Вспомогательная небесная сфера

Системы координат, используемые в геодезической астрономии

Географические широты и долготы точек земной поверхности и азимуты направлений определяются из наблюдений небесных светил – Солнца и звезд. Для этого необходимо знать положение светил как относительно Земли, так и относительно друг друга. Положения светил могут задаваться в целесообразно выбранных системах координат. Как известно из аналитической геометрии, для определения положения светила s можно использовать прямоугольную декартову систему координат XYZ или полярную a,b, R (рис.1).

В прямоугольной системе координат положение светила s определяется тремя линейными координатамиX,Y,Z. В полярной системе координат положение светила s задается одной линейной координатой, радиусом-вектором R = Оs и двумя угловыми: углом a между осью X и проекцией радиуса-вектора на координатную плоскость XOY, и углом b между координатной плоскостью XOY и радиусом-вектором R. Связь прямоугольных и полярных координат описывается формулами

X = R cos b cos a,

Y = R cos b sin a,

Z = R sin b,

где R=.

Эти системы используются в тех случаях, когда линейные расстояния R = Os до небесных светил известны (например, для Солнца, Луны, планет, искусственных спутников Земли). Однако для многих светил, наблюдаемых за пределами Солнечной системы, эти расстояния либо чрезвычайно велики по сравнению с радиусом Земли, либо неизвестны. Чтобы упростить решение астрономических задач и обходиться без расстояний до светил, полагают, что все светила находятся на произвольном, но одинаковом расстоянии от наблюдателя. Обычно это расстояние принимают равным единице, вследствие чего положение светил в пространстве может определяться не тремя, а двумя угловыми координатами a и b полярной системы. Известно, что геометрическое место точек, равноудаленных от данной точки “О”, есть сфера с центром в этой точке.

Вспомогательная небесная сфера – воображаемая сфера произвольного или единичного радиуса, на которую проецируются изображения небесных светил (рис. 2). Положение любого светила s на небесной сфере определяется при помощи двух сферических координат, a и b:

x = cos b cos a,

y = cos b sin a,

z = sin b.

В зависимости от того, где расположен центр небесной сферы О, различают:

1)топоцентрическую небесную сферу - центр находится на поверхности Земли;

2)геоцентрическую небесную сферу – центр совпадает с центром масс Земли;

3)гелиоцентрическую небесную сферу – центр совмещен с центром Солнца;

4) барицентрическую небесную сферу – центр находится в центре тяжести Солнечной системы.

Основные круги, точки и линии небесной сферы изображены на рис.3.

Одним из основных направлений относительно поверхности Земли является направление отвесной линии , или силы тяжести в точке наблюдения. Это направление пересекает небесную сферу в двух диаметрально противоположных точках - Z и Z". Точка Z находится над центром и называется зенитом , Z" – под центром и называетсянадиром .

Проведем через центр плоскость, перпендикулярную отвесной линии ZZ". Большой круг NESW, образованный этой плоскостью, называетсянебесным (истинным) или астрономическим горизонтом . Это есть основная плоскость топоцентрической системы координат. На ней имеются четыре точки S, W, N, E, где S - точка Юга , N - точка Севера , W - точка Запада , E - точка Востока . Прямая NS называетсяполуденной линией .

Прямая P N P S , проведенная через центр небесной сферы параллельно оси вращения Земли, называется осью Мира . Точки P N - северный полюс мира ; P S - южный полюс мира . Вокруг оси Мира происходит видимое суточное движение небесной сферы.

Проведем через центр плоскость, перпендикулярную оси мира P N P S . Большой круг QWQ"E, образованный в результате пересечения этой плоскостью небесной сферы, называетсянебесным (астрономическим) экватором . Здесь Q - верхняя точка экватора (над горизонтом), Q"- нижняя точка экватора (под горизонтом). Небесный экватор и небесный горизонт пересекаются в точках W и E.

Плоскость P N ZQSP S Z"Q"N, содержащая в себе отвесную линию и ось Мира, называется истинным (небесным) или астрономическим меридианом. Это плоскость параллельна плоскости земного меридиана и перпендикулярна к плоскости горизонта и экватора. Ее называютначальной координатной плоскостью.

Проведем через ZZ" вертикальную плоскость, перпендикулярную небесному меридиану. Полученный круг ZWZ"E называется первым вертикалом .

Большой круг ZsZ", по которому вертикальная плоскость, проходящая через светило s, пересекает небесную сферу, называетсявертикалом или кругом высот светила .

Большой круг P N sP S , проходящий через светило перпендикулярно небесному экватору, называется кругом склонения светила .

Малый круг nsn", проходящий через светило параллельно небесному экватору, называетсясуточной параллелью. Видимое суточное движение светил происходит вдоль суточных параллелей.

Малый круг аsа", проходящий через светило параллельно небесному горизонту, называется кругом равных высот , или альмукантаратом .

В первом приближении орбита Земли может быть принята за плоскую кривую - эллипс, в одном из фокусов которого находится Солнце. Плоскость эллипса, принимаемого за орбиту Земли, называетсяплоскостьюэклиптики .

В сферической астрономии принято говорить овидимом годичном движении Солнца. Большой круг ЕgЕ"d, по которому происходит видимое движение Солнца в течение года, называетсяэклиптикой . Плоскость эклиптики наклонена к плоскости небесного экватора на угол, примерно равный 23.5 0 . На рис. 4 показаны:

g – точка весеннего равноденствия;

d – точка осеннего равноденствия;

Е – точка летнего солнцестояния; Е" – точка зимнего солнцестояния; R N R S – ось эклиптики; R N - северный полюс эклиптики; R S - южный полюс эклиптики; e - наклон эклиптики к экватору.

§ 48. Небесная сфера. Основные точки, линии и круги на небесной сфере

Рассмотрим основные точки и круги небесной сферы, за центр О которой принят глаз наблюдателя (рис. 72). Через центр небесной сферы проведем отвесную линию. Точки пересечения отвесной линии со сферой называют зенитом Z и надиром п.

Рис. 72.

Прямую, проходящую через центр небесной сферы параллельно земной оси, называют ось ю мира. Точки пересечения оси мира с небесной сферой называются полюсами мира. Один из полюсов, соответственно полюсам Земли, называют северным полюсом мира и обозначают Pn, другой - южным полюсом мира Ps.

Плоскость QQ", проходящую через центр небесной сферы перпендикулярно оси мира, называют плоскостью небесного экватора. Эта плоскость, пересекаясь с небесной сферой,образует окружность большого круга - небесный экватор, который делит небесную сферу на северную и южную части.

Большой круг небесной сферы, проходящий через полюсы мира, зенит и надир, называют меридианом наблюдателя PN nPsZ. Ось мира делит меридиан наблюдателя на полуденную PN ZPs и полуночную PN nPs части.

Меридиан наблюдателя пересекается с истинным горизонтом в двух точках: точке севера N и точке юга S. Прямую, соединяющую точки севера и юга, называют полуденной линией.

Если из центра сферы смотреть в точку N, то справа будет точка востока O st , а слева - точка запада W. Малые круги небесной сферы аа", параллельные плоскости истинного горизонта, называют альмукантаратами; малые bb" параллельные плоскости небесного экватора, - небесными параллелями.

Круги небесной сферы Zon, проходящие через точки зенита и надира, называют вертикалами. Вертикал, проходящий через точки востока и запада, называют первым вертикалом.

Круги небесной сферы PNoPs, проходящие через полюсы мира, называют кругами склонения.

Меридиан наблюдателя является одновременно вертикалом и кругом склонения. Он делит небесную сферу на две части - восточную и западную.

Полюс мира, расположенный над горизонтом (под горизонтом), называют повышенным (пониженным) полюсом мира. Наименование повышенного полюса мира всегда одноименно с наименованием широты места.

Ось мира с плоскостью истинного горизонта составляет угол, равный географической широте места.

Положение светил на небесной сфере определяют при помощи сферических координатных систем. В мореходной астрономии применяются горизонтная и экваториальная системы координат.

Определяется по их координатами на небесной сфере . Эквиваленты широты и долготы на небесной сфере (в второй экваториальной системе координат) называются склонением (измеряется в градусах от +90 ? до -90 ?) и прямым подъемом (измеряется в часах от 0 до 24). Небесные полюса лежат над полюсами Земли, а небесный экватор расположен над земным экватором . Земному наблюдателю кажется, будто небесная сфера вращается вокруг Земли. На самом деле, воображаемый движение небесной сферы обусловлен вращением Земли вокруг своей оси.

1. История возникновения понятия

Представление о небесную сферу возникло в глубокой древности; в основу его легло впечатление о существовании куполообразного небосвода. Это впечатление связано с тем, что в результате огромной удаленности небесных светил человеческий глаз не в состоянии оценить различия в расстояниях до них, и они представляются одинаково удаленными. У древних народов это ассоциировалось с наличием реальной сферы, ограничивающей весь мир и несет на своей поверхности звезды , Месяц и Солнце . Таким образом, в их представлении небесная сфера была важнейшим элементом Вселенной. С развитием научных знаний такой взгляд на небесную сферу отпал. Однако заложенная в древности геометрия небесной сферы в результате развития и совершенствования получила современный вид, в котором и применяется в астрометрии .

• в месте на поверхности Земли, где находится наблюдатель (топоцентрична небесная сфера),
• в центре Земли (геоцентрическая небесная сфера),
• в центре той или иной планеты (планетоцентрична небесная сфера),
• в центре Солнца (гелиоцентрическая небесная сфера)
• в любой другой точке пространства, где находится наблюдатель (реальный или гипотетический).

Каждому светилу на небесной сфере соответствует точка, в которой ее пересекает прямая, соединяющая центр небесной сферы со светилом (или с центром светила, если оно большое, а не точечное). Для изучения взаимного расположения и видимых движений светил на небесной сфере выбирают ту или иную систему небесных координат , которая определяется основными точками и линиями. Последние обычно большими кругами небесной сферы. Каждый большой круг сферы имеет два полюса, которые определяются на ней концами диаметра, перпендикулярного к плоскости этого круга.

2. Названия важнейших точек и дуг на небесной сфере

2.1. Отвесная линия

Отвесная линия (или вертикальная линия) - прямая, проходящая через центр небесной сферы и совпадает с направлением нити отвес (вертикали) в месте наблюдения. Для наблюдателя, находящегося на поверхности Земли, отвесная линия проходит через центр Земли и точку наблюдения.

2.2. Зенит и надир

Отвесная линия пересекается с поверхностью небесной сферы в двух точках - зените , над головой наблюдателя, и надире - диаметрально противоположной точке.

2.3. Математический горизонт

Математический горизонт - большой круг небесной сферы, плоскость которого перпендикулярна отвесной линии. Математический горизонт делит поверхность небесной сферы на две половины: видимую для наблюдателя, с вершиной в зените, и невидимую, с вершиной в надире. Математический горизонт, вообще говоря, не совпадает с видимым горизонтом вследствие неровности поверхности Земли и разной высотой точек наблюдения, а также искривлением лучей света в атмосфере.

2.4. Ось мира

Ось мира - диаметр, вокруг которого происходит вращение небесной сферы.

2.5. Полюса мира

Ось мира пересекается с поверхностью небесной сферы в двух точках - северном полюсе мира и южном полюсе мира. Северным полюсом называется тот, со стороны которого вращение небесной сферы происходит по часовой стрелке, если смотреть на сферу извне. Если смотреть на небесную сферу изнутри, (что мы обычно и делаем, наблюдая звездное небо), то в окрестности северного полюса мира ее вращение происходит против часовой стрелки, а в окрестности южного полюса мира - по часовой стрелке.

2.6. Небесный экватор

Небесный экватор - большой круг небесной сферы, плоскость которого перпендикулярна оси мира. Есть проекцией земного экватора на небесную сферу. Небесный экватор разделяет поверхность небесной сферы на два полушария: северное полушарие, с вершиной в северном полюсе мира, и южное полушарие, с вершиной в южном полюсе мира.

2.7. Точки восхода и захода

Небесный экватор пересекается с математическим горизонтом в двух точках: точке востока и точке запада. Точкой схода называется та, с какой точки небесной сферы вследствие ее вращения пересекают математический горизонт, переходя из невидимой полусферы в видимую.

2.8. Небесный меридиан

Небесный меридиан - большой круг небесной сферы, плоскость которого проходит через отвесную линию и ось мира. Небесный меридиан разделяет поверхность небесной сферы на два полушария - восточную полушарие, с вершиной в точке востока и западное полушарие, с вершиной в точке запада.

2.9. Полуденная линия

Полуденная линия - линия пересечения плоскости небесного меридиана и плоскости математического горизонта.

2.10. Точки севера и юга

Небесный меридиан пересекается с математическим горизонтом в двух точках: точке севера и точке юга. Точкой севера называется та, которая ближе к северному полюсу мира.

2.11. Эклиптика

Эклиптика - большой круг небесной сферы, пересечение небесной сферы и плоскости земной орбиты. Эклиптикой осуществляется видимый годовое движение Солнца по небесной сфере. Плоскость эклиптики пересекается с плоскостью небесного экватора под углом ε = 23 ? 26 ".

2.12. Точки равноденствия

Эклиптика пересекается с небесным экватором в двух точках - точке весеннего равноденствия и точке осеннего равноденствия. Точкой весеннего равноденствия называется та, в которой Солнце в своем годовом движении, переходит из южного полушария небесной сферы в северное. В точке осеннего равноденствия Солнце переходит из северного полушария небесной сферы в южное.

