по ходу часовой стрелки, если смотреть из зенита. Таким образом, NESW — плоскость математического горизонта, а линия пересечения этой плоскости с небесной сферой — математический горизонт.
Большой круг небесной сферы, который проходит через зенит и полюсы мира, называют небесным меридианом.
Угловое расстояние светила от горизонта называется высотой и обозначается h (эта координата аналогична географической широте). Высота измеряется в градусной мере от 0 до +90°. Если светило под горизонтом, то высота отрицательная. Иногда вместо h берут зенитное расстояние z, так как h + z = 90°. Его отсчитываются в пределах от 0° до 180° от зенита к надиру.
Плоскость, проходящая через небесное тело, называют плоскостью вертикала данного небесного тела. Большой круг, по которому она пересекает небесную сферу, называется вертикалом небесного тела. С его помощью определяют h или z.
От точки юга вдоль горизонта по часовой стрелке (к западу) отсчитывается вторая координата светила — азимут A (эта координата аналогична географической долготе). Азимут также измеряется в градусной мере от 0 до 360°.
Горизонтальные координаты полюса мира: высота h = φ, азимут A = 180°. Например, в Симферополе высота полюса мира равна h = φ = 45°. Все светила, у которых склонение δ > φ = 45°, в Симферополе не заходят, а светила, у которых δ < – φ = 45°, в Симферополе никогда не восходят — это звёзды и созвездия Южного полушария, находящиеся около Южного полюса мира.
При восходе и заходе светило имеет высоту h = 0°. Максимальную высоту светило имеет, когда пересекает небесный меридиан над точкой юга. Это явление называют верхней кульминацией. Когда светило имеет минимальную высоту над горизонтом, то говорят о нижней кульминации.
Звёзды делятся на: заходящие и восходящие (h в течение суток проходит через 0) незаходящие (h всегда больше 0) невосходящие (h всегда меньше 0.)
Если светила не заходят в данном месте, то верхняя и нижняя кульминации происходят над горизонтом. Если светила невосходящие и находятся всегда под горизонтом, то верхняя и нижняя кульминации происходят всегда под горизонтом. У звёзд, которые восходят и заходят, верхняя кульминация происходит над горизонтом, а нижняя — под горизонтом.
Сравним системы координат
