Усі елементи небесної сфери. Лекція з астрономії – Небесна сфера, її основні точки. Основні положення небесної сфери

НЕБЕЗНА СФЕРА
Коли ми спостерігаємо небо, всі астрономічні об'єкти здаються розташованими на куполоподібній поверхні, у центрі якої спостерігач. Цей уявний купол утворює верхню половину уявної сфери, яку називають "небесною сферою". Вона відіграє фундаментальну роль при вказівці положення астрономічних об'єктів.

Хоча Місяць, планети, Сонце та зірки розташовані на різних відстанях від нас, навіть найближчі з них знаходяться так далеко, що ми не в змозі на око оцінити їхню віддаленість. Напрямок на зірку не змінюється, коли ми рухаємося поверхнею Землі. (Щоправда, воно трохи змінюється при переміщенні Землі орбітою, але помітити це паралактическое усунення можна лише з допомогою точних приладів.) Нам здається, що небесна сфера обертається, оскільки світила сягають Сході і заходять заході. Причиною цього є обертання Землі із заходу Схід. Звертання небесної сфери, що здається, відбувається навколо уявної осі, що продовжує земну вісь обертання. Ця вісь перетинає небесну сферу у двох точках, званих північним та південним "полюсами світу". Північний полюс світу лежить приблизно за градус від Полярної зірки, а поблизу південного полюса немає яскравих зірок.

