Начала астрономии Время и небесная сфера Созвездия Движение небесных тел Астроприборы Астрофизика Обзоры астрооборудования Астрономические наблюдения
Общая астрономия
Солнечная система Звезды Наша Галактика Внегалактическая астрономия Внеземные цивилизации Астрономы мира и знаменательные даты
Дополнительно
Форумы Astrogalaxy.ru Астрономия для детей Планетарии России Это интересно Новости астрономии О проекте
Вращение Земли и движение светил по небосводу. На небе есть звезда, называемая Полярной звездой, вокруг которой в течение суток вращаются другие звезды. В чем причины этого вращения?
Все дело в том, что Земля вращается вокруг своей оси. Ось вращения Земли практически не меняет направления в пространстве. Вращение Земли вызывает у наблюдателя иллюзию вращения небесной сферы. Любой наблюдатель видит лишь половину небесной сферы, другая половина от него заслоняется земным шаром. Звезды в течение суток описывают круги с центром недалеко от Полярной звезды.
Небесная сфера выглядит для нас так, словно вращается вокруг оси РР’. Ось мира пересекает небесную сферу в точках Р и Р’ – полюсах мира. Северный полюс мира Р – тот, при наблюдении которого с Земли вращение небесной сферы происходит по часовой стрелке. Южный полюс мира Р’ – тот, при наблюдении которого с Земли вращение небесной сферы происходит против часовой стрелки.
Притяжение Солнца и Луны заставляет земную ось прецессировать так же, как прецессирует ось наклонившегося быстро вращающегося волчка под действием силы тяжести.
Смещение полюса мира в результате прецессии. Луна и Солнце своим притяжением стремятся повернуть ось планеты: возникает явление прецессии. Ось Земли вращается относительно далеких звезд, делая полный оборот примерно за 26 тысяч лет (т.н. платонический год). При этом она описывает окружность радиусом 23,5° с центром в полюсе эклиптики, находящимся в созвездии Дракона. Прецессия впервые была обнаружена во II в. до н.э. Гиппархом, который нашел, что координаты звезд несколько изменились по сравнению с теми, что были сто лет назад. 13 тысяч лет назад полюс мира указывал на Вегу. На территории Восточно-европейской равнины можно было увидеть Центавр и Южный Крест. Дальше титул Полярной поочередно присваивался π, η и τ Геркулеса, звездам Тубан и Кохаб. Римляне вовсе не имели Полярной звезды, а Кохаб и Киносуру (α Малой Медведицы) называли Стражами. α Малой Медведицы стала полярной звездой примерно в 1100 году, а ближе всего к ней полюс пройдет в 2100 году. Приблизительно в 3200 году полярными станут звезды созвездия Цефей, затем они уступят первенство Денебу и Веге.
Источник информации: «Открытая Астрономия 2.5», ООО «ФИЗИКОН»
Люди в древности считали, что все звезды располагаются на небесной сфере, которая как единое целое вращается вокруг Земли. Уже более 2.000 лет тому назад астрономы стали применять способы, которые позволяли указать расположение любого светила на небесной сфере по отношению к другим космическим объектам или наземным ориентирам. Представлением о небесной сфере удобно пользоваться и теперь, хотя мы знаем, что этой сферы реально не существует.
Понятием небесной сферы пользуются для угловых измерений на небе, для удобства рассуждений о простейших видимых небесных явлениях, для различных расчетов, например вычисления времени восхода и захода светил.
Построим небесную сферу и проведем из ее центра луч по направлению к звезде А.
Там, где этот луч пересечет поверхность сферы, поместим точку А1изображающую эту звезду. Звезда В будет изображаться точкой В1. Повторив подобную операцию для всех наблюдаемых звезд, мы получим на поверхности сферы изображение звездного неба – звездный глобус. Ясно, что если наблюдатель находится в центре этой воображаемой сферы, то для него направление на сами звезды и на их изображения на сфере будут совпадать.
