Підручник з Астрономії (рівень стандарту). 11 клас. Пришляк

§ 2. Основи практичної астрономії

Вивчивши цей параграф, ми:

• осмислимо наші уявлення про небесну сферу як допоміжну поверхню для відліку сферичних координат небесних тіл;

• навчимося орієнтуватись на поверхні Землі за допомогою небесних світил.

1. Небесна сфера

Під час спостережень за зорями нам здається, що всі небесні світила розташовані на однаковій відстані, ніби світять на поверхні велетенської сфери, у центрі якої розташований спостерігач. Нині відомо, що зорі та планети перебувають на різних відстанях від Землі (рис. 2.1, 2.2), а наша планета не розміщується у центрі Всесвіту, тому таку небесну сферу вважають допоміжною при визначенні сферичних координат світил. На таку допоміжну сферу проектуються зображення зір та планет, і ми можемо виміряти тільки кути між напрямками на ці світила. При цьому центр небесної сфери може розташовуватися у будь-якій точці простору; залежно від цього розрізняють топоцентричні, геоцентричні чи геліоцентричні координати.

Рис. 2.1. Сузір'я Оріон (давня карта зоряного неба)

Сузір'я — ділянки небесної сфери, на які поділені окремі групи зір для зручності орієнтування

Рис. 2.2. Зорі в сузір'ї Оріон розташовані на різній відстані від Землі, а нам здається, що вони світять на поверхні сфери

2. Точки та лінії небесної сфери

На небесній і земній сферах можна провести деякі кола, за допомогою яких визначаються небесні координати світил (рис. 2.3, а).

На земній сфері існують дві особливі точки — географічні полюси, де вісь обертання Землі перетинає поверхню планети (N, S — відповідно Північний та Південний полюси). Площина земного екватора, яка ділить нашу планету на північну та південну півкулі, проходить через центр Землі перпендикулярно до її осі обертання. Меридіани на Землі проходять через географічні полюси та точки спостереження. Початковий (нульовий) меридіан проходить поблизу місцезнаходження колишньої Гринвіцької обсерваторії.

Уявна небесна сфера довільного радіусу допомагає визначити координати небесних світил

Полюс світу — точка перетину осі обертання Землі з небесною сферою

Небесний екватор — лінія перерізу площини земного екватора з небесною сферою

Рис. 2.3. Основні точки і лінії системи координат: а — земної (географічної), б — небесної

Небесний меридіан — лінія перерізу площини земного меридіана з небесною сферою

Якщо продовжити вісь обертання Землі в космос, то на небесній сфері ми отримаємо дві точки перетину, які називаються полюсами світу (рис. 2.3, б): Північний полюс Р₁ (у сучасну епоху біля Полярної зорі) і Південний полюс Р₂ (у сузір’ї Октант). Площина земного екватора перетинається з небесною сферою, і в перерізі ми отримаємо небесний екватор, який поділяє небо на дві рівні півкулі — північну та південну. Але існує одна суттєва відмінність між полюсами та екватором на земній кулі та полюсами світу і небесним екватором. Географічні полюси реально існують як точки на поверхні Землі, де вісь обертання Землі перетинається з поверхнею планети, і до них можна долетіти чи доїхати так само, як і до екватора. Полюсів світу як реальних точок у космічному просторі немає, бо радіус небесної сфери є невизначеним, тому ми можемо позначити тільки напрямок, у якому вони спостерігаються.

3. Орієнтування на місцевості

У повсякденному житті для визначення напрямку ми використовуємо орієнтири, які нам добре знайомі,— будинки, дороги, ріки тощо. Якщо ми потрапляємо в незнайому місцевість, то наші звичні орієнтири зникають, і ми можемо заблукати. У цьому випадку надійними орієнтирами можуть бути небесні світила, бо вони нам світять і вдома, і на чужині.

Для орієнтування на поверхні Землі астрономи застосовують терміни прямовисна лінія та горизонт. Напрямок прямовисної лінії задається силою тяжіння Землі в точці спостереження. Його можна визначити за допомогою звичайного виска-тягарця, який підвішують на нитці. Припустимо, що спостерігач перебуває на поверхні Землі в точці О, яка має географічну широту φ (рис. 2.4). Напрямок ОО₁ по виску вниз називають надиром, протилежний напрямок ΟΖ, угору,— зенітом. Зараз горизонт визначають як площину, яка є перпендикулярною до прямовисної лінії.

