Основные круги, точки и линии небесной сферы. Небесная сфера

Нам кажется, что все звезды расположены на некоторой шаровой поверхности небосвода и одинаково удалены от наблюдателя. На самом деле они находятся от нас на различных расстояниях, которые так огромны, что глаз не может заметить эти различия. Поэтому воображаемую шаровую поверхность стали называть небесной сферой.

Небесная сфера - это воображаемая сфера произвольного радиуса, центр которой в зависимости от решаемой задачи совмещается с той или иной точкой пространства. Центр небесной сферы может быть выбран в месте наблюдения (глаз наблюдателя), в центре Земли или Солнца и т. д. Понятием небесной сферы пользуются для угловых измерений, для изучения взаимного расположения и движения космических объектов на небе.

На поверхность небесной сферы проецируются видимые положения всех светил, а для удобства измерений строят на ней ряд точек и линий. Например, некоторые из звезд «ковша» Большой Медведицы находятся далеко одна от другой, но для земного наблюдателя они проецируются на один и тот же участок небесной сферы.

Прямая, проходящая через центр небесной сферы и совпадающая с направлением нити отвеса в месте наблюдения, называется отвесной или вертикальной линией . Она пересекает небесную сферу в точках зенита (верхняя точка пересечения отвесной линии с небесной сферой) и надира (точка небесной сферы, противоположная зениту). Плоскость, проходящая через центр небесной сферы и перпендикулярная отвесной линии, называется плоскостью истинного или математического горизонта .

Вертикальный круг , или вертикал светила , - это большой круг небесной сферы, проходящий через зенит, светило и надир.

Ось мира - прямая, проходящая через центр небесной сферы параллельно оси вращения Земли, пересекающая небесную сферу в двух диаметрально противоположных точках.

Точка пересечения оси мира с небесной сферой, вблизи которой находится Полярная звезда, называется Северным полюсом мира , противоположная точка - Южным полюсом мира . Полярная звезда отстоит от Северного полюса мира на угловом расстоянии около 1° (точнее 44").

Большой круг, проходящий через центр небесной сферы и перпендикулярный оси мира, называют небесным экватором . Он делит небесную сферу на две части: Северное полушарие с вершиной в Северном полюсе мира и Южное - с вершиной в Южном полюсе мира.

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

Суточная параллель - малый круг небесной сферы, плоскость которого перпендикулярна оси мира.

Большой круг небесной сферы, проходящий через точки зенита, надира и полюсы мира, называется небесным меридианом . Небесный меридиан пересекается с истинным горизонтом в двух диаметрально противоположных точках. Точка пересечения истинного горизонта и небесного меридиана, ближайшая к Северному полюсу мира, называется точкой севера . Точка пересечения истинного горизонта и небесного меридиана, ближайшая к Южному полюсу мира, называется точкой юга . Линия, соединяющая точки севера и юга, называется полуденной линией . Она лежит на плоскости истинного горизонта. По направлению полуденной линии падают тени от предметов в полдень.

С небесным экватором истинный горизонт также пересекается в двух диаметрально противоположных точках - точке востока и точке запада . Для наблюдателя, стоящего в центре небесной сферы лицом к точке севера, точка востока будет расположена справа, а точка запада - слева. Помня это правило, легко ориентироваться на местности.

Видимый годовой путь Солнца среди звезд называется эклиптикой . В плоскости эклиптики лежит путь Земли вокруг Солнца, т. е. ее орбита. Она наклонена к небесному экватору под углом 23°27" и пересекает его в точках весеннего (♈, около 21 марта) и осеннего (♎, около 23 сентября) равноденствия.

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.

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.

Определяется по их координатами на небесной сфере . Эквиваленты широты и долготы на небесной сфере (в второй экваториальной системе координат) называются склонением (измеряется в градусах от +90 ? до -90 ?) и прямым подъемом (измеряется в часах от 0 до 24). Небесные полюса лежат над полюсами Земли, а небесный экватор расположен над земным экватором . Земному наблюдателю кажется, будто небесная сфера вращается вокруг Земли. На самом деле, воображаемый движение небесной сферы обусловлен вращением Земли вокруг своей оси.

1. История возникновения понятия

Представление о небесную сферу возникло в глубокой древности; в основу его легло впечатление о существовании куполообразного небосвода. Это впечатление связано с тем, что в результате огромной удаленности небесных светил человеческий глаз не в состоянии оценить различия в расстояниях до них, и они представляются одинаково удаленными. У древних народов это ассоциировалось с наличием реальной сферы, ограничивающей весь мир и несет на своей поверхности звезды , Месяц и Солнце . Таким образом, в их представлении небесная сфера была важнейшим элементом Вселенной. С развитием научных знаний такой взгляд на небесную сферу отпал. Однако заложенная в древности геометрия небесной сферы в результате развития и совершенствования получила современный вид, в котором и применяется в астрометрии .

• в месте на поверхности Земли, где находится наблюдатель (топоцентрична небесная сфера),
• в центре Земли (геоцентрическая небесная сфера),
• в центре той или иной планеты (планетоцентрична небесная сфера),
• в центре Солнца (гелиоцентрическая небесная сфера)
• в любой другой точке пространства, где находится наблюдатель (реальный или гипотетический).

