Небесная сфера

Небесная сфера

Тысячи и тысячи лет люди смотрят на звездное небо. Как же разобраться в этой звездной россыпи, как установить порядок?

Звезды кажутся нам одинаково удаленными. Недаром в древности считали, что все они расположены на хрустальной сфере...

Концепция небесной сферы помогает ученым разобраться в звездном хаосе. Для удобства измерений, для решения практических задач по определению положения звезд, движения планет и т.п. в астрономии используется понятие небесной сферы. Небесная сфера - это воображаемая сфера сколь угодно большого радиуса, в центре которой находится наблюдатель.

Свойства небесной сферы:

угловые измерения на сфере не зависят от ее радиуса.

центр небесной сферы выбирается произвольно. Для каждого наблюдателя - свой центр, а наблюдателей может быть много.

На небесную сферу проецируются звезды, Солнце, Луна, планеты. Один радиан, десять градусов и один час. На небесной сфере рассматривают лишь угловые расстояния. Угловое расстояние между двумя точками сферы - это угол между лучами, исходящими в направлении двух этих точек из глаза наблюдателя. Приняты следующие единицы угловых расстояний: градус, минута, секунда; час, минута, секунда а так же радиан. Например, расстояние между светилами в угловой мере 20 градусов 20 минут 10 секунд или угловое расстояние по прямому восхождению равно 2 часа 20 минут 10 секунд, причем 1 час в градусной мере равен 15 градусам.

Астрономическая единица используется при изучении Солнечной системы. Это размер большой полуоси орбиты Земли: 1 а.е. = 149 миллионов километров. Более крупные единицы длины - световой год и парсек, а также их производные (килопарсек, мегапарсек) - нужны в звездной астрономии и космологии. Световой год - расстояние, которое проходит луч света в вакууме за один земной год. Он равен примерно 9,5•1015 м. Парсек исторически связан с измерением расстояний до звезд по их параллаксу и составляет 1 пк = 3,263 светового года = 206 265 а.е. = 3,086•1016 м.

Основные линии небесной сферы

Важнейшими большими кругами на небесной сфере являются:

математический горизонт;

небесный экватор;

эклиптика;

небесный меридиан.

Отвесная линия пересекает поверхность небесной сферы в двух точках: в верхней Z - зените - и в нижней Z' - надире.

Небесная сфера

Математический горизонт - большой круг на небесной сфере, плоскость которого перпендикулярна отвесной линии. Точка N математического горизонта называется точкой севера, точка S - точкой юга. Линия NS - называется полуденной линией. Небесным экватором называется большой круг, перпендикулярный оси мира. Небесный экватор пересекается с математическим горизонтом в точках востока E и запада W.

Небесным меридианом называется большой круг небесной сферы, проходящий через зенит Z, полюс мира Р, южный полюс мира Р', надир Z'. Эклиптика - видимый годовой путь центра солнечного диска по небесной сфере. Перемещение Солнца по эклиптике вызвано годовым движением Земли вокруг Солнца. Центр солнечного диска пересекает небесный экватор два раза в году - в марте и в сентябре. Точки пересечения эклиптики с небесным экватором называются точками весеннего и осеннего равноденствия. Они обозначаются значками и. Через точку весеннего равноденствия Солнце переходит из южного полушария небесной сферы в северное (21 марта). Через точку осеннего равноденствия Солнце переходит из северного полушария небесной сферы в южное (21 сентября).

Точка летнего солнцестояния - находится на границе созвездий Тельца и Близнецов (обозначается зодиакальным знаком Рака . В ней Солнце имеет максимальное склонение д = +23°26? (22 июня). Точка зимнего солнцестояния - находится в созвездии Стрельца и обозначается знаком Козерога . В ней Солнце имеет минимальное склонение д = -23°26? (22 декабря). Дни солнцестояния, как и дни равноденствия, могут меняться. Связано это с тем, что в году не 365 суток, а немного больше. Точки солнцестояния отстоят от точек равноденствия на 90°.

Календарь

Главное назначение календаря - соотносить события с чередой дней. Слово «календарь» пришло к нам из древнего Рима. Оно происходит от латинских слов caleo «провозглашать» и calendarium «долговая книга». В Риме начало каждого месяца провозглашалось особо, причем по первым числам каждого месяца было принято уплачивать проценты по долгам.