Обрій, або лінія перетину площини горизонту з небесною сферою, буде колом, у центрі якого перебуває спостерігач. На горизонті розрізняють чотири точки: N — північ, S —- південь, Е — схід, W — захід, за допомогою яких люди орієнтуються і визначають напрямки під час мандрівок (рис. 2.5).

Унаслідок обертання Землі навколо осі площини меридіана та горизонту протягом доби зміщуються у просторі щодо зір, але нам на поверхні Землі здається, що все відбувається навпаки — небесні світила рухаються щодо горизонту. Ми кажемо, що Сонце сходить, коли воно з’являється над обрієм на сході. Потім Сонце піднімається все вище і вище й опівдні займає найбільшу висоту над горизонтом. Цей момент астрономи називають верхньою кульмінацією (від лат.— вершина). Верхня кульмінація настає у той момент, коли Сонце перетинає площину меридіана і розташовується над точкою півдня.

Рис. 2.4. Площина математичного горизонту є перпендикулярною до прямовисної лінії

Рис. 2.5. Уночі надійним орієнтиром може бути Полярна зоря Р₁, на яку спрямована вісь обертання Землі. Якщо дивитися на Полярну зорю, то попереду буде напрямок на північ, позаду — південь, праворуч — схід, ліворуч — захід. Точка Q — кульмінація Сонця

Кульмінація — перетин світилами небесного меридіана внаслідок добового обертання Землі навколо осі

Момент верхньої кульмінації Сонця можна визначити за допомогою палички, яку треба встановити перпендикулярно до горизонту (рис. 2.6). Для визначення кульмінації уважно слідкуйте за довжиною тіні: коли Сонце розташоване над точкою півдня, тінь указує напрямок на північ і має найменшу довжину.

Тільки в березні та вересні Сонце сходить поблизу точки сходу, а заходить біля точки заходу. Влітку Сонце сходить на північному сході, а заходить на північному заході. Узимку Сонце сходить на південному сході, а заходить на південному заході.

Деякі зорі на наших широтах ніколи не заходять, тому на небі ми можемо побачити не тільки верхню, але й нижню кульмінацію, коли світило перебуває найнижче над горизонтом (дивись рухому карту зоряного неба, на звороті якої є інструкція, як визначати момент кульмінації зір).

Рис. 2.6. Опівдні тінь від палички спрямована на північ

4. Екваторіальна система небесних координат і карти зоряного неба

Основними площинами в цій системі координат є площини небесного екватора та кола схилень. Для визначення екваторіальних небесних координат світила S проводять коло схилення через полюси світу P₁ і P₂, яке перетинає небесний екватор у точці М (рис. 2.7). Перша координата а має назву пряме сходження (пряме піднесення) і відлічується по дузі небесного екватора від точки весняного рівнодення Υ проти ходу годинникової стрілки, якщо дивитися з Північного полюса, та вимірюється годинами. Друга координата δ — схилення визначається дугою кола схилень MS від екватора до даного світила і вимірюється градусами. На північ від екватора схилення додатне, на південь — від’ємне. Межі визначення екваторіальних координат такі:

Небесні координати: α — пряме сходження; δ — схилення

Карта зоряного неба у формі прямокутника є певною проекцією небесної сфери на площину, на якій позначені екваторіальні координати α , δ (рис. 2.8). Ці координати не залежать від місця спостереження на Землі і майже не змінюються протягом року, тому картою зоряного неба можна користуватись у будь-якій країні. Правда, через тисячі років екваторіальні координати зір можуть суттєво змінитися, бо змінюється з часом положення небесного екватора і полюсів світу, до того ж зорі обертаються навколо центра Галактики (див. §15).

Існує карта зоряного неба у вигляді круга (див. вкладку до підручника). Північний полюс світу розміщується у центрі карти поблизу Полярної зорі. Коло схилень у проекції на площину карти має вигляд радіальної лінії, яку проводять від Північного полюса світу. Небесний екватор на карті зображений виділеним колом, а інші концентричні кола для різних схилень проведені через кожні 30°.

