Точка пересечения небесной сферы. Небесная сфера

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.

Тема 4. НЕБЕСНАЯ СФЕРА. АСТРОНОМИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ КООРДИНАТ

4.1. НЕБЕСНАЯ СФЕРА

Небесная сфера – воображаемая сфера произвольного радиуса, на которую проецируются небесные светила. Служит для решения различных астрометрических задач. За центр небесной сферы, как правило, принимают глаз наблюдателя. Для находящегося на поверхности Земли наблюдателя вращение небесной сферы воспроизводит суточное движение светил на небе.

Представление о Небесной сфере возникло в глубокой древности; в основу его легло зрительное впечатление о существовании куполообразного небесного свода. Это впечатление связано с тем, что в результате огромной удалённости небесных светил человеческий глаз не в состоянии оценить различия в расстояниях до них, и они представляются одинаково удалёнными. У древних народов это ассоциировалось с наличием реальной сферы, ограничивающей весь мир и несущей на своей поверхности многочисленные звёзды. 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 используется в астрометрии.

Радиус небесной сферы может быть принят каким угодно: в целях упрощения геометрических соотношений его полагают равным единице. В зависимости от решаемой задачи центр небесной сферы может быть помещен в место:

где находится наблюдатель (топоцентрическая небесная сфера),

в центр Земли (геоцентрическая небесная сфера),

в центр той или иной планеты (планетоцентрическая небесная сфера),

в центр Солнца (гелиоцентрическая небесная сфера) или в любую др. точку пространства.

Каждому светилу на небесной сфере соответствует точка, в которой её пересекает прямая, соединяющая центр небесной сферы со светилом (с его центром). При изучении взаимного расположения и видимых движений светил на небесной сфере выбирают ту или иную систему координат), определяемую основными точками и линиями. Последние обычно являются большими кругами небесной сферы. Каждый большой круг сферы имеет два полюса, определяющиеся на ней концами диаметра, перпендикулярного к плоскости данного круга.

Названия важнейших точек и дуг на небесной сфере

Отвесная линия (или вертикальная линия) – прямая, проходящая через центры Земли и небесной сферы. Отвесная линия пересекается с поверхностью небесной сферы в двух точках – зените , над головой наблюдателя, и надире – диаметрально противоположной точке.

Математический горизонт – большой круг небесной сферы, плоскость которого перпендикулярна к отвесной линии. Плоскость математического горизонта проходит через центр небесной сферы и делит ее поверхность на две половины: видимую для наблюдателя, с вершиной в зените, и невидимую , с вершиной в надире. Математический горизонт может не совпадать с видимым горизонтом вследствие неровности поверхности Земли и различной высотой точек наблюдения, а также искривлением лучей света в атмосфере.

Рис. 4.1. Небесная сфера

Ось мира – ось видимого вращения небесной сферы, параллельная оси Земли.

Ось мира пересекается с поверхностью небесной сферы в двух точках – северном полюсе мира и южном полюсе мира .

Полюс мира – точка на небесной сфере, вокруг которой происходит видимое суточное движение звезд из-за вращения Земли вокруг своей оси. Северный полюс мира находится в созвездии Малой Медведицы , южный в созвездии Октант . В результате прецессии полюса мира смещаются примерно на 20" в год.

Высота полюса мира равна широте места наблюдателя. Полюс мира, расположенный в надгоризонтной части сферы, называется повышенным, другой же полюс мира, находящийся в подгоризонтной части сферы, называется пониженным.

Небесный экватор – большой круг небесной сферы, плоскость которого перпендикулярна оси мира. Небесный экватор делит поверхность небесной сферы на два полушария: северное полушарие , с вершиной в северном полюсе мира, и южное полушарие , с вершиной в южном полюсе мира.

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

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

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

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

Эклиптика – траектория видимого годичного движения Солнца по небесной сфере. Плоскость эклиптики пересекается с плоскостью небесного экватора под углом ε = 23°26".

Эклиптика пересекается с небесным экватором в двух точках – весеннего и осеннего равноденствия . В точке весеннего равноденствия Солнце переходит из южного полушария небесной сферы в северное, в точке осеннего равноденствия - из северного полушария небесной сферы в южное.

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

Ось эклиптики – диаметр небесной сферы, перпендикулярный плоскости эклиптики.

4.2. Основные линии и плоскости небесной сферы

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

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

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

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

Круг склонения светила – большой полукруг небесной сферы, проходящий через полюсы мира и светило.

