Одной из важнейших астрономических задач, без которой невозможно решение всех остальных задач астрономии, является определение положения небесного светила на небесной сфере.
Небесная сфера - это воображаемая сфера произвольного радиуса, описанная из глаза наблюдателя, как из центра. На эту сферу мы проектируем положение всех небесных светил. Расстояния на небесной сфере можно измерять только в угловых единицах, в градусах, минутах, секундах или радианах. Например, угловые диаметры Луны и Солнца равны примерно 0. o 5.
Одним из основных направлений, относительно которого определяется положение наблюдаемого небесного светила, является отвесная линия . Отвесная линия в любом месте земного шара направлена к центру тяжести Земли. Угол между отвесной линией и плоскостью земного экватора называется астрономической широтой .
Плоскость, перпендикулярная отвесной линии, называется горизонтальной плоскостью .
В каждой точке Земли наблюдатель видит половину сферы, плавно вращающейся с востока на запад вместе с будто прикрепленными к ней звездами. Это видимое вращение небесной сферы объясняется равномерным вращением Земли вокруг своей оси с запада на восток.
Отвесная линия пересекает небесную сферу в точке зенита , Z и в точке надира , Z ".
 |
| Рис. 2. Небесная сфера |
Большой круг небесной сферы, по которому горизонтальная плоскость, проходящая через глаз наблюдателя (точка С на рис.2), пересекается с небесной сферой, называется истинным горизонтом . Напомним, что большим кругом небесной сферы является круг, проходящий через центр небесной сферы. Круги, образованные пересечением небесной сферы с плоскостями, не проходящими через ее центр, называются малыми кругами.
Линия, параллельная земной оси и проходящая через центр небесной сферы, называется осью мира . Она пересекает небесную сферу в северном полюсе мира , P, и в южном полюсе мира P".
Из рис. 1 видно, что ось мира наклонена к плоскости истинного горизонта под углом . Видимое вращение небесной сферы происходит вокруг оси мира с востока на запад, в направлении, противоположном истинному вращению Земли, которая вращается с запада на восток.
Большой круг небесной сферы, плоскость которого перпендикулярна оси мира, называется небесным экватором . Небесный экватор делит небесную сферу на две части: северную и южную. Небесный экватор параллелен экватору Земли.
Плоскость, проходящая через отвесную линию и ось мира, пересекает небесную сферу по линии небесного меридиана . Небесный меридиан пересекается с истинным горизонтом в точках севера, N , и юга, S . А плоскости этих кругов пересекаются по полуденной линии . Небесный меридиан является проекцией на небесную сферу земного меридиана, на котором находится наблюдатель. Поэтому на небесной сфере есть только один меридиан, ведь наблюдатель не может находиться на двух меридианах одновременно!
Небесный экватор пересекается с истинным горизонтом в точках востока, E , и запада, W . Линия EW перпендикулярна полуденной. Точка Q - верхняя точка экватора, а Q" - нижняя точка экватора.
Большие круги, плоскости которых проходят через отвесную линию, называются вертикалами . Вертикал, проходящий через точки W и E, называется первым вертикалом .
Большие круги, плоскости которых проходят через ось мира, называются кругами склонения или часовыми кругами .
Малые круги небесной сферы, плоскости которых параллельны небесному экватору, называются небесными или суточными параллелями. Суточными они называются потому, что по ним происходит суточное движение небесных светил. Экватор также является суточной параллелью.
Малый круг небесной сферы, плоскость которого параллельна плоскости горизонта, называется альмукантаратом .
Вопросы
1 . Есть ли место на Земле, где вращение небесной сферы происходит вокруг отвесной линии?
Задачи
1. Изобразить на чертеже небесную сферу в проекции на плоскость горизонта.
Решение: Как известно, проекцией какой-либо точки А на какую-либо плоскость является точка пересечения плоскости и перпендикуляра, опущенного из точки А к плоскости. Проекцией отрезка, перпендикулярного к плоскости, является точка. Проекцией круга, параллельного плоскости, является такой же круг на плоскости, проекцией круга, перпендикулярного к плоскости, является отрезок, а проекцией круга, наклоненного к плоскости, является эллипс, тем более сплюснутый, чем ближе угол наклона к 90 o . Таким образом, для того, чтобы начертить проекцию небесной сферы на какую-либо плоскость, надо опустить на эту плоскость перпендикуляры из всех точек небесной сферы. Последовательность действий следующая. Прежде всего, необходимо начертить круг, лежащий в плоскости проекции, в данном случае это будет горизонт. Затем нанести все точки и линии, лежащие в плоскости горизонта. В данном случае это будет центр небесной сферы C, и точки юга S, севера N, востока E и запада W, а также полуденная линия NS. Далее опускаем перпендикуляры на плоскость горизонта из остальных точек небесной сферы и получаем, что проекцией зенита Z, надира Z" и отвесной линии ZZ" на плоскость горизонта является точка, совпадающая с центром небесной сферы C (см. рис. 3). Проекцией первого вертикала является отрезок EW, проекция небесного меридиана совпадает с полуденной линией NS. Точки, лежащие на небесном меридиане: полюса P и P", а также верхняя и нижняя точки экватора Q и Q" проецируются поэтому на полуденную линию тоже. Экватор является большим кругом небесной сферы, наклоненным к плоскости горизонта, поэтому его проекция - это эллипс, проходящий через точки востока E, запада W, и проекции точек Q и Q".
2. Изобразить на чертеже небесную сферу в проекции на плоскость небесного меридиана.
