Астрономия для любителя Астрономия
Главная
Новости

Астрономия

Солнечная система

Звездное небо

Читальный Зал

Ссылки

Карта сайта



e-mail для связи:
admin(на)astronomus.ru


Введение в системы координат. Небесная сфера.

Практически в любом издании, ориентированном на начинающего любителя астрономии, можно познакомиться с основными понятиями сферической астрономии и получить представление о ряде координатных систем, с помощью которых астрономы определяют положение светил на небе. К сожалению, ни одна из этих публикаций, с моей точки зрения, не охватывает все то, что может понадобиться начинающим, и не объясняет на доступном уровне как надо использовать ту или иную координатную систему при решении задач, которые то и дело возникают перед наблюдателем. Лишним подтверждением сложной ситуации с астрономической литературой служит то, что в «Процион» приходит немало писем от начинающих, с просьбой ответить на интересующие их вопросы. В их числе есть и те, которые непосредственно пересекаются с содержанием этой статьи. Поэтому я очень надеюсь, что данная и другие последующие наши публикации ответят на многие ваши вопросы, соберут в единое целое все то, что может помочь начинающим, восполнят те пробелы в литературе, которые образовались в настоящее время. Хорошо известно, что если человек хочет основательно разобраться в каком-либо материале, то ему, в первую очередь, необходимо постичь основы этого материалы, так как они, в своей сути, всегда являются тем фундаментом, без которого обойтись никак нельзя. Поэтому давайте не будем спешить, и прежде, чем приступить к изучению координатных систем, выберем для себя в качестве отправной точки постижение геометрических основ астрономии.
 

Ваши первые понятия 

Все началось очень давно. Еще в глубокой древности люди считали небо неким огромным, округлым куполом, который, опираясь своими краями на земную поверхность, накрывает того, кто на это небо смотрит, и на котором как будто бы закреплено множество звезд. И хотя с развитием астрономии, как науки, такой взгляд является устаревшим, геометрия небесной сферы оказалась очень удобна для описания положения звезд на небе. Так что же мы сейчас понимаем под НЕБЕСНОЙ СФЕРОЙ? Небесная сфера - это некоторая мнимая сфера, имеющая произвольный радиус, центром которого является глаз наблюдателя. Радиус сферы был выбран произвольным не случайно. Представьте себе такую ситуацию - вы смотрите на небо и видите несколько звездочек. Если я спрошу: «Как вам кажется, какая звезда расположена ближе к нам, а какая из них дальше?» - что вы ответите? Доверясь своим чувствам, вы скорее всего, ответите: «Мне кажется, что они одинаково удалены от Земли». Сказав это, вы будете правы в одном - мы действительно не ощущаем разницы в расстояниях до небесных объектов. Поэтому астрономы для простоты и удобства стали условно считать, что все объекты на небе находятся от наблюдателя на одинаковом расстоянии. Это расстояние может быть любым, а поэтому его можно определить как произвольное. Во время нашего несложного упражнения, когда вы смотрели на небо, усеянное звездами, и наблюдали эту величественную картину, вам наверное, показалось, что вы находитесь в центре мира и звезды раскинулись повсюду вокруг вас. Отчасти это является правильным, поскольку для наших целей и задач очень удобно считать центром небесной сферы самого наблюдателя, а вернее его глаза.Теперь давайте введем еще несколько точек, которые играют важную роль при определении понятий, связанных с небесной сферой. Подвесим какой-нибудь груз на шнуре и подождем пока он под действием силы тяжести придет в состояние покоя. Шнур вытянется в прямую линию и эта линия совпадет с направлением действия силы тяжести. Если вы проведете эту линию через центр небесной сферы, то она пересечет ее в двух точках. Одна из них расположится у вас прямо над головой и мы ее назовем Зенитом.  Другая, как вы уже сами догадались, окажется у вас под ногами, и будет называться Надиром. Сама же линия тоже получит имя, и будет отныне именоваться отвесной линией. Думаю пока все понятно. Идем дальше... Проведем некоторую плоскость через центр небесной сферы. Причем проведем так, чтобы эта плоскость была перпендикулярна нашей отвесной линии. Будем называть ее плоскостью математического горизонта. Если вы правильно для себя представили эту картину, то плоскость должна как бы делить небесную сферу на две полусферы. Та полусфера, которая находиться над математическим горизонтом будет видна вам. Нижняя полусфера будет невидимой. А круг, по которому небесная сфера пересечется с плоскостью, назовем математическим горизонтом.
 

