Экваториальные координаты. Экваториальная система координат Определение координат небесных тел

В астрономии применяется несколько систем координат: горизонтальная, первая экваториальная, вторая экваториальная.

Отличаются они друг от друга тем, что строятся по отношению к разным кругам небесной сферы. Небесные координаты отсчитываются дугами больших кругов или центральными углами, охватывающими эти дуги.

2. Дайте описание горизонтальной и экваториальной систем координат. Какие координаты используются в этих системах?

Горизонтальная система координат используется при астрономических наблюдениях для определения положения светил по отношению к горизонту. В этой системе используются координаты высоты $h$ и азимута $A$.

Первая экваториальная система координат применяется для измерения времени, а вторая экваториальная система нужна для составления звёздных карт, атласов и каталогов. В первой экваториальной системе используются склонение $\delta$ и часовой угол $t$ светила, а во второй — склонение $\delta$ и прямое восхождение $\alpha$.

3. Почему в астрономии используют различные системы координат?

Различные координаты применяются для решения различных задач.

4. Определите высоту полюса мира над горизонтом в вашем населённом пункте

Угловая высота полюса мира над горизонтом равна географической широте места наблюдения:

$h_p$ — угловая высота полюса мира;
$φ$ — географическая широта местности.

5. Какие звёзды называют восходящими и заходящими, невосходящими и незаходящими?

Под восходом понимается явление пересечения светилом восточной части горизонта, а под заходом — западной части горизонта. В средних широтах, например на территории Республики Беларусь, наблюдаются звёзды северных околополярных созвездий, которые никогда не опускаются под горизонт. Они называются незаходящими. Звёзды, расположенные около Южного полюса мира, у нас никогда не восходят. Их называют невосходящими.

1 Основные положения небесной сферы

Для определения видимого положения небесных тел и изучения их движения в астрономии вводится понятие небесная сфера . Сфера имеет произвольные размеры и произвольный центр. В её центр в точке О помещён наблюдатель, а вращение сферы повторяет вращение небесного свода. Прямая ZOZ′ обозначает отвесную линию для наблюдателя, где бы он не находился. Верхняя точка над головой наблюдателя Z называется Зенит , а противоположная её точка Z′ - называется Надир . Большой круг SWNE перпендикулярен отвесной линии называется истинным горизонтом или математический горизонт . Математический горизонт делит сферу на две половины, видимую и невидимую для наблюдателя. Линия РР′ - называется ось мира , вокруг этой оси происходит вращение небесной сферы . Плоскость ЕQWQ′ перпендикулярна к оси мира называется небесный экватор . Он делит небесную сферу на два полушария - северное и южное . Большой круг небесной сферы PZQSP′Z′Q′N называется небесным меридианом . Небесный меридиан делит небесную сферу на Восточное и Западное полушарие. Линия NOS называется полуденной линией.

Положение основных элементов небесной сферы относительно друг друга зависит от географической широты места наблюдателя. Под углом к плоскости математического горизонта расположена ось мира РР ′. Положения светил на небе определяется по отношению к основным плоскостям и связанным с ними линиями и точками небесной сферы и выражается количественно двумя величинами (центральными углами или дугами больших кругов ) которые называются небесными координатами .

2 Горизонтальная система координат

Основной плоскостью горизонтальной системы координат является математический горизонт NWSE , а отчёт ведётся от Z зенита и от одной из точек математического горизонта. Одной координатной является зенитное расстояние z (Зенитное расстояние к югу zв = φ - δ; к северу zн = 180 - φ - δ) или высота светила над горизонтом h . Высотой h светила М называется высота вертикального круга mМ от математического горизонта до светила, или центральный угол mOM между плоскостью математического горизонта и направлением на светило М . Высоты отсчитываются от 0 до 90 к зениту и от 0 до -90 к надиру. Зенитным расстоянием светила называется дуга вертикального круга ZM от светила до зенита . z + h = 90 (1). Положение самого вертикального круга определяется дугой координатной - азимутом А . Азимутом А называется дуга математического горизонта Sm от точки юга S до вертикального круга, проходящего через светило. Азимуты отсчитывается в сторону вращения небесной сферы , т.е. к западу от точки юга, в пределах от 0 до 360. Система координат используется для непосредственных определений видимых положений светил с помощью угломерных инструментов.

3 Первая экваториальная система координат

Начало отсчёта - точка небесного экватора Q . Одной координатной является склонение. Склонением называется дуга mM часового круга PMmP′ от небесного экватора до светила. Отсчитываются от 0 до +90 к северному полюсу и от 0 до -90 к южному. p + = 90 . Положение часового круга определяется часовым углом t . Часовым углом светила М называется дуга небесного экватора Qm от верхней точки Q небесного экватора до часового круга PMmP′, проходящего через светило. Часовые углы отсчитываются в сторону суточного обращения небесной сферы, к западу от Q в пределах от 0 до360 или от 0 до 24 часов. Система координат используется в практической астрономии для определения точного времени и суточного вращения неба. Определяет Суточное движение Солнца, Луны и других светил.

4 Вторая экваториальная система координат

Одной координатной является склонение , другой прямое восхождение α . Прямое восхождение α светила М называется дуга небесного экватора ♈m от точки весеннего равноденствия ♈ до часового круга, проходящего через светило. Отсчитывается в сторону противоположную суточному вращению в пределах от 0 до до 360 или от 0 до 24 часов. Система используется для определения звёздных координат и составления каталогов. Определяет годичное движение Солнца и других светил.

5 Высота полюса мира над горизонтом, высота светила в меридиане

Высота полюса мира над горизонтом всегда равна астрономической широте места наблюдателя:

1. Если склонение светила меньше географической широты , то оно кульминирует к югу от зенита на z = φ - δ или на высоте h = 90 - φ + δ
2. Если склонение светила равно географической широте , то оно кульминирует в зените и z = 0 , а h = + 90
3. Если склонение светила больше географической широты , то оно кульминирует к северу от зенита на z = с - φ или на высоте h = 90 + φ - с

6 Условия для восхода и заката светил

незаходящие светила .

кульминацией светила .

верхняя кульминация , если нижнюю - нижняя кульминация .

Для наблюдателя на полюсах будут только незаходящие светила .

Явление пересечения светилом небесного меридиана называется кульминацией светила .

Если светило пересекает верхнюю часть меридиана - наступает верхняя кульминация , если нижнюю - нижняя кульминация .

Звёздный купол для земного наблюдателя находится в непрерывном вращении. Если, будучи в Северном полушарии планеты, в безлунную и безоблачную ночь достаточно долго смотреть в северную часть неба, станет заметно, что вся бриллиантовая россыпь звёзд вращается вокруг одной неприметной тусклой звёздочки (это только неучи рассказывают, что Полярная звезда - самая яркая). Часть светил скрывается за горизонтом в западной части небосклона, их место занимают другие.

Карусель длится до самого утра. Но на следующий день, в это же время, каждая звёздочка вновь оказывается на своём месте. Координаты звёзд относительно друг друга изменяются столь медленно, что для людей они кажутся вечными и неподвижными. Не случайно наши предки представляли себе небо твёрдым куполом, а звёзды - отверстиями в нём.

Странная звезда - точка отсчёта

Давным-давно наши предки обратили внимание на одну странную звёздочку. Особенностью её является неподвижность на небесном склоне. Она как бы зависла в одной точке над северной кромкой горизонта. Все же остальные небесные светила описывают вокруг неё правильные концентрические окружности.

В каких только образах не представала эта звезда в воображении древних астрономов. Например, у арабов она считалась золотым колом, вбитым в небесную твердь. Вокруг же этого кола скачет золотой жеребец (мы называем Большой Медведицей), привязанный к нему золотым арканом (созвездие Малой Медведицы).

Именно с этих наблюдений и берут своё начало небесные координаты. Вполне естественно и логично неподвижная звезда, которую мы называем Полярной, стала для астрономов отправной точкой определения местоположения объектов на небесной сфере.

Кстати, нам, жителям Северного полушария, крупно повезло со звёздным компасом. Волею случая, из тех, что бывают один на миллион, точно на линии оси вращения планеты находится наша Полярная звезда, благодаря которой в любом месте полушария легко можно определить точное положение относительно сторон света.

Первые звёздные координаты

Не сразу появились технические средства для точного измерения углов и расстояний, однако хоть как-то систематизировать и рассортировать звёзды люди стремились давно. И пусть приборы, которыми владела древняя астрономия, координаты звёзд в привычном для нас оцифрованном виде определять не позволяли, это с лихвой компенсировалось воображением.

Издревле жители всех частей света делили звёзды на группы, именуемые созвездиями. Чаще всего созвездиям давались имена исходя из внешнего сходства с теми или иными предметами. Так созвездие Большой Медведицы славяне называли просто ковшом.

Но наибольшее распространение получили названия созвездий, данные в честь персонажей древнегреческого эпоса. Можно, пусть и с некоторой натяжкой, сказать, что названия созвездий и звёзд на небе и есть их первые примитивные координаты.

Жемчужины неба

Не обошли своим вниманием астрономы и самые красивые яркие звёзды. Они также получили названия в честь эллинских богов и героев. Так альфа и бета созвездия Близнецов названы соответственно Кастор и Поллукс по именам сыновей Зевса, громовержца, рождённых после его очередного любовного приключения.

Особого внимания заслуживает звезда Алголь, альфа По преданию, этот герой, одолев в смертельной битве исчадие мрачного Тартара - горгону Медузу, взглядом обращающую всё живое в камень, захватил с собой её голову в качестве своеобразного оружия (глаза даже отрубленной головы продолжали «работать»). Так вот, звезда Алголь является в созвездии глазом этой самой и это не совсем случайно. Древнегреческие наблюдатели обратили внимание на периодические изменения яркости Алголь (двойная звёздная система, компоненты которой периодически перекрывают друг друга для земного наблюдателя).

Естественно, «подмигивающая» звезда и стала глазом сказочного монстра. Координаты звезды Алголь на небосклоне: прямое восхождение - 3 ч 8 мин, склонение +40°.

Небесный календарь

Но не следует забывать, что Земля вращается не только вокруг своей оси. Каждые 6 месяцев планета оказывается с другой стороны Солнца. Картина ночного неба при этом, естественно, меняется. Это издавна стало использоваться звездочётами для точного определения времён года. Например, в Древнем Риме учащиеся с нетерпением ждали, когда на утреннем небе станет появляться Сириус (его название у римлян звучало Каникула), ибо в эти дни их отпускали домой на отдых. Как видно, звёздное название этих ученических отпусков сохранилось по сей день.

Кроме школьных каникул, положение объектов на небосклоне определяло начало и окончание морских и речных навигаций, давало старт военным походам, сельскохозяйственным мероприятиям. Авторами первых подробных календарей в разных частях света являлись именно астрологи, звездочёты, жрецы храмов, научившиеся точно определять координаты звёзд. На всех континентах, где находятся остатки древних цивилизаций, обнаруживаются целые каменные комплексы, построенные для и измерений.

Горизонтальная система координат

Показывает координаты звёзд и других объектов на небесной сфере в режиме «здесь и сейчас» относительно горизонта. Первая координата - это высота объекта над горизонтом. Величина угловая, измеряется в градусах. Максимальное значение +90° (зенит). Нулевое значение координаты имеют светила, расположенные на линии горизонта. И наконец, минимальное значение высоты -90° имеют объекты, находящиеся в точке надира или у наблюдателя «под ногами» - зенит наоборот.

Второй координатой служит азимут − угол между горизонтальными линиями, направленными на объект и на север. Ещё эту систему называют топоцентрической из-за привязки координат к определённой точке на земном шаре.

Система не лишена недостатков. Обе координаты каждой звезды в ней меняются ежесекундно. Поэтому она мало подходит для описания, скажем, расположения звёзд в созвездиях.

Звёздные ГЛОНАСС и GPS

А как же используется такая система? Если перемещаться по планете на достаточно большие расстояния, звёздная картинка, безусловно, будет меняться. Это было замечено ещё древними мореплавателями. У наблюдателя, стоящего на самом Северном полюсе, Полярная звезда окажется в зените, прямо над головой. А вот житель экватора сможет видеть Полярную только лежащей на линии горизонта. Перемещаясь же вдоль параллелей (с востока на запад), путешественник заметит, что точки и время восхода-заката тех или иных небесных объектов также изменятся.

Этим и научились пользоваться мореплаватели для определения своего местоположения в океанах. Измерив угол возвышения над горизонтом Полярной звезды, штурман судна получал значение широты. Используя точный хронометр, моряки сравнивали время местного полдня с эталонным (гринвичским) и получали долготу. Обе земные координаты, как видно, невозможно было получить, не вычислив координаты звёзд и других небесных тел.

При всей своей сложности и приблизительности описанная система определения местоположения в пространстве верой и правдой служила путешественникам на протяжении более чем двух веков.

Экваториальная первая система звёздных координат

В ней небесные координаты привязаны как к поверхности земли, так и к ориентирам на небосклоне. Первой координатой является склонение. Измеряется угол между линией, направленной на светило, и плоскостью экватора (плоскость, перпендикулярная оси мира - линии направления на Полярную звезду). Таким образом, для неподвижных объектов неба, таких как звёзды, эта координата всегда остаётся неизменной.

Второй координатой в системе будет угол между направлением на звезду и небесным меридианом (плоскость, в которой скрещиваются ось мира и отвес). Таким образом, вторая координата зависит от положения наблюдателя на планете, а также момента времени.

Использование этой системы весьма специфично. Ею пользуются при установке и отладке механизмов телескопов, смонтированных на поворотных платформах. Такой прибор может «следить» за объектами, вращающимися вместе с небесным куполом. Это делается для повышения времени экспозиции при фотографировании участков неба.

Экваториальная №2 звёздная

А как на небесной сфере определяют координаты звёзд? Для этого существует вторая экваториальная система. Оси её неподвижны относительно удалённых космических объектов.

Первой координатой, как и у первой экваториальной системы, является угол между светилом и плоскостью небесного экватора.

Вторая координата называется прямым восхождением. Это угол между двумя линиями, лежащими на плоскости небесного экватора и пересекающимися в точке его пересечения с осью мира. Первая линия прокладывается до точки весеннего равноденствия, вторая - до точки проекции светила на небесный экватор.

Угол прямого восхождения откладывается по дуге небесного экватора по часовой стрелке. Он может измеряться как в градусах от 0° до 360°, так и в системе «часы: минуты». Каждый час равен 15 градусам.

Как измерить прямое восхождение светила, показывает схема.

Какими ещё бывают координаты звёзд?

Для определения нашего места среди других звёзд ни одна из перечисленных выше систем не подходит. Положение ближайших светил учёные фиксируют в эклиптической системе координат. Она отличается от второй экваториальной тем, что базовой плоскостью является плоскость эклиптики (плоскость, в которой лежит земная орбита вокруг Солнца).

И наконец, для определения расположения ещё более далёких объектов, таких как галактики, туманности, используется галактическая система координат. Нетрудно догадаться, что в ней за основу взята плоскость галактики Млечный Путь (так называется наша родная спиральная галактика).

Так ли всё идеально?

Не совсем. Координаты полярной звезды, а именно склонение, составляет 89 градусов 15 минут. Это значит, что почти на градус она находится в стороне от полюса. Для ориентирования на местности, если заблудившийся человек ищет дорогу, такое расположение идеально, а вот для планирования курса судна, которому предстоит пройти тысячи миль, приходилось делать поправку.

Да и неподвижность звёзд - явление кажущееся. Тысячу лет назад (совсем немного по космическим меркам) созвездия имели совсем иные очертания.

Так учёные долго не могли определить, для чего в пирамиде Хеопса от погребальной камеры уходит наклонный туннель на поверхность одной из граней. Выручила астрономия. Координаты самых ярких звёзд в разные периоды времени были вычислены досконально, и астрономы подсказали, что в период строительства пирамиды точно на линии, куда «смотрит» этот туннель, находилась звезда Сириус - символ бога Осириса, знак вечной жизни.

Урок по астрономии
Тема: «Небесные координаты» (технологическая карта урока)

Планируемые образовательные результаты

Конспект урока

Выбираем картинку, отвечаем на вопрос. Проверяем правильность и полноту ответа.
1. Как называется данное созвездие? Что называется созвездием и сколько созвездий на небесной сфере?
Созвездием называется участок небесной сферы, границы которого определены специальным решением Международного астрономического союза (МАС). Всего на небесной сфере 88 созвездий.

2. Как называется данное созвездие?
Созвездие Водолея.

3. Как называется созвездие? И каково его происхождение?
Весы. Одно из неживых зодиакальных созвездий. Происхождение названия этого созвездия связывают также миф о богине Фемиде. Не только громовержец Зевс хранит законы Олимпа, но и мать Прометея, богиня Фемида. Она созывает на вечном Олимпе собрания богов и следит за порядком и законом. В руках у нее весы - знак правосудия.
4. Что такое небесная сфера?
Воображаемая сфера произвольного радиуса с центром в произвольной точке, на поверхности которой нанесены положения светил так, как они видны на небе в некоторый момент времени из данной точки.

5. Как называется кажущееся явление? Что такое ось мира?
Кажущееся явление вращения небесной сферы вокруг полярной звезды отражает действительное вращение земного шара вокруг своей оси. Ось параллельная оси видимого вращения небесной сферы, называют осью мира.

6 . Как называется самая яркая звезда в созвездии Волопаса .
Созвездие Волопаса, самая яркая звезда этого созвездия Арктур. Её можно найти по продолжению хвоста Большой медведицы.

7. Что называют эклиптикой?
Годичный путь Солнца, проходящего через 12 зодиