Что такое небесная сфера
Мореходная астрономия
Основные элементы и точки небесной сферы
Основными элементами небесной сферы являются:
Рисунок 1. Небесная сфера
Сферические системы координат
Горизонтальная система координат
В этой системе основными кругами являются астрономический горизонт и вертикал, а линия отвеса является главным направлением.
Рисунок 2. Горизонтальная система координат.
Проходящая через звезду часть вертикала называется вертикалом светила. В том случае, если в точках E и W вертикал пересекает астрономический горизонт, тогда он является первым вертикалом. Высотой звезды h является дуга вертикала от горизонтальной плоскости до места расположения объекта.
Альмукантаратом звезды является альмукантарат, пересекающий тело звезды А.
Азимутом звезды называется сферический угол точки меридиана, расположенный между наблюдательным меридианом и вертикалом.
Сложно разобраться самому?
Попробуй обратиться за помощью к преподавателям
В мореходной астрономии применяются три способа исчисления азимута:
Экваториальная система координат №1
В данной системе главным направлением является мировая ось, а главными кругами – наблюдательный меридиан и небесный экватор. В качестве вспомогательного круга используется звездная параллель.
Рисунок 3. Экваториальная система координат №1
Дуга звездного меридиана называется склонением звезды δ. В зависимости от того, в каком полушарии находится звезда, склонение бывает северным или южным. Полярным расстоянием называется дуга звездного меридиана между полюсом и звездой в промежутке от 0 до 180º. Сферический угол, который образован мировым полюсом и наблюдательным меридианом в полуденной части, называется часовым углом звезды t.
Экваториальная система координат №2
В данной системе координат положение звезды задается посредством прямого восхождения (дуги небесного экватора от точки весеннего равноденствия до звёздного меридиана, измеряемой в направлении солнечного годового хода) и склонения.
Рисунок 4. Экваториальная система координат №2.
Эклиптическая система координат
У эклиптической системы основным направлением является ось эклиптики, а главным кругом – эклиптическая земная плоскость и плоскость широтного круга точки весеннего равноденствия. Место звезды устанавливается по астрономической долготе и широте, причем местоположение созерцателя и вращение небесной сферы не оказывают влияния на координаты звезд в данной системе.
Рисунок 5. Эклиптическая координатная система.
Не нашли что искали?
Просто напиши и мы поможем
Астрономические инструменты в мореходной астрономии
Средства контроля времени
Для решения астрономических вопросов суда оснащаются средствами для измерения времени, имеющие точность в пределах 0.5…1.0 секунды (эталонное время). Такие приборы применяются для обслуживания навигации, а для эксплуатации достаточно приборов с точностью 10…60 секунд (судовое время). Одним из самых распространенных приборов является кварцевый или механический хронометр (для эталонного времени), а также секундомеры и палубные часы (для воспроизведения времени). Воспроизведение судового времени производится посредством механических и электрических судовых часов.
Звездный глобус
Звездным глобусом называется прибор, выполненный в форме макета небесной сферы. Он необходимо для решения астрономических задач в мореплавании. Звездный глобус используют для получения ответов на следующие вопросы:
Секстант
Навигационным секстантом называется угломерный прибор, который устроен на основе схемы отражения. Он служит для фиксации величин углов между точкой наблюдения и небесным телом. Посредством секстанта определяется местоположение судна. Благодаря оптической системе с двумя зеркалами-призмами, секстант позволяет наблюдать сразу два объекта и определять угол между ними.
Не нашли нужную информацию?
Закажите подходящий материал на нашем сервисе. Разместите задание – система его автоматически разошлет в течение 59 секунд. Выберите подходящего эксперта, и он избавит вас от хлопот с учёбой.
Гарантия низких цен
Все работы выполняются без посредников, поэтому цены вас приятно удивят.
Доработки и консультации включены в стоимость
В рамках задания они бесплатны и выполняются в оговоренные сроки.
Вернем деньги за невыполненное задание
Если эксперт не справился – гарантируем 100% возврат средств.
Тех.поддержка 7 дней в неделю
Наши менеджеры работают в выходные и праздники, чтобы оперативно отвечать на ваши вопросы.
Тысячи проверенных экспертов
Мы отбираем только надёжных исполнителей – профессионалов в своей области. Все они имеют высшее образование с оценками в дипломе «хорошо» и «отлично».
Гарантия возврата денег
Эксперт получил деньги, а работу не выполнил?
Только не у нас!
Деньги хранятся на вашем балансе во время работы над заданием и гарантийного срока
Гарантия возврата денег
В случае, если что-то пойдет не так, мы гарантируем возврат полной уплаченой суммы
Отзывы студентов о нашей работе
«Всё сдал!» — безопасный онлайн-сервис с проверенными экспертами
Используя «Всё сдал!», вы принимаете пользовательское соглашение
и политику обработки персональных данных
Сайт работает по московскому времени:
Принимаем к оплате 
Небесная сфера
Небесная сфера — это воображаемая сферическая поверхность произвольного радиуса, в центре которой находится наблюдатель. Небесные тела проектируются на небесную сферу.
Из-за малых размеров Земли, в сравнении с расстояниями до звезд, наблюдателей, расположенных в разных местах земной поверхности, можно считать находящимися в центре небесной сферы. В действительности никакой материальной сферы, окружающей Землю, в природе не существует. Небесные тела движутся в беспредельном мировом пространстве на самых различных расстояниях от Земли. Эти расстояния невообразимо велики, наше зрение не в состоянии их оценить, поэтому человеку все небесные тела представляются одинаково удаленными.
За год Солнце описывает большой круг на фоне звёздного неба. Годичный путь Солнца по небесной сфере называется эклиптикой. Перемещаясь по эклиптике, Солнце в равноденственных точках дважды пересекает небесный экватор. Это бывает 21 марта и 23 сентября.
Точка небесной сферы, которая остается неподвижной при суточном движении звезд, условно называется северным полюсом мира. Противоположная точка небесной сферы называется южным полюсом мира. Жители северного полушария его не видят, т. к. он находится под горизонтом. Отвесная линия, проходящая через наблюдателя, пересекает небо над головой в точке зенита и в диаметрально противоположной точке, называемой надиром.
Элементы небесной сферы
Соотношение между элементами небесной сферы и земного шара
Ось видимого вращения небесной сферы, соединяющую оба полюса мира и проходящую через наблюдателя, называют осью мира. На горизонте под северным полюсом мира лежит точка севера, диаметрально противоположная ей точка — точка юга. Точки востока и запада лежат на линии горизонта и отстоят от точек севера и юга на 90°.
Плоскость, проходящая через центр сферы перпендикулярно оси мира, образуетплоскость небесного экватора, параллельную плоскости земного экватора. Плоскость небесного меридиана проходит через полюсы мира, точки севера и юга, зенит и надир.
Небесные координаты
Экваториальные координаты
Горизонтальные координаты
Угловым расстоянием называется расстояние между объектами на небе, измеряемое углом, который образован лучами, идущими к объекту из точки наблюдения. Угловое расстояние светила от горизонта называют высотой светила над горизонтом. Положение светила относительно сторон горизонта называется азимутом. Отсчет ведется от юга по часовой стрелке. Азимут и высоту светила над горизонтом измеряют теодолитом. В угловых единицах выражают не только расстояния между небесными объектами, но и размеры самих объектов. Угловое расстояние полюса мира от горизонта равно географической широте местности.
Высота светил в кульминации
Явления прохождения светил через небесный меридиан называются кульминациями. Нижней кульминацией называется прохождение светил через северную половину небесного меридиана. Явление прохождения светилом южной половины небесного меридиана называется верхней кульминацией. Момент верхней кульминации центра Солнца называется истинным полднем, а момент нижней кульминации — истинной полночью. Промежуток времени между кульминациями — половина суток.
У незаходящих светил над горизонтом видны обе кульминации, у восходящих и заходящих нижняя кульминация происходит под горизонтом, ниже точки севера. Каждая звезда кульминирует в данной местности всегда на одной и той же высоте над горизонтом, потому что её угловое расстояние от полюса мира и от небесного экватора не меняется. Солнце же и Луна меняют высоту, на которой они кульминируют.
НЕБЕСНАЯ СФЕРА
НЕБЕСНАЯ СФЕРА. Когда мы наблюдаем небо, все астрономические объекты кажутся расположенными на куполообразной поверхности, в центре которой находится наблюдатель. Этот воображаемый купол образует верхнюю половину воображаемой сферы, которую называют «небесной сферой». Она играет фундаментальную роль при указании положения астрономических объектов.
Хотя Луна, планеты, Солнце и звезды расположены на разных расстояниях от нас, даже самые близкие из них находятся так далеко, что мы не в состоянии на глаз оценить их удаленность. Направление на звезду не изменяется, когда мы перемещаемся по поверхности Земли. (Правда, оно немного изменяется при перемещении Земли по орбите, но заметить это параллактическое смещение можно лишь с помощью точнейших приборов.)
Нам кажется, что небесная сфера вращается, поскольку светила восходят на востоке и заходят на западе. Причиной этого служит вращение Земли с запада на восток. Кажущееся вращение небесной сферы происходит вокруг воображаемой оси, продолжающей земную ось вращения. Эта ось пересекает небесную сферу в двух точках, называемых северным и южным «полюсами мира». Северный полюс мира лежит примерно в градусе от Полярной звезды, а вблизи южного полюса нет ярких звезд.