Решение: Представлено на рис.4
3. Изобразить на чертеже небесную сферу в проекции на плоскость небесного экватора.
4. Изобразить на чертеже небесную сферу в проекции на плоскость первого вертикала.
Точки и линии небесной сферы - как найти альмукантарат, где проходит небесный экватор, что представляет собой небесный меридиан.
Что представляет собой Небесная сфера
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.
Профессиональное образовательное учреждение
«Колледж права и экономики»
РЕФЕРАТ
небесная сфера,видимые движения светил
астрономии
40.02.03 П раво и судебное администрирование
Выполнил обучающийся гр. 102 _____________ Макарова Кристина Антоновна
05.03.2018
Оценка за выполнение и защиту _____________
Проверил _____________ Ефремова Елена Владимировна
02.03.2018
Челябинск 2018
Содержание:
1.Элементы небесной сферы
2.Координаты на небесной сферы
3.Вращения небесной сферы
4.Видимые движения светил
5.Видимое годовое движение Солнца
6.Видимое движение и фазы Луны
7.Видимое движение Планет
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 момент времени из данной точки.
В тёмную безлунную ночь представляется, что он находится в центре огромного плоского круга, накрытого полусферой, на которой расположены светящиеся точки - звезды. Продолжая наблюдения, можно заметить, что полусфера поворачивается и все новые появляются на востоке, в то время как другие исчезают на западе.
Образ сферы возникает потому, что человек не способен оценивать расстояние до предмета, превышающее 4-5 км. Все предметы, расположенные дальше, кажутся нам удалёнными на это расстояние. Сфера, на которой, как нам кажется, расположены звезды, и называется небесной сферой.
На первый взгляд число звёзд кажется бесконечно большим. В действительности же невооружённым глазом можно увидеть на всем небе около 6000 звёзд, а одновременно не более 2000, так как половина небесной сферы закрыта Землёй и у горизонта всегда существует дымка, скрывающая многочисленные слабые звезды.
Радиус небесной сферы произволен, и принять его можно настолько большим, что будет безразлично, где находится её центр: в глазу наблюдателя, в центре Земли, в центре или где-то на одной из планет нашей . Это возможно, поскольку большинство светил находится настолько далеко, что если смотреть с них на Солнечную систему, то она практически не будет отличаться от точки. Если говорить более точно, то два луча, направленные из Солнца и с Земли или тем более из разных точек Земли, даже к ближайшей звезде, практически параллельны. Если говорить о Солнечной системы или о , то различие направлений придётся учитывать, но это лишь незначительно усложнит , которые достаточно просто решаются с помощью небесной сферы.
Элементы небесной сферы.
Очевидно, что в центре небесной сферы (рис. 12) находится другая сфера, а именно Земля, на поверхности которой в некоторой точке находится наблюдатель. Земля вращается, что даёт возможность выделить некоторую прямую - ось вращения Земли (обычно строится ось мира PP’ и экватор). Соответственно на небесной сфере строится ось мира (PP’ - линия, параллельная оси вращения Земли и проходящая через центр небесной сферы) и небесный экватор (слово «небесный» обычно опускают). Пересечение оси мира и небесной сферы определяют полюсы - северный P и южный P’ .
Большой круг, плоскость которого перпендикулярна оси мира, называется небесным экватором . Он пересекается с горизонтом в точках востока и запада.
Вертикальная отвесная линия ( OZ ) является продолжением радиуса Земли, она пересекает небесную сферу в двух точках. Та, что находится над головой, называется « зенит », противоположная ей - « надир ». Перпендикулярная ей плоскость - это плоскость горизонта, которая образует при пересечении с небесной сферой математический горизонт (слово «математический» можно опустить).
При изображении небесной сферы принято ориентировать её так, чтобы вертикальная линия была в центре, а ось мира наклонена к ней.
Две прямые (ось мира и вертикальная линия) определяют плоскость небесного меридиана , а её пересечение с небесной сферой - большой круг - небесный меридиан . Меридиан пересекается с горизонтом в двух точках - точке севера N и точке юга S . Небесный меридиан является проекцией земного меридиана на небесную сферу.
Большой круг - окружность, получаемая пересечением сферы плоскостью, проходящей через её центр. Если плоскость не проходит через центр, то круг называется малым . Расстояние, измеренное по поверхности сферы, между двумя точками большого круга является минимальным. Это говорит о прямой аналогии между прямыми на плоскости и большими кругами на сфере.
Все эти элементы небесной сферы связаны с наблюдателем. Ось мира и экватор общие для всех наблюдателей на Земле; вертикальная линия, зенит, надир, плоскости меридиана и горизонта свои для каждого наблюдателя. Их положение относительно других элементов небесной сферы определяется положением наблюдателя на поверхности Земли.
Вращение небесной сферы.
Наблюдения звездного неба показывают, то небесная сфера медленно вращается в направлении с востока на запад Зори созвездия поднимаются над горизонтом в восточной части неба и прячутся за горизонт в западной Для наблюдателя, который находится в северном полушарии Земли и стоит лицом к югу, это вращение небесной сферы происходит по часовой стрелке, слева направо Для наблюдателя, который находится в южном полушарии (например, в Австралии), напротив. Солнце всходит справа и двигаясь против часовой стрелки, заходит слева, ночью так же смещаются на небосклоне зари.