Нахождение точки юга 

Понятия отвесной линии и математического горизонта очень важны, т.к. они помогут нам дальше разобраться в видимых движениях звезд или иных небесных объектов. Поэтому, твердо не уяснив для себя эти понятия, не спешите читать последующий материал. Посмотрите еще раз на рисунок выше и повторите материал. Если ваши глаза уже скользят по этим строчкам, то по всей видимости, предыдущий материал был вами усвоен и можно двигаться далее. Дополним конструкцию «нашей» небесной сферы еще одним очень важным элементом. Для этого, нам прежде нужно найти на математическом горизонте точки юга, севера, востока и запада. Как это сделать? Первое, что может придти в голову - это взять компас и с его помощью определить точку юга. Поступив так, мы, конечно, получим некоторые результаты, но они будут не точны. Известно, что магнитный полюс не совсем совпадает с географическим и поэтому мы не можем использовать полученные таким способом данные для построения «нашей» небесной сферы. Существует более надежный способ определения точки юга, который, причем, не потребует от вас никакого серьезного оборудования. И хотя этот способ подробно описан у В.П. Цесевича ("Что и как наблюдать на небе"), я посчитал, что необходимо рассмотреть его и в этой статье. Вашему успеху, в определении точки юга, будут сопутствовать две составляющие: хороший солнечный день и наличие у вас какого-нибудь вытянутого, заостренного предмета, каким, например, может являться заточенный с одной стороны деревянный колышек. Установите его вертикально в любом удобном для вас, освещаемом солнцем месте. Сделайте это незадолго до полдня. Дело в том, что в истинный полдень Солнце находиться прямо над точкой юга и на максимальной высоте над горизонтом. В это время тени всех вертикальных предметов становятся более короткими, чем обычно и указывают на точку севера. Проследив за тенью вашего колышка, вы сможете найти эту точку, а также точку юга, поскольку в момент истинного полдня тень колышка расположится вдоль линии «север - юг». Точки запада и востока найдутся сами собой. Для этого достаточно провести перпендикуляр к линии «север - юг», а там, где он пересечется с математическим горизонтом и будут расположены точки востока и запада соответственно. В принципе, для приближенного ориентирования на небе можно пользоваться теми данными, которые дает нам компас. Но для построения модели небесной сферы нам были нужны более точные результаты, и мы их с вами получили. 

Небесный меридиан 

Как вы помните, мы хотели дополнить конструкцию «нашей» небесной сферы еще одним важным элементом. Теперь у нас для этого есть все необходимое. Зная положение точки юга, проведем плоскость через нее, зенит и центр небесной сферы. Эта плоскость будет называться плоскостью небесного меридиана. В результате пересечения небесной сферы с плоскостью небесного меридиана, мы получим большой круг, который и будет носить имя небесного меридиана. Если у вас возникли трудности с пониманием того, что же именно является небесным меридианом, попробуйте выполнить следующее простое упражнение. Возьмите компас и определите направление на юг. Встаньте, лицом строго к югу и вытяните руку так, чтобы она указывала на юг. А потом начните медленно поднимать руку вверх. Представьте себе, что в этот момент ваши пальцы как бы скользят по небесной сфере, непрерывно касаясь ее и прочерчивая на ней мнимую линию. Поднимайте вашу руку до тех пор, пока она не будет указывать в точку зенита.  Прочертив по небесной сфере эту линию, вы описали четверть небесного меридиана, соединив при этом точки юга и зенита. Развернитесь на 180 гр. и также медленно опустите руку, чтобы теперь, находясь в вытянутом состоянии, рука указывала в направлении точки севера. Проделав это, вы описали видимую вам половину небесного меридиана. Теперь, почти таким же образом, «прочертите» по небесной сфере другую, невидимую часть небесного меридиана. Большой круг, называемый небесным меридианом, замкнулся. Плоскости математического горизонта и небесного меридиана являются столпами в построении моделей различных систем координат. Уверенное нахождение этих плоскостей, залог понимания вами последующего материала. Поэтому, если вы что-то не поняли или у вас есть небольшие сомнения относительно того, правильно ли вами был усвоен материал, не торопитесь читать дальше и постарайтесь тщательно разобраться.