Вісь обертання Землі нахилена приблизно на 23,5° щодо перпендикуляра, проведеного до площини земної орбіти (площини екліптики). Перетин цієї площини з небесною сферою дає коло - екліптику, видимий шлях Сонця протягом року. Орієнтація земної осі у просторі майже змінюється. Тому щороку в червні, коли північний кінець осі нахилений у бік Сонця, воно високо здіймається на небі в Північній півкулі, де дні стають довгими, а ночі короткими. Перемістившись на протилежний бік орбіти у грудні, Земля виявляється розгорнута до Сонця Південною півкулею, і ми на півночі дні стають короткими, а ночі - довгими.
Див. такожПОРИ РОКУ . Однак під впливом сонячного та місячного тяжіння орієнтація земної осі все ж таки поступово змінюється. Основний рух осі, викликаний впливом Сонця та Місяця на екваторіальне здуття Землі, називають прецесією. Внаслідок прецесії земна вісь повільно повертається навколо перпендикуляра до орбітальної площини, описуючи за 26 тис. років конус радіусом 23,5°. Тому через кілька століть полюс уже не буде поблизу Полярної зірки. Крім того, вісь Землі робить дрібні коливання, звані нутацією і пов'язані з еліптичність орбіт Землі та Місяця, а також з тим, що площина місячної орбіти трохи нахилена до площини земної орбіти. Як ми знаємо, вид небесної сфери протягом ночі змінюється через обертання Землі навколо осі. Але навіть якщо спостерігати небо в один і той же час протягом року, його вигляд змінюватиметься через навернення Землі навколо Сонця. Для повного обороту орбітою на 360° Землі потрібно бл. 3651/4 діб – приблизно за градусом на добу. До речі, доба, а точніше – сонячна доба – це час, за який Земля повертається один раз навколо осі по відношенню до Сонця. Воно складається з часу, за який Земля здійснює оборот по відношенню до зірок ("зоряна доба"), плюс невеликий час - близько чотирьох хвилин - необхідний для повороту, що компенсує орбітальне переміщення Землі за добу на один градус. Таким чином, у році прибл. 3651/4 сонячної доби та прибл. 3661/4 зіркових.
При спостереженні з певної точки
Землі зірки, розташовані поблизу полюсів, або завжди знаходяться над обрієм, або ніколи не піднімаються над ним. Всі інші зірки сходять і заходять, причому щодня схід і захід кожної зірки відбувається на 4 хв раніше, ніж у попередній день. Деякі зірки та сузір'я піднімаються на небі вночі в зимовий час - ми називаємо їх "зимовими", а інші - "літніми". Отже, вид небесної сфери визначається трьома часом: часом доби, що з обертанням Землі; порою року, пов'язаним із зверненням навколо Сонця; епохою, пов'язаною з прецесією (хоча останній ефект навряд чи помітиш "на око" навіть за 100 років).
Системи координат.Існують різні способи вказувати положення об'єктів на небесній сфері. Кожен із них підходить до завдань певного типу.
Альт-азимутальна система.Для вказівки положення об'єкта на небі по відношенню до навколишніх спостерігачів земних предметів використовують "альт-азимутальну", або "горизонтальну" систему координат. У ній вказують кутове відстань об'єкта над горизонтом, зване " заввишки " , і навіть його " азимут " - кутове відстань вздовж горизонту від умовної точки до точки, що лежить під об'єктом. В астрономії азимут відраховують від точки півдня на захід, а в геодезії та навігації – від точки півночі на схід. Тому, перш ніж користуватись азимутом, потрібно з'ясувати, в якій системі він вказаний. Крапка піднебіння, що знаходиться прямо над головою, має висоту 90° і називається "зеніт", а діаметрально протилежна їй точка (під ногами) - "надир". Для багатьох завдань важливе велике коло небесної сфери, яке називається "небесним меридіаном"; він проходить через зеніт, надир та полюси світу, а горизонт перетинає у точках півночі та півдня.
Екваторіальна система.Через обертання Землі зірки постійно переміщаються щодо горизонту та сторін світла, які координати в горизонтальній системі змінюються. Але для деяких завдань астрономії система координат має бути незалежною від положення спостерігача та часу доби. Таку систему називають "екваторіальною"; її координати нагадують географічні широти та довготи. У ній площину земного екватора, продовжена до перетину з небесною сферою, задає основне коло - "небесний екватор". "Схиляння" зірки нагадує широту та вимірюється її кутовою відстанню на північ або південь від небесного екватора. Якщо зірка видно точно в зеніті, то широта місця спостереження дорівнює відмінюванню зірки. Географічній довготі відповідає "пряме сходження" зірки. Воно вимірюється на схід від точки перетину екліптики з небесним екватором, яку Сонце проходить у березні, у день початку весни у Північній півкулі та осені – у Південній. Цю важливу для астрономії точку називають "першою точкою Овна", або "точкою весняного рівнодення", і позначають знаком
Інші системи.Для деяких цілей використовуються інші системи координат на небесній сфері. Наприклад, коли вивчають рух тіл у Сонячній системі, використовують систему координат, основною площиною якої є площина земної орбіти. Будівлю Галактики вивчають у системі координат, головною площиною якої служить екваторіальна площина Галактики, представлена на небі кругом, що проходить уздовж Чумацького Шляху.
Порівняння систем координат.Найважливіші деталі горизонтальної та екваторіальної систем показані на малюнках. У таблиці ці системи зіставлені з географічною системою координат.
Перехід із однієї системи до іншої.Часто виникає необхідність за альт-азимутальними координатами зірки обчислити її екваторіальні координати, і навпаки. Для цього необхідно знати момент спостереження та становище спостерігача на Землі. Математично проблема вирішується за допомогою сферичного трикутника з вершинами в зеніті, північному полюсі світу та зірці Х; його називають "астрономічним трикутником". Кут з вершиною у північному полюсі світу між меридіаном спостерігача та напрямом на якусь точку небесної сфери називають "годинним кутом" цієї точки; його вимірюють на захід від меридіана. Годинний кут точки весняного рівнодення, виражений у годинах, хвилинах та секундах, називають "зоряним часом" (Si. T. - sidereal time) у точці спостереження. А оскільки пряме сходження зірки - це теж полярний кут між напрямком на неї і на точку весняного рівнодення, то зоряний час дорівнює прямому сходження всіх точок, що лежать на меридіані спостерігача. Таким чином, годинний кут будь-якої точки на небесній сфері дорівнює різниці зоряного часу та її прямого сходження:

Нехай широта спостерігача дорівнює j. Якщо дані екваторіальні координати зірки a і d, то її горизонтальні координати а і можна обчислити за такими формулами: Можна вирішити і обернену задачу: за виміряними значеннями а і h, знаючи час, обчислити a і d. Відмінювання d обчислюється прямо з останньої формули, потім передостанньої обчислюється Н, а з першої, якщо відомо зоряний час, обчислюється a.
Вистава небесної сфери.Багато століть вчені шукали найкращі способи подання небесної сфери для її вивчення чи демонстрації. Пропонувалися два типи моделей: двовимірні та тривимірні. Небесну сферу можна зобразити на площині так само, як сферичну Землю зображують на картах. В обох випадках необхідно вибрати систему геометричної проекції. Першою спробою уявити ділянки небесної сфери площині були наскельні малюнки зоряних змін у печерах древніх людей. У наші дні існують різні зіркові карти, видані у вигляді мальованих або фотографічних зіркових атласів, що покривають все небо. Стародавні китайські та грецькі астрономи представляли небесну сферу у вигляді моделі, відомої як "армілярна сфера". Вона складається з металевих кіл чи кілець, з'єднаних разом так, щоб показати найважливіші кола небесної сфери. Нині нерідко використовують зіркові глобуси, на яких відзначені положення зірок та основних кіл небесної сфери. У армілярних сфер і глобусів є загальний недолік: положення зірок і розмітка кіл нанесені на їхній зовнішній, опуклій стороні, яку ми розглядаємо зовні, тоді як на небо ми дивимося "зсередини", і зірки нам здаються розміщеними на увігнутій стороні небесної сфери. Це іноді призводить до плутанини напрямків руху зірок та фігур сузір'їв. Найбільш реалістичне уявлення небесної сфери дає планетарій. Оптична проекція зірок на півсферичний екран зсередини дозволяє дуже точно відтворити вид неба та всілякі рухи світил на ньому.
Див. також
АСТРОНОМІЯ ТА АСТРОФІЗИКА;
ПЛАНЕТАР;
ЗІРКИ.

Енциклопедія Кольєра. - Відкрите суспільство. 2000 .

Великий Енциклопедичний словник - уявна допоміжна сфера довільного радіусу, яку проектують небесні світила. Застосовується в астрономії для вивчення взаємного розташування та руху космічних об'єктів на основі визначення їх координат на небесній сфері. Енциклопедичний словник

Уявна допоміжна сфера довільного радіусу, яку проектуються небесні світила; служить на вирішення різних астрометричних завдань. Уявлення про Н. с. виникло в давнину; в основу його лягло зорове… Велика Радянська Енциклопедія

Уявна сфера довільного радіусу, на якій небесні світила зображуються так, як вони видно з пункту спостережень на земній поверхні (топоцентрич. Н. с.) або як вони були б видно з центру Землі (геоцентрич. Н. с.) або центру Сонця … … Великий енциклопедичний політехнічний словник

небесна сфера- dangaus sfera statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. celestial sphere vok. Himmelskugel, f; Himmelssphäre, f rus. небесна сфера, f; хмарочос, m pranc. sphère céleste, f … Fizikos terminų žodynas

Небесна сфера - уявна сфера довільного радіусу, що використовується в астрономії для опису взаємних положень світил на небосхилі. Для простоти розрахунків її радіус приймають рівним одиниці; центр небесної сфери залежно від розв'язуваного завдання поєднують із зіницею спостерігача, із центром Землі, Місяця, Сонця чи взагалі з довільною точкою простору.

Уявлення про небесну сферу виникло в давнину. В основу його лягло зорове враження про існування кришталевого бані неба, на якому ніби укріплені зірки. Небесна сфера у поданні стародавніх народів була найважливішим елементом Всесвіту. З розвитком астрономії такий погляд на небесну сферу відпав. Однак закладена в давнину геометрія небесної сфери в результаті розвитку та вдосконалення набула сучасного вигляду, в якому для зручності різних розрахунків і використовується в астрометрії.

Розглянемо небесну сферу, як вона представляється Спостерігачеві в середніх широтах із Землі (рис. 1).

Дві прямі, становище яких можна встановити експериментально з допомогою фізичних і астрономічних інструментів, грають значної ролі щодо понять, що з небесної сферою.

Перша з них - прямовисна лінія; це пряма, що збігається у цій точці з напрямом дії сили тяжіння. Ця лінія, проведена через центр небесної сфери, перетинає її у двох діаметрально протилежних точках: верхня називається зенітом, нижня – надиром. Площина, що проходить через центр небесної сфери перпендикулярно вертикальній лінії, називається площиною математичного (або істинного) горизонту. Лінія перетину цієї площини з небесною сферою називається горизонтом.