Каждому светилу на небесной сфере соответствует точка, в которой ее пересекает прямая, соединяющая центр небесной сферы со светилом (или с центром светила, если оно большое, а не точечное). Для изучения взаимного расположения и видимых движений светил на небесной сфере выбирают ту или иную систему небесных координат , которая определяется основными точками и линиями. Последние обычно большими кругами небесной сферы. Каждый большой круг сферы имеет два полюса, которые определяются на ней концами диаметра, перпендикулярного к плоскости этого круга.

2. Названия важнейших точек и дуг на небесной сфере

2.1. Отвесная линия

Отвесная линия (или вертикальная линия) - прямая, проходящая через центр небесной сферы и совпадает с направлением нити отвес (вертикали) в месте наблюдения. Для наблюдателя, находящегося на поверхности Земли, отвесная линия проходит через центр Земли и точку наблюдения.

2.2. Зенит и надир

Отвесная линия пересекается с поверхностью небесной сферы в двух точках - зените , над головой наблюдателя, и надире - диаметрально противоположной точке.

2.3. Математический горизонт

Математический горизонт - большой круг небесной сферы, плоскость которого перпендикулярна отвесной линии. Математический горизонт делит поверхность небесной сферы на две половины: видимую для наблюдателя, с вершиной в зените, и невидимую, с вершиной в надире. Математический горизонт, вообще говоря, не совпадает с видимым горизонтом вследствие неровности поверхности Земли и разной высотой точек наблюдения, а также искривлением лучей света в атмосфере.

2.4. Ось мира

Ось мира - диаметр, вокруг которого происходит вращение небесной сферы.

2.5. Полюса мира

Ось мира пересекается с поверхностью небесной сферы в двух точках - северном полюсе мира и южном полюсе мира. Северным полюсом называется тот, со стороны которого вращение небесной сферы происходит по часовой стрелке, если смотреть на сферу извне. Если смотреть на небесную сферу изнутри, (что мы обычно и делаем, наблюдая звездное небо), то в окрестности северного полюса мира ее вращение происходит против часовой стрелки, а в окрестности южного полюса мира - по часовой стрелке.

2.6. Небесный экватор

Небесный экватор - большой круг небесной сферы, плоскость которого перпендикулярна оси мира. Есть проекцией земного экватора на небесную сферу. Небесный экватор разделяет поверхность небесной сферы на два полушария: северное полушарие, с вершиной в северном полюсе мира, и южное полушарие, с вершиной в южном полюсе мира.

2.7. Точки восхода и захода

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

2.8. Небесный меридиан

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

2.9. Полуденная линия

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

2.10. Точки севера и юга

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

2.11. Эклиптика

Эклиптика - большой круг небесной сферы, пересечение небесной сферы и плоскости земной орбиты. Эклиптикой осуществляется видимый годовое движение Солнца по небесной сфере. Плоскость эклиптики пересекается с плоскостью небесного экватора под углом ε = 23 ? 26 ".

2.12. Точки равноденствия

Эклиптика пересекается с небесным экватором в двух точках - точке весеннего равноденствия и точке осеннего равноденствия. Точкой весеннего равноденствия называется та, в которой Солнце в своем годовом движении, переходит из южного полушария небесной сферы в северное. В точке осеннего равноденствия Солнце переходит из северного полушария небесной сферы в южное.

2.13. Точки солнцестояния

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

2.14. Ось эклиптики

Ось эклиптики - диаметр небесной сферы, перпендикулярный плоскости эклиптики.

2.15. Полюса эклиптики

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

2.16. Галактические полюсы и галактический экватор

Точка небесной сферы с экваториальными координатами α = 192,85948 ? β = 27,12825 ? называется северным галактическим полюсом, а диаметрально противоположная ней точка - южным галактическим полюсом. Большой круг небесной сферы, плоскость которого перпендикулярна линии, соединяющей галактические полюса, называется галактическим экватором.

3. Названия дуг на небесной сфере, связанные с положением светил

3.1. Альмукантарат

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

3.2. Вертикальный круг

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

3.3. Суточная параллель

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

3.4. Круг наклона

Круг наклона светила - большой полукруг небесной сферы, проходящий через полюсы мира и светило.

3.5. Круг Эклиптические широты

Круг Эклиптические широты, или просто круг широты светила - большой полукруг небесной сферы, проходящий через полюса эклиптики и светило.

3.6. Круг галактической широты

Круг галактической широты светила - большой полукруг небесной сферы, проходящий через галактические полюсы и светило.

Небесной сферой называется воображаемая сфера произвольного радиуса с центром в произвольной точке, на поверхности которой нанесены положения светил так, как они видны на небе в некоторый мо-мент времени из данной точки.

Небесная сфера вращается. В этом нетрудно убедиться, просто наблюдая изменение поло-жения небесных светил относительно наблюдателя или гори-зонта. Если направить фотоаппарат на звезду Малой Медведицы и открыть объектив на несколько часов, то изображения звёзд на фотопластинке опишут дуги, центральные углы ко-торых одинаковы (рис. 17). Материал с сайта

Из-за вращения небесной сферы каждое светило движется по малому кругу, плоскость которого параллельна плоскости экватора — суточной параллели . Как видно из рисунка 18, суточная параллель может пересекать математический гори-зонт, но может и не пересекать его. Пересечение горизонта светилом называется восходом светила , если оно переходит в верхнюю часть небесной сферы, и заходом при переходе све-тила в нижнюю часть небесной сферы. В том случае, если су-точная параллель, по которой движется светило, не пересека-ет горизонта, светило называется невосходящим либо незахо-дящим в зависимости от того, где оно находится: всегда в верхней или всегда в нижней части небесной сферы.