Как знаем, это видимое вращательное движение небесной сферы есть иллюзорным. Потому что в действительности это Земля вращается вокруг своей оси, и этому есть много доказательств Например, плоскость маятника Фуко, пытаясь сохранить свое положение относительно далеких зрение, относительно земных ориентиров возвращается вокруг вертикали Другим доказательством, о чем будет язык дальше, есть сплющенная Земли около полюсов: экваториальный радиус Земли больше от полярного.
Видимое вращение небесной сферы и принято называть суточным вращением, поскольку n-ного период равняется одним суткам (понятие суток уточнено ниже). Как вспоминалось, это вращение осуществляется вокруг оси мира. В действительности вращательное движение происходит вокруг оси вращения Земли. Однако радиус Земли очень малый сравнительно с расстояниями д зрение, и эта разница для наблюдателя, который находится на поверхности, а не в центре Земли, незаметная.
Вращение небесной сферы , вследствие суточного движения зори на небе описывают круги разной величины - тем меньшие, чем ближе к полюсу мира находится заря. Северный го мое мира находится вблизи Полярной зари в созвездии Малой Медведицы: в 1966 г. - на угловом расстоянии 54" от нее, в 1986 г. это расстояние представляло уже 49". Причину уменьшения ее (благодаря процесии) приведем ниже
Вследствие суточного вращения небесной сферы каждое светило дважды пересекает (проходит ли) небесный меридиан Явление прохождения светила через небесный меридиан будет судиться кульминацией светила (от лат. culmen - вер) "В верхней кульминации светило пересекает ту часть небесного меридиана, в которой находится зенит, в нижней оно проходит через часть меридиана, в которой размещен надир.
Видимое движение светил.
Чтобы понять видимое движение Солнца и других светил на , рассмотрим истинное движение Земли. Земля является одной из планет солнечной системы. Она непрерывно вращается вокруг своей оси. Период вращения ее равен одним суткам. Поэтому наблюдателю, находящемуся на Земле, кажется, что все небесные светила обращаются вокруг Земли с востока на запад с тем же периодом. Но Земля не только вращается вокруг своей оси. Она обращается также вокруг Солнца по эллиптической орбите. Полный оборот вокруг Солнца она совершает за один год. Ось вращения Земли наклонена к плоскости орбиты под углом 66°33". Положение оси в пространстве при движении Земли вокруг Солнца все время остается почти неизменным (рис. 1.10). Поэтому Северное и Южное полушария попеременно бывают обращены в сторону Солнца, в результате чего на Земле происходит смена времен года.
При внимательном наблюдении неба можно заметить, что звезды на протяжении многих лет неизменно сохраняют свое взаимное расположение. Вследствие их чрезвычайной удаленности и весьма малых собственных движений относительно друг друга они с любой точки земной орбиты видны одинаково. Тела же солнечной системы - Солнце, Луна и планеты, которые находятся сравнительно недалеко от Земли, меняют свое положение среди звезд. Таким образом, Солнце наравне со всеми светилами участвует в суточном движении и одновременно имеет собственное видимое движение (оно называется годовым движением), обусловленное движением Земли вокруг Солнца.
Рассмотрим отдельно эти два главных видимых движения Солнца и разберемся, какие изменения они вносят в положение Солнца на небесной сфере.
Видимое годовое движение Солнца.
Наиболее просто годовое движение Солнца можно объяснить по рис. 1.11, на котором изображена , Солнце и орбита Земли. Из этого рисунка видно, что в зависимости от положения Земли на орбите наблюдатель с Земли будет видеть Солнце на фоне разных созвездий. Ему будет казаться, что оно все время перемещается по небесной сфере. Это движение является отражением обращения Земли вокруг Солнца. За год Солнце сделает полный оборот.
Большой круг на небесной сфере, по которому происходит видимое годовое движение Солнца, называется эклиптикой. Эклиптика - слово греческое и в переводе означает затмение. Этот круг назвали так потому, что затмения Солнца и Луны происходят только тогда, когда оба светила находятся на этом круге.
Следует отметить, что плоскость эклиптики совпадает с плоскостью орбиты Земли. Видимое годовое движение Солнца по эклиптике происходит в том же направлении, в котором Земля движется по орбите вокруг Солнца, т. е. оно перемещается к востоку. В течение года Солнце последовательно проходит по эклиптике 12 созвездий, которые образуют пояс Зодиака и называются зодиакальными. Зодиак - слово греческое, которое означает звериный круг (большинство созвездий этого круга имеют названия животных).
Пояс Зодиака образуют следующие созвездия: Рыбы, Овен, Телец, Близнецы, Рак, Лев, Дева, Весы, Скорпион, Стрелец, Козерог и Водолей. В каждом из них Солнце бывает примерно месяц. Эклиптика дается на специальной звездной карте, прилагаемой к Авиационному астрономическому ежегоднику (приложение 3). Вследствие того, что плоскость земного экватора наклонена к плоскости орбиты Земли на , плоскость небесного экватора также наклонена к плоскости эклиптики на угол . Наклон эклиптики к экватору не сохраняется постоянным. В 1896 г. при утверждении астрономических постоянных решено было наклон эклиптики к экватору считать равным .
Вследствие воздействия на Землю сил притяжения Солнца и Луны он постепенно изменяется в пределах от до . В данный период времени угол равен и непрерывно уменьшается на 0,47" в год.
Эклиптика пересекается с небесным экватором в двух точках, которые называются точками весеннего и осеннего равноденствий.Точку весеннего равноденствия принято обозначать знаком созвездия Овен Т, а точку осеннего равноденствия - знаком созвездия Весов Солнце в этих точках соответственно бывает 21 марта и 23 сентября. В эти дни на Земле день равен ночи, Солнце точно восходит в точке востока и заходит в точке запада.