Точки перетину осі світу з небесною сферою називаються Північним та Південним полюсами світу. Найбільш помітна із зірок поблизу Північного полюса світу – Полярна зірка. Яскравих зірок біля Південного полюса світу нема.

Площина, що проходить через центр небесної сфери перпендикулярно до осі світу, називається площиною небесного екватора. Лінію перетину цієї площини з небесною сферою називають небесним екватором.

Нагадаємо, що коло, яке виходить при перетині небесної сфери площиною, що проходить через її центр, називається в математиці великим колом, а якщо площина не проходить через центр, то виходить мале коло. Горизонт і небесний екватор являють собою великі кола небесної сфери і поділяють її на дві рівні півкулі. Горизонт ділить небесну сферу на видиму та невидиму півкулі. Небесний екватор ділить її відповідно на Північну та Південну півкулі.

При добовому обертанні небосхилу світила обертаються навколо осі світу, описуючи на небесній сфері малі кола, які називаються добовими паралелями; світила, віддалені від полюсів світу на 90°, рухаються вздовж великого кола небесної сфери – небесного екватора.

Визначивши стрімку лінію і вісь світу, неважко дати визначення решті всіх площин і кіл небесної сфери.

Площина, що проходить через центр небесної сфери, в якій одночасно лежать і прямовисна лінія, і вісь світу, називається площиною небесного меридіана. Велике коло від перетину цією площиною небесної сфери називають небесним меридіаном. Та з точок перетину небесного меридіана з горизонтом, що знаходиться ближче до Північного полюса світу, називається точкою півночі; діаметрально протилежна – точкою півдня. Пряма, що проходить через ці точки, є південна лінія.

Точки горизонту, що віддаляються на 90° від точок півночі та півдня, називаються точками сходу та заходу. Ці чотири точки називають головними точками горизонту.

Площини, що проходять через вертикальну лінію, перетинають небесну сферу великими колами і називаються вертикалами. Небесний меридіан є одним із вертикалів. Вертикал, що перпендикулярний меридіану і проходить через точки сходу і заходу, називають першим вертикалом.

За визначенням три основні площини – математичного горизонту, небесного меридіана та першого вертикалу – взаємно перпендикулярні. Площина небесного екватора перпендикулярна лише площині небесного меридіана, утворюючи з площиною горизонту двогранний кут. На географічних полюсах Землі площина небесного екватора збігається з площиною горизонту, але в екваторі Землі стає їй перпендикулярною. У першому випадку, на географічних полюсах Землі, вісь світу збігається з вертикальною лінією і за небесний меридіан може бути прийнятий будь-який з вертикалів залежно від умов завдання. У другому випадку, на екваторі, вісь світу лежить у площині горизонту та збігається з полуденною лінією; Північний полюс світу у своїй збігається з точкою півночі, а Південний полюс світу - з точкою півдня (див. рис.).

При використанні небесної сфери, центр якої поєднується з центром Землі або будь-якою іншою точкою простору, також виникає низка особливостей, проте принцип введення основних понять – горизонт, небесний меридіан, перший вертикал, небесний екватор тощо – залишається незмінним.

Основні площини та кола небесної сфери використовуються при введенні горизонтальних, екваторіальних та екліптичних небесних координат, а також при описі особливостей видимого добового обертання світил.

Велике коло, що утворюється при перетині небесної сфери площиною, що проходить через її центр і паралельна площині земної орбіти, називається екліптикою. За екліптикою відбувається видимий річний рух Сонця. Точка перетину екліптики з небесним екватором, у якій Сонце переходить із Південної півкулі небесної сфери до Північної, називають точкою весняного рівнодення. Протилежна точка небесної сфери називається точкою осіннього рівнодення. Пряма, що проходить через центр небесної сфери перпендикулярно площині екліптики, перетинає сферу у двох полюсах екліптики: Північному полюсі – у Північній півкулі та Південному – у Південній півкулі.

При вивченні виду зоряного неба користуються поняттям небесної сфери - уявної сфери довільного радіусу, до внутрішньої поверхні якої як би підвішені зірки. У центрі цієї сфери (у точці О) знаходиться спостерігач (рисунок 1). Крапка небесної сфери, розташована просто над головою спостерігача, називається зенітом, протилежна їй - надиром. Точки перетину уявної осі обертання Землі («осі світу») з небесною сферою називаються полюсами світу. Проведемо через центр небесної сфери три уявні площини: першу перпендикулярно до вертикальної лінії, другу перпендикулярно до осі світу і третю - через вертикальну лінію (через центр сфери та зеніт) та вісь світу (через полюс світу). У результаті на небесній сфері отримаємо три великі кола (центри яких збігаються із центром небесної сфери): горизонт, небесний екватор та небесний меридіан. Небесний меридіан перетинається з горизонтом у двох точках: точці півночі (N) та точка півдня (S), небесний екватор – у точці сходу (Е) та точці заходу (W). Лінія SN, що визначає напрямок «північ - південь», називається південною лінією.

Малюнок 1 - Основні точки та лінії небесної сфери; стрілкою вказано напрямок її обертання

Видиме річне пересування центру диска Сонця серед зірок відбувається за екліптикою - великому колу, площина якого складає з площиною небесного екватора кут е = 23 ° 27 / . З небесним екватором екліптика перетинається у двох точках (рисунок 2): у точці весняного рівнодення Т (20 або 21 березня) та у точці осіннього рівнодення (22 або 23 вересня).

Небесні координати

Як і на глобусі - зменшеної моделі Землі, на небесній сфері можна побудувати координатну сітку, що дозволяє визначити координати будь-якого світила. Роль земних меридіанів на небесній сфері грають кола відмін, що проходять від північного полюса світу до південного, замість земних паралелей на небесній сфері проводяться добові паралелі. Для кожного світила (рисунок 2) можна знайти:

1. Кутова відстань айого кола відмінювання від точки весняного рівнодення, виміряне вздовж небесного екватора проти добового руху небесної сфери (аналогічно тому, як вздовж земного екватора ми вимірюємо географічну довготу X- Кутова відстань меридіана спостерігача від нульового мерідіана Грінвіча). Ця координата називається прямим сходженням світила.

2. Кутова відстань світила бвід небесного екватора- відмінювання світила, виміряне вздовж кола відмін, що проходить через це світило (відповідає географічній широті).

Малюнок 2 – Положення екліптики на небесній сфері; стрілкою вказано напрямок видимого річного руху Сонця

Пряме сходження світила авимірюється в годинній мірі - в годинах (ч або h), хвилинах (м або т) та секундах (с або s) від 0 h до 24 h відмінювання б- у градусах, зі знаком "плюс" (від 0° до +90°) у напрямку від небесного екватора до північного полюса світу та зі знаком "мінус" (від 0° до -90°) - до південного полюса світу. У процесі добового обертання небесної сфери ці координати кожного світила залишаються незмінними.

Положення кожного світила на небесній сфері в даний час можна описати і двома іншими координатами: його азимутом і кутовою висотою над горизонтом. Для цього від зеніту через світило до горизонту проводимо подумки велике коло – вертикал. Азімут світила Авідраховується від точки півдня Sна захід до точки перетину вертикалу світила з горизонтом. Якщо ж відлік азимуту ведеться від точки півдня проти годинникової стрілки, йому приписують знак мінус. Висота світила hвідраховується вздовж вертикалу від горизонту до світила (рисунок 4). З малюнка 1 видно, що висота полюса світу над горизонтом дорівнює географічній широті спостерігача.

Матеріал із Юнциклопедії

Розглянемо небесну сферу, як вона представляється Спостерігачеві в середніх широтах із Землі (рис. 1).

Дві прямі, становище яких можна встановити експериментально з допомогою фізичних і астрономічних інструментів, грають значної ролі щодо понять, що з небесної сферою. Перша з них - прямовисна лінія; це пряма, що збігається у цій точці з напрямом дії сили тяжіння. Ця лінія, проведена через центр небесної сфери, перетинає її у двох діаметрально протилежних точках: верхня називається зенітом, нижня – надиром. Площина, що проходить через центр небесної сфери перпендикулярно вертикальній лінії, називається площиною математичного (або істинного) горизонту. Лінія перетину цієї площини з небесною сферою називається горизонтом.