Для решения многих практических задач расстояния до небесных тел не играют роли, важно лишь их видимое расположение на небе. Угловые измерения не зависят от радиуса сферы. Поэтому, хотя в природе небесной сферы и не существует, но астрономы для изучения видимого расположение светил и явлений, которые можно наблюдать на небе в течении суток или многих месяцев, применяют понятие Небесная сфера. На такую сферу и проецируются звезды, Солнце, Луна, планеты и т.д, отвлекаясь от действительных расстояний до светил и рассматривая лишь угловые расстояние между ними. Расстояния между звездами на небесной сфере можно выражать только в угловой мере. Эти угловые расстояния измеряются величиной центрального угла между лучами, направленными на одну и другую звезду, или соответствующими им дугами на поверхности сферы.
Для приближенной оценки угловых расстояний на небе полезно запомнить такие данные: угловое расстояние между двумя крайними звездами ковша Большой Медведицы (α и β) составляет около 5°, а от α Большой Медведицы до α Малой Медведицы (Полярной звезды) – в 5 раз больше – примерно 25°.
Простейшие глазомерные оценки угловых расстояний можно провести также с помощью пальцев вытянутой руки.
Только два светила – Солнце и Луну – мы видим как диски. Угловые диаметры этих дисков почти одинаковы – около 30′ или 0,5°. Угловые размеры планет и звезд значительно меньше, поэтому мы их видим просто как светящиеся точки. Для невооруженного глаза объект не выглядит точкой в том случае, если его угловые размеры превышают 2–3′. Это означает, в частности, что наш глаз различает каждую по отдельности светящуюся точку (звезду) в том случае, если угловое расстояние между ними больше этой величины. Иначе говоря, мы видим объект не точечным лишь в том случае, если расстояние до него превышает его размеры не более чем в 1700 раз.
Отвесная линия Z,Z’, проходящая через глаз наблюдателя (точка С), находящегося в центре небесной сферы, пересекает небесную сферу в точках Z — зенит,Z’ — надир.
Зенит— эта наивысшая точка над головой наблюдателя.
Плоскость, перпендикулярная отвесной линии, называетсягоризонтальной плоскостью (или плоскостью горизонта).
Математическим горизонтомназывается линия пересечения небесной сферы с горизонтальной плоскостью, проходящей через центр небесной сферы.
Невооруженным глазом на всем небе можно видеть примерно 6000 звезд, но мы видим лишь половину из них, потому что другую половину звездного неба закрывает от нас Земля. Движутся ли звезды по небосводу? Оказывается, движутся все и притом одновременно. В этом легко убедиться, наблюдая звездное небо (ориентируясь по определенным предметам).
Вследствие ее вращения вид звездного неба меняется. Одни звезды только еще появляются из-за горизонта (восходят) в восточной его части, другие в это время находятся высоко над головой, а третьи уже скрываются за горизонтом в западной стороне (заходят). При этом нам кажется, что звездное небо вращается как единое целое. Теперь каждому хорошо известно, что вращение небосвода — явление кажущееся, вызванное вращением Земли.
Звезды в течение суток описывают тем большие окружности, чем дальше от Полярной звезды они находятся.
Ось суточного вращения небесной сферы называютосью мира(РР’).
Точки пересечения небесной сферы с осью мира называютполюсами мира (точка Р— северный полюс мира, точка Р’— южный полюс мира).
Полярная звезда расположена вблизи северного полюса мира. Когда мы смотрим на Полярную звезду, точнее, на неподвижную точку рядом с ней — северный полюс мира, направление нашего взгляда совпадает с осью мира. Южный полюс мира находится в южном полушарии небесной сферы.
Плоскость ЕАWQ, перпендикулярная оси мира РР’ и проходящая через центр небесной сферы, называетсяплоскостью небесного экватора, а линия пересечения ее с небесной сферой —небесным экватором.
Небесный экватор– линия окружности, полученная от пересечения небесной сферы с плоскостью проходящая через центр небесной сферы перпендикулярно к оси мира.
Небесный экватор делит небесную сферу на два полушария: северное и южное.
Ось мира, полюса мира и небесный экватор аналогичны оси, полюсам и экватору Земли, так как перечисленные названия связаны с видимым вращением небесной сферы, а оно является следствием действительного вращения земного шара.
Плоскость, проходящая через точку зенитаZ, центр С небесной сферы и полюс Р мира, называютплоскостью небесного меридиана, а линия пересечения ее с небесной сферой образуетлинию небесного меридиана.