Точки эклиптики, отстоящие от точек равноденствий на 90°, называются точками солнцестояний. Точка Е на эклиптике, в которой Солнце занимает самое высокое положение относительно небесного экватора, называется точкой летнего солнцестояния, а точка Е, в которой оно занимает самое низкое положение, называется точкой зимнего солнцестояния. В точке летнего солнцестояния Солнце бывает 22 июня, а в точке зимнего солнцестояния - 22 декабря. В течение нескольких дней, близких к датам солнцестояний, полуденная высота Солнца остается почти неизменной, в связи с чем эти точки и получили такое название. Когда Солнце находится в точке летнего солнцестояния день в Северном полушарии самый длинный, а ночь самая короткая, а когда оно находится в точке зимнего солнцестояния - наоборот.
В день летнего солнцестояния точки восхода и захода Солнца максимально удалены к северу от точек востока и запада на горизонте, а в день зимнего солнцестояния они имеют наибольшее удаление к югу.
Движение Солнца по эклиптике приводит к непрерывному изменению его экваториальных координат, ежедневному изменению полуденной высоты и перемещению по горизонту точек восхода и захода.
Известно, что склонение Солнца отсчитывается от плоскости небесного экватора, а прямое восхождение - от точки весеннего равноденствия. Поэтому когда Солнце находится в точке весеннего равноденствия, его склонение и прямое восхождение равны нулю. В течение года склонение Солнца в настоящий период изменяется от до переходя два раза в год через нуль, а прямое восхождение от 0 до 360°.
Экваториальные координаты Солнца в течение года изменяются неравномерно. Происходит это вследствие неравномерности движения Солнца по эклиптике и наклона эклиптики к экватору. Половину своего видимого годового пути Солнце проходит за 186 суток с 21 марта по 23 сентября, а вторую половину за 179 суток с 23 сентября по 21 марта. Неравномерность движения Солнца по эклиптике связана с тем, что Земля на протяжении всего периода обращения вокруг Солнца движется по орбите не с одинаковой скоростью. Из второго закона Кеплера известно, что линия, соединяющая Солнце и планету, за равные промежутки времени описывает равные площади. Согласно этому закону Земля, находясь ближе всего к Солнцу, т. е. в перигелии, движется быстрее, а находясь дальше всего от Солнца, т. е. в афелии - медленнее. Ближе к Солнцу Земля бывает зимой, а летом - дальше. Поэтому в зимние дни она движется по орбите быстрее, чем в летние. Вследствие этого суточное изменение прямого восхождения Солнца в день зимнего солнцестояния равно тогда как в день летнего солнцестояния оно равно только .
Различие скоростей движения Земли в каждой точке орбиты вызывает неравномерность изменения не только прямого восхождения, но и склонения Солнца. Однако за счет наклона эклиптики к экватору его изменение имеет другой характер. Наиболее быстро склонение Солнца изменяется вблизи точек равноденствия, а у точек солнцестояния оно почти не изменяется.
Знание характера изменения экваториальных координат Солнца позволяет производить приближенный расчет прямого восхождения и склонения Солнца. Для выполнения такого расчета берут ближайшую дату с известными экваториальными координатами Солнца. Затем учитывают, что прямое восхождение Солнца за сутки изменяется в среднем на 1°, а склонение Солнца в течение месяца до и после прохождения точек равноденствия изменяется на 0,4° в сутки; в течение месяца перед солнцестояниями и после них - на 0,1° в сутки, а в течение промежуточных месяцев между указанными - на 0,3°.
Видимое движение и фазы Луны.
Луна является естественным спутником Земли и ближайшим к ней небесным телом. Она обращается вокруг Земли по эллиптической орбите в том же направлении, что и Земля вокруг Солнца. Среднее расстояние Луны от Земли равно 384 400 км. Плоскость орбиты Луны наклонена к плоскости эклиптики на .
Точки пересечения орбиты Луны с эклиптикой называются узлами лунной орбиты. Движение Луны вокруг Земли для наблюдателя представляется как видимое ее движение по . Видимый путь Луны по небесной сфере называется видимой орбитой Луны. За сутки Луна перемещается по видимой орбите относительно звезд примерно на 13,2°, а относительно Солнца на 12,2°, так как Солнце за это время тоже перемещается по эклиптике в среднем на 1°. Промежуток времени, в течение которого Луна совершает полный оборот по своей орбите относительно звезд, называется звездным, или сидерическим, месяцем. Его продолжительность равна 27,32 средних солнечных суток.
Промежуток времени, в течение которого Луна совершает полный оборот по своей орбите относительно Солнца, называется с инодическим месяцем. Он равен 29,53 средних солнечных суток. Сидерический и синодический месяцы различаются примерно на двое суток за счет движения Земли по своей орбите вокруг Солнца. На рис. 1.15 показано, что при нахождении Земли на орбите в точке 1 Луна и Солнце наблюдаются на в одном и том же месте, например на фоне звезды . Через 27,32 сут, т. е. когда Луна сделает полный оборот вокруг Земли, она снова будет наблюдаться на фоне той же звезды. Но так как Земля вместе с Луной за это время переместится по своей орбите относительно Солнца примерно на 27° и будет находиться в точке 2, то Луне необходимо еще пройти 27°, чтобы занять прежнее положение относительно Земли и Солнца, на что понадобится около 2 сут. Таким образом, синодический месяц длиннее сидерического на отрезок времени, который нужен Луне, чтобы переместиться на 27°.
