Что такое точка пересечения оси вращения солнца с небесной сферой

Основные точки и линии Небесной сферы

1. 3енит и горизонт. Отвесная линия, проходящая через глаз наблюдателя, пересекает небесную сферу в точке зенита. Зенит есть наивысшая точка над головой наблюдателя. Плоскость, перпендикулярная к отвесной линии, называется горизонтальной плоскостью.

Математическим горизонтом называется линия пересечения небесной сферы с горизонтальной плоскостью, проходящей через центр небесной сферы. Плоскость горизонта можно определить при помощи уровня. Видимый же горизонт ограничен линией, по которой, как нам кажется, небо «сходится» с Землей.

2. Полюсы и ось мира. Присматриваясь к ночному небу, мы замечаем, что звезды в течение суток описывают тем большие круги, чем дальше от Полярной звезды они находятся. Полярная звезда в течение суток описывает очень небольшой кружок и всегда видна почти на одной и той же высоте над горизонтом, в северной стороне неба. На рисунке 5 показано изменение в течение суток положения Большой Медведицы относительно горизонта и неизменность положения Полярной звезды. Попробуйте сами убедиться в том, что это так.

На рисунке 12 показано суточное вращение небесной сферы. Снимок получен так: фотоаппарат, установленный «на бесконечность», направили на Полярную звезду и хорошо укрепили. Оставив аппарат с открытым затвором в этом положении на один час, проявили снимок. На фотографической пластинке (негативе) обнаружились черные следы звезд (на позитиве — светлые). Все они имеют вид концентрических дуг. В центре их лежит центр вращения небесной сферы.

Рисунок 12 — Фотография полярной области неба, полученная неподвижным аппаратом за один час.

Центр вращения южного полушария неба находится в точке, противоположной центру вращения северного небесного полушария. Но ведь в центре небесной сферы находится наш глаз. Следовательно, небесная сфера вращается как одно целое вокруг некоторой оси, проходящей через наш глаз. Ось суточного вращения небесной сферы называется осью мира.

Точки пересечения небесной сферы с осью мира называются полюсами мира. Полярная звезда расположена вблизи северного полюса мира (на расстоянии около 1°). Южный полюс мира находится в южном полушарии небесной сферы. Вблизи него никакой яркой звезды нет.

3. Небесный экватор. Плоскость, перпендикулярная к оси мира и проходящая через центр небесной сферы, называется плоскостью небесного экватора, а линия пересечения ее с небесной сферой — небесным экватором.

Небесный экватор делит небесную сферу на два полушария — северное и южное. Мы видим, что ось мира, полюсы мира и небесный экватор аналогичны оси, полюсам и экватору Земли. Да это и естественно, так как перечисленные названия связаны с видимым вращением небесной сферы, а оно само есть следствие действительного вращения земного шара.

4. Небесный меридиан и полуденная линия. Плоскостью небесного меридиана называется плоскость, проходящая через точку зенита, центр небесной сферы и полюс мира. Пересекаясь с небесной сферой, эта плоскость образует линию небесного меридиана. Вертикальная плоскость, проходящая через Полярную звезду и через наблюдателя, приблизительно будет плоскостью меридиана. В любом месте Земли плоскость небесного меридиана совпадает с плоскостью географического меридиана этого же места.

Полуденной линией называется линия пересечения плоскостей меридиана и горизонта. Эта линия названа так потому, что в полдень тени от вертикальных предметов падают как раз по этому направлению. Практически полуденную линию можно проводить на Земле или на горизонтальной плоскости, отмечая в полдень направление тени от вертикального стержня.

5. Точки горизонта. Горизонт пересекается с небесным меридианом в точках севера N и юга S, а с небесным экватором — в точках востока Е и запада W. Если мы встанем лицом к полюсу мира (к Полярной звезде), то на горизонте прямо под ним будем иметь точку севера, за спиной — точку юга, справа — точку востока и слева — точку запада. Помня это, мы всегда сможем ориентироваться на местности.

Чтобы яснее представить себе все, что было здесь сказано, изобразим небесную сферу на чертеже (Рисунок 13).

Рисунок 13 — Основные точки и линии небесной сферы.

На этом чертеже С — центр небесной сферы, в котором находится глаз наблюдателя, ZCZ’ — отвесная линия, Z — зенит, Z’ — надир (противоположная зениту точка небесной сферы),

РР — ось мира, Р — северный полюс мира, Р’ — южный полюс мира, EAWQ — небесный экватор, плоскость которого перпендикулярна к оси мира, ESWN — горизонт, S — точка юга, N — точка севера, Е — точка востока и W — точка запада. Легко понять, что над горизонтом видна ровно половина небесной сферы и половина небесного экватора, а также то, что в точках Е и W (отстоящих от точек S и N на 90°) горизонт и экватор, пересекаясь, делят друг друга пополам.