Небесный меридиан– большой круг небесной сферы, проходящий через зенит Z, полюс мира Р, южный полюс мира Р’, надир Z’
В любом месте Земли плоскость небесного меридиана совпадает с плоскостью географического меридиана этого места.
Полуденная линияNS— это линия пересечения плоскостей меридиана и горизонта. N – точка севера, S – точка юга
Она названа так потому, что в полдень тени от вертикальных предметов падают по этому направлению.
Земля движется по орбите вокруг Солнца. Ось вращения Земли наклонена к плоскости орбиты на угол 66,5°. Вследствие действия сил тяготения со стороны Луны и Солнца ось вращения Земли смещается, в то время как наклон оси к плоскости земной орбиты остается постоянным. Ось Земли как бы скользит по поверхности конуса. (то же происходит с осью у обыкновенного волчка в конце вращения).
Это явление было открыто еще в 125 г. до н. э. греческим астрономом Гиппархом и названо прецессией.
Один оборот земная ось совершает за 25 776 лет – этот период называется платоническим годом. Сейчас вблизи Р – северного полюса мира находится Полярная звезда – α Малой Медведицы. Полярной называется та звезда, которая на сегодняшний день находится вблизи Северного полюса мира. В наше время, примерно с 1100 года, такой звездой является альфа Малой Медведицы – Киносура. Раньше титул Полярной поочередно присваивался π, η и τ Геркулеса, звездам Тубан и Кохаб. Римляне вовсе не имели Полярной звезды, а Кохаб и Киносуру (α Малой Медведицы) называли Стражами.
На начало нашего летоисчисление – полюс мира был вблизи α Дракона – 2000 лет назад. В 2100 г полюс мира будет всего в 28′ от Полярной звезды – сейчас в 44′. В 3200г полярным станет созвездие Цефей. В 14000 г – полярной будет Вега (α Лиры).
Как найти в небе Полярную звезду?
Чтобы найти Полярную звезду, нужно через звезды Большой Медведицы (первые 2 звезды «ковша») мысленно провести прямую линию и отсчитать по ней 5 расстояний между этими звездами. В этом месте рядом с прямой мы увидим звезду, почти одинаковую по яркости со звездами «ковша» – это и есть Полярная звезда.
В созвездии, которое нередко называют Малый Ковш, Полярная звезда является самой яркой. Но так же, как и большинство звезд ковша Большой Медведицы, Полярная — звезда второй величины.
А вот так выглядит звездное небо на 15 сентября, 21 час.
Летний (летне-осенний) треугольник = звезда Вега (α Лиры, 25,3 св. лет), звезда Денеб (α Лебедя, 3230 св. лет), звезда Альтаир (α Орла, 16,8 св. лет)
Чтобы отыскать на небе светило, надо указать, в какой стороне горизонта и как высоко над ним оно находится. С этой целью используется система горизонтальных координат– азимут и высота. Для наблюдателя, находящегося в любой точке Земли, нетрудно определить вертикальное и горизонтальное направления.
Первое из них определяется с помощью отвеса и изображается на чертеже отвесной линией ZZ’, проходящей через центр сферы (точку О).
Точка Z, расположенная прямо над головой наблюдателя, называется зенитом.
Плоскость, которая проходит через центр сферы перпендикулярно отвесной линии, образует при пересечении со сферой окружность – истинный,или математический, горизонт.
Высотасветила отсчитывается по окружности, проходящей через зенит и светило, и выражается длиной дуги этой окружности от горизонта до светила. Эту дугу и соответствующий ей угол принято обозначать буквой h.
Высота светила, которое находится в зените, равна 90°, на горизонте – 0°.
Положение светила относительно сторон горизонта указывает его вторая координата – азимут,обозначаемый буквой А. Азимут отсчитывается от точки юга в направлении движения часовой стрелки, так что азимут точки юга равен 0°, точки запада – 90° и т. д.
Горизонтальные координаты светил измеряют для определения времени или географических координат различных пунктов на Земле. На практике, например в геодезии, высоту и азимут измеряют специальными угломерными оптическими приборами – теодолитами.