Период вращения Луны вокруг своей оси равен периоду ее обращения вокруг Земли. Поэтому Луна обращена к Земле всегда одной и той же стороной. Вследствие того, что Луна за одни сутки перемещается по небесной сфере с запада на восток, т. е. в сторону, обратную суточному движению , на 13,2°, ее восход и заход ежесуточно запаздывают примерно на 50 мин. Это ежедневное запаздывание приводит к тому, что Луна непрерывно меняет свое положение относительно Солнца, но через строго определенный период времени вновь возвращается в исходное положение. В результате движения Луны по видимой орбите происходит непрерывное и быстрое изменение ее экваториальных
координат. В среднем за сутки прямое восхождение Луны изменяется на 13,2°, а склонение - на 4°. Изменение экваториальных координат Луны происходит не только за счет ее быстрого движения по орбите вокруг Земли, но и вследствие необычайной сложности этого движения. На Луну действуют многие силы, имеющие различную величину и период, под влиянием которых все элементы лунной орбиты постоянно изменяются.
Наклон орбиты Луны к эклиптике колеблется в пределах от до 5° 19" за время, несколько меньшее полугода. Изменяются формы и размеры орбиты. Непрерывно с периодом 18,6 года меняется положение орбиты в пространстве, в результате чего происходит перемещение узлов лунной орбиты навстречу движению Луны. Это приводит к постоянному изменению угла наклона видимой орбиты Луны к небесному экватору от до . Поэтому пределы изменения склонения Луны не остаются постоянными. В некоторые периоды оно изменяется в пределах а в другие - ±18° 17".
Склонение Луны и ее гринвичский часовой угол даются в ежедневных таблицах ААЕ на каждый час гринвичского времени.
Движение Луны на сопровождается непрерывным изменением ее внешнего вида. Происходит так называемая смена лунных фаз. Фазой Луны называется видимая часть лунной поверхности, освещенная солнечными лучами.
Рассмотрим, вследствие чего происходит изменение лунных фаз. Известно, что Луна светит отраженным солнечным светом-Половина ее поверхности всегда освещена Солнцем. Но вследствие различных взаимных положений Солнца, Луны и Земли освещенная поверхность представляется земному наблюдателю в разных
видах. Принято различать четыре фазы Луны: новолуние, первая четверть, полнолуние и последняя четверть.
Во время новолуния Луна проходит между Солнцем и Землей. В этой фазе Луна обращена к Земле неосвещенной стороной, и поэтому она не видна земному наблюдателю. В фазе первой четверти Луна находится в таком положении, что наблюдатель видит ее в виде половины освещенного диска. Во время полнолуния Луна находится в направлении, противоположном направлению на Солнце. Поэтому к Земле обращена вся освещенная сторона Луны и она видна в виде полного диска. После полнолуния видимая с Земли освещенная часть Луны постепенно уменьшается. Когда Луна достигает фазы последней четверти, она снова видна в виде половины освещенного диска. В Северном полушарии в первой четверти освещена правая половина диска Луны, а в последней - левая.
В промежутке между новолунием и первой четвертью и в промежутке между последней четвертью и новолунием к Земле обращена небольшая часть освещенной Луны, которая наблюдается в виде серпа. В промежутках между первой четвертью и полнолунием, полнолунием и последней четвертью Луна видна в виде ущербленного диска. Полный цикл смены лунных фаз происходит в течение строго определенного периода времени. Его называют периодом фаз. Он равен синодическому месяцу, т. е. 29,53 сут.
Промежуток времени между основными фазами Луны равен примерно 7 сут. Количество дней, прошедших с момента новолуния, принято называть возрастом Луны. С изменением возраста изменяются и точки восхода и захода Луны. Даты и моменты наступления основных фаз Луны по гринвичскому времени даны в ААЕ.
Движение Луны вокруг Земли является причиной лунных и солнечных затмений. Затмения происходят только тогда, когда Солнце и Луна одновременно располагаются вблизи узлов лунной орбиты. Солнечное затмение происходит, когда Луна находится между Солнцем и Землей, т. е. в период новолуния, а лунное - когда Земля находится между Солнцем и Луной, т. е. в период полнолуния.
Видимое движение планет.
В состав Солнечной системы входит девять планет. Пять из них можно видеть на небе невооруженным глазом. Это планеты Меркурий, Венера, Марс, Юпитер и Сатурн. Среди звезд планеты выделяются своей яркостью. Но их видимое положение относительно звезд непостоянно. Они непрерывно перемещаются по небу, как бы блуждают среди звезд. Видимое происходит вблизи эклиптики, т. е. в поясе зодиакальных созвездий. В отличие от видимого движения Солнца и Луны оно имеет сложный характер, так как является отражением действительных движений Земли и планет по их орбитам вокруг Солнца.
По положению своих орбит относительно орбиты Земли планеты делятся на внутренние и внешние. Внутренние планеты обращаются вокруг Солнца внутри орбиты Земли, а внешние - за ее пределами. К внутренним планетам относятся Меркурий и Венера, а к внешним - Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун и Плутон. Когда планета проходит между Землей и Солнцем и находится в точке 1, она земному наблюдателю не видна, так как в это время к Земле обращена неосвещенная сторона планеты. Спустя некоторое время после прохождения точки 1, планета становится видимой и наблюдателю будет казаться, что она относительно Солнца отклоняется вправо.
