Небесный горизонт. Небесная сфера ее основные элементы: точки, линии, плоскости
Лабораторная работа
« ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ НЕБЕСНОЙ СФЕРЫ»
Цель работы: Изучение основных элементов и суточного вращения небесной сферы на ее модели.
Пособия: модель небесной сферы (или заменяющая ее небесная планисфера); черный глобус; подвижная карта звездного неба.
Краткие теоретические сведения:
Видимые положения небесных светил определяются относительно основных элементов небесной сферы.
К основным элементам небесной сферы (рис. 1) относятся:
Точки зенит Z и надир Z " , истинный или математический горизонт NESWN , ось мира РР" , полюсы мира (Р -северный и Р" - южный), небесный экватор QWQ " EQ небесный меридиан РZSР"Z"NР и точки пересечения небесного меридиана и небесного экватора с истинным горизонтом, т. е. точки юга S , севера N , востока Е и запада W .
Элементы небесной сферы могут быть изучены на ее модели (рис. 2), которая состоит из нескольких колец, изображающих основные круги небесной сферы. В кольце 1, изображающем небесный меридиан, жестко укреплена ось РР" - ось мира, вокруг которой вращается небесная сфера. Концевые точки Р и Р" этой оси лежат на небесном меридиане и представляют соответственно северный (Р ) и южный (Р" ) полюсы мира.
Металлический круг 8 изображает истинный или математический горизонт, который при работе с моделью небесной сферы должен всегда устанавливаться в горизонтальном положении. Ось мира образует с плоскостью истинного горизонта угол, равный географической широте у места наблюдения, и при установке модели на заданную географическую широту этот угол фиксируется винтом 11 , после чего истинный горизонт 8 приводится в горизонтальное положение поворотом кольца 1 (небесного меридиана), которое закрепляется в подставке 9 зажимом 10 .
Вокруг оси РР" (оси мира) свободно вращаются два скрепленных между собою кольца 2 и 3 , плоскости которых взаимно перпендикулярны. Эти кольца изображают круги склонения - большие круги, проходящие через полюсы мира. Хотя на небесной сфере через полюсы мира проходит бесчисленное множество кругов склонения, на модели небесной сферы выполнено только четыре круга склонения (в виде двух полных колец), по которым можно представить себе всю сферическую поверхность. Следует обратить внимание на то обстоятельство, что за круг склонения принимается не полная окружность, а лишь ее половина, заключенная между полюсами мира. Таким образом, два кольца модели изображают четыре круга склонения небесной сферы, отстоящие друг от друга на 90° ; они дают возможность демонстрировать экваториальные координаты небесных светил.
Кольцо 4 , плоскость которого перпендикулярна к оси мира, изображает небесный экватор. К нему под углом 23°,5 прикреплено кольцо 5 , представляющее эклиптику.
Кольца, изображающие небесный меридиан 1 , небесный экватор 4 , эклиптику 5 , круги склонения 2 и 3 и истинный горизонт 8 , являются большими кругами небесной сферы - их плоскости проходят через центр O модели, в котором мыслится наблюдатель.
Перпендикуляр к плоскости истинного горизонта, восставленный из центра O модели небесной сферы, пересекает небесный меридиан в точках, называемых зенитом Z (над головой наблюдателя) и надиром Z " (надир находится под ногами наблюдателя и скрыт от него земной поверхностью).
В зените, на небесном меридиане укрепляется подвижной рейтер 12 , со свободно вращающейся на нем дугой 13 , плоскость которой также проходит через центр модели небесной сферы. Дуга 13 изображает круг высоты (вертикал) и позволяет демонстрировать горизонтальные координаты небесных светил.
Помимо больших кругов на модели небесной сферы показаны два малых круга 6 и 7 -две небесных параллели, отстоящие от небесного экватора на 23°,5 . Остальные небесные параллели на модели не показаны. Плоскости небесных параллелен не проходят через центр небесной сферы, параллельны плоскости небесного экватора и перпендикулярны к оси мира.
К модели небесной сферы приложены две насадки, одна-в виде кружка, другая - в виде звездочки. Эти насадки служат для изображения небесных светил и могут быть укреплены на любом круге модели небесной сферы.
В дальнейшем все элементы модели небесной сферы именуются теми же терминами, которые приняты для соответствующих элементов небесной сферы.
Вследствие равномерного вращения Земли вокруг своей оси в направлении с запада на восток (или против часовой стрелки) наблюдателю представляется, что небесная сфера равномерно вращается вокруг оси мира РР" в обратном направлении, т. е. по часовой стрелке, если смотреть на нее извне со стороны северного полюса мира (или если наблюдатель в центре сферы обращен спиной к северному полюсу мира, а лицом - к югу). За сутки небесная сфера совершает один оборот; это ее кажущееся вращение называется суточным. Направление суточного вращения небесной сферы показано на рис. 1 стрелкой.
На модели небесной сферы можно четко уяснить себе, что хотя небесная сфера вращается как единое целое, большинство основных ее элементов в суточном вращении сферы не участвует, оставаясь неподвижными относительно наблюдателя. Небесный экватор вращается в своей плоскости вместе с небесной сферой, скользя в неподвижных точках востока E и запада W . В процессе суточного вращения все точки небесной сферы (кроме неподвижных точек) дважды в сутки пересекают небесный меридиан, один раз-южную его половину (к югу от северного полюса мира, дуга Р ZS Р" ), другой раз - северную его половину (к северу от северного полюса мира, дуга Р NZ " P " ). Эти прохождения точек через небесный меридиан называются, соответственно, верхней и нижней кульминацией. Через зенит Z и надир Z " проходят не все, а только определенные точки небесной сферы, склонение δ которых (как это будет видно в дальнейшем) равно географической широте φ места наблюдателя (δ = φ). Точки небесной сферы, находящиеся над истинным горизонтом, видны наблюдателю; полусфера, находящаяся под истинным горизонтом, наблюдениям недоступна (на рис. 1 она обозначена вертикальной штриховкой).
Дуга NES истинного горизонта, над которой точки небесной сферы поднимаются, называется восточной его половиной и простирается на 180º от точки севера N , через точку востока Е , до точки юга S . Противоположная, западная половина SWN истинного горизонта, за которую заходят точки небесной сферы, также содержит 180º и также ограничена точками юга S и севера N , но проходит через точку запада W . Восточную и западную половины истинного горизонта не следует смешивать с его сторонами, которые определяются по основным его точкам-точкам востока, юга, запада и севера.
Следует обратить особое внимание на то обстоятельство, что небесная сфера делится на северную и южную полусферы небесным экватором, а не истинным горизонтом, над которым всегда находятся области обеих полусфер, как северной, так и южной. Величина этих областей зависит от географической широты у места наблюдения: чем ближе к северному полюсу Земли находится место наблюдения (чем больше его φ), тем меньшая область южной небесной полусферы доступна наблюдениям, и тем большая область северной небесной полусферы одновременно видна над истинным горизонтом (а южном полушарии Земли - наоборот).
Продолжительность пребывания точек небесной сферы на протяжении суток над истинным горизонтом (и под ним) зависит от соотношения склонения δ этих точек с географической широтой φ места наблюдения, а для определенной φ -только от их склонения δ. Поскольку небесный экватор и истинный горизонт пересекаются в диаметрально противоположных точках, то любая точка небесного экватора (δ = 0°) всегда полусуток находится над истинным горизонтом и полусуток - под ним, независимо от географической широты у места наблюдения (кроме географических полюсов Земли, φ = ± 90°).
Для изучения основных элементов небесной сферы можно при отсутствии модели воспользоваться небесной планисферой (планшет 10), которая, конечно, не так наглядна, как пространственная модель, но все же может дать правильное представление об основных элементах и суточном вращении небесной сферы. Планисфера представляет собой ортогональную (прямоугольную) проекцию небесной сферы на плоскость небесного меридиана и состоит из круга SZNZ " , изображающего небесный меридиан, через центр О которого проведена отвесная линия ZZ " и след плоскости истинного горизонта N S . Точки востока Е и запада W проектируются в центр планисферы. Градусные деления на небесном меридиане дают высоту h альмукантаратов (малых кругов, параллельных истинному горизонту), которая над истинным горизонтом считается положительной (h > 0°), а под ним - отрицательной (h < 0°).
Ось мира РР" , небесный экватор QQ " и небесные параллели изображены в той же проекции на кальке, на которой пунктиром изображены также два положения эклиптики, соответствующие ее наивысшему ξξ") и наинизшему (ξоξо") положению над истинным горизонтом. Градусная оцифровка на кальке дает угловое расстояние небесных параллелей от небесного экватора, т. е. их склонение δ, считаемое в северной небесной полусфере - положительным (δ > 0°), а в южной небесной полусфере-отрицательным (δ < 0°).
Наложив кальку симметрично на круг небесного меридиана и повернув ее вокруг общего центра О на некоторый угол 90°- φ, мы получим вид небесной сферы (в проекции на плоскость небесного меридиана) на географической широте φ. Тогда сразу станет ясным расположение элементов небесной сферы относительно истинного горизонта NS и относительно наблюдателя, находящегося в центре О небесной сферы. Направление же суточного вращения небесной сферы вокруг оси мира приходится изображать стрелками вдоль небесного экватора и небесных параллелей.
Весьма полезно представить себе соответствие элементов небесной сферы точкам и кругам земной поверхности. Для наглядности этого соответствия лучше всего представить радиус небесной сферы сколь угодно большим, но не бесконечным, так как в случае бесконечно большого радиуса участки сферы вырождаются в плоскость. При сколь угодно большом радиусе небесной сферы наблюдатель О , находящийся в некоторой точке земной поверхности, видит небесную сферу так же, как и из центра Земли С (рис. 3), но с сохранением прежнего направления на зенит Z . Тогда становится ясным, что отвесная линия OZ является продолжением земного радиуса СО в месте наблюдения (Земля принимается за шар), ось мира РР" идентична земной оси вращения рр" , полюсы мира Р и Р" соответствуют географическим полюсам Земли р и р" , небесный экватор QQ " образован на небесной сфере плоскостью земного экватора qq " , а небесный меридиан Р Z Р" Z "Р образован на небесной сфере плоскостью земного меридиана рО q р" q " p на котором находится наблюдатель О . Плоскость же истинного горизонта является касательной к поверхности Земли в точке наблюдения О . Этим и объясняется неподвижность небесного меридиана, зенита, надира и истинного горизонта относительно наблюдателя, которые вращаются вместе с ним вокруг земной оси. Полюсы мира Р и Р" также неподвижны относительно наблюдателя, поскольку они лежат на земной оси, не участвующей в суточном вращении Земли. Любой земной параллели kO с географической широтой а соответствует небесная параллель К Z . со склонением и δ = φ. Поэтому точки этой небесной параллели проходят через зенит места наблюдения О .
0 " style="border-collapse:collapse;border:none">
Название
Положение относительно наблюдателя
Расположение относительно истинного горизонта
3. На глобусе могут быть изображены:
4. На подвижной карте изображены:
Расположение небесных параллелей относительно | Суточное движение небесных светил относительно |
|||
Небесного экватора | Истинного горизонта | Небесного экватора | Истинного горизонта |
|
Сходство | ||||
Различия |
7. Соответствие точек и кругов:
Чертеж прилагается.
8. Три чертежа прилагаются.
§ 48. Небесная сфера. Основные точки, линии и круги на небесной сфере
Небесной сферой называют сферу любого радиуса с центром в произвольной точке пространства. За ее центр, в зависимости от постановки задачи, принимают глаз наблюдателя, центр инструмента, центр Земли и т. д.Рассмотрим основные точки и круги небесной сферы, за центр О которой принят глаз наблюдателя (рис. 72). Через центр небесной сферы проведем отвесную линию. Точки пересечения отвесной линии со сферой называют зенитом Z и надиром п.
Рис. 72.
Плоскость, проходящую через центр небесной сферы перпендикулярно отвесной линии, называют плоскостью истинного горизонта. Эта плоскость, пересекаясь с небесной сферой, образует окружность большого круга, называемую истинным горизонтом. Последний делит небесную сферу на две части: надгоризонтную и подгоризонтную.
Прямую, проходящую через центр небесной сферы параллельно земной оси, называют ось ю мира. Точки пересечения оси мира с небесной сферой называются полюсами мира. Один из полюсов, соответственно полюсам Земли, называют северным полюсом мира и обозначают Pn, другой - южным полюсом мира Ps.
Плоскость QQ", проходящую через центр небесной сферы перпендикулярно оси мира, называют плоскостью небесного экватора. Эта плоскость, пересекаясь с небесной сферой,образует окружность большого круга - небесный экватор, который делит небесную сферу на северную и южную части.
Большой круг небесной сферы, проходящий через полюсы мира, зенит и надир, называют меридианом наблюдателя PN nPsZ. Ось мира делит меридиан наблюдателя на полуденную PN ZPs и полуночную PN nPs части.
Меридиан наблюдателя пересекается с истинным горизонтом в двух точках: точке севера N и точке юга S. Прямую, соединяющую точки севера и юга, называют полуденной линией.
Если из центра сферы смотреть в точку N, то справа будет точка востока O st , а слева - точка запада W. Малые круги небесной сферы аа", параллельные плоскости истинного горизонта, называют альмукантаратами; малые bb" параллельные плоскости небесного экватора, - небесными параллелями.
Круги небесной сферы Zon, проходящие через точки зенита и надира, называют вертикалами. Вертикал, проходящий через точки востока и запада, называют первым вертикалом.
Круги небесной сферы PNoPs, проходящие через полюсы мира, называют кругами склонения.
Меридиан наблюдателя является одновременно вертикалом и кругом склонения. Он делит небесную сферу на две части - восточную и западную.
Полюс мира, расположенный над горизонтом (под горизонтом), называют повышенным (пониженным) полюсом мира. Наименование повышенного полюса мира всегда одноименно с наименованием широты места.
Ось мира с плоскостью истинного горизонта составляет угол, равный географической широте места.
Положение светил на небесной сфере определяют при помощи сферических координатных систем. В мореходной астрономии применяются горизонтная и экваториальная системы координат.
2.1.1. Основные плоскости, линии и точки небесной сферы
Небесной сферой называется воображаемая сфера произвольного радиуса с центром в выбранной точке наблюдения, на поверхности которой расположены светила так, как они видны на небе в некоторый момент времени из данной точки пространства. Чтобы правильно представлять себе астрономическое явление, необходимо считать радиус небесной сферы намного больше радиуса Земли (R сф >> R Земли), т. е. полагать, что наблюдатель находится в центре небесной сферы, причём одна и та же точка небесной сферы (одна и та же звезда) видна из разных мест земной поверхности по параллельным направлениям.
Под небесным сводом или небом обычно понимают внутреннюю поверхность небесной сферы, на которую проектируются небесные тела (светила). Для наблюдателя на Земле днем на небе видно Солнце, иногда Луна, еще реже Венера. В безоблачную ночь видны звёзды, Луна, планеты, иногда кометы и другие тела. Звёзд, видимых невооруженным глазом, около 6000. Взаимное расположение звезд почти не меняется из-за больших расстояний до них. Небесные тела, относящиеся к Солнечной системе, изменяют свое положение относительно звёзд и друг друга, что определяется их заметным угловым и линейным суточным и годовым смещением.
Небесный свод вращается как единое целое со всеми находящимися на нем светилами около воображаемой оси. Это вращение – суточное. Если наблюдать суточное вращение звёзд в северном полушарии Земли и лицом стоять к северному полюсу, то вращение неба будет происходить против часовой стрелки.
Центр О небесной сферы – точка наблюдения. Прямая ZOZ", совпадающая с направлением нити отвеса в месте наблюдения, называется отвесной или вертикальной линией. Отвесная линия пересекается с поверхностью небесной сферы в двух точках: в зените Z, над головой наблюдателя, и в диаметрально противоположной точке Z" – надире. Большой круг небесной сферы (SWNE), плоскость которого перпендикулярна к отвесной линии, называется математическим или истинным горизонтом. Математический горизонт – плоскость, касательная к поверхности Земли в точке наблюдения. Малый круг небесной сферы (аМа"), проходящий через светило М, и плоскость которого параллельна плоскости математического горизонта, называется альмукантаратом светила. Большой полукруг небесной сферы ZMZ" называется кругом высоты, вертикальным кругом, или просто вертикалом светила.Диаметр РР", вокруг которого происходит вращение небесной сферы, называется осью мира. Ось мира пересекается с поверхностью небесной сферы в двух точках: в северном полюсе мира Р, со стороны которого вращение небесной сферы происходит по часовой стрелке, если смотреть на сферу извне, и в южном полюсе мира Р". Ось мира наклонена к плоскости математического горизонта под углом, равным географической широте точки наблюдения φ. Большой круг небесной сферы QWQ"E, плоскость которого перпендикулярна к оси мира, называется небесным экватором. Малый круг небесной сферы (bМb"), плоскость которого параллельна плоскости небесного экватора, называется небесной или суточной параллелью светила М. Большой полукруг небесной сферы РМР* называется часовым кругом или кругом склонения светила.
Небесный экватор пересекается с математическим горизонтом в двух точках: в точке востока Е и в точке запада W. Круги высот, проходящие через точки востока и запада, называются первыми вертикалами – восточным и западным.
Большой круг небесной сферы PZQSP"Z"Q"N, плоскость которого проходит через отвесную линию и ось мира, называется небесным меридианом. Плоскость небесного меридиана и плоскость математический горизонта пересекаются по прямой линии NOS, которая называется полуденной линией. Небесный меридиан пересекается с математический горизонтом в точке севера N и в точке юга S. Небесный меридиан пересекается с небесным экватором также в двух точках: в верхней точке экватора Q, которая ближе к зениту, и в нижней точке экватора Q", которая ближе к надиру.
2.1.2. Светила, их классификация, видимые движения.
Звёзды, Солнце и Луна, планеты
Для того, чтобы ориентироваться по небу, яркие звезды объединены в созвездия. Всего созвездий на небе 88, из которых 56 видны для наблюдателя,
находящегося в средних широтах северного полушария Земли. Все созвездия имеют собственные имена, связанные с названиями животных (Большая Медведица,
Лев, Дракон), именами героев греческой мифологии (Кассиопея, Андромеда, Персей) или названиями предметов, очертания которых напоминают (Северная Корона,
Треугольник, Весы). Отдельные звезды в созвездиях обозначаются буквами греческого алфавита, а наиболее яркие из них (около 200) получили «собственные»
имена. Например, α Большого Пса – «Сириус», α Ориона – «Бетельгейзе», β Персея – «Алголь», α Малой Медведицы – «Полярная звезда», около
которой находится точка северного полюса мира. Пути Солнца и Луны на фоне звезд почти совпадают и приходят по двенадцати созвездиям, которые получили
названия зодиакальных, поскольку большинство из них носит название животных (от греч. «зоон» – животное). К ним относятся созвездия Овна,
Тельца, Близнецов, Рака, Льва, Девы, Весов, Скорпиона, Стрельца, Козерога, Водолея и Рыб.Траектория движения Марса по небесной сфере в 2003 году |
Ещё в древности были замечены 5 светил, похожих на звёзды, но «блуждающих» по созвездиям. Они были названы планетами – «блуждающими светилами». Позже были открыты ещё 2 планеты и большое количество более мелких небесных тел (карликовых планет, астероидов).
Планеты большую часть времени перемещаются по зодиакальным созвездиям с запада на восток (прямое движение), но часть времени – с востока на запад (попятное движение).
|
Your browser does not support the video tag.
Движение звёзд по небесной сфере |
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.
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.