Другий прямий служить вісь світу - пряма, що проходить через центр небесної сфери паралельно осі обертання Землі; навколо осі світу відбувається видиме добове обертання всього небосхилу. Точки перетину осі світу з небесною сферою називаються Північним та Південним полюсами світу. Найбільш помітна із зірок поблизу Північного полюса світу – Полярна зірка. Яскравих зірок біля Південного полюса світу нема.

Визначивши стрімку лінію і вісь світу, неважко дати визначення решті всіх площин і кіл небесної сфери.

Небесна сфера - це уявна сферична поверхня довільного радіусу, у центрі якої спостерігач. Небесні тіла проектуються на небесну сферу.

Через малі розміри Землі, в порівнянні з відстанями до зірок, спостерігачів, розташованих у різних місцях земної поверхні, можна вважати такими, що знаходяться в центрі небесної сфери. Насправді ніякої матеріальної сфери, що оточує Землю, у природі не існує. Небесні тіла рухаються в безмежному світовому просторі на різних відстанях від Землі. Ці відстані неймовірно великі, наш зір не в змозі їх оцінити, тому людині всі небесні тіла є однаково віддаленими.

Протягом року Сонце описує велике коло на тлі зоряного неба. Річний шлях Сонця небесною сферою називається екліптикою. Переміщаючись по екліптиці. Сонце в рівноденних точках двічі перетинає небесний екватор. Це буває 21 березня та 23 вересня.

Точка небесної сфери, яка залишається нерухомою під час добового руху зірок, умовно називається північним полюсом світу. Протилежна точка небесної сфери називається південним полюсом світу. Жителі північної півкулі його не бачать, оскільки він знаходиться під горизонтом. Вертикальна лінія, що проходить через спостерігача, перетинає небо над головою в точці зеніту і в діаметрально протилежній точці, яка називається надиром.

Вісь видимого обертання небесної сфери, що з'єднує обидва полюси світу і проходить через спостерігача, називають віссю світу. На горизонті під північним полюсом світу лежить точка півночі, діаметрально протилежна їй точка - точка півдня. Крапки сходу та заходулежать на лінії горизонту і відстоять від точок півночі та півдня на 90°.

Площина, що проходить через центр сфери перпендикулярно до осі світу, утворює площина небесного екватора, паралельну площині земного екватора. Площина небесного меридіана проходить через полюси світу, точки півночі та півдня, зеніт та надир.

Небесні координати

Система координат, у якій відлік здійснюється від площини екватора, називається екваторіальної. Кутова відстань світила від небесного екватора називається , яка змінюється від -90 ° до +90 °. Схиляннявважається позитивним на північ від екватора та негативним на південь. вимірюється кутом між площинами великих кіл, одне з яких проходить через полюси світу і це світило, другий — через полюси світу та точку весняного рівнодення, що лежить на екваторі.

Горизонтальні координати

Кутовою відстанню називається відстань між об'єктами на небі, що вимірюється кутом, який утворений променями, що йдуть до об'єкта з точки спостереження. Кутова відстань світила горизонту називають висотою світила над горизонтом. Положення світила щодо сторін горизонту називається азимутом. Відлік ведеться від півдня за годинниковою стрілкою. Азімуті висоту світила над обрієм вимірюють теодолітом. У кутових одиницях виражають як відстані між небесними об'єктами, а й розміри самих об'єктів. Кутова відстань полюса світу від горизонту дорівнює географічній широті території.

Висота світил у кульмінації

Проявлення проходження світил через небесний меридіан називаються кульмінаціями. Нижня кульмінація називається проходження світил через північну половину небесного меридіана. Явище проходження світилом південної половини небесного меридіана називається верхньою кульмінацією. Момент верхньої кульмінації центру Сонця називається справжнім полуднем, а момент нижньої кульмінації – справжньою опівночі. Проміжок часу між кульмінаціями - півдоби.

У незахідних світил над горизонтом видно обидві кульмінації, у висхідних та західних нижня кульмінаціявідбувається під горизонтом, нижчим від точки півночі. Кожна зірка кульмінуєу цій місцевості завжди на одній і тій же висоті над горизонтом, тому що її кутова відстань від полюса світу і від небесного екватора не змінюється. Сонце ж і Місяць змінюють висоту, на
якою вони кульмінують.