Круг эклиптической широты́ , или просто круг широты светила – большой полукруг небесной сферы, проходящий через полюсы эклиптики и светило.

Круг галактической широты́ светила – большой полукруг небесной сферы, проходящий через галактические полюсы и светило.

2. АСТРОНОМИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ КООРДИНАТ

Система небесных координат используется в астрономии для описания положения светил на небе или точек на воображаемой небесной сфере. Координаты светил или точек задаются двумя угловыми величинами (или дугами), однозначно определяющими положение объектов на небесной сфере. Таким образом, система небесных координат является сферической системой координат, в которой третья координата – расстояние – часто неизвестна и не играет роли.

Системы небесных координат отличаются друг от друга выбором основной плоскости. В зависимости от стоящей задачи, может быть более удобным использовать ту или иную систему. Наиболее часто используются горизонтальная и экваториальная системы координат. Реже – эклиптическая, галактическая и другие.

Горизонтальная система координат

Горизонтальная система координат (горизонтная) – это система небесных координат, в которой основной плоскостью является плоскость математического горизонта, а полюсами – зенит и надир. Она применяется при наблюдениях звёзд и движения небесных тел Солнечной системы на местности невооружённым глазом, в бинокль или телескоп. Горизонтальные координаты планет, Солнца и звёзд непрерывно изменяются в течение суток ввиду суточного вращения небесной сферы.

Линии и плоскости

Горизонтальная система координат всегда топоцентрическая. Наблюдатель всегда находится в фиксированной точке на поверхности земли (отмечена буквой O на рисунке). Будем предполагать, что наблюдатель находится в Северном полушарии Земли на широте φ. При помощи отвеса определяется направление на зенит (Z), как верхняя точка, в которую направлен отвес, а надир (Z") – как нижняя (под Землёй). Поэтому и линия (ZZ"), соединяющая зенит и надир называется отвесной линией.

4.3. Горизонтальная система координат

Плоскость, перпендикулярная к отвесной линии в точке O называется плоскостью математического горизонта. На этой плоскости определяется направление на юг (географический) и север, например, по направлению кратчайшей за день тени от гномона. Кратчайшей она будет в истинный полдень, и линия (NS), соединяющая юг с севером, называется полуденной линией. Точки востока (E) и запада (W) берутся отстоящими на 90 градусов от точки юга соответственно против и по ходу часовой стрелки, если смотреть из зенита. Таким образом, NESW – плоскость математического горизонта

Плоскость, проходящая через полуденную и отвесную линии (ZNZ"S) называется плоскостью небесного меридиана , а плоскость, проходящая через небесное тело – плоскостью вертикала данного небесного тела . Большой круг, по которому она пересекает небесную сферу, называется вертикалом небесного тела .

В горизонтальной системе координат одной координатой является либо высота светила h, либо его зенитное расстояние z . Другой координатой является азимут A .

Высотой h светила называется дуга вертикала светила от плоскости математического горизонта до направления на светило. Высоты отсчитываются в пределах от 0° до +90° к зениту и от 0° до −90° к надиру.

Зенитным расстоянием z светила называется дуга вертикала светила от зенита до светила. Зенитные расстояния отсчитываются в пределах от 0° до 180° от зенита к надиру.

Азимутом A светила называется дуга математического горизонта от точки юга до вертикала светила. Азимуты отсчитываются в сторону суточного вращения небесной сферы, то есть к западу от точки юга, в пределах от 0° до 360°. Иногда азимуты отсчитываются от 0° до +180° к западу и от 0° до −180° к востоку (в геодезии азимуты отсчитываются от точки севера).

Особенности изменения координат небесных тел

За сутки звезда описывает круг, перпендикулярный оси мира (PP"), которая на широте φ наклонена к математическому горизонту на угол φ. Поэтому она будет двигаться параллельно математическому горизонту лишь при φ равном 90 градусов, то есть на Северном полюсе. Поэтому все звёзды, видимые там, будут незаходящими (в том числе и Солнце на протяжении полугода, см. долгота дня) а их высота h будет постоянной. На других широтах доступные для наблюдений в данное время года звёзды делятся на:

заходящие и восходящие (h в течение суток проходит через 0)

незаходящие (h всегда больше 0)

невосходящие (h всегда меньше 0)

Максимальная высота h звезды будет наблюдаться раз в день при одном из двух её прохождений через небесный меридиан – верхней кульминации, а минимальная – при втором из них – нижней кульминации. От нижней до верхней кульминации высота h звезды увеличивается, от верхней до нижней – уменьшается.