Вращение небесной сферы 

Я уверен, что вам хорошо известно о вращении Земли вокруг своей оси. Этот фактор вызывает суточное видимое движение звезд и других небесных светил. Если вы не устали от моих упражнений, то выполните еще одно, которое поможет вам проверить правильность нашего суждения. Для этого вам достаточно будет дождаться, когда Солнце скроется за горизонтом и на небе появится множество звезд. Если в тот момент, когда вы читаете эти строки, уже наступили глубокие сумерки или ночь, не поленитесь и выйдите на балкон или же посмотрите в окно. Сделав это, выберете в южной части неба какую-нибудь яркую звезду и заметьте ее положение относительно любого неподвижного объекта на Земле, например дерева. Теперь, устройте себе небольшой перерыв на 20-30 минут, и смело возвращайтесь на ваш пункт наблюдений. Найдя свою звездочку, вам трудно будет не заметить, что она сместилась от дерева вправо. Все остальные звезды повели себя примерно также, они тоже сместились относительно земного ландшафта. Каков вывод? Я думаю, вы его уже сделали, и прохлада ночи не помешала вам в этом. «Из моих наблюдений следует, что все небо, как единое целое, кажется вращающимся вокруг меня и вращается оно по часовой стрелке». Если ваш вывод примерно такой или другой, но схожий по смыслу, то могу вас поздравить - вы абсолютно правы. Действительно, все звездное небо, или, иначе говоря, вся небесная сфера, равномерно вращается с востока на запад. А вызвано это кажущееся движение тем, что Земля вращается вокруг своей оси в противоположную сторону, т.е. с запада на восток. Надеюсь, что пока все понятно...  Итак, мы выяснили, что небесная сфера равномерно вращается с востока на запад. Очевидно, что вращение происходит вокруг некоторой оси. Назовем ее осью мира. Теперь давайте найдем неподвижную точку на небе, вокруг которой, происходит вращение небесной сферы. Больше чем уверен, что читатель этих строк живет в северном полушарии, поэтому эту точку мы будем искать на доступном ему северном небе. Для этого, проделаем мысленно следующую процедуру. Возьмем фотоаппарат, направим его в направлении Полярной звезды и сделаем снимок с экспозицией в один час. Проявив пленку и напечатав снимок, мы увидим, что звезды представляют на этом снимки некие концентрические окружности. Этот снимок служит лишним подтверждением того, что небесная сфера вращается вокруг некоторой точки.
Посмотрев внимательно на снимок, мы определим, что эта точка находиться недалеко от Полярной звезды. Будем называть эту точку северным полюсом мира. Противоположную точку назовем южным полюсом мира. Очевидно, что прямая, соединяющая северный и южный полюса мира является осью мира и вокруг нее происходит вращение небесной сферы. И думаю не подлежит сомнению тот, теперь уже очевидный факт, что ось мира лежит в плоскости небесного меридиана и пересекается с небесным меридианом в точках, которые называются северным и южным полюсами мира. Интересен также тот факт, что ось мира наклонена к плоскости математического горизонта под углом, равным географической широте места наблюдателя. Но об этом, более подробно мы поговорим позже. Посмотрим на рисунок. Глядя на него, вы, наверное, обратили внимание на уже известные вам детали. К ним относятся: математический горизонт, ось мира, северный и южный полюса мира, точки севера, юга, востока и запада, а также центр небесной сферы, небесный меридиан и конечно сама небесная сфера. Надеюсь, что все вышеперечисленные термины вам понятны и их нахождение на рисунке не вызывает у вас трудностей. Мы уже говорили о том, что все небо или иначе вся небесная сфера равномерно вращается по часовой стрелке, в направлении с востока на запад. Помните наше упражнение, когда вы засекали положение яркой звезды относительно земного неподвижного предмета и через 20-30 минут после повторных наблюдений приходили к выводу, что звезда сместилась на некоторое расстояние? Это расстояние есть не что иное, как часть пути, который описывает звезда в результате суточного вращения небесной сферы. Если бы мы подождали чуть больше времени, то заметили бы - звезда сместилась еще сильнее.

