Все небесные светила находятся на необычайно больших и весьма различных расстояниях от нас. Но нам они представляются одинаково удаленными и как будто расположенными на некоторой сфере. При решении практических задач по авиационной астрономии важно знать не расстояние до светил, а их положение на небесной сфере в момент наблюдения.
Небесной сферой называется воображаемая сфера бесконечно большого радиуса, центром которой является наблюдатель. При рассмотрении небесной сферы ее центр совмещают с глазом наблюдателя. Размерами Земли пренебрегают, поэтому центр небесной сферы часто совмещают также с центром Земли. Светила на сферу наносят в таком положении, в каком они видны на небе в некоторый момент времени из данной точки нахождения наблюдателя.
Небесная сфера имеет ряд характерных точек, линий и кругов. На рис. 1.1 кругом произвольного радиуса изображена небесная сфера, в центре которой, обозначенном точкой О, расположен наблюдатель. Рассмотрим основные элементы небесной сферы.
Вертикаль наблюдателя - прямая, проходящая через центр небесной сферы и совпадающая с направлением нити отвеса в точке наблюдателя. Зенит Z - точка пересечения вертикали наблюдателя с небесной сферой, расположенная над головой наблюдателя. Надир Z" - точка пересечения вертикали наблюдателя с небесной сферой, противоположная зениту.
Истинный горизонт С В Ю З - большой круг на небесной сфере, плоскость которого перпендикулярна к вертикали наблюдателя. Истинный горизонт делит небесную сферу на две части: надгоризонтную полусферу, в которой расположен зенит, и подгоризонтную полусферу, в которой расположен надир.
Ось мира РР" - прямая, вокруг которой происходит видимое суточное вращение небесной сферы.
Рис. 1.1. Основные точки, линии и круги на небесной сфере
Ось мира параллельна оси вращения Земли, а для наблюдателя, находящегося на одном из полюсов Земли, она совпадает с осью вращения Земли. Видимое суточное вращение небесной сферы является отражением действительного суточного вращения Земли вокруг своей оси.
Полюсы мира - точки пересечения оси мира с небесной сферой. Полюс мира, находящийся в области созвездия Малой Медведицы, называется Северным полюсом мира Р, а противоположный полюс называется Южным Р.
Небесный экватор - большой круг на небесной сфере, плоскость которого перпендикулярна к оси мира. Плоскость небесного экватора делит небесную сферу на северную полусферу, в которой расположен Северный полюс мира, и южную полусферу, в которой расположен Южный полюс мира.
Небесный меридиан, или меридиан наблюдателя, - большой круг на небесной сфере, проходящий через полюсы мира, зенит и надир. Он совпадает с плоскостью земного меридиана наблюдателя и делит небесную сферу на восточную и западную полусферы.
Точки севера и юга - точки пересечения небесного меридиана с истинным горизонтом. Точка, ближайшая к Северному полюсу мира, называется точкой севера истинного горизонта С, а точка, ближайшая к Южному полюсу мира, - точкой юга Ю. Точки востока и запада - точки пересечения небесного экватора с истинным горизонтом.
Полуденная линия - прямая линия в плоскости истинного горизонта, соединяющая точки севера и юга. Полуденной называется эта линия потому, что в полдень по местному истинному солнечному времени тень от вертикального шеста совпадает с этой линией, т. е. с истинным меридианом данной точки.
Южная и северная точки небесного экватора - точки пересечения небесного меридиана с небесным экватором. Точка, ближайшая к южной точке горизонта, называется точкой юга небесного экватора , а точка, ближайшая к северной точке горизонта, - точкой севера
Вертикал светила, или круг высоты, - большой круг на небесной сфере, проходящий через зенит, надир и светило. Первый вертикал - вертикал, проходящий через точки востока и запада.
Круг склонения, или часовой круг светила, РМР - большой круг на небесной сфере, проходящий через полюсы миоа и светило.
Суточная параллель светила - малый круг на небесной сфере, проведенный через светило параллельно плоскости небесного экватора. Видимое суточное движение светил происходит по суточным параллелям.
Альмукантарат светила АМАГ - малый круг на небесной сфере, проведенный через светило параллельно плоскости истинного горизонта.
Рассмотренные элементы небесной сферы широко используются в авиационной астрономии.
Содержание статьи
НЕБЕСНАЯ СФЕРА. Когда мы наблюдаем небо, все астрономические объекты кажутся расположенными на куполообразной поверхности, в центре которой находится наблюдатель. Этот воображаемый купол образует верхнюю половину воображаемой сферы, которую называют «небесной сферой». Она играет фундаментальную роль при указании положения астрономических объектов.
Ось вращения Земли наклонена примерно на 23,5° относительно перпендикуляра, проведенного к плоскости земной орбиты (к плоскости эклиптики). Пересечение этой плоскости с небесной сферой дает круг – эклиптику, видимый путь Солнца за год. Ориентация земной оси в пространстве почти не изменяется. Поэтому каждый год в июне, когда северный конец оси наклонен в сторону Солнца, оно высоко поднимается на небе в Северном полушарии, где дни становятся длинными, а ночи короткими. Переместившись на противоположную сторону орбиты в декабре, Земля оказывается развернута к Солнцу Южным полушарием, и у нас на севере дни становятся короткими, а ночи – длинными. См . также ВРЕМЕНА ГОДА .
Однако под влиянием солнечного и лунного притяжения ориентация земной оси все же постепенно меняется. Основное движение оси, вызванное влиянием Солнца и Луны на экваториальное вздутие Земли, называют прецессией. В результате прецессии земная ось медленно поворачивается вокруг перпендикуляра к орбитальной плоскости, описывая за 26 тыс. лет конус радиусом 23,5°. По этой причине через несколько столетий полюс уже не будет вблизи Полярной звезды. Кроме того, ось Земли совершает мелкие колебания, называемые нутацией и связанные с эллиптичностью орбит Земли и Луны, а также с тем, что плоскость лунной орбиты немного наклонена к плоскости земной орбиты.
Как мы уже знаем, вид небесной сферы в течение ночи меняется из-за вращения Земли вокруг оси. Но даже если наблюдать небо в одно и то же время в течение года, его вид будет меняться из-за обращения Земли вокруг Солнца. Для полного оборота по орбите на 360° Земле требуется ок. 365 1 / 4 суток – примерно по градусу в сутки. Кстати, сутки, а точнее – солнечные сутки – это время, за которое Земля поворачивается один раз вокруг оси по отношению к Солнцу. Оно состоит из времени, за которое Земля совершает оборот по отношению к звездам («звездные сутки»), плюс небольшое время – около четырех минут, – необходимое для поворота, компенсирующего орбитальное перемещение Земли за сутки на один градус. Таким образом, в году ок. 365 1 / 4 солнечных суток и ок. 366 1 / 4 звездных.
При наблюдении из определенной точки Земли звезды, расположенные вблизи полюсов, либо всегда находятся над горизонтом, либо никогда не поднимаются над ним. Все остальные звезды восходят и заходят, причем каждый день восход и заход каждой звезды происходит на 4 мин раньше, чем в предыдущий день. Некоторые звезды и созвездия поднимаются на небе ночью в зимнее время – мы называем их «зимними», а другие – «летними».
Таким образом, вид небесной сферы определяется тремя временами: временем суток, связанным с вращением Земли; временем года, связанным с обращением вокруг Солнца; эпохой, связанной с прецессией (хотя последний эффект едва ли заметишь «на глаз» даже за 100 лет).
Системы координат.
Существуют различные способы для указания положения объектов на небесной сфере. Каждый из них подходит к задачам определенного типа.
Альт-азимутальная система.
Для указания положения объекта на небе по отношению к окружающим наблюдателя земным предметам используют «альт-азимутальную», или «горизонтальную», систему координат. В ней указывают угловое расстояние объекта над горизонтом, называемое «высотой», а также его «азимут» – угловое расстояние вдоль горизонта от условной точки до точки, лежащей прямо под объектом. В астрономии азимут отсчитывают от точки юга к западу, а в геодезии и навигации – от точки севера к востоку. Поэтому, прежде чем пользоваться азимутом, нужно выяснить, в какой системе он указан. Точка неба, находящаяся прямо над головой, имеет высоту 90° и называется «зенит», а диаметрально противоположная ей точка (под ногами) – «надир». Для многих задач важен большой круг небесной сферы, называемый « небесным меридианом»; он проходит через зенит, надир и полюсы мира, а горизонт пересекает в точках севера и юга.
Экваториальная система.
Из-за вращения Земли звезды постоянно перемещаются относительно горизонта и сторон света, а их координаты в горизонтальной системе изменяются. Но для некоторых задач астрономии система координат должна быть независимой от положения наблюдателя и времени суток. Такую систему называют «экваториальной»; ее координаты напоминают географические широты и долготы. В ней плоскость земного экватора, продолженная до пересечения с небесной сферой, задает основной круг – «небесный экватор». «Склонение» звезды напоминает широту и измеряется ее угловым расстоянием к северу или югу от небесного экватора. Если звезда видна точно в зените, то широта места наблюдения равна склонению звезды. Географической долготе соответствует «прямое восхождение» звезды. Оно измеряется к востоку от точки пересечения эклиптики с небесным экватором, которую Солнце проходит в марте, в день начала весны в Северном полушарии и осени – в Южном. Эту важную для астрономии точку называют «первой точкой Овна», или «точкой весеннего равноденствия», и обозначают знаком . Значения прямого восхождения обычно указывают в часах и минутах, считая 24 ч равными 360°.
Экваториальную систему используют при наблюдении с телескопами. Телескоп устанавливают так, чтобы он мог вращаться с востока на запад вокруг оси, направленной на полюс мира, компенсируя этим вращение Земли.
Другие системы.
Для некоторых целей используются и другие системы координат на небесной сфере. Например, когда изучают движение тел в Солнечной системе, используют систему координат, основной плоскостью которой служит плоскость земной орбиты. Строение Галактики изучают в системе координат, главной плоскостью которой служит экваториальная плоскость Галактики, представленная на небе кругом, проходящим вдоль Млечного Пути.
Сравнение систем координат.
Важнейшие детали горизонтальной и экваториальной систем показаны на рисунках. В таблице эти системы сопоставлены с географической системой координат.
| СРАВНЕНИЕ СИСТЕМ КООРДИНАТ | |||
| Характеристика | Альт-азимутальная система | Экваториальная система | Географическая система |
| Основной круг | Горизонт | Небесный экватор | Экватор |
| Полюсы | Зенит и надир | Северный и южный полюсы мира | Северный и южный полюсы |
| Угловое расстояние от основного круга | Высота | Склонение | Широта |
| Угловое расстояние вдоль основного круга | Азимут | Прямое восхождение | Долгота |
| Опорная точка на основном круге | Точка юга на горизонте (в геодезии – точка севера) |
Точка весеннего равноденствия | Пересечение с гринвичским меридианом |
Переход из одной системы в другую.
Часто возникает необходимость по альт-азимутальным координатам звезды вычислить ее экваториальные координаты, и наоборот. Для этого необходимо знать момент наблюдения и положение наблюдателя на Земле. Математически проблема решается с помощью сферического треугольника с вершинами в зените, северном полюсе мира и звезде Х; его называют «астрономическим треугольником».
Угол с вершиной в северном полюсе мира между меридианом наблюдателя и направлением на какую-либо точку небесной сферы называют «часовым углом» этой точки; его измеряют к западу от меридиана. Часовой угол точки весеннего равноденствия, выраженный в часах, минутах и секундах, называют «звездным временем» (Si. T. – sidereal time) в точке наблюдения. А поскольку прямое восхождение звезды – это тоже полярный угол между направлением на нее и на точку весеннего равноденствия, то звездное время равно прямому восхождению всех точек, лежащих на меридиане наблюдателя.
Таким образом, часовой угол любой точки на небесной сфере равен разности звездного времени и ее прямого восхождения:
Пусть широта наблюдателя равна j . Если даны экваториальные координаты звезды a и d , то ее горизонтальные координаты а и можно вычислить по следующим формулам:
Можно решить и обратную задачу: по измеренным значениям а и h , зная время, вычислить a и d . Склонение d вычисляется прямо из последней формулы, затем из предпоследней вычисляется Н , а из первой, если известно звездное время, вычисляется a .
Представление небесной сферы.
Многие столетия ученые искали наилучшие способы представления небесной сферы для ее изучения или демонстрации. Предлагались два типа моделей: двумерные и трехмерные.
Небесную сферу можно изобразить на плоскости таким же образом, как сферическую Землю изображают на картах. В обоих случаях необходимо выбрать систему геометрической проекции. Первой попыткой представить участки небесной сферы на плоскости были наскальные рисунки звездных конфигураций в пещерах древних людей. В наши дни существуют различные звездные карты, изданные в виде рисованных или фотографических звездных атласов, покрывающих все небо.
Древние китайские и греческие астрономы представляли небесную сферу в виде модели, известной как «армиллярная сфера». Она состоит из металлических кругов или колец, соединенных вместе так, чтобы показать важнейшие круги небесной сферы. Сейчас нередко используют звездные глобусы, на которых отмечены положения звезд и основных кругов небесной сферы. У армиллярных сфер и глобусов есть общий недостаток: положение звезд и разметка кругов нанесены на их внешней, выпуклой стороне, которую мы рассматриваем снаружи, тогда как на небо мы смотрим «изнутри», и звезды нам кажутся размещенными на вогнутой стороне небесной сферы. Это иногда приводит к путанице направлений движения звезд и фигур созвездий.
Наиболее реалистическое представление небесной сферы дает планетарий. Оптическая проекция звезд на полусферический экран изнутри позволяет очень точно воспроизвести вид неба и всевозможные движения светил на нем.
При своем суточном движении светила дважды пересекают небесный меридиан - над точками юга и севера. Момент пересечения небесного меридиана называется кульминацией светила. В момент верхней кульминации над точкой юга светило достигает наибольшей высоты над горизонтом. Как известно, высота полюса мира над горизонтом (угол РОN): hp = ф. Тогда угол между горизонтом (NS) и небесным экватором (QQ1) будет равен 180° - ф - 90° = 90° - ф. Угол MOS, который выражает высоту светила М в кульминации, представляет собою сумму двух углов: Q1OS и MOQ1. Величину первого из них мы только что определили, а второй является не чем иным, как склонением светила М, равным 8. Таким образом, мы получаем следующую формулу, связывающую высоту светила в кульминации с его склонением и географической широтой места наблюдения:
h = 90° - ф + 5.
Зная склонение светила и определив из наблюдений его высоту в кульминации, можно узнать географическую широту места наблюдения. Продолжим наше воображаемое путешествие и отправимся из средних широт к экватору, географическая широта которого 0°. Как следует из только что выведенной формулы, здесь ось мира располагается в плоскости горизонта, а небесный экватор проходит через зенит. На экваторе в течение суток все светила побывают над горизонтом.
Еще в глубокой древности, наблюдая за Солнцем, люди обнаружили, что его полуденная высота в течение года меняется, как меняется и вид звездного неба: в полночь над южной частью горизонта в различное время года видны звезды разных созвездий - те, которые видны летом, не видны зимой, и наоборот. На основе этих наблюдений был сделан вывод о том, что Солнце перемещается по небу, переходя из одного созвездия в другое, и завершает полный оборот в течение года. Круг небесной сферы, по которому происходит видимое годичное движение Солнца, назвали эклиптикой. Созвездия, по которым проходит эклиптика, получили название зодиакальных (от греческого слова «зоон» - животное). Каждое зодиакальное созвездие Солнце пересекает примерно за месяц. В XX в. к их числу добавилось еще одно - Змееносец.
Перемещение Солнца на фоне звезд - явление кажущееся. Происходит оно вследствие годичного обращения Земли вокруг Солнца. Поэтому эклиптика представляет собой тот круг небесной сферы, по которому она пересекается с плоскостью земной орбиты. За сутки Земля проходит примерно 1/365 часть своей орбиты. Вследствие этого Солнце перемещается на небе примерно на 1° за каждые сутки. Промежуток времени, в течение которого оно обходит полный круг по небесной сфере, назвали годом. Из курса географии вам известно, что ось вращения Земли наклонена к плоскости ее орбиты под углом 66°30". Следовательно, земной экватор имеет по отношению к плоскости орбиты наклон, равный 23°30". Таков наклон эклиптики к небесному экватору, который она пересекает в двух точках: весеннего и осеннего равноденствий.
В эти дни (обычно - 21 марта и 23 сентября) Солнце находится на небесном экваторе и имеет склонение 0°. Оба полушария Земли освещаются Солнцем одинаково: граница дня и ночи проходит точно через полюса, и день равен ночи во всех пунктах Земли. В день летнего солнцестояния (22 июня) Земля повернута к Солнцу своим Северным полушарием. Здесь стоит лето, на Северном полюсе - полярный день, а на остальной территории полушария дни длиннее ночи. В день летнего солнцестояния Солнце поднимается над плоскостью земного (и небесного) экватора на 23°30". В день зимнего солнцестояния (22 декабря), когда Северное полушарие освещается хуже всего, Солнце находится ниже небесного экватора на такой же угол 23°30". В зависимости от положения Солнца на эклиптике меняется его высота над горизонтом в полдень - момент верхней кульминации. Измерив полуденную высоту Солнца и зная его склонение в этот день, можно вычислить географическую широту места наблюдения. Этот способ издавна использовался для определения местоположения наблюдателя на суше и на море.
Звезды чрезвычайно удалены от Земли. Наблюдая их даже в телескоп, невозможно определить, какая из них дальше, а какая ближе. При изучении звездного неба используют математическую модель звездного неба - небесную сферу.
Небесной сферой называют воображаемую сферу произвольного радиуса с центром в точке наблюдения, на которую спроектированы небесные светила.
Угловым расстоянием между двумя точками сферы является угол между радиусами, проведенными в эти точки. Заметим, что круг, полученный при пересечении небесной сферы плоскостью, проходящей через центр сферы, называется большым кругом , а если плоскость не проходит через центр - малым кругом .
Следствием вращения Земли вокруг своей оси является видимое вращение небесной сферы в противоположном направлении. В этом легко убедиться. В течение ночи звезды описывают дуги концентрических кругов (с общей осью), ось проходит вблизи звезды Полярной (α Малой Медведицы). Сама же Полярная (m = 2; от греческого поле - я вращаюсь) остается почти неподвижной. Чтобы изучить подробнее движение звезд, необходимо ознакомиться с основными элементами небесной сферы.
Диаметр небесной сферы, вокруг которого осуществляется ее видимое вращение, называется осью мира (PP′ см. рис.1).
Ось мира пересекает небесную сферу в двух точках - полюсах мира (от греческого полос - ось ): северный ( Р - вблизи него видно Полярную звезду) и южный (Р′ - вблизи него ярких звезд нет). В 2000 году угловое расстояние между северным полюсом мира и Полярной звездой составляла всего 42`. Полярную называют звездой компасом, потому что она является ориентиром, который указывает направление на север.
Небесным экватором называется большой круг небесной сферы, перпендикулярный оси мира.
Диаметр небесной сферы, вдоль которого действует сила тяжести и проходящий через точку наблюдения, называется вертикалью , или отвесной линией ( ZZ ). Точками пересечения отвесной линии с небесной сферой является зенит (от арабского земт арарасс - вершина пути ) и надир (от арабского - направление ноги ).
Большой круг небесной сфери, перпендикулярный к вертикали, называется математическим , или настоящим, горизонтом .
Небесный экватор разделяет небесную сферу на северное и южное полушария, а горизонт - на видимое и невидимое полушария. Видимое полушарие небесной сферы еще называют небосводом .
Большой круг небесной сферы, проходящий через полюсы мира - зенит и надир - называется небесним меридианом . Горизонт пересекается с небесным меридианом в точках севера (N ) и юга ( S ), а с небесным экватором - в точках востока (E ) и запада ( W ) . Диаметр небесной сферы, соединяющий точки севера и юга, называется полуденной линией ( N S ).
Угловое расстояние светила от горизонта называется высотой светила h . Например, высота звезды в зените равна 90°.
На рис. 1 O - точка наблюдений, Р - полюс мира, N - точка севера, Т - центр Земли, а L - точка на земном экваторе. Угол OTL равняется широте ? точки О , а угол PON есть высотою полюса мира h p (или Полярной звезды, что почти тоже самое). Ось мира параллельна оси вращения Земли, а плоскость небесного экватора параллельна плоскости земного.
Итак, высота полюса мира равна географической широте местности: h p =φ .
В разных точках Земли движение звезд по небесной сфере выглядит по-разному. Для наблюдателя на полюсе нашей планеты полюс мира находится в зените ось мира совпадает с вертикаллю. Звезды движутся по окружностям, параллельным горизонту. Одни светила видны всегда, другие не видно никогда, здесь звезды не восходят и не заходят и их высота всегда одинакова.
На земном экваторе полюса мира расположены на горизонте, а ось мира совпадает с полуденной линией. Звезды движутся по окружностям перпендикулярным к плоскости горизонта. Все светила восходят и заходят, находясь на небосклоне половину суток. Если бы не «мешало» Солнце, то за сутки с экватора Земли можно было бы увидеть все яркие звезды неба.
Наблюдая за небом из средних широт, можно заметить, что одни звезды восходят и заходят, другие - не заходят вообще. Есть также звезды, которые не появляются над горизонтом никогда.
Звезды, расположенные на небесном экваторе над горизонтом, находятся столько же времени, как и под им. Солнце движется среди звезд, описывая линию, которую называют еклитикой. Дважды в год (весной - 20-21 марта и осенью - 22-23 сентября) находится на небесном экваторе в точках весеннего и осеннего равноденствий. В это время день равен ночи.
Каждая звезда в сутки дважды пересекает небесный меридиан. Явление прохождения светил через небесный меридиан называется кульминацией . В верхней кульминации высота светила наивысшая, в нижней - наименьшая (см. рис. 6 ). Движение светил между соседними кульминациями продолжается полсуток. На полюсе высота звезды в обоих кульминациях одинакова (см. рис. 3). На экваторе видно только верхнюю кульминацию, но всех светил (см. рис. 4). В средних широтах Земли для приполярных звезд видно (если бы не Солнце) обе кульминации, для других (в частности, для Солнца) - только верхнюю, а для звезд, которые не сходят - ни одной (см. рис. 5). Момент верхней кульминации центра Солнца называется настоящим полуднем, а в нижней - настоящим севером. В полдень тень от вертикального предмета падает вдоль полуденной линии.
Для построения звездных карт необходимо ввести систему небесных координат. В астрономии применяют несколько таких систем, каждая из которых удобна для решения различных научных и практических задач. При этом используются специальные плоскости, круги и точки небесной сферы. На ней положение звезды однозначно задается двумя углами. Если (плоскостью, в которой и от которой откладываются эти углы, является плоскость небесного экватора, то система координат называется экваториальной . В ней координатами является склонение и прямой подъем светил.
Склонением δ называется угловое расстояние светила от небесного экватора (см. рис. 7). Склонение лежит в пределах -90°< δ < 90° и принимается положительным в северном полушарии небесной сферы и
отрицательным - в южной. Например, для точек на небесном экваторе δ = 0°, а для
полюсов мира 
,
.
Кругом склонения называется большой круг небесной сферы, проходящей через полюса мира и данное светило.
Прямым подъемом (или прямым восхождением ) α называется угловое расстояние круга склонения светила от точки весеннего равноденствия. Эту координату отсчитывают в направлении, противоположном направлению вращения небесной сферы и выражают в часовой мере. Прямое восхождение изменяется в пределах 0 ч. < α < 24 час. Всему кругу небесного экватора соответствует 24 часа (или, что то же самое, 360 °). Тогда 1 ч = 15 °, а 4 мин = 1 °. Например, α γ = 0 час. , α Ω = 12 час.
Одной из самых известных и простейших систем небесных координат является горизонтальная. Основной плоскостью в ней есть математический горизонт, а координатами - азимут А светила и высота светила над горизонтом h . Недостатком горизонтальной системы является то, что координаты светила постоянно меняются.