Все календари можно разделить на следующие типы: солнечные, лунные и лунно-солнечные. Все эти календари используют естественные периодические процессы - сутки, то есть смену дня и ночи, смену фаз Луны, которые происходят на протяжении месяца, или смену времен года между двумя весенними равноденствиями, то есть период так называемого тропического года.

Кочевые народы древности больше пользовались лунным календарем, в основу которого положена продолжительность лунного месяца. Народы, занимавшиеся земледелием, основывали свой календарь на продолжительности тропического года. В Древней Греции и странах Востока использовался лунно-солнечный календарь, в котором начало каждого месяца располагалось как можно ближе к новолунию, а средняя продолжительность года соответствовала промежутку времени между двумя весенними равноденствиями. Поскольку 12 лунных месяцев по продолжительности меньше 1 года, приходилось добавлять дополнительный 13 месяц. Этот процесс называется интеркаляцией.

Лунно-солнечными календарями уже в глубокой древности пользовались в Китае, Индии. Было замечено, что появление определенных звезд на небе утром или вечером соответствуют определенному периоду в календаре. Такими звездами-ориентирами являлись Ригель и Бетельгейзе, Антарес, Сириус. Особенно пристально в древности следили за положением созвездия Большая Медведица, за ее поворотом и положением «ручки» Ковша или «хвоста Медведицы» относительно горизонта. С XXI века до н.э. месяцы в календаре Китая начинались с новолуния, а начало нового года приходилось на время между зимним солнцестоянием и весенним равноденствием. В VII в. до н.э. устанавливается продолжительность года в 365,25 суток, а в IV в. до н.э. через каждые 19 лет вставляются дополнительные месяцы. Примерно за сто лет до наступления нашей эры в Китае был введен календарь, в котором продолжительность месяца была 29,5 суток, продолжительность года - 365,2502 суток. При этом, в каждый третий, шестой, девятый, одиннадцатый, четырнадцатый, семнадцатый и девятнадцатый год надо было вставлять дополнительный 13 месяц.

В Древнем Египте было замечено, что разлив Нила начинается после первой утренней видимости звезды Сириус (Сотис). На одном из египетских храмов в Дендере есть надпись: «Сотис великая впервые блистает на небе, река Нил выходит из своих берегов». Жрецы вначале оценили длину года в 360 дней и соответственно этому разделили небесную сферу на 360 частей (это в будущем будет соответствовать 360°). Год жрецы разделили на 12 месяцев, в каждом по 30 дней. Через несколько сотен лет стало понятно, что восход Сириуса запаздывает, поэтому в систему календаря были введены дополнительные 5 дней.

Если бы календарный год был равен 365 суткам, то за полторы тысячи лет Новый год можно было бы отпраздновать в каждом сезоне. Это неудобно для сельского хозяйства. Самый простой выход - введение високосного года, в котором 366 дней каждые четыре года. Впервые это сделал древнегреческий математик Созиген по поручению Юлия Цезаря в 45 году до н.э., поэтому календарь с високосными годами называется юлианским. Средняя продолжительность юлианского года оказалась больше тропического года на 0,0078 средних солнечных суток. Эта ошибка привела к тому, что примерно через 128 лет разница составила 1 сутки, а через 400 лет - 3 суток. В 1582 году расхождение составило почти 10 суток. Но, с точки зрения христианской церкви, пасха должна наступать в первое воскресенье после первого полнолуния, следующего за днем весеннего равноденствия. Это правило было установлено на Никейском Соборе в 325 году, когда день весеннего равноденствия точно пришелся на 21 марта. А в 1582 году день весеннего равноденствия приходился уже на 11 марта. Поскольку это вносило путаницу в определение дня пасхи и других христианских праздников, была проведена новая реформа календаря. Ее проект подготовил итальянский математик и врач Луллио, а утвердил новый, григорианский, календарь (т.н. новый стиль) папа Григорий XIII. Специальной буллой папы было предписано после 4 октября 1582 года считать не 5, а 15 октября.