Линия NS есть полуденная линия, а большой круг NPZASP’ — небесный меридиан.

Необходимо научиться чертить небесную сферу. Угол между осью мира и плоскостью горизонта на чертеже можно брать каким угодно. Как мы потом увидим, этот угол зависит от местонахождения наблюдателя на земном шаре.

Введенные в этом параграфе определения необходимы для практических применений астрономии.

6. Линии небесной сферы и Земля. Наблюдателю, находящемуся на Земле в какой-либо точке С (Рисунок 14), кажется, что звездное небо вращается вокруг оси, проходящей через него самого и параллельной оси вращения Земли. Ось вращения небесной сферы СР мы назвали осью мира и теперь видим, что она для всякого наблюдателя параллельна оси вращения Земли. Для наблюдателей, находящихся на полюсах Земли, ось вращения Земли и ось мира совпадают.

Ось вращения Земли и параллельная ей ось мира направлены к Полярной звезде, поскольку Полярная звезда находится от нас очень далеко и направления на нее для всех наблюдателей на Земле практически параллельны друг другу.

Плоскость небесного экватора CEAW, перпендикулярная к оси мира, параллельна плоскости земного экватора. Для наблюдателя, находящегося на экваторе Земли, эти плоскости совпадают.

Если считать Землю шаром, то отвесная линия CZ является продолжением радиуса Земли ОС, проведенного из ее центра в точку, где находится наблюдатель. Поэтому плоскость горизонта, проходящая через центр небесной сферы (через точку С), является плоскостью, касательной к земному шару в точке С. Плоскости небесного и географического меридианов совпадают.

Рисунок 14 — Соотношение между линиями и плоскостями небесной сферы и Земли.

Наблюдатель вращается вместе с Землей, а с ним и его небесная сфера. Поэтому горизонт в равное время суток проходит через разные части звездного неба. Разные светила будут и в зените. Небесный экватор скользит в своей плоскости, а ось мира остается параллельной самой себе. Звезды, занимая неизменное положение относительно друг друга и экватора, движутся в плоскостях, параллельных плоскости небесного экватора.

Источник

§ 2. Основы практической астрономии

Изучив этот параграф, мы:

осмыслим наши представления о небесной сфере как вспомогательной поверхности для отсчета сферических координат небесных тел;
научимся ориентироваться на поверхности Земли при помощи небесных светил.

Небесная сфера

Во время наблюдений за звездами нам кажется, что все небесные светила расположены на одинаковом расстоянии и светятся на поверхности огромной сферы, в центре которой находится наблюдатель. Известно, что звезды и планеты расположены на разных расстояниях от Земли (рис. 2.1, 2.2), а наша планета — не в центре Вселенной, поэтому такую небесную сферу считают вспомогательной при определении сферических координат светил. На такую вспомогательную сферу проецируются изображения звезд и планет, и мы можем измерить только углы между направлениями на эти светила. При этом центр небесной сферы может располагаться в любой точке пространства. В зависимости от этого различают топоцентрические, геоцентрические или гелиоцентрические координаты.

Рис. 2.1. Созвездие Орион (древняя карта звездного неба)

Созвездия — участки небесной сферы, на которые разделены отдельные группы звезд для удобства ориентирования

Рис. 2.2. Звезды в созвездии Орион расположены на разном расстоянии от Земли, а нам кажется, что они светятся на поверхности сферы

На небесной и земной сферах можно провести воображаемые круги, с помощью которых определяются небесные координаты светил (рис. 2.3, а).

Рис. 2.3. Основные точки и линии системы координат:
а — земной (географической), б — небесной

На земной сфере существуют две особые точки — географические полюса, где ось вращения Земли пересекает поверхность планеты (N, S — соответственно Северный и Южный полюса). Плоскость земного экватора, которая делит нашу планету на северное и южное полушарие, проходит через центр Земли перпендикулярно к ее оси вращения. Меридианы на Земле проходят через географические полюса и точки наблюдения. Начальный (нулевой) меридиан проходит вблизи местонахождения бывшей Гринвичской обсерватории.

Воображаемая небесная сфера произвольного радиуса помогает определить координаты небесных светил

Полюс мира — точка пересечения оси вращения Земли с небесной сферой

Небесный экватор — линия пересечения плоскости земного экватора с небесной сферой

Небесный меридиан — линия пересечения плоскости земного меридиана с небесной сферой

Если продолжить ось вращения Земли в космос, то на небесной сфере мы получим две точки пересечения, которые называются полюсами мира (рис. 2.3, б): Северный полюс (в современную эпоху у Полярной звезды) и Южный полюс (в созвездии Октант). Плоскость земного экватора пересекается с небесной сферой, и в сечении мы получим небесный экватор, который делит небо на два равных полушария — Северное и Южное. Но есть одно существенное различие между полюсами и экватором на земном шаре и полюсами мира и небесным экватором. Географические полюса реально существуют как точки на поверхности Земли, где ось вращения Земли пересекается с поверхностью планеты, и к ним можно долететь или доехать так же, как и до экватора. Полюсов мира как реальных точек в космическом пространстве нет, потому радиус небесной сферы является неопределенным и мы можем обозначить только направление, в котором они наблюдаются.

Ориентирование на местности

В повседневной жизни для определения направления мы используем ориентиры, которые нам хорошо знакомы,— дома, дороги, реки и т. д. Если мы попадаем в незнакомую местность, то наши привычные ориентиры исчезают, и мы можем заблудиться. В этом случае надежными ориентирами могут быть небесные светила, ибо они нам светят и дома, и на чужбине.

Для ориентирования на поверхности Земли астрономы применяют термины отвесная линия и горизонт. Направление отвесной линии задается силой притяжения Земли в точке наблюдения. Его можно определить с помощью обычного отвеса, который подвешивают на нитке. Предположим, что наблюдатель находится на поверхности Земли в точке О, которая имеет географическую широту ср (рис. 2.4). Направление ООх по отвесу вниз называют надиром, противоположное направление OZ, вверх,— зенитом. Сейчас горизонт определяют как плоскость, перпендикулярную к отвесной линии.

Рис. 2.4. Плоскость математического горизонта перпендикулярна к отвесной линии

Горизонт, или линия пересечения плоскости горизонта с небесной сферой, является окружностью, в центре которой находится наблюдатель. На горизонте различают четыре точки: N — север, S — юг, Е — восток, W — запад, с помощью которых люди ориентируются и определяют направление во время путешествий (рис. 2.5)

Рис. 2.5. Ночью надежным ориентиром может быть Полярная звезда Р₁ на которую направлена ось обращения Земли. Если смотреть на Полярную звезду, то впереди будет направление на север, позади — на юг, справа — на восток, слева — на запад. Точка Q — кульминация Солнца

Вследствие вращения Земли вокруг оси плоскости меридиана и горизонта в течение суток смещаются в пространстве относительно звезд, но нам на поверхности Земли кажется, что все происходит наоборот — небесные светила движутся относительно горизонта. Мы говорим, что Солнце восходит, когда оно появляется над горизонтом на востоке. Затем Солнце поднимается все выше и выше и в полдень занимает наибольшую высоту над горизонтом. Этот момент астрономы называют верхней кульминацией (от лат.— вершина). Верхняя кульминация наступает в тот момент, когда Солнце пересекает плоскость меридиана и находится над точкой юга.

Кульминация — пересечение светилами небесного меридиана вследствие суточного обращения Земли вокруг оси

Момент верхней кульминации Солнца можно определить с помощью палочки, установленной перпендикулярно к горизонту (рис. 2.6). Для определения кульминации внимательно следите за длиной тени: когда Солнце находится над точкой юга, тень указывает направление на север и имеет наименьшую длину. Только в марте и сентябре Солнце восходит вблизи точки восхода, а заходит возле точки запада. Летом Солнце восходит на северо-востоке, а заходит на северо-западе. Зимой Солнце восходит на юго-востоке, а заходит на юго-западе. Некоторые звезды на наших широтах никогда не заходят, поэтому на небе мы можем увидеть не только верхнюю, но и нижнюю кульминацию, когда светило находится ниже всего над горизонтом.

Рис. 2.6. В полдень тень от палочки направлена на север

Экваториальная система небесных координат и карты звездного неба

Основными плоскостями в этой системе координат являются плоскости небесного экватора и круг склонений. Для определения экваториальных небесных координат светила S проводят круг склонений через полюсы мира Р₁ и Р₂, который пересекает небесный экватор в точке М (рис. 2.7).