Когда планета достигнет точки 2, наблюдатель увидит ее на в точке А. Затем в своем видимом движении планета совершает среди звезд петлю и начинает двигаться в обратном направлении. Удаление ее от Солнца уменьшается, она постепенно скрывается в его лучах и заходит одновременно с ним. В это время планета проходит за Солнцем. Через некоторое время планета становится снова видимой, но теперь уже слева от Солнца. Достигнув предельного отклонения от Солнца влево, планета в точке В снова делает петлю, меняет направление своего движения и затем начинает приближаться к Солнцу. Таким образом, видимое движение внутренней планеты представляется как бы колебанием ее около Солнца.
При положении планеты справа от Солнца она наблюдается на как утренняя звезда, а при положении слева - как вечерняя звезда.
Наиболее благоприятными условиями наблюдения внутренних планет являются условия, при которых они находятся вбизи точек наибольшего углового отклонения от Солнца. У Меркурия максимальное угловое отклонение достигает 28°, а у Венеры - 48°. Поскольку Меркурий находится близко к Солнцу, то наблюдать его трудно. Даже при максимальном угловом отклонении от Солнца его можно наблюдать только в сумерках вскоре после захода Солнца или непосредственно перед восходом Солнца. Венера при наибольшем угловом отклонении восходит примерно за 3-4 ч до восхода Солнца, а при вечерней видимости через столько же времени заходит после захода Солнца.
Экипажу самолета важно знать, когда, утром или вечером, будет видна планета Венера в заданную дату полета. Наиболее просто это можно определить по ААЕ. Для этого необходимо сравнить часовые углы Солнца и Венеры, взятые из ААЕ для заданной даты для любого целого часа времени. Если часовой угол Венеры больше часового угла Солнца, Венера будет видна утром на востоке, а если меньше - вечером на западе.
Внешние планеты обращаются вокруг Солнца на более далеком расстоянии, чем Земля. Поэтому характер их видимого движения несколько иной, чем у внутренних планет. Среди звезд они перемещаются медленнее видимого годового движения Солнца. Среди внешних планет наиболее быстрое видимое движение имеет Марс, который расположен ближе всего к Земле. Противостоянием называется положение планеты на относительно Земли в направлении, противоположном Солнцу. В противостоянии планета наблюдается в нулевой фазе (диск освещен полностью). Поэтому это положение планеты является самым удобным для ее наблюдения. В период противостояния планета находится в созвездии, противоположном тому, в котором в это время находится Солнце. Следовательно, в этом положении планета может быть видна на небе всю ночь. Для отыскания планет на небесной сфере пользуются специальными схемами, которые даны в приложении к ААЕ. На этих схемах показан видимый годовой путь среди звезд планет, используемых в авиационной астрономии (см. приложение 4). Видимое приводит к непрерывному изменению их экваториальных координат, значения которых даются в ААЕ на каждый час гринвичского времени.
Источники.
http://stu.sernam.ru/book_aa.php?id=7
Содержание статьи
НЕБЕСНАЯ СФЕРА. Когда мы наблюдаем небо, все астрономические объекты кажутся расположенными на куполообразной поверхности, в центре которой находится наблюдатель. Этот воображаемый купол образует верхнюю половину воображаемой сферы, которую называют «небесной сферой». Она играет фундаментальную роль при указании положения астрономических объектов.
Ось вращения Земли наклонена примерно на 23,5° относительно перпендикуляра, проведенного к плоскости земной орбиты (к плоскости эклиптики). Пересечение этой плоскости с небесной сферой дает круг – эклиптику, видимый путь Солнца за год. Ориентация земной оси в пространстве почти не изменяется. Поэтому каждый год в июне, когда северный конец оси наклонен в сторону Солнца, оно высоко поднимается на небе в Северном полушарии, где дни становятся длинными, а ночи короткими. Переместившись на противоположную сторону орбиты в декабре, Земля оказывается развернута к Солнцу Южным полушарием, и у нас на севере дни становятся короткими, а ночи – длинными. См . также ВРЕМЕНА ГОДА .
Однако под влиянием солнечного и лунного притяжения ориентация земной оси все же постепенно меняется. Основное движение оси, вызванное влиянием Солнца и Луны на экваториальное вздутие Земли, называют прецессией. В результате прецессии земная ось медленно поворачивается вокруг перпендикуляра к орбитальной плоскости, описывая за 26 тыс. лет конус радиусом 23,5°. По этой причине через несколько столетий полюс уже не будет вблизи Полярной звезды. Кроме того, ось Земли совершает мелкие колебания, называемые нутацией и связанные с эллиптичностью орбит Земли и Луны, а также с тем, что плоскость лунной орбиты немного наклонена к плоскости земной орбиты.
Как мы уже знаем, вид небесной сферы в течение ночи меняется из-за вращения Земли вокруг оси. Но даже если наблюдать небо в одно и то же время в течение года, его вид будет меняться из-за обращения Земли вокруг Солнца. Для полного оборота по орбите на 360° Земле требуется ок. 365 1 / 4 суток – примерно по градусу в сутки. Кстати, сутки, а точнее – солнечные сутки – это время, за которое Земля поворачивается один раз вокруг оси по отношению к Солнцу. Оно состоит из времени, за которое Земля совершает оборот по отношению к звездам («звездные сутки»), плюс небольшое время – около четырех минут, – необходимое для поворота, компенсирующего орбитальное перемещение Земли за сутки на один градус. Таким образом, в году ок. 365 1 / 4 солнечных суток и ок. 366 1 / 4 звездных.
При наблюдении из определенной точки Земли звезды, расположенные вблизи полюсов, либо всегда находятся над горизонтом, либо никогда не поднимаются над ним. Все остальные звезды восходят и заходят, причем каждый день восход и заход каждой звезды происходит на 4 мин раньше, чем в предыдущий день. Некоторые звезды и созвездия поднимаются на небе ночью в зимнее время – мы называем их «зимними», а другие – «летними».
Таким образом, вид небесной сферы определяется тремя временами: временем суток, связанным с вращением Земли; временем года, связанным с обращением вокруг Солнца; эпохой, связанной с прецессией (хотя последний эффект едва ли заметишь «на глаз» даже за 100 лет).
Системы координат.
Существуют различные способы для указания положения объектов на небесной сфере. Каждый из них подходит к задачам определенного типа.
Альт-азимутальная система.
Для указания положения объекта на небе по отношению к окружающим наблюдателя земным предметам используют «альт-азимутальную», или «горизонтальную», систему координат. В ней указывают угловое расстояние объекта над горизонтом, называемое «высотой», а также его «азимут» – угловое расстояние вдоль горизонта от условной точки до точки, лежащей прямо под объектом. В астрономии азимут отсчитывают от точки юга к западу, а в геодезии и навигации – от точки севера к востоку. Поэтому, прежде чем пользоваться азимутом, нужно выяснить, в какой системе он указан. Точка неба, находящаяся прямо над головой, имеет высоту 90° и называется «зенит», а диаметрально противоположная ей точка (под ногами) – «надир». Для многих задач важен большой круг небесной сферы, называемый « небесным меридианом»; он проходит через зенит, надир и полюсы мира, а горизонт пересекает в точках севера и юга.
Экваториальная система.
Из-за вращения Земли звезды постоянно перемещаются относительно горизонта и сторон света, а их координаты в горизонтальной системе изменяются. Но для некоторых задач астрономии система координат должна быть независимой от положения наблюдателя и времени суток. Такую систему называют «экваториальной»; ее координаты напоминают географические широты и долготы. В ней плоскость земного экватора, продолженная до пересечения с небесной сферой, задает основной круг – «небесный экватор». «Склонение» звезды напоминает широту и измеряется ее угловым расстоянием к северу или югу от небесного экватора. Если звезда видна точно в зените, то широта места наблюдения равна склонению звезды. Географической долготе соответствует «прямое восхождение» звезды. Оно измеряется к востоку от точки пересечения эклиптики с небесным экватором, которую Солнце проходит в марте, в день начала весны в Северном полушарии и осени – в Южном. Эту важную для астрономии точку называют «первой точкой Овна», или «точкой весеннего равноденствия», и обозначают знаком . Значения прямого восхождения обычно указывают в часах и минутах, считая 24 ч равными 360°.
Экваториальную систему используют при наблюдении с телескопами. Телескоп устанавливают так, чтобы он мог вращаться с востока на запад вокруг оси, направленной на полюс мира, компенсируя этим вращение Земли.
Другие системы.
Для некоторых целей используются и другие системы координат на небесной сфере. Например, когда изучают движение тел в Солнечной системе, используют систему координат, основной плоскостью которой служит плоскость земной орбиты. Строение Галактики изучают в системе координат, главной плоскостью которой служит экваториальная плоскость Галактики, представленная на небе кругом, проходящим вдоль Млечного Пути.
Сравнение систем координат.
Важнейшие детали горизонтальной и экваториальной систем показаны на рисунках. В таблице эти системы сопоставлены с географической системой координат.
| СРАВНЕНИЕ СИСТЕМ КООРДИНАТ | |||
| Характеристика | Альт-азимутальная система | Экваториальная система | Географическая система |
| Основной круг | Горизонт | Небесный экватор | Экватор |
| Полюсы | Зенит и надир | Северный и южный полюсы мира | Северный и южный полюсы |
| Угловое расстояние от основного круга | Высота | Склонение | Широта |
| Угловое расстояние вдоль основного круга | Азимут | Прямое восхождение | Долгота |
| Опорная точка на основном круге | Точка юга на горизонте (в геодезии – точка севера) |
Точка весеннего равноденствия | Пересечение с гринвичским меридианом |
Переход из одной системы в другую.
Часто возникает необходимость по альт-азимутальным координатам звезды вычислить ее экваториальные координаты, и наоборот. Для этого необходимо знать момент наблюдения и положение наблюдателя на Земле. Математически проблема решается с помощью сферического треугольника с вершинами в зените, северном полюсе мира и звезде Х; его называют «астрономическим треугольником».
Угол с вершиной в северном полюсе мира между меридианом наблюдателя и направлением на какую-либо точку небесной сферы называют «часовым углом» этой точки; его измеряют к западу от меридиана. Часовой угол точки весеннего равноденствия, выраженный в часах, минутах и секундах, называют «звездным временем» (Si. T. – sidereal time) в точке наблюдения. А поскольку прямое восхождение звезды – это тоже полярный угол между направлением на нее и на точку весеннего равноденствия, то звездное время равно прямому восхождению всех точек, лежащих на меридиане наблюдателя.
Таким образом, часовой угол любой точки на небесной сфере равен разности звездного времени и ее прямого восхождения:
Пусть широта наблюдателя равна j . Если даны экваториальные координаты звезды a и d , то ее горизонтальные координаты а и можно вычислить по следующим формулам:
Можно решить и обратную задачу: по измеренным значениям а и h , зная время, вычислить a и d . Склонение d вычисляется прямо из последней формулы, затем из предпоследней вычисляется Н , а из первой, если известно звездное время, вычисляется a .