Ось вращения Земли наклонена примерно на 23,5° относительно перпендикуляра, проведенного к плоскости земной орбиты (к плоскости эклиптики). Пересечение этой плоскости с небесной сферой дает круг – эклиптику, видимый путь Солнца за год. Ориентация земной оси в пространстве почти не изменяется. Поэтому каждый год в июне, когда северный конец оси наклонен в сторону Солнца, оно высоко поднимается на небе в Северном полушарии, где дни становятся длинными, а ночи короткими. Переместившись на противоположную сторону орбиты в декабре, Земля оказывается развернута к Солнцу Южным полушарием, и у нас на севере дни становятся короткими, а ночи – длинными. См. также ВРЕМЕНА ГОДА.
Однако под влиянием солнечного и лунного притяжения ориентация земной оси все же постепенно меняется. Основное движение оси, вызванное влиянием Солнца и Луны на экваториальное вздутие Земли, называют прецессией. В результате прецессии земная ось медленно поворачивается вокруг перпендикуляра к орбитальной плоскости, описывая за 26 тыс. лет конус радиусом 23,5°. По этой причине через несколько столетий полюс уже не будет вблизи Полярной звезды. Кроме того, ось Земли совершает мелкие колебания, называемые нутацией и связанные с эллиптичностью орбит Земли и Луны, а также с тем, что плоскость лунной орбиты немного наклонена к плоскости земной орбиты.
Как мы уже знаем, вид небесной сферы в течение ночи меняется из-за вращения Земли вокруг оси. Но даже если наблюдать небо в одно и то же время в течение года, его вид будет меняться из-за обращения Земли вокруг Солнца. Для полного оборота по орбите на 360° Земле требуется ок. 365 1 /4 суток – примерно по градусу в сутки. Кстати, сутки, а точнее – солнечные сутки – это время, за которое Земля поворачивается один раз вокруг оси по отношению к Солнцу. Оно состоит из времени, за которое Земля совершает оборот по отношению к звездам («звездные сутки»), плюс небольшое время – около четырех минут, – необходимое для поворота, компенсирующего орбитальное перемещение Земли за сутки на один градус. Таким образом, в году ок. 365 1 /4 солнечных суток и ок. 366 1 /4 звездных.
При наблюдении из определенной точки Земли звезды, расположенные вблизи полюсов, либо всегда находятся над горизонтом, либо никогда не поднимаются над ним. Все остальные звезды восходят и заходят, причем каждый день восход и заход каждой звезды происходит на 4 мин раньше, чем в предыдущий день. Некоторые звезды и созвездия поднимаются на небе ночью в зимнее время – мы называем их «зимними», а другие – «летними».
Таким образом, вид небесной сферы определяется тремя временами: временем суток, связанным с вращением Земли; временем года, связанным с обращением вокруг Солнца; эпохой, связанной с прецессией (хотя последний эффект едва ли заметишь «на глаз» даже за 100 лет).
Системы координат.
Существуют различные способы для указания положения объектов на небесной сфере. Каждый из них подходит к задачам определенного типа.
Альт-азимутальная система.
Для указания положения объекта на небе по отношению к окружающим наблюдателя земным предметам используют «альт-азимутальную», или «горизонтальную», систему координат. В ней указывают угловое расстояние объекта над горизонтом, называемое «высотой», а также его «азимут» – угловое расстояние вдоль горизонта от условной точки до точки, лежащей прямо под объектом. В астрономии азимут отсчитывают от точки юга к западу, а в геодезии и навигации – от точки севера к востоку. Поэтому, прежде чем пользоваться азимутом, нужно выяснить, в какой системе он указан. Точка неба, находящаяся прямо над головой, имеет высоту 90° и называется «зенит», а диаметрально противоположная ей точка (под ногами) – «надир». Для многих задач важен большой круг небесной сферы, называемый « небесным меридианом»; он проходит через зенит, надир и полюсы мира, а горизонт пересекает в точках севера и юга.
Экваториальная система.
Из-за вращения Земли звезды постоянно перемещаются относительно горизонта и сторон света, а их координаты в горизонтальной системе изменяются. Но для некоторых задач астрономии система координат должна быть независимой от положения наблюдателя и времени суток. Такую систему называют «экваториальной»; ее координаты напоминают географические широты и долготы. В ней плоскость земного экватора, продолженная до пересечения с небесной сферой, задает основной круг – «небесный экватор». «Склонение» звезды напоминает широту и измеряется ее угловым расстоянием к северу или югу от небесного экватора. Если звезда видна точно в зените, то широта места наблюдения равна склонению звезды. Географической долготе соответствует «прямое восхождение» звезды. Оно измеряется к востоку от точки пересечения эклиптики с небесным экватором, которую Солнце проходит в марте, в день начала весны в Северном полушарии и осени – в Южном. Эту важную для астрономии точку называют «первой точкой Овна», или «точкой весеннего равноденствия», и обозначают знаком 
. Значения прямого восхождения обычно указывают в часах и минутах, считая 24 ч равными 360°.