Чтобы создать звездную карту, изображающую созвездия на плоскости, надо знать координаты звезд. Для этого нужно выбрать такую систему координат, которая вращалась бы вместе со звездным небом. Для указания положения светил на небе используют систему координат, аналогичную той, которая используется в географии, — систему экваториальных координат.
Географическая широта — это угловое расстояние пункта от земного экватора. Географическая широта (φ) отсчитывается по меридианам от экватора к полюсам Земли.
Долгота— угол между плоскостью меридиана данного пункта и плоскостью начального меридиана. Географическая долгота (λ) отсчитывается вдоль экватора от начального (Гринвичского) меридиана.
Так, например, Москва имеет следующие координаты: 37°30′ восточной долготы и 55°45′ северной широты.
Введем систему экваториальных координат, которая указывает положение светил на небесной сфере относительно друг друга.
Склонение— угловое расстояние светил от небесного экватора. Склонение обозначают буквой δ. В северном полушарии склонения считают положительными, в южном — отрицательными.
Вторая координата, которая указывает положение светила на небе, аналогична географической долготе. Эта координата называется прямым восхождением. Прямое восхождение отсчитывается по небесному экватору от точки весеннего равноденствия γ, в которой Солнце ежегодно бывает 21 марта (в день весеннего равноденствия). Оно отсчитывается от точки весеннего равноденствия γ против часовой стрелки, т. е. навстречу суточному вращению неба. Поэтому светила восходят (и заходят) в порядке возрастания их прямого восхождения.
Прямое восхождение — угол между плоскостью полукруга, проведенного из полюса мира через светило (круга склонения), и плоскостью полукруга, проведенного из полюса мира через лежащую на экваторе точку весеннего равноденствия (начального круга склонений). Прямое восхождение обозначается буквой α
Склонение и прямое восхождение (δ, α) называют экваториальными координатами.
Склонение и прямое восхождение удобно выражать не в градусах, а в единицах времени. Учитывая, что Земля делает один оборот за 24 ч, получаем:
360° — 24 ч, 1 ° — 4 мин;
15° — 1 ч, 15′ —1 мин, 15″ — 1 с.
Следовательно, прямое восхождение, равное, например, 12 ч, составляет 180°, а 7 ч 40 мин соответствует 115°.
Если не нужна особая точность, то небесные координаты для звезд можно считать неизменными. При суточном вращении звездного неба вращается и точка весеннего равноденствия. Поэтому положения звезд относительно экватора и точки весеннего равноденствия не зависят ни от времени суток, ни от положения наблюдателя на Земле.
Экваториальная система координат изображена на подвижной карте звездного неба.
Рисунок 10 — Суточные дуги светил в полярной области неба
2. Видимое суточное движение звёзд. При наблюдении звёздного неба на протяжении одного-двух часов мы убеждаемся в том, что оно вращается как единое целое таким образом, что с одной стороны звёзды поднимаются, а с другой — опускаются. Для нас, жителей Северного полушария, звёзды поднимаются с восточной части горизонта и смещаются вправо. Далее они достигают наивысшего положения в южной части неба и затем опускаются в западной части горизонта. В течение суток звёздное небо со всеми находящимися на нём светилами совершает один оборот. Таким образом, видимое суточное вращение звёздного неба происходит с востока на запад, если стоять лицом к югу, т. е. по часовой стрелке.
В северной части неба можно отыскать Полярную звезду. Кажется, что всё небо вращается вокруг неё (рис. 10). На самом же деле вокруг своей оси вращается Земля с запада на восток, а весь небосвод вращается в обратном направлении с востока на запад. Полярная звезда для данной местности остаётся почти неподвижной и на одной и той же высоте над горизонтом. Очевидно, что суточное движение звёзд (светил) — наблюдаемое кажущееся явление вращения небесного свода — отражает действительное вращение земного шара вокруг оси.
Фильм. Небесная сфера, координаты.
3. Основные точки, линии и плоскости небесной сферы. Нам кажется, что все звёзды расположены на некоторой сферической поверхности неба и одинаково удалены от наблюдателя. На самом деле они находятся от нас на различных расстояниях. Поэтому воображаемую поверхность небосвода стали называть небесной сферой. Небесная сфера — это воображаемая сфера произвольного радиуса, центр которой в зависимости от решаемой задачи совмещается с той или иной точкой пространства. Центр небесной сферы может быть выбран в месте наблюдения (глаз наблюдателя), в центре Земли или Солнца и т. д. Понятием небесной сферы пользуются для угловых измерений, для изучения взаимного расположения и движения космических объектов на небе.
