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.

При изучении вида звездного неба пользуются понятием небесной сферы - воображаемой сферы произвольного радиуса, к внутренней поверхности которой как бы «подвешены» звезды. В центре этой сферы (в точке О) и находится наблюдатель (рисунок 1). Точка небесной сферы, расположенная прямо над головой наблюдателя, называется зенитом, противоположная ей - надиром. Точки пересечения воображаемой оси вращения Земли («оси мира») с небесной сферой называются полюсами мира. Проведем через центр небесной сферы три воображаемые плоскости: первую перпендикулярно к отвесной линии, вторую перпендикулярно к оси мира и третью - через отвесную линию (через центр сферы и зенит) и ось мира (через полюс мира). В результате на небесной сфере получим три больших круга (центры которых совпадают с центром небесной сферы): горизонт, небесный экватор и небесный меридиан. Небесный меридиан пересекается с горизонтом в двух точках: точке севера (N) и точка юга (S), небесный экватор - в точке востока (Е) и точке запада (W). Линия SN, определяющая направление «север - юг», называется полуденной линией.

Рисунок 1 - Основные точки и линии небесной сферы; стрелкой указано направление ее вращения

Видимое годичное передвижение центра диска Солнца среди звезд происходит по эклиптике - большому кругу, плоскость которого составляет с плоскостью небесного экватора угол е = 23°27 / . С небесным экватором эклиптика пересекается в двух точках (рисунок 2): в точке весеннего равноденствия Т (20 или 21 марта) и в точке осеннего равноденствия (22 или 23 сентября).

Небесные координаты

Как и на глобусе - уменьшенной модели Земли, на небесной сфере, можно построить координатную сетку, позволяющую определить координаты любого светила. Роль земных меридианов на небесной сфере играют круги склонений, проходящие от северного полюса мира к южному, вместо земных параллелей на небесной сфере проводятся суточные параллели. Для каждого светила (рисунок 2) можно найти:

1. Угловое расстояние а его круга склонения от точки весеннего равноденствия, измеренное вдоль небесного экватора против суточного движения небесной сферы (аналогично тому, как вдоль земного экватора мы измеряем географическую долготу X - угловое расстояние меридиана наблюдателя от нулевого гринвичского меридиана). Эта координата называется прямым восхождением светила.

2. Угловое расстояние светила б от небесного экватора- склонение светила, измеренное вдоль круга склонений, проходящего через это светило (соответствует географической широте).

Рисунок 2 - Положение эклиптики на небесной сфере; стрелкой указано направление видимого годичного движения Солнца

Прямое восхождение светила а измеряется в часовой мере - в часах (ч или h), минутах (м или т) и секундах (с или s) от 0 h до 24 h склонение б - в градусах, со знаком «плюс» (от 0° до +90°) по направлению от небесного экватора к северному полюсу мира и со знаком «минус» (от 0° до -90°) - к южному полюсу мира. В процессе суточного вращения небесной сферы эти координаты для каждого светила остаются неизменными.

Положение каждого светила на небесной сфере в данный момент времени можно описать и двумя другими координатами: его азимутом и угловой высотой над горизонтом. Для этого от зенита через светило к горизонту проводим мысленно большой круг - вертикал. Азимут светила А отсчитывается от точки юга S к западу до точки пересечения вертикала светила с горизонтом. Если же отсчет азимута ведется от точки юга против часовой стрелки, то ему приписывают знак минус. Высота светила h отсчитывается вдоль вертикала от горизонта до светила (рисунок 4). Из рисунка 1, видно, что высота полюса мира над горизонтом равна географической широте наблюдателя.

Вспомогательная небесная сфера

Системы координат, используемые в геодезической астрономии

Географические широты и долготы точек земной поверхности и азимуты направлений определяются из наблюдений небесных светил – Солнца и звезд. Для этого необходимо знать положение светил как относительно Земли, так и относительно друг друга. Положения светил могут задаваться в целесообразно выбранных системах координат. Как известно из аналитической геометрии, для определения положения светила s можно использовать прямоугольную декартову систему координат XYZ или полярную a,b, R (рис.1).

В прямоугольной системе координат положение светила s определяется тремя линейными координатамиX,Y,Z. В полярной системе координат положение светила s задается одной линейной координатой, радиусом-вектором R = Оs и двумя угловыми: углом a между осью X и проекцией радиуса-вектора на координатную плоскость XOY, и углом b между координатной плоскостью XOY и радиусом-вектором R. Связь прямоугольных и полярных координат описывается формулами

X = R cos b cos a,

Y = R cos b sin a,

Z = R sin b,

где R=.