Первая экваториальная система координат

В этой системе основной плоскостью является плоскость небесного экватора. Одной координатой при этом является склонение δ (реже – полярное расстояние p). Другой координатой – часовой угол t.

Склонением δ светила называется дуга круга склонения от небесного экватора до светила, или угол между плоскостью небесного экватора и направлением на светило. Склонения отсчитываются в пределах от 0° до +90° к северному полюсу мира и от 0° до −90° к южному полюсу мира.

4.4. Экваториальная система координат

Полярным расстоянием p светила называется дуга круга склонения от северного полюса мира до светила, или угол между осью мира и направлением на светило. Полярные расстояния отсчитываются в пределах от 0° до 180° от северного полюса мира к южному.

Часовым углом t светила называется дуга небесного экватора от верхней точки небесного экватора (то есть точки пересечения небесного экватора с небесным меридианом) до круга склонения светила, или двугранный угол между плоскостями небесного меридиана и круга склонения светила. Часовые углы отсчитываются в сторону суточного вращения небесной сферы, то есть к западу от верхней точки небесного экватора, в пределах от 0° до 360° (в градусной мере) или от 0h до 24h (в часовой мере). Иногда часовые углы отсчитываются от 0° до +180° (от 0h до +12h) к западу и от 0° до −180° (от 0h до −12h) к востоку.

Вторая экваториальная система координат

В этой системе, как и в первой экваториальной, основной плоскостью является плоскость небесного экватора, а одной координатой – склонение δ (реже – полярное расстояние p). Другой координатой является прямое восхождение α. Прямым восхождением (RA, α) светила называется дуга небесного экватора от точки весеннего равноденствия до круга склонения светила, или угол между направлением на точку весеннего равноденствия и плоскостью круга склонения светила. Прямые восхождения отсчитываются в сторону, противоположную суточному вращению небесной сферы, в пределах от 0° до 360° (в градусной мере) или от 0h до 24h (в часовой мере).

RA – астрономический эквивалент земной долготы. И RA и долгота измеряют угол восток-запад вдоль экватора; обе меры берут отсчёт от нулевого пункта на экваторе. Для долготы, нулевой пункт – нулевой меридиан; для RA нулевой отметкой является место на небе, где Солнце пересекает небесный экватор в весеннее равноденствие.

Склонение (δ) в астрономии – одна из двух координат экваториальной системы координат. Равняется угловому расстоянию на небесной сфере от плоскости небесного экватора до светила и обычно выражается в градусах, минутах и секундах дуги. Склонение положительно к северу от небесного экватора и отрицательно к югу. У склонения всегда указывается знак, даже если склонение положительно.

Склонение небесного объекта, проходящего через зенит, равно широте наблюдателя (если считать северную широту со знаком +, а южную отрицательной). В северном полушарии Земли для заданной широты φ небесные объекты со склонением

δ > +90° − φ не заходят за горизонт, поэтому называются незаходящими. Если же склонение объекта δ

Эклиптическая система координат

В этой системе основной плоскостью является плоскость эклиптики. Одной координатой при этом является эклиптическая широта β, а другой – эклиптическая долгота λ.

4.5. Связь эклиптической и второй экваториальной систем координат

Эклиптической широтой β светила называется дуга круга широты от эклиптики до светила, или угол между плоскостью эклиптики и направлением на светило. Эклиптические широты отсчитываются в пределах от 0° до +90° к северному полюсу эклиптики и от 0° до −90° к южному полюсу эклиптики.

Эклиптической долготой λ светила называется дуга эклиптики от точки весеннего равноденствия до круга широты светила, или угол между направлением на точку весеннего равноденствия и плоскостью круга широты светила. Эклиптические долготы отсчитываются в сторону видимого годового движения Солнца по эклиптике, то есть к востоку от точки весеннего равноденствия в пределах от 0° до 360°.

Галактическая система координат

В этой системе основной плоскостью является плоскость нашей Галактики. Одной координатой при этом является галактическая широта b, а другой – галактическая долгота l.

4.6. Галактическая и вторая экваториальная системы координат.