Рис. 11. Схема проецирования звезд в созвездии Большой Медведицы на небесной сфере
На поверхность небесной сферы проецируются видимые положения всех светил, а для удобства измерений на ней строят ряд точек и линий. Например, некоторые из звезд «ковша» Большой Медведицы находятся далеко одна от другой, но для земного наблюдателя они проецируются на один и тот же участок небесной сферы (рис. 11).
Ось мира — прямая, проходящая через центр небесной сферы параллельно оси вращения Земли, пересекающая небесную сферу в двух диаметрально противоположных точках.
Рисунок 12 — Небесная сфера: О — центр небесной сферы (местонахождение наблюдателя); PN — Северный полюс мира; РS — Южный полюс мира; PNPS — ось мира; Z — зенит; Z’ — надир; E — восток; W — запад; N — север; S — юг; Q — верхняя точка небесного экватора; Q’ — нижняя точка небесного экватора; ZZ’ — вертикальная линия; PNMPS — круг склонения; NS — полуденная линия; M — светило на небесной сфере
Рисунок 13 — Эклиптика
Круг склонения светила — большой круг небесной сферы, проходящий через полюсы мира и светило.
Суточная параллель — малый круг небесной сферы, плоскость которого перпендикулярна оси мира.
Видимый годовой путь Солнца среди звёзд называется эклиптикой. В плоскости эклиптики лежит путь Земли вокруг Солнца, т. е. её орбита. Она наклонена к небесному экватору под углом 23° 27′ и пересекает его в точках весеннего (ϒ, около 21 марта) и осеннего (Ω, около 23 сентября) равноденствия (рис. 13).
§ 3.Небесные координаты
1. Системы координат. Положение светил определяется по отношению к точкам и кругам небесной сферы (см. рис. 12). Для этого введены небесные координаты, подобные географическим координатам на поверхности Земли.
В астрономии применяется несколько систем координат. Отличаются они друг от друга тем, что строятся по отношению к разным кругам небесной сферы. Небесные координаты отсчитываются дугами больших кругов или центральными углами, охватывающими эти дуги.
Небесные координаты — центральные углы или дуги больших кругов небесной сферы, с помощью которых определяют положение светил по отношению к основным кругам и точкам небесной сферы.
Рисунок 14 — Горизонтальная система координат: h — высота светила й над горизонтом; z — зенитное расстояние; А — азимут
Высота светила — угловое расстояние светила М от истинного горизонта, измеренное вдоль вертикального круга (рис. 14). Высота определяется в градусах, минутах и секундах. Она отсчитывается в пределах от 0 до +90° к зениту, если светило находится в видимой части небесной сферы, и от 0 до -90° к надиру, если светило находится под горизонтом.
Для измерения азимутов за начало отсчёта принимается точка юга. Азимут светила — угловое расстояние, измеренное вдоль истинного горизонта, от точки юга до точки пересечения горизонта с вертикальным кругом, проходящим через светило М (см. рис. 14). Азимут отсчитывается к западу от точки юга в пределах от 0 до 360°.
Горизонтальная система координат используется при топографической съёмке, в навигации. Вследствие суточного вращения небесной сферы высота и азимут светила со временем изменяются. Следовательно горизонтальные координаты имеют определённое значение только для известного момента времени.
Угловое расстояние от зенита до светила, измеренное вдоль вертикального круга, называется зенитным расстоянием (z). Оно отсчитывается в пределах от 0 до +180° к надиру. Высота и зенитное расстояние связаны соотношением: z + h = 90°.
Рисунок 15 — Экваториальная система небесных координат: δ — склонение светила М; α — прямое восхождение; t — часовой угол
Прямое восхождение светила — угловое расстояние, измеренное вдоль небесного экватора, от точки весеннего равноденствия до точки пересечения небесного экватора с кругом склонения светила. Прямое восхождение отсчитывается в сторону, противоположную суточному вращению небесной сферы, в пределах от 0 до 360° в градусной мере или от 0 до 24 ч в часовой мере.
