Небесная сфера: понятие, элементы, отвесная линия, суточное вращение, системы координат

Из статьи вы узнаете: что такое небесная сфера, как она устроена, что такое отвесная линия и какие понятия с ней связаны, как происходит суточное вращение и какие сферические системы координат существуют. А также, как меняется вид звездного неба в зависимости от времени года, суток и места вашего расположения.

Что такое небесная сфера

Долгое время люди считали Землю плоским диском, и что все небесные тела вращаются вокруг него по небесному куполу. Времена невежества давно прошли, а с полетом в космос не осталось никаких сомнений, что земля имеет форму шара. Но понятие купола трансформировалось в термин “небесная сфера”.

Небесная сфера – это шар неограниченного размера, на него спроецированы все видимые звезды. В центре находится наблюдатель, от которого и строится вся сфера вне зависимости от того, находится ли он на Земле или на борту космической станции. Такая проекция призвана упрощать решение астрономических задач.

Каждый элемент в космосе спроецирован на небесной сфере земли. Зачастую астрономы используют разные координатные системы для решения разных задач, но все они схожи. Наука, изучающая расположение звезд на сфере носит название сферической астрономии и включает в себя особые виды механики и тригонометрии, которые были разработаны специально для работы с поверхностью шара, а не плоскостями, как большинство тригонометрических наук.

Элементы небесной сферы

Небесная сфера включает в себя не только расположение всех светил, но и многие ориентиры, с помощью которых ученые могут четко определять, измерять и прогнозировать движение звезд. Важно понимать, что в большинстве расчетов сфера представляет собой лишь чертеж, на котором обозначены многие условные обозначения, рассмотренные ниже.

Отвесная линия и связанные с ней понятия

Для того чтобы ориентироваться по небесной сфере, на ней существует собственная координатная сетка, но вместо осей ординат и абсцисс на ней есть круги высот и альмукантараты.

Суточное вращение небесной сферы и связанные с ним понятия

Вместе круги светил и суточные параллели образуют еще одну систему координат, называемую экваториальной.

Термины, связанные с понятием “Отвесная линия” и “Вращение небесной сферы”

Так как небесный экватор и истинный горизонт – это два круга, у них есть всего 2 точки пересечения. Они называются точками запада и востока. Небесные светила всегда восходят из-за горизонта возле точки востока, а заходят возле точки запада.

Годовое движение Солнца по небесной сфере

Солнце движется на небесной сфере по определенной траектории, называемой эклиптикой. Она образует круг, который отклонен от небесного экватора на 23 градуса.

В точках равноденствия эклиптика пересекает небесный экватор. Они называются точками весеннего и осеннего равноденствия, так как через них солнце переходит из северного полушария в южное и наоборот. Обе точки равноденствия соединены прямой, проходящей через центр сферы, называемой линией равноденствия.

Если провести от центра линии равноденствия прямую, перпендикулярную плоскости небесного экватора, то она отметит на небесной сфере еще две важные точки – летнего и зимнего солнцестояния.

Чаще всего на схемах и моделях точки равноденствия и солнцестояния обозначаются зодиакальными символами, которые соответствовали созвездиям, в которых размещены отметки на сфере:

• Весеннее равноденствие – Овен;
• Осеннее равноденствие – Весы;
• Зимнее солнцестояние – Козерог;
• Летнее солнцестояние – Рак

Сферические системы координат

На поверхности небесной сферы проблематично пользоваться классической трехмерной системой координат. Для этого была разработана специальная система небесных координат, с помощью которой астрономы могут фиксировать и описывать положение всех наблюдаемых небесных тел. Две первичные координаты определяются двумя дугами, а третья (расстояние до объекта) часто может быть неизвестна.

Известно, что сферические системы начали применяться еще около 2500 лет назад. Первым описал поведение геометрических фигур и их взаимодействие на поверхности шара Евклид. В последствии его труды стали использоваться физиками и астрономами по всему миру и получили название “Евклидова геометрия”.

Горизонтальная система координат

Чаще всего используется, когда центр небесной сферы находится на поверхности земли для определения положения какого-либо тела на небе. Для получения координат не требуется сложных расчетов и они могут быть получены при помощи простого телескопа на азимутальной установке. Благодаря своей простоте и распространенности, используется большинством астрономических программ для записи положений звезд.

Согласно этой координатной системе, точка отсчета находится в центре небесной сферы и в качестве основной использует плоскость истинного горизонта. Первая координата обычно определяется либо по высоте необходимой точки, либо по ее зенитному расстоянию. Вторая координата определяется азимутом.