Представление небесной сферы.
Многие столетия ученые искали наилучшие способы представления небесной сферы для ее изучения или демонстрации. Предлагались два типа моделей: двумерные и трехмерные.
Небесную сферу можно изобразить на плоскости таким же образом, как сферическую Землю изображают на картах. В обоих случаях необходимо выбрать систему геометрической проекции. Первой попыткой представить участки небесной сферы на плоскости были наскальные рисунки звездных конфигураций в пещерах древних людей. В наши дни существуют различные звездные карты, изданные в виде рисованных или фотографических звездных атласов, покрывающих все небо.
Древние китайские и греческие астрономы представляли небесную сферу в виде модели, известной как «армиллярная сфера». Она состоит из металлических кругов или колец, соединенных вместе так, чтобы показать важнейшие круги небесной сферы. Сейчас нередко используют звездные глобусы, на которых отмечены положения звезд и основных кругов небесной сферы. У армиллярных сфер и глобусов есть общий недостаток: положение звезд и разметка кругов нанесены на их внешней, выпуклой стороне, которую мы рассматриваем снаружи, тогда как на небо мы смотрим «изнутри», и звезды нам кажутся размещенными на вогнутой стороне небесной сферы. Это иногда приводит к путанице направлений движения звезд и фигур созвездий.
Наиболее реалистическое представление небесной сферы дает планетарий. Оптическая проекция звезд на полусферический экран изнутри позволяет очень точно воспроизвести вид неба и всевозможные движения светил на нем.
При своем суточном движении светила дважды пересекают небесный меридиан - над точками юга и севера. Момент пересечения небесного меридиана называется кульминацией светила. В момент верхней кульминации над точкой юга светило достигает наибольшей высоты над горизонтом. Как известно, высота полюса мира над горизонтом (угол РОN): hp = ф. Тогда угол между горизонтом (NS) и небесным экватором (QQ1) будет равен 180° - ф - 90° = 90° - ф. Угол MOS, который выражает высоту светила М в кульминации, представляет собою сумму двух углов: Q1OS и MOQ1. Величину первого из них мы только что определили, а второй является не чем иным, как склонением светила М, равным 8. Таким образом, мы получаем следующую формулу, связывающую высоту светила в кульминации с его склонением и географической широтой места наблюдения:
h = 90° - ф + 5.
Зная склонение светила и определив из наблюдений его высоту в кульминации, можно узнать географическую широту места наблюдения. Продолжим наше воображаемое путешествие и отправимся из средних широт к экватору, географическая широта которого 0°. Как следует из только что выведенной формулы, здесь ось мира располагается в плоскости горизонта, а небесный экватор проходит через зенит. На экваторе в течение суток все светила побывают над горизонтом.
Еще в глубокой древности, наблюдая за Солнцем, люди обнаружили, что его полуденная высота в течение года меняется, как меняется и вид звездного неба: в полночь над южной частью горизонта в различное время года видны звезды разных созвездий - те, которые видны летом, не видны зимой, и наоборот. На основе этих наблюдений был сделан вывод о том, что Солнце перемещается по небу, переходя из одного созвездия в другое, и завершает полный оборот в течение года. Круг небесной сферы, по которому происходит видимое годичное движение Солнца, назвали эклиптикой. Созвездия, по которым проходит эклиптика, получили название зодиакальных (от греческого слова «зоон» - животное). Каждое зодиакальное созвездие Солнце пересекает примерно за месяц. В XX в. к их числу добавилось еще одно - Змееносец.
Перемещение Солнца на фоне звезд - явление кажущееся. Происходит оно вследствие годичного обращения Земли вокруг Солнца. Поэтому эклиптика представляет собой тот круг небесной сферы, по которому она пересекается с плоскостью земной орбиты. За сутки Земля проходит примерно 1/365 часть своей орбиты. Вследствие этого Солнце перемещается на небе примерно на 1° за каждые сутки. Промежуток времени, в течение которого оно обходит полный круг по небесной сфере, назвали годом. Из курса географии вам известно, что ось вращения Земли наклонена к плоскости ее орбиты под углом 66°30". Следовательно, земной экватор имеет по отношению к плоскости орбиты наклон, равный 23°30". Таков наклон эклиптики к небесному экватору, который она пересекает в двух точках: весеннего и осеннего равноденствий.
В эти дни (обычно - 21 марта и 23 сентября) Солнце находится на небесном экваторе и имеет склонение 0°. Оба полушария Земли освещаются Солнцем одинаково: граница дня и ночи проходит точно через полюса, и день равен ночи во всех пунктах Земли. В день летнего солнцестояния (22 июня) Земля повернута к Солнцу своим Северным полушарием. Здесь стоит лето, на Северном полюсе - полярный день, а на остальной территории полушария дни длиннее ночи. В день летнего солнцестояния Солнце поднимается над плоскостью земного (и небесного) экватора на 23°30". В день зимнего солнцестояния (22 декабря), когда Северное полушарие освещается хуже всего, Солнце находится ниже небесного экватора на такой же угол 23°30". В зависимости от положения Солнца на эклиптике меняется его высота над горизонтом в полдень - момент верхней кульминации. Измерив полуденную высоту Солнца и зная его склонение в этот день, можно вычислить географическую широту места наблюдения. Этот способ издавна использовался для определения местоположения наблюдателя на суше и на море.