Для некоторых астрономических задач (связанных с измерением времени) вместо прямого восхождения (а) вводится часовой угол (t) (см. рис. 15). Часовой угол — это угловое расстояние, измеренное вдоль небесного экватора, от верхней точки небесного экватора до круга склонения светила. Отсчитывается часовой угол по направлению видимого суточного вращения небесной сферы, т. е. к западу, в пределах от 0 до 24 ч в часовой мере.
Координаты звёзд (α, δ) в экваториальной системе координат не связаны с суточным движением небесной сферы и изменяются очень медленно. Поэтому они применяются для составления звёздных карт и каталогов. Звёздные карты представляют собой проекции небесной сферы на плоскость с нанесёнными на неё объектами в определённой системе координат. Онлайн карта звёздного неба. Набор звёздных карт смежных участков неба, покрывающих всё небо или некоторую его часть, называется звёздным атласом. В специальных списках звёзд, называемых звёздными каталогами, указываются координаты их места на небесной сфере, звёздная величина и другие параметры. Например, каталог Hubble Guide Star Catalog (GSC) содержит почти 19 млн объектов.
Рисунок 16 — Высота полюса мира над горизонтом
2. Лунно-солнечная прецессия. Ось вращения Земли наклонена к плоскости орбиты под углом 66°33′. Под воздействием притяжения Луны и Солнца из-за неоднородности распределения плотности массы внутри Земли ось описывает конус. Так как направление оси Земли изменяется, то перпендикулярная ей плоскость экватора также будет смещаться, что приводит к перемещению точки весеннего равноденствия. Это явление называется лунно-солнечной прецессией. Точка весеннего равноденствия перемещается навстречу видимому годичному движению Солнца на 50,3″ в год или на 1° в 71,6 года, совершая полный оборот по эклиптике за 25 770 лет. Полюса мира также перемещаются среди звёзд. В настоящее время Северный полюс мира находится возле Полярной звезды, а через 10 тыс. лет он переместится к Веге ( a Лиры).
3. Высота полюса мира над горизонтом. Мы уже знаем, что Полярная звезда, находящаяся вблизи Северного полюса мира, остаётся почти на одной высоте над горизонтом на данной широте при суточном вращении звёздного неба. При перемещении наблюдателя с севера на юг, где географическая широта меньше, Полярная звезда опускается к горизонту, т. е. существует зависимость между высотой полюса мира и географической широтой места наблюдения.
На рисунке 16 земной шар и небесная сфера изображены в сечении плоскостью небесного меридиана места наблюдения. Наблюдатель из точки О видит полюс мира на высоте Ð NOP = hP. Направление оси мира ОР параллельно земной оси. Угол при центре Земли Ð OO’q соответствует географической широте места наблюдения ф. Так как радиус Земли в точке наблюдения перпендикулярен плоскости истинного горизонта, а ось мира перпендикулярна плоскости географического экватора, то Ð NOP и Ð OO’q равны между собой как углы с взаимно перпендикулярными сторонами. Таким образом, угловая высота полюса мира над горизонтом равна географической широте места наблюдения:
С другой стороны, из рисунка 16 следует, что Ð QOZ определяет собой величину склонения зенита dZ. Поэтому можно записать, что
Равенство (2) характеризует зависимость между географической широтой места наблюдения и соответствующими горизонтальной и экваториальной координатами светила.
Суточное вращение звёздного неба на средних широтах
Суточное вращение звёздного неба на земном экваторе
По мере перемещения наблюдателя к Северному полюсу Земли Северный полюс мира поднимается над горизонтом. На полюсе Земли полюс мира будет находиться в зените. Звёзды здесь движутся по кругам, параллельным горизонту, который совпадает с небесным экватором. Становится неопределённым небесный меридиан, теряют смысл точки севера, юга, востока и запада.
На экваторе Земли ось мира совпадает с полуденной линией, а полюсы мира — с точками севера и юга. Небесный экватор проходит через точки востока, запада, точки зенита и надира. Суточные пути всех звёзд перпендикулярны горизонту, и каждая из них половину суток находится над горизонтом.
Античная астрономия 