Разберем эти термины подробнее:

• Высота (h) – это дуга, проведенная под прямым углом от точки пересечения горизонта с небесной сферой до светила. Единица измерения – угол между отрезками от светила до центра сферы и от центра сферы до точки пересечения линии высоты с горизонтом. Измеряется в градусах от 90 до -90.
• Зенитное расстояние (z) может быть измерено несколькими способами. Во-первых, как угол между отвесной линией и точкой пересечения небесной сферы с радиусом, соединяющим светило и центр сферы. Во-вторых как расстояние от зенита до светила. Также, как и высота измеряется в градусах, но в диапазоне от 0 до 180, где 0 – это точка зенита, а 180 – надира.
• Азимут (А) – это угол дуги, проведенной от южной точки до круга светила. Отсчитывается азимут всегда к западу и измеряется в диапазоне от 0 до 360 градусов, но в некоторых научных документах можно встретить и диапазон от 180 до -180. Не стоит путать астрономический азимут с навигационным, так как последний отсчитывается по направлению к северу.

Координаты светил на небесной сфере постоянно изменяются как вследствие вращения самой сферы, так и из-за причин от нее не зависящих. Так, например, приведенные выше измерения меняются естественно, в результате суточного вращения, но такие показатели, как, например, склонение, или прямое восхождение остаются постоянными вне зависимости от вращения сферы. Они могут меняться лишь под воздействием внешних сил.

Экваториальная система координат № 1

Для использования этой системы требуется специальная установка с телескопом, называемая экваториальной. Наиболее распространено ее применение для определения точного времени движения небесных тел.

Часовой угол напрямую зависит от координаты склонения. Он представляет собой угол между центром сферы, точкой, где экватор пересекается с меридианом и точкой склонения. В разных документах могут встречаться как измерения в градусах (от 0 до 360), так и в часовом представлении (от 0 до 24 часов). Также встречается отчет от 180 до -180 градусов и от 12 до -12 часов.

Экваториальная система координат № 2

Это основная система координат в астрономии. Она позволяет не только определять местоположение отдельных звезд, но и составлять точнейшие звездные карты. Ее основное отличие в том, что она зависима от точки весеннего равноденствия, изменение положения которой характерно для определения эпохи исследования. Из-за этого при изучении данных, полученных в прошлом обязательна корректировка по параллаксу и вычисление координаты точки весеннего равноденствия для конкретной даты.

Прямое восхождение – это дуга, соединяющая точку весеннего равноденствия и круг склонения светила. В отличии от остальных координатных систем, во второй экваториальной координаты отсчитываются в сторону противоположную направлению движения сферы. Также, как и часовой угол, восхождение измеряется и в градусах (0–60), и в часах (0–4).

Еще одна величина, характерная только для этой системы – RA. Она представляет собой сферическую аналогию долготы. Как и долгота, она измеряет угол вдоль экватора относительно конкретной точки, называемой нулевым меридианом. Эта точка обозначает ближайшее к точке весеннего равноденствия место, где Солнце пересекает небесный меридиан.

Эклиптическая система координат

Как следует из названия, основание этой координатной системы – плоскость эклиптики.

Две ее основные координаты – это эклиптическая широта и эклиптическая долгота:

1. Эклиптическая широта – это угол, между центром небесной сферы, плоскостью эклиптики и точкой, которой обозначено светило. Измеряется широта в диапазоне от 90 до -90 градусов от северного полюса к южному.
2. Эклиптическая долгота же представляет собой угол между кругом широты и отрезком от центра сферы до точки весеннего равноденствия. Как и большинство других координат, измеряется в градусах, от 0 до 360 в сторону движения солнца по сфере.

В основном эта система координат используется для изучения тел, входящих в Солнечную систему. Например, для определения орбит планет и их спутников.

Изменение вида звездного неба в зависимости от места, времени суток и года

На движение небесной сферы в первую очередь влияет то, когда и откуда происходят наблюдения. Так, например, если наблюдатель находится в точке зенита, то видимые звезды для него никогда не изменятся. Они будут вращаться вокруг зенита и ни одна звезда не зайдет и не поднимется из-за горизонта. Именно поэтому с каждого из полюсов доступно лишь одно полушарие небосвода, а звезды второго будут все время скрыты.

Однако, уже на экваторе ситуация полностью противоположная. Звезды на небесной сфере здесь постоянно движутся и с экватора можно видеть абсолютно все светила обоих полушарий. Двигаться они будут перпендикулярно горизонту в противоположную вращению земли сторону.

Однако, не только суточный цикл планеты влияет на движение звезд. Земля также движется и вокруг Солнца, что тоже накладывает свой отпечаток. Каждый день траектория движения Солнца по небу немного изменяется. Ученые выяснили, что это изменение равно 4 угловым секундам, при скорости поворота планеты 1уг.сек/мин становится очевидно, что каждый день становится на 4 минуты длиннее или короче в зависимости от полушария. Для астрономов же это значит, что звездные сутки короче солнечных на 4 минуты.

Это также говорит о том, что каждую ночь созвездия, восходящие на небе смещаются по направлению с востока на запад на 4 угловых секунды вместе с солнцем. Таким образом каждый месяц длительность светового дня изменяется примерно на 1,5-2 часа, а, созвездия, которые можно было наблюдать на небе, полностью проходят путь через всю небесную сферу, уступая место следующим. Через год, когда планета делает полный оборот вокруг Солнца, этот цикл замыкается и начинается заново.