Экваториальную систему используют при наблюдении с телескопами. Телескоп устанавливают так, чтобы он мог вращаться с востока на запад вокруг оси, направленной на полюс мира, компенсируя этим вращение Земли.
Другие системы.
Для некоторых целей используются и другие системы координат на небесной сфере. Например, когда изучают движение тел в Солнечной системе, используют систему координат, основной плоскостью которой служит плоскость земной орбиты. Строение Галактики изучают в системе координат, главной плоскостью которой служит экваториальная плоскость Галактики, представленная на небе кругом, проходящим вдоль Млечного Пути.
Сравнение систем координат.
Важнейшие детали горизонтальной и экваториальной систем показаны на рисунках. В таблице эти системы сопоставлены с географической системой координат.
| СРАВНЕНИЕ СИСТЕМ КООРДИНАТ | |||
| Характеристика | Альт-азимутальная система | Экваториальная система | Географическая система |
| Основной круг | Горизонт | Небесный экватор | Экватор |
| Полюсы | Зенит и надир | Северный и южный полюсы мира | Северный и южный полюсы |
| Угловое расстояние от основного круга | Высота | Склонение | Широта |
| Угловое расстояние вдоль основного круга | Азимут | Прямое восхождение | Долгота |
| Опорная точка на основном круге | Точка юга на горизонте (в геодезии – точка севера) | Точка весеннего равноденствия | Пересечение с гринвичским меридианом |
Переход из одной системы в другую.
Часто возникает необходимость по альт-азимутальным координатам звезды вычислить ее экваториальные координаты, и наоборот. Для этого необходимо знать момент наблюдения и положение наблюдателя на Земле. Математически проблема решается с помощью сферического треугольника с вершинами в зените, северном полюсе мира и звезде Х; его называют «астрономическим треугольником».
Угол с вершиной в северном полюсе мира между меридианом наблюдателя и направлением на какую-либо точку небесной сферы называют «часовым углом» этой точки; его измеряют к западу от меридиана. Часовой угол точки весеннего равноденствия, выраженный в часах, минутах и секундах, называют «звездным временем» (Si. T. – sidereal time ) в точке наблюдения. А поскольку прямое восхождение звезды – это тоже полярный угол между направлением на нее и на точку весеннего равноденствия, то звездное время равно прямому восхождению всех точек, лежащих на меридиане наблюдателя.
Таким образом, часовой угол любой точки на небесной сфере равен разности звездного времени и ее прямого восхождения:
Пусть широта наблюдателя равна j. Если даны экваториальные координаты звезды a и d, то ее горизонтальные координаты а и можно вычислить по следующим формулам:
Можно решить и обратную задачу: по измеренным значениям а и h, зная время, вычислить a и d. Склонение d вычисляется прямо из последней формулы, затем из предпоследней вычисляется Н, а из первой, если известно звездное время, вычисляется a.
Представление небесной сферы.
Многие столетия ученые искали наилучшие способы представления небесной сферы для ее изучения или демонстрации. Предлагались два типа моделей: двумерные и трехмерные.
Небесную сферу можно изобразить на плоскости таким же образом, как сферическую Землю изображают на картах. В обоих случаях необходимо выбрать систему геометрической проекции. Первой попыткой представить участки небесной сферы на плоскости были наскальные рисунки звездных конфигураций в пещерах древних людей. В наши дни существуют различные звездные карты, изданные в виде рисованных или фотографических звездных атласов, покрывающих все небо.
Древние китайские и греческие астрономы представляли небесную сферу в виде модели, известной как «армиллярная сфера». Она состоит из металлических кругов или колец, соединенных вместе так, чтобы показать важнейшие круги небесной сферы. Сейчас нередко используют звездные глобусы, на которых отмечены положения звезд и основных кругов небесной сферы. У армиллярных сфер и глобусов есть общий недостаток: положение звезд и разметка кругов нанесены на их внешней, выпуклой стороне, которую мы рассматриваем снаружи, тогда как на небо мы смотрим «изнутри», и звезды нам кажутся размещенными на вогнутой стороне небесной сферы. Это иногда приводит к путанице направлений движения звезд и фигур созвездий.
Наиболее реалистическое представление небесной сферы дает планетарий. Оптическая проекция звезд на полусферический экран изнутри позволяет очень точно воспроизвести вид неба и всевозможные движения светил на нем.