2.13. Точки солнцестояния

Точки эклиптики, отстоящие от точек равноденствия, на 90 ? называются точкой летнего солнцестояния (в северном полушарии) и точкой зимнего солнцестояния (в южном полушарии).

2.14. Ось эклиптики

Ось эклиптики - диаметр небесной сферы, перпендикулярный плоскости эклиптики.

2.15. Полюса эклиптики

Ось эклиптики пересекается с поверхностью небесной сферы в двух точках - северном полюсе эклиптики, лежит в северном полушарии, и южном полюсе эклиптики, лежит в южном полушарии.

2.16. Галактические полюсы и галактический экватор

Точка небесной сферы с экваториальными координатами α = 192,85948 ? β = 27,12825 ? называется северным галактическим полюсом, а диаметрально противоположная ней точка - южным галактическим полюсом. Большой круг небесной сферы, плоскость которого перпендикулярна линии, соединяющей галактические полюса, называется галактическим экватором.

3. Названия дуг на небесной сфере, связанные с положением светил

3.1. Альмукантарат

Альмукантарат - араб. круг равных высот. Альмукантарат светила - малый круг небесной сферы, проходящий через светило, плоскость которого параллельна плоскости математического горизонта.

3.2. Вертикальный круг

Круг высоты или вертикальный круг или вертикаль светила - большой полукруг небесной сферы, проходящий через зенит, светило и надир.

3.3. Суточная параллель

Суточная параллель светила - малый круг небесной сферы, проходящий через светило, плоскость которого параллельна плоскости небесного экватора. Видимые суточные движения светил совершаются по суточных параллелях.

3.4. Круг наклона

Круг наклона светила - большой полукруг небесной сферы, проходящий через полюсы мира и светило.

3.5. Круг Эклиптические широты

Круг Эклиптические широты, или просто круг широты светила - большой полукруг небесной сферы, проходящий через полюса эклиптики и светило.

3.6. Круг галактической широты

Круг галактической широты светила - большой полукруг небесной сферы, проходящий через галактические полюсы и светило.

ТЕСТ . Небесная сфера (Гомулина Н.Н.)

1. Небесная сфера - это:
А) воображаемая сфера бесконечно большого радиуса, описанная вокруг центра Галактики;
Б) хрустальная сфера, на которой по представлению древних греков прикреплены светила;
В) воображаемая сфера произвольного радиуса, центром которой является глаз наблюдателя.
Г) воображаемая сфера - условная граница нашей Галактики.

2. Небесная сфера:
А) неподвижна, по ее внутренней поверхности движутся Солнце, Земля, другие планеты и их спутники;
Б) вращается вокруг оси, проходящей через центр Солнца, период вращения небесной сферы равен периоду обращения Земли вокруг Солнца, т. е. одному году;
В) вращается вокруг земной оси с периодом равным периоду вращения Земли вокруг своей оси, т.е. одним суткам;
Г) вращается вокруг центра Галактики, период вращения небесной сферы равен периоду вращения Солнца вокруг центра Галактики.

3. Причиной суточного вращения небесной сферы является:
А) Собственное движение звезд;
Б) Вращение Земли вокруг оси;
В) Движение Земли вокруг Солнца;
Г) Движение Солнца вокруг центра Галактики.

4. Центр небесной сферы:
А) совпадает с глазом наблюдателя;
Б) совпадает с центром Солнечной системы;
В) совпадает с центром Земли;
Г) совпадает с центром Галактики.

5. Северный полюс мира в настоящее время:
А) совпадает с Полярной звездой;
Б) находится в 1°,5 от a Малой Медведицы;
В) находится около самой яркой звезды всего небосвода - Сириуса;
Г) находится в созвездии Лиры около звезды Вега.

6. Созвездие Большой Медведицы совершает полный оборот вокруг Полярной звезды за время равное
А) одной ночи;
Б) одним суткам;
В) одному месяцу;
Г) одному году.

7. Ось мира это:
А) линия, проходящая через зенит Z и надир Z" и проходящая через глаз наблюдателя;
Б) линия, соединяющая точки юга S и севера N и проходящая через глаз наблюдателя;
В) линия, соединяющая точки востока E и запада W и проходящая через глаз наблюдателя;
Г) Линия, соединяющая полюса мира Р и Р" и проходящая через глаз наблюдателя.

8. Полюсами мира называются точки:
А) точки севера N и юга S.
Б) точки востока E и запада W.
В) точки пересечения оси мира с небесной сферой Р и Р";
Г) северный и южный полюса Земли.

9. Точкой зенита называется:

10. Точкой надира называется:
А) точка пересечения небесной сферы с отвесной линией, находящаяся над горизонтом;
Б) точка пересечения небесной сферы с отвесной линией, находящаяся под горизонтом;
В) точка пересечения небесной сферы с осью мира, находящаяся в северном полушарии;
Г) точка пересечения небесной сферы с осью мира, находящаяся в южном полушарии.

11. Небесным меридианом называется:
А) плоскость, проходящая через полуденную линию NS;
Б) плоскость, перпендикулярная оси мира Р и Р";
В) плоскость, перпендикулярная отвесной линии, проходящей через зенит Z и надир Z";
Г) плоскость, проходящая через точку севера N, полюсы мира Р и Р", зенит Z, точку юга S.

12. Полуденной линией называют:
А) линию, соединяющую точки востока E и запада W;
Б) линию, соединяющую точки юга S и севера N;
В) линию, соединяющую точки полюса мира Р и полюса мира Р";
Г) линию, соединяющую точки зенита Z и надира Z".

13. Видимые пути звезд, при движении по небу параллельны
А) небесному экватору;
Б) небесному меридиану;
В) эклиптики;
Г) горизонту.

14. Верхняя кульминация - это:
А) положение светила, в котором высота над горизонтом минимальна;
Б) прохождение светила через точку зенита Z;
В) прохождение светила через небесный меридиан и достижение наибольшей высоты над горизонтом;
Г) прохождение светила на высоте, равной географической широте места наблюдения.

15. В экваториальной системе координат основной плоскостью и основной точкой являются:
А) плоскость небесного экватора и точка весеннего равноденствия g;
Б) плоскость горизонта и точка юга S;
В) плоскость меридиана и точка юга S;
Г) плоскость эклиптики и точка пересечения эклиптики и небесного экватора.

16. Экваториальными координатами являются:
А) склонение и прямое восхождение;
Б) зенитное расстояние и азимут;
В) высота и азимут;
Г) зенитное расстояние и прямое восхождение.

17. Угол между осью мира и земной осью равен: А) 66°,5; Б) 0°; В) 90°; Г) 23°,5.

18. Угол между плоскостью небесного экватора и осью мира равен: А) 66°,5; Б) 0°; В) 90°; Г) 23°,5.

19. Угол наклона земной оси к плоскости земной орбиты равен: А) 66°,5; Б) 0°; В) 90°; Г) 23°,5.

20. В каком месте Земле суточное движение звезд происходит параллельно плоскости горизонта?
А) на экваторе;
Б) на средних широтах северного полушария Земли;
В) на полюсах;
Г) на средних широтах южного полушария Земли.

21. Где бы вы искали Полярную звезду, если бы вы находились на экваторе?
А) в точке зенита;

В) на горизонте;

22. Где бы вы искали Полярную звезду, если бы вы находились на северном полюсе?
А) в точке зенита;
Б) на высоте 45° над горизонтом;
В) на горизонте;
Г) на высоте, равной географической широте места наблюдения.

23. Созвездием называется:
А) определенная фигура из звезд, в которую звезды объединены условно;
Б) участок неба с установленными границами;
В) объем конуса (со сложной поверхностью), уходящего в бесконечность, вершина которого совпадает с глазом наблюдателя;
Г) линии, соединяющие звезды.

24. Если звезды в нашей Галактике движутся в разных направлениях, причем относительная скорость движения звезд достигает сотни километров в секунду, то следует ожидать, что очертания созвездий заметно изменяются:
А) в течение одного года;
Б) за время, равное средней продолжительности человеческой жизни;
В) за века;
Г) за тысячелетия.

25. Всего на небе насчитывается созвездий: А)150; Б)88; В)380; Г)118.

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 мо-мент времени из данной точки.

Небесная сфера вращается. В этом нетрудно убедиться, просто наблюдая изменение поло-жения небесных светил относительно наблюдателя или гори-зонта. Если направить фотоаппарат на звезду Малой Медведицы и открыть объектив на несколько часов, то изображения звёзд на фотопластинке опишут дуги, центральные углы ко-торых одинаковы (рис. 17). Материал с сайта

Из-за вращения небесной сферы каждое светило движется по малому кругу, плоскость которого параллельна плоскости экватора — суточной параллели . Как видно из рисунка 18, суточная параллель может пересекать математический гори-зонт, но может и не пересекать его. Пересечение горизонта светилом называется восходом светила , если оно переходит в верхнюю часть небесной сферы, и заходом при переходе све-тила в нижнюю часть небесной сферы. В том случае, если су-точная параллель, по которой движется светило, не пересека-ет горизонта, светило называется невосходящим либо незахо-дящим в зависимости от того, где оно находится: всегда в верхней или всегда в нижней части небесной сферы.