Рис. 2.7. Экваториальная система небесных координат

Первая координата называется прямое восхождение и отсчитывается по дуге небесного экватора от точки весеннего равноденствия против хода часовой стрелки, если смотреть с Северного полюса, и измеряется часами. Вторая координата — склонение, определяется дугой круга склонений MS от экватора к данному светилу и измеряется градусами. К северу от экватора склонение положительное, к югу — отрицательное. Границы определения экваториальных координат следующие:

Карта звездного неба в форме прямоугольника является определенной проекцией небесной сферы на плоскость, на которой обозначены экваториальные координаты α, δ (рис. 2.8). Эти координаты не зависят от места наблюдения на Земле и почти не меняются в течение года, поэтому картой звездного неба можно пользоваться в любой стране. Правда, через тысячи лет экваториальные координаты звезд могут существенно измениться, поскольку меняется со временем положение небесного экватора и полюсов мира, к тому же звезды обращаются вокруг центра Галактики (см. § 15).

Рис. 2.8. Карта звездного неба экваториальной зоны. Даты, когда эти созвездия кульминируют в вечернее время, обозначены внизу карты. Отыщите их после захода Солнца в южной части небосвода

Существует карта звездного неба в виде круга. Северный полюс мира находится в центре карты вблизи Полярной звезды. Круг склонений в проекции на плоскость карты имеет вид радиальной линии, которую проводят от Северного полюса мира. Небесный экватор на карте изображен выделенной окружностью, а концентрические через каждые 30°.

Небесные координаты:

Координату δ на карте определяют как отрезок радиальной линии от экватора к данной звезде. Склонение звезд на экваторе равно 0°, а на Северном полюсе мира +90°. Прямое восхождение на карте определяют как дугу экватора от точки весеннего равноденствия к радиальной линии, проведенной от полюса мира через данную звезду. Для удобства обозначена на экваторе через каждый час (1 h , 2 h , 3 h . ).

Вследствие обращения Земли вокруг оси плоскость горизонта смещается в пространстве, поэтому все светила тоже изменяют свое положение относительно горизонта. Момент, когда некоторые светила пересекают плоскость горизонта, называют восходом или заходом светила. Моменты восхода-захода небесных светил можно определить с помощью подвижной карты звездного неба, или планисферы, на которой есть специальный накладной круг с линией горизонта и меридианом. Такой картой можно пользоваться в любой стране северного полушария на географической широте Украины (+50° ±5°).

Для любознательных

На звездных картах не изображены планеты, поскольку они обращаются вокруг Солнца и со временем изменяют свои экваториальные координаты. Для определения положения планет относительно звезд надо пользоваться астрономическим календарем (см. § 3, 4).

Выводы

Воображаемая небесная сфера помогает определить положение космических тел в определенной системе координат. На картах звездного неба используют экваториальную систему координат, в которой положение звезд определяют при помощи прямого восхождения и склонения. Небесные светила помогают также определить стороны горизонта в случае, если мы заблудились в незнакомой местности.

Тесты

Северный полюс мира находится:
Момент, когда светило имеет самую большую высоту над горизонтом, называется:
Можно ли в Канаде и Украине одновременно увидеть созвездие Большая Медведица?
Можно ли в Австралии и Украине одновременно увидеть Полярную звезду?
Как называются точки пересечения небесной сферы с осью обращения Земли, продолженной в космос?
Когда наступает кульминация Солнца?
В какие дни года Солнце восходит в точке востока и заходит в точке запада?
Можно ли в Австралии с помощью Полярной звезды находить направление на север?
Как можно, находясь на Северном полюсе Земли, определить направление на юг?
Отыщите на карте звездного неба какую-нибудь яркую звезду. С помощью накладного круга к карте измерьте моменты, когда восходит, заходит и кульминирует эта звезда.
С помощью подвижной карты звездного неба определите, какие созвездия никогда не заходят для наблюдателя в Украине.

Диспуты на предложенные темы
Можно ли пользоваться нашей картой звездного неба на поверхности других планет Солнечной системы? Во время межпланетных полетов? На планетах, обращающихся вокруг других звезд?

Задания для наблюдений

Найдите Полярную звезду и определите направление меридиана с севера на юг относительно вашего дома. Нарисуйте схему расположения вашего дома относительно меридиана и определите угол между меридианом и любой стеной вашего дома.

Лабораторная работа № 1 «Определение географической широты на местности с помощью Полярной звезды».

Ключевые понятия и термины:

Зенит, кульминация, небесный экватор, небесный меридиан, небесная сфера, прямое восхождение, полюса мира, склонение, точка весеннего равноденствия.

Источник