Время определяет порядок смены явлений. Необходимость измерения и хранения времени возникла в начале цивилизации. Для этого использовались периодические процессы, происходящих в природе. Движение нашей планеты производит видимое движение светил, в частности Солнца на небесной сфере, за которыми мы наблюдаем. Древнейшей единицей времени является сутки, продолжительность которой определяется вращением Земли вокруг своей оси.
Промежуток времени между двумя последовательными верхними (или нижними) кульминациями центра Солнца называется настоящими сутками (или настоящими солнечными сутками) .
Продолжительность полного оборота Солнца по эклиптике является единицей измерения времени в астрономии. Тропическим годом называется промежуток времени между двумя последовательными прохождениями центра диска Солнца через точку весеннего равноденствия. Тропический год длится примерно 365,2422 суток. В быту пользуются календарным годом, что почти равно тропическому.
Установлено, что Земля вращается вокруг Солнца неравномерно. Поэтому продолжительность настоящей солнечной суток периодически изменяется, хотя и незначительно. Зимой она длиннее, летом - короче. Самые длинные настоящие солнечные сутки примерно на 51 секунду длительные от коротких. Чтобы устранить это неудобство в измерении времени, используют среднее экваториальное солнце - воображаемую точку, которая равномерно движется по эклиптике и делает полный оборот по ней за тропический год. Интервал времени между двумя последовательными кульминациями среднего экваториального солнца называют средними сутками (или средними солнечными сутками). Начинаются средние солнечные сутки в момент нижней кульминации среднего экваториального солнца. Среднее экваториальное солнце это фиктивная точка, никак не обозначена на небе. Поэтому наблюдать за ее движением невозможно, а для определения ее координат делают необходимые вычисления.
Измерение времени солнечными сутками зависит от географической долготы. Для всех точек на данном меридиане время одинаково, но оно отличается от местного времени на других меридианах. Например, если у нас по местному времени север (т.е. начинается сутки), то на противоположном меридиане по их местному времени уже полдень. В 1884 во многих странах ввели поясную систему отсчета времени. Поверхность Земли разделили на 24 часовых пояса. В каждом из них лежит основной меридиан, местное время которого Т n считают поясным временем всего пояса. Расстояние между основными меридианами соседних поясов 15° или 1 час. Для удобства границы часовых поясов проходят через государственные и административные границы, а на морях малозаселенных территориях по меридианам, которые удалены от основных на 7,5 ° на восток и 7,5 ° на запад.
Гринвичский меридиан (проходит через бывшую Гринвичскую обсерваторию близ Лондона, потому что сейчас ее перенесли в другое место) является основным для нулевого часового пояса. Дальше на восток поясам присвоены номера от 1 до 23. Украина лежит во втором часовом поясе. Время Т 0 нулевого часового пояса называют всемирным временем (или западноевропейским). Справедливо соотношение: Т n = Т 0 + n , где n - номер часового пояса.
Поясное время некоторых часовых поясов имеет особые названия. Европейским (или среднеевропейском) называют время первого часового пояса, восточноевропейским - второго.
Чтобы эффективно использовать солнечный свет и экономить электроэнергию, в некоторых странах вводят летнее время, действие которого начинается ежегодно в последнее воскресенье марта в 2:00 переводом стрелок часов на час вперед. В 3 часа ночи последней воскресенье сентября стрелки часов переводят на час назад, отменяя действие летнего времени.
Известно, что основной единицей измерения времени в СИ является секунда. Ранее за одну секунду принимали 1/86400 часть солнечных суток. После обнаружения изменений в продолжительности солнечных суток возникла проблема поиска новой шкалы времени. В 1967 году на Международной конференции мер и весов единицей времени была принята атомная секунда - время, равное 9192631770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133. Шкала атомного времени основывается на основе данных цезиевых атомных часов, которые у некоторых обсерваториях и лабораториях служб времени. Атомные часы чрезвычайно точные - погрешность в 1 с они делают за миллион лет.
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,
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.
Беременность