Современный (григорианский) календарь, принятый в большинстве стран, является солнечным календарем. В основе его лежит год продолжительностью 365,24220 суток (очень близкий к тропическому). Поэтому григорианский календарь содержит в разные годы разное количество суток, либо 365, либо 366 суток. В этом календаре не считаются високосными годы столетий, у которых число сотен не делится без остатка на 4 (1700, 1800, 1900, 2100 и т.д.). Подобная система даст ошибку в одни сутки за 3300 лет. Новый стиль был почти сразу введен в странах, где основной религией был католицизм, то есть в Испании, Италии, Франции, Польше. Только в 1751 году григорианский календарь был введен в Великобритании. На территории нашей страны григорианский календарь был введен в 1918 году. В соответствии с декретом счет дней был передвинут на 13 суток вперед. Следующий день после 31 января стали считать 14 февраля.

Совокупность ста лет образуют век, а совокупность тысячи лет - тысячелетие. В настоящее время в большинстве стран мира применяется христианская эра. Счет лет начинается от Рождества Христова. Эта дата была введена монахом Дионисием в 525 году. Все годы до этой даты стали именоваться «до нашей эры», а все последующие даты стали «нашей эры».

Вращение Земли и движение светил по небосводу

На небе есть звезда, называемая Полярной звездой, вокруг которой в течение суток вращаются другие звезды. В чем причины этого вращения?

Все дело в том, что Земля вращается вокруг своей оси. Ось вращения Земли практически не меняет направления в пространстве. Вращение Земли вызывает у наблюдателя иллюзию вращения небесной сферы. Любой наблюдатель видит лишь половину небесной сферы, другая половина от него заслоняется земным шаром. Звезды в течение суток описывают круги с центром недалеко от Полярной звезды.

Полюсы мира

Небесная сфера выглядит для нас так, словно вращается вокруг оси РР'. Ось мира пересекает небесную сферу в точках Р и Р' - полюсах мира. Северный полюс мира Р - тот, при наблюдении которого с Земли вращение небесной сферы происходит по часовой стрелке. Южный полюс мира Р' - тот, при наблюдении которого с Земли вращение небесной сферы происходит против часовой стрелки.

Притяжение Солнца и Луны заставляет земную ось прецессировать так же, как прецессирует ось наклонившегося быстро вращающегося волчка под действием силы тяжести.

Смещение полюса мира в результате прецессии. Луна и Солнце своим притяжением стремятся повернуть ось планеты: возникает явление прецессии. Ось Земли вращается относительно далеких звезд, делая полный оборот примерно за 26 тысяч лет (т.н. платонический год). При этом она описывает окружность радиусом 23,5° с центром в полюсе эклиптики, находящимся в созвездии Дракона. Прецессия впервые была обнаружена во II в. до н.э. Гиппархом, который нашел, что координаты звезд несколько изменились по сравнению с теми, что были сто лет назад. 13 тысяч лет назад полюс мира указывал на Вегу. На территории Восточно-европейской равнины можно было увидеть Центавр и Южный Крест. Дальше титул Полярной поочередно присваивался р, з и ф Геркулеса, звездам Тубан и Кохаб. Римляне вовсе не имели Полярной звезды, а Кохаб и Киносуру (б Малой Медведицы) называли Стражами. б Малой Медведицы стала полярной звездой примерно в 1100 году, а ближе всего к ней полюс пройдет в 2100 году. Приблизительно в 3200 году полярными станут звезды созвездия Цефей, затем они уступят первенство Денебу и Веге.

Экваториальные координаты

Определить положение точки на Земле помогают географические координаты - широта ц и долгота л. Определить положение звезд на небесной сфере помогают экваториальные координаты - склонение д и прямое восхождение б.

Положение любой точки на земном шаре описывается широтой и долготой. Положение любой точки на небесной сфере описывается склонением и прямым восхождением. Небесные координаты. Для экваториальных координат основными плоскостями служат плоскость небесного экватора и плоскость склонений. Отсчет прямого восхождения ведется от точки весеннего равноденствия в сторону, противоположную суточному вращению небесной сферы. Прямое восхождение обычно отсчитывают в часах, минутах и секундах времени, но иногда и в градусах.

Склонение выражается в градусах, минутах и секундах. Небесный экватор делит небесную сферу на северное и южное полушария. Склонения звезд северного полушария могут быть от 0 до 90°, а южного полушария - от 0 до -90°. Высота полюса мира над горизонтом определяется географической широтой места наблюдения: hP = ц.