Галактической широтой b светила называется дуга круга галактической широты от эклиптики до светила, или угол между плоскостью галактического экватора и направлением на светило.

Галактические широты отсчитываются в пределах от 0° до +90° к северному галактическому полюсу и от 0° до −90° к южному галактическому полюсу.

Галактической долготой l светила называется дуга галактического экватора от точки начала отсчёта C до круга галактической широты светила, или угол между направлением на точку начала отсчёта C и плоскостью круга галактической широты светила. Галактические долготы отсчитываются против часовой стрелки, если смотреть с северного галактического полюса, то есть к востоку от точки начала отсчёта C в пределах от 0° до 360°.

Точка начала отсчёта C находится вблизи направления на галактический центр, но не совпадает с ним, поскольку последний, вследствие небольшой приподнятости Солнечной системы над плоскостью галактического диска, лежит примерно на 1° к югу от галактического экватора. Точку начала отсчёта C выбирают таким образом, чтобы точка пересечения галактического и небесного экваторов с прямым восхождением 280° имела галактическую долготу 32,93192° (на эпоху 2000).

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.

Введение

1 История

2 Элементы небесной сферы

• 2.1 Отвесная линия и связанные с ней понятия

  2.2 Суточное вращение небесной сферы и связанные с ним понятия

  2.3 Термины, рождаемые в пересечениях понятий «Отвесная линия» и «Вращение небесной сферы»

  2.4 Годовое движение Солнца по небесной сфере и связанные с ним понятия

3 Любопытные факты

Введение

Небесная сфера разделена небесным экватором.

Небе́сная сфе́ра - воображаемая сфера произвольного радиуса, на которую проецируются небесные тела: служит для решения различных астрометрических задач. За центр небесной сферы принимают глаз наблюдателя; при этом наблюдатель может находиться как на поверхности Земли, так и в других точках пространства (например, он может быть отнесён к центру Земли). Для наземного наблюдателя вращение небесной сферы воспроизводит суточное движение светил на небе.

Каждому небесному светилу соответствует точка небесной сферы, в которой её пересекает прямая, соединяющая центр сферы с центром светила. При изучении положений и видимых движений светил на небесной сфере выбирают ту или иную систему сферических координат. Расчёты положений светил на небесной сфере производятся с помощью небесной механики и сферической тригонометрии.

1. История

Представление о небесной сфере возникло в глубокой древности; в основу его легло зрительное впечатление о существовании куполообразного небесного свода. Это впечатление связано с тем, что в результате огромной удалённости небесных светил человеческий глаз не в состоянии оценить различия в расстояниях до них, и они представляются одинаково удалёнными. У древних народов это ассоциировалось с наличием реальной сферы, ограничивающей весь мир и несущей на своей поверхности многочисленные звёзды. 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 используется в астрометрии.

2. Элементы небесной сферы

Прецессия равноденствий планеты Земля, благодаря которой возможна смена времён года

2.1. Отвесная линия и связанные с ней понятия

Отвесная линия - прямая, проходящая через центр небесной сферы и точку наблюдения на поверхности Земли. Отвесная линия пересекается с поверхностью небесной сферы в двух точках -зените над головой наблюдателя инадире под ногами наблюдателя.

Математический горизонт - большой круг небесной сферы, плоскость которого перпендикулярна к отвесной линии. Математический горизонт делит поверхность небесной сферы на две полусферы:видимую полусферу с вершиной в зените иневидимую полусферу с вершиной в надире. Математический горизонт не совпадает с видимым горизонтом вследствие приподнятости точки наблюдения над земной поверхностью, а также по причине искривления лучей света в атмосфере.

Круг высоты иливертикал светила - большой полукруг небесной сферы, проходящий через светило, зенит и надир.Альмукантара́т (араб. «круг равных высот») - малый круг небесной сферы, плоскость которого параллельна плоскости математического горизонта. Круги высоты и альмукантараты образуют координатную сетку, задающую горизонтальные координаты светила.

2.2. Суточное вращение небесной сферы и связанные с ним понятия

Ось мира - воображаемая линия, проходящая через центр мира, вокруг которой происходит вращение небесной сферы. Ось мира пересекается с поверхностью небесной сферы в двух точках -северном полюсе мира июжном полюсе мира . Вращение небесной сферы происходит против часовой стрелки вокруг северного полюса, если смотреть на небесную сферу изнутри.