Координату δ на карті визначають як відрізок радіальної лінії від екватора до даної зорі. Схилення зір на екваторі дорівнює 0°, а на Північному полюсі світу +90°. Пряме піднесення а на карті визначають як дугу екватора від точки весняного рівнодення Υ до радіальної лінії, яка проведена від полюса світу через дану зорю.

Рис. 2.7. Екваторіальна система небесних координат

Рис. 2.8. Карта зоряного неба екваторіальної зони. Дати, коли ці сузір'я кульмінують у вечірній час, позначені внизу карти. Відшукайте їх після заходу Сонця в південній частині небосхилу

Для зручності а позначено на екваторі через кожну годину (1^h, 2^h 3^h, ...).

Унаслідок обертання Землі навколо осі площина горизонту зміщується у просторі, тому всі світила теж змінюють своє положення відносно горизонту. Момент, коли деякі світила перетинають площину горизонту, називають сходом або заходом світила. Моменти сходу—заходу небесних світил можна визначити за допомогою рухомої карти зоряного неба, або планісфери, на якій є спеціальний накладний круг із лінією горизонту та меридіаном. Такою зоряною картою з накладним кругом можна користуватись у будь-якій країні Північної півкулі на географічній широті України (+50° ±5°). Правила користування рухомою картою зоряного неба надруковані на її зворотному боці.

Для допитливих

На зоряних картах не зображені планети, бо вони обертаються навколо Сонця і тому з часом змінюють свої екваторіальні координати. Для визначення положення планет щодо зір треба користуватися астрономічним календарем (див. §3, 4).

Висновки

Уявна небесна сфера допомагає визначити положення космічних тіл у певній системі координат. На картах зоряного неба використовують екваторіальну систему координат, у якій положення зір визначають за допомогою прямого сходження та схилення. Небесні світила допомагають також визначити сторони горизонту у випадку, якщо ми заблукали в незнайомій місцевості.

Тести

1. Північний полюс світу розташований:

А. В Арктиці. Б. В Антарктиці. В. У сузір'ї Оріон. Г. У сузір'ї Велика Ведмедиця. Д. Поблизу Полярної зорі.

2. Момент, коли світило має найбільшу висоту над горизонтом, називається:

А. Пряме сходження. Б. Верхня кульмінація. В. Нижня кульмінація. Г. Верхня культивація. Д. Нижня культивація.

3. Чи можна в Канаді та Україні одночасно побачити сузір'я Велика Ведмедиця?

А. Не можна. Б. Можна тільки влітку. В. Можна тільки взимку. Г. Можна будь-коли. Д. Можна тільки навесні.

4. Чи можна в Австралії та Україні одночасно побачити Полярну зорю?

А. Не можна. Б. Можна тільки влітку. В. Можна тільки взимку. Г. Можна будь-коли. Д. Можна тільки восени.

5. Як називаються точки перетину небесної сфери з віссю обертання Землі, що продовжена в космос?

А. Зеніт. Б. Надир. В. Полюс світу. Г. Географічний полюс. Д. Обрій.

6. Коли настає кульмінація Сонця?

7. У які дні року Сонце сходить у точці сходу й заходить у точці заходу?

8. Чи можна в Австралії за допомогою Полярної зорі визначити напрямок на північ?

9. Як можна на Північному полюсі Землі визначити напрямок на південь?

10. Відшукайте на карті зоряного неба якусь яскраву зорю. За допомогою накладного круга до карти виміряйте моменти, коли сходить, заходить і кульмінує ця зоря.

11. За допомогою рухомої карти зоряного неба визначте, які сузір'я ніколи не заходять для спостерігача в Україні.

Диспути на запропоновані теми

12. Чи можна користуватися нашою картою зоряного неба на поверхні інших планет Сонячної системи? Під час міжпланетних польотів? На планетах, які обертаються навколо інших зір?

Завдання для спостережень

13. Знайдіть Полярну зорю та визначте напрям меридіана з півночі на південь відносно вашого будинку. Намалюйте схему розташування вашого будинку щодо меридіана та визначте кут між меридіаном і будь-якою стіною вашого будинку.

14. Лабораторна робота №1 «Визначення географічної широти на місцевості за допомогою Полярної зорі» (с. 141).

Ключові поняття і терміни:

Зеніт, кульмінація, небесний екватор, небесний меридіан, небесна сфера, пряме сходження, полюси світу, схилення, точка весняного рівнодення.