Классификация светил

Давайте проведем с вами одно абстрактное упражнение. Представим себе, что звездная ночь длится полные сутки и даже чуть больше. При проведении наблюдений в течение этого времени мы увидим, как некоторые звезды описывают на небе замкнутые окружности. Эти окружности (или пути звезд) называются суточными параллелями. Каждая звезда имеет свою суточную параллель и количество этих параллелей равно количеству звезд на небе. Во время наблюдений я, думаю, вы не оставили без внимания тот факт, что высота светила при суточном движении изменялась. Сначала звезда поднималась в восточной стороне неба, достигая своей максимальной высоты над горизонтом на юге, после чего плавно переходила в западную часть неба, где высота звезды над горизонтом непрерывно уменьшалась. При этом некоторые звезды оставались видны на протяжении всех суток, а другие на время скрылись за горизонтом и только в самом конце ваших наблюдений, стали снова появляться в зоне вашей видимости. Таким образом, все объекты на небе разделились для вас как бы на две группы, хотя на самом деле есть еще и третья группа. К первой группе объектов относятся те светила, которые оставались видимы на протяжении всего времени наблюдения. Они никогда не заходят за горизонт и мы их назовем незаходящими светилами. Единственным временем, когда мы их не можем наблюдать, является дневное время суток, т.к. в этот период Земля повернута к Солнцу. Ко второй группе относятся те светила, которые восходят из-за горизонта в восточной стороне неба, и пройдя некоторый путь, заходят за горизонт в западной части неба. Суточные параллели этих светил, для наблюдателя видны не полностью, а лишь частично. И, наконец, к третьей группе светил принадлежат те, которые никогда не восходят над горизонтом. Существует очень много звезд, которые не видны жителям северного полушария. Это происходит в силу того, что суточные параллели этих звезд проходят полностью под плоскостью горизонта. Хочется заметить, что все вышесказанное можно отнести к южному полушарию, только с точностью до наоборот. В южном полушарии абсолютно не видны те звезды, которые являются незаходящими в северном. А не восходящие звезды северного полушария являются незаходящими звездами в южном. Закончив нашу классификацию, мы можем попробовать найти определенную зависимость между расстоянием, на котором расположена звезда от полюса мира и тем, к какой из вышеперечисленных групп можно отнести эту звезду. Очевидно, что звезды, которые расположены недалеко от полюса мира, описывают на небе небольшие по своему размеру суточные параллели. Чем дальше отстоит светило от полюса мира, тем длиннее его суточная параллель, и, следовательно, тем ниже оно опускается к горизонту. Светило, находящееся еще на большем расстоянии от северного полюса мира, заходит под горизонт.

Пища для ума 

А сейчас, если позволите, маленькое отступление. Вы уже знаете, что светило поднимается выше всего над горизонтом в точке, расположенной строго в направлении юга. Как известно точка юга имеет противоположную себе точку. И эта точка называется точкой севера. Поэтому, когда светило расположено над точкой севера оно находится ниже всего над горизонтом или же заходит под горизонт и не видно в этот момент совсем. Очевидно, что любое светило, в ходе суточного движения, так или иначе оказывается над точками севера и юга. Исключением могут являться лишь те светила, которые расположены точно в северном и южном полюсах мира. Попробуем провести небольшой мысленный эксперимент. Для этого выберите на небе несколько звезд. Причем выберите так, чтобы эти звезды относились к группе незаходящих звезд. Как это сделать вы уже знаете. Для этого достаточно выбрать те звезды, которые расположено не очень далеко от северного полюса мира. Условия видимости оставим такими же. Звездное небо доступно вам для наблюдения полные сутки с небольшим. Примечание: Хочется заметить, что наши действия, по выбору незаходящих звезд, являются пока весьма относительными и не совсем точны в своей сути. В дальнейшем мы научимся с достоверной точностью определять, относится ли звезда к группе незаходящих звезд или же она, бывает, иногда не видна наблюдателю, так как заходит за горизонт. Итак, будем считать, что звезды для эксперимента вы выбрали. В ходе наблюдения, выбранные вами звезды, рано или поздно, окажутся над точкой юга. Отметим положения этих звезд на небесной сфере в те моменты времени, когда они располагаются на небе строго над точкой юга. Наши отметки будут не чем иным, как некоторыми точками. Соединим эти точки между собой отрезками. В результате вы получите некоторую вертикальную выгнутую линию. Продолжив мысленно рисовать эту линию вниз, по направлению к горизонту, мы обнаружим, что она пересечется с линий математического горизонта в точке Юга. Продолжая нашу вертикальную линию вверх, мы увидим, что она попадет в точку Зенита. Вам это ничего не напоминает? Если нет, то давайте подождем, когда наши звезды будут находиться максимально низко над горизонтом. Это произойдет над точкой Севера. Теперь давайте повторим процедуру. Отметим положения звезд и построим отрезок. В результате, ваш новый вертикальный отрезок также пересечется с математическим горизонтом, но это произойдет уже в точке Севера и он же пересечется с Зенитом. Теперь вам осталось соединить эти два вертикальных отрезка в один. Сделав это, вы получите полукруг, проходящий через точки Юга, Зенита, и Севера. Я думаю, вы уже догадались! Образованный таким образом полукруг, есть не что иное, как видимая половина Небесного Меридиана. Жители южного полушария, с таким же успехом, как и вы, могут провести этот эксперимент и построить другую половину Небесного Меридиана. Два полукруга замкнулись, образовав большой круг небесной сферы, который называется Небесным Меридианом. Теперь мы можем смело сделать такой вывод: любое светило в момент своего наивысшего и самого низкого положения над горизонтом, пересекает небесный меридиан. Когда светило достигает своей наибольшей высоты, говорят, что оно находится в Верхней Кульминации. Напоминаю вам, что это происходит над точкой Юга. Если светило находится на минимальной высоте над горизонтом, считается, что наступила Нижняя Кульминация светила и это событие происходит над точкой Севера. Не могу не отметить тот факт, что все вышесказанное мы относили к незаходящим светилам. Для объектов, которые заходят под горизонт, Нижняя Кульминация наступает под горизонтом и не видна наблюдателю. Не восходящие звезды, вообще, проходят свою Верхнюю и Нижнюю кульминации под горизонтом. Наконец мы знаем, для чего нужен Небесный меридиан и знаем то, что, проходя через Небесный меридиан, светило кульминирует. 

  

Небесный экватор 

Теперь, давайте вернемся к нашему рисунку небесной сферы и проведем через центр небесной сферы еще одну плоскость, перпендикулярную к оси мира. Эта плоскость пересечет небесный меридиан по окружности, которую мы назовем Небесным экватором. Кстати, нетрудно заметить, что небесный экватор является наибольшей из всех суточных параллелей и имеет такой же радиус как небесная сфера. Небесный экватор проходит через точки востока и запада и делит Небесную сферу на два полушария - Южное и Северное. То полушарие Небесной сферы в котором находится Полярная звезда называется Северным полушарием, а противоположное - Южным. И еще. Постарайтесь не путать географические полушария с полушариями Небесной сферы. В основном, во всех наших примерах мы ориентировались на то, что наблюдатель находиться на какой-то средней географической широте в северном географическом полушарии и может, в силу этого, наблюдать как незаходящие звезды, так и те, которые все-таки заходят под горизонт. Все вышесказанное также справедливо для наблюдателя, находящегося в южном географическом полушарии. А сейчас давайте совершим небольшую экскурсию. А совершим мы ее для того, чтобы посмотреть, как меняется вид звездного неба в зависимости от географической широты, на которой находится наблюдатель. До сих пор вы знакомились с видом звездного неба и движением светил (звезд) в умеренных широтах, например в Москве. Давайте посмотрим, что будет происходить, если мы переместимся в другие географические широты. Для начала, отправимся на север. По мере продвижения в северные широты, картина звездного неба начнет постепенно меняться. Полярная звезда будет все выше и выше подниматься над горизонтом. В соответствии с этим будет увеличиваться и высота Северного полюса мира. Угол, под которым светила заходят за горизонт будет заметно уменьшаться, по мере нашего продвижения к северу и как следствие, количество заходящих звезд тоже уменьшится. Достигнув северного полюса, мы увидим следующую картину: Северный полюс мира совпадет с точкой Зенита, а Небесный экватор сольется с горизонтом. Как вы думаете, как будут в этом случае перемещаться звезды? Уверен, что вы уже догадались. Звезды, при своем кажущемся суточном движении, описывают на небе некоторые суточные пути, которые, как известно параллельны Небесному экватору. Отсюда следует, что звезды на Северном полюсе будут двигаться параллельно видимому горизонту. Там нет звезд, заходящих за горизонт. Все звезды, принадлежащие северному полушарию небесной сферы, для наблюдателя, находящегося на Северном полюсе, будут являться незаходящими. Что касается звезд из южного полушария, то они не будут видны на Северном полюсе. Я думаю, вы уже успели немного замерзнуть, находясь на северном полюсе, так давайте теперь спустимся туда, где потеплей. Отправимся на географический экватор Земли. Оказавшись там, мы удивимся. Картина изменилась до неузнаваемости. На экваторе, суточные пути звезд строго перпендикулярны плоскости горизонта, и там нет звезд, которые бы не восходили. Все звезды дважды за сутки пересекают линию горизонта. А где расположились полюса мира? На земном экваторе, полюса мира совпали с точками севера и юга, а небесный экватор стал проходить через зенит. Если вам понравилось путешествовать, давайте побываем на южном географическом полюсе. Не правда ли, знакомая картина? Звезды, как и на северном полюсе, перемещаются параллельно горизонту и никогда не заходят за него. Единственное отличие состоит в том, что над головой теперь будут видны только звезды Южного полушария и в точке зенита будет располагаться южный полюс мира. 

  

Итак, мы познакомились с тем материалом и большей частью тех понятий, которые будут нам необходимы при рассмотрении различных систем небесных координат. Все вышеизложенное представляет собой основы сферической астрономии, которые помогут вам, как начинающему, сделать первые шаги в понимании того, как и по какому принципу, строятся небесные координаты. Некоторые важные понятия, в уже прочитанном вами материале, были сознательно опущены, поскольку представляется более удобным их введение в последующих статьях. Искренне надеюсь, что данный материал был вами правильно усвоен, и вы теперь с легкостью можете перейти к непосредственному ознакомлению с различными типами координатных систем.
 

©1998, A.Verignikov 
©Procyon Astro Society

 

© ImUgh & leksus copyright 2005-2010 all rights reserved