Небесный экватор - большой круг небесной сферы, плоскость которого перпендикулярна оси мира. Небесный экватор делит небесную сферу на два полушария:северное июжное .

Круг склонения - большой круг небесной сферы, проходящий через полюсы мира.

Суточная параллель - малый круг небесной сферы, плоскость которого параллельна плоскости небесного экватора. Видимые суточные движения светил совершаются по суточным параллелям. Круги склонения и суточные параллели образуют на небесной сфере координатную сетку, задающую экваториальные координаты светила.

2.3. Термины, рождаемые в пересечениях понятий «Отвесная линия» и «Вращение небесной сферы»

Небесный экватор пересекается с математическим горизонтом в точке востока иточке запада . Точкой востока называется та, в которой точки вращающейся небесной сферы восходят из-за горизонта. Полукруг высоты, проходящий через точку востока, называетсяпервым вертикалом .

Небесный меридиан - большой круг небесной сферы, плоскость которого проходит через отвесную линию и ось мира. Небесный меридиан делит поверхность небесной сферы на два полушария:восточное полушарие изападное полушарие .

Полуденная линия - линия пересечения плоскости небесного меридиана и плоскости математического горизонта. Полуденная линия и небесный меридиан пересекают математический горизонт в двух точках:точке севера иточке юга . Точкой севера называется та, которая ближе к северному полюсу мира.

2.4. Годовое движение Солнца по небесной сфере и связанные с ним понятия

P,P" - полюсы мира, T,T" - точки равноденствия, E,C - точки солнцестояния, П,П" - полюса эклиптики, PP" - ось мира, ПП" - ось эклиптики, ATQT"- небесный экватор, ETCT" - эклиптика

Эклиптика - большой круг небесной сферы, по которому происходит видимое годовое движение Солнца. Плоскость эклиптики пересекается с плоскостью небесного экватора под углом ε = 23°26".

Две точки, в которых эклиптика пересекается с небесным экватором, называются точками равноденствия. В точке весеннего равноденствия Солнце в своём годовом движении переходит из южного полушария небесной сферы в северное; вточке осеннего равноденствия - из северного полушария в южное. Две точки эклиптики, отстоящие от точек равноденствия на 90° и тем самым максимально удалённые от небесного экватора, называются точками солнцестояния.Точка летнего солнцестояния находится в северном полушарии,точка зимнего солнцестояния - в южном полушарии.

Ось эклиптики - диаметр небесной сферы, перпендикулярный плоскости эклиптики. Ось эклиптики пересекается с поверхностью небесной сферы в двух точках -северном полюсе эклиптики , лежащем в северном полушарии, июжном полюсе эклиптики , лежащем в южном полушарии. Северный полюс эклиптики имеет экваториальные координаты R.A. = 18h00m, Dec = +66°33", и находится в созвездии Дракона.

Круг эклиптической широты , или простокруг широты - большой полукруг небесной сферы, проходящий через полюсы эклиптики.

3. Любопытные факты

Слово зенит пришло к нам из арабского языка, где оно произносится какзамт . Переписанное латинскими буквами как zamt, оно было впоследствии искажено переписчиками, превратившись в zanit, а затем и в зенит.

Небесная сфера - воображаемая сфера произвольного радиуса, используемая в астрономии для описания взаимных положений светил на небосклоне. Для простоты расчетов ее радиус принимают равным единице; центр небесной сферы в зависимости от решаемой задачи совмещают со зрачком наблюдателя, с центром Земли, Луны, Солнца или вообще с произвольной точкой пространства.

Представление о небесной сфере возникло в глубокой древности. В основу его легло зрительное впечатление о существовании хрустального купола неба, на котором будто бы укреплены звезды. Небесная сфера в представлении древних народов была важнейшим элементом Вселенной . С развитием астрономии такой взгляд на небесную сферу отпал. Однако заложенная в древности геометрия небесной сферы в результате развития и совершенствования получила современный вид, в котором для удобства различных расчетов и используется в астрометрии .

Рассмотрим небесную сферу, как она представляется Наблюдателю в средних широтах с поверхности Земли (рис. 1).

Две прямые, положение которых может быть установлено экспериментально с помощью физических и астрономических инструментов, играют важную роль при определении понятий, связанных с небесной сферой. Первая из них - отвесная линия; это прямая, совпадающая в данной точке с направлением действия силы тяжести. Эта линия, проведенная через центр небесной сферы, пересекает ее в двух диаметрально противоположных точках: верхняя называется зенитом, нижняя - надиром. Плоскость, проходящая через центр небесной сферы перпендикулярно отвесной линии, называется плоскостью математического (или истинного) горизонта. Линия пересечения этой плоскости с небесной сферой называется горизонтом .