Эти системы используются в тех случаях, когда линейные расстояния R = Os до небесных светил известны (например, для Солнца, Луны, планет, искусственных спутников Земли). Однако для многих светил, наблюдаемых за пределами Солнечной системы, эти расстояния либо чрезвычайно велики по сравнению с радиусом Земли, либо неизвестны. Чтобы упростить решение астрономических задач и обходиться без расстояний до светил, полагают, что все светила находятся на произвольном, но одинаковом расстоянии от наблюдателя. Обычно это расстояние принимают равным единице, вследствие чего положение светил в пространстве может определяться не тремя, а двумя угловыми координатами a и b полярной системы. Известно, что геометрическое место точек, равноудаленных от данной точки “О”, есть сфера с центром в этой точке.

Вспомогательная небесная сфера – воображаемая сфера произвольного или единичного радиуса, на которую проецируются изображения небесных светил (рис. 2). Положение любого светила s на небесной сфере определяется при помощи двух сферических координат, a и b:

x = cos b cos a,

y = cos b sin a,

z = sin b.

В зависимости от того, где расположен центр небесной сферы О, различают:

1)топоцентрическую небесную сферу - центр находится на поверхности Земли;

2)геоцентрическую небесную сферу – центр совпадает с центром масс Земли;

3)гелиоцентрическую небесную сферу – центр совмещен с центром Солнца;

4) барицентрическую небесную сферу – центр находится в центре тяжести Солнечной системы.

Основные круги, точки и линии небесной сферы изображены на рис.3.

Одним из основных направлений относительно поверхности Земли является направление отвесной линии , или силы тяжести в точке наблюдения. Это направление пересекает небесную сферу в двух диаметрально противоположных точках - Z и Z". Точка Z находится над центром и называется зенитом , Z" – под центром и называетсянадиром .

Проведем через центр плоскость, перпендикулярную отвесной линии ZZ". Большой круг NESW, образованный этой плоскостью, называетсянебесным (истинным) или астрономическим горизонтом . Это есть основная плоскость топоцентрической системы координат. На ней имеются четыре точки S, W, N, E, где S - точка Юга , N - точка Севера , W - точка Запада , E - точка Востока . Прямая NS называетсяполуденной линией .

Прямая P N P S , проведенная через центр небесной сферы параллельно оси вращения Земли, называется осью Мира . Точки P N - северный полюс мира ; P S - южный полюс мира . Вокруг оси Мира происходит видимое суточное движение небесной сферы.

Проведем через центр плоскость, перпендикулярную оси мира P N P S . Большой круг QWQ"E, образованный в результате пересечения этой плоскостью небесной сферы, называетсянебесным (астрономическим) экватором . Здесь Q - верхняя точка экватора (над горизонтом), Q"- нижняя точка экватора (под горизонтом). Небесный экватор и небесный горизонт пересекаются в точках W и E.

Плоскость P N ZQSP S Z"Q"N, содержащая в себе отвесную линию и ось Мира, называется истинным (небесным) или астрономическим меридианом. Это плоскость параллельна плоскости земного меридиана и перпендикулярна к плоскости горизонта и экватора. Ее называютначальной координатной плоскостью.

Проведем через ZZ" вертикальную плоскость, перпендикулярную небесному меридиану. Полученный круг ZWZ"E называется первым вертикалом .

Большой круг ZsZ", по которому вертикальная плоскость, проходящая через светило s, пересекает небесную сферу, называетсявертикалом или кругом высот светила .

Большой круг P N sP S , проходящий через светило перпендикулярно небесному экватору, называется кругом склонения светила .

Малый круг nsn", проходящий через светило параллельно небесному экватору, называетсясуточной параллелью. Видимое суточное движение светил происходит вдоль суточных параллелей.

Малый круг аsа", проходящий через светило параллельно небесному горизонту, называется кругом равных высот , или альмукантаратом .

В первом приближении орбита Земли может быть принята за плоскую кривую - эллипс, в одном из фокусов которого находится Солнце. Плоскость эллипса, принимаемого за орбиту Земли, называетсяплоскостьюэклиптики .

В сферической астрономии принято говорить овидимом годичном движении Солнца. Большой круг ЕgЕ"d, по которому происходит видимое движение Солнца в течение года, называетсяэклиптикой . Плоскость эклиптики наклонена к плоскости небесного экватора на угол, примерно равный 23.5 0 . На рис. 4 показаны:

g – точка весеннего равноденствия;

d – точка осеннего равноденствия;

Е – точка летнего солнцестояния; Е" – точка зимнего солнцестояния; R N R S – ось эклиптики; R N - северный полюс эклиптики; R S - южный полюс эклиптики; e - наклон эклиптики к экватору.

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.

§ 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.