Второй прямой служит ось мира - прямая, проходящая через центр небесной сферы параллельно оси вращения Земли; вокруг оси мира происходит видимое суточное вращение всего небосвода. Точки пересечения оси мира с небесной сферой называются Северным и Южным полюсами мира. Наиболее приметная из звезд вблизи Северного полюса мира - Полярная звезда . Ярких звезд около Южного полюса мира нет.

Плоскость, проходящая через центр небесной сферы перпендикулярно оси мира, называется плоскостью небесного экватора. Линию пересечения этой плоскости с небесной сферой называют небесным экватором.

Напомним, что окружность, которая получается при пересечении небесной сферы плоскостью, проходящей через ее центр, называется в математике большим кругом, а если плоскость не проходит через центр, то получается малый круг. Горизонт и небесный экватор представляют собой большие круги небесной сферы и делят ее на два равных полушария. Горизонт делит небесную сферу на видимое и невидимое полушария. Небесный экватор делит ее соответственно на Северное и Южное полушария.

При суточном вращении небосвода светила вращаются вокруг оси мира, описывая на небесной сфере малые круги, называемые суточными параллелями; светила, удаленные от полюсов мира на 90°, движутся вдоль большого круга небесной сферы - небесного экватора.

Определив отвесную линию и ось мира, нетрудно дать определение всем остальным плоскостям и кругам небесной сферы.

Плоскость, проходящая через центр небесной сферы, в которой одновременно лежат и отвесная линия, и ось мира, называется плоскостью небесного меридиана. Большой круг от пересечения этой плоскостью небесной сферы называют небесным меридианом. Та из точек пересечения небесного меридиана с горизонтом, которая находится ближе к Северному полюсу мира, называется точкой севера; диаметрально противоположная - точкой юга. Прямая, проходящая через эти точки, есть полуденная линия.

Точки горизонта, отстоящие на 90° от точек севера и юга, называются точками востока и запада. Эти четыре точки называют главными точками горизонта.

Плоскости, проходящие через отвесную линию, пересекают небесную сферу по большим кругам и называются вертикалами. Небесный меридиан является одним из вертикалов. Вертикал, перпендикулярный меридиану и проходящий через точки востока и запада, называют первым вертикалом.

По определению три основные плоскости - математического горизонта, небесного меридиана и первого вертикала - взаимно перпендикулярны. Плоскость же небесного экватора перпендикулярна лишь плоскости небесного меридиана, образуя с плоскостью горизонта двугранный угол. На географических полюсах Земли плоскость небесного экватора совпадает с плоскостью горизонта, а на экваторе Земли становится ей перпендикулярной. В первом случае, на географических полюсах Земли, ось мира совпадает с отвесной линией и за небесный меридиан может быть принят любой из вертикалов в зависимости от условий стоящей задачи. Во втором случае, на экваторе, ось мира лежит в плоскости горизонта и совпадает с полуденной линией; Северный полюс мира при этом совпадает с точкой севера, а Южный полюс мира - с точкой юга (см. рис.).

При использовании небесной сферы, центр которой совмещается с центром Земли или какой-либо другой точкой пространства, также возникает ряд особенностей, однако принцип введения основных понятий - горизонт, небесный меридиан, первый вертикал, небесный экватор и т. п. - остается прежним.

Основные плоскости и круги небесной сферы используются при введении горизонтальных, экваториальных и эклиптических небесных координат , а также при описании особенностей видимого суточного вращения светил.

Большой круг, образуемый при пересечении небесной сферы плоскостью, проходящей через ее центр и параллельной плоскости земной орбиты, называется эклиптикой . По эклиптике происходит видимое годичное движение Солнца. Точка пересечения эклиптики с небесным экватором, в которой Солнце переходит из Южного полушария небесной сферы в Северное, называют точкой весеннего равноденствия . Противоположная точка небесной сферы называется точкой осеннего равноденствия. Прямая, проходящая через центр небесной сферы перпендикулярно плоскости эклиптики, пересекает сферу в двух полюсах эклиптики: Северном полюсе - в Северном полушарии и Южном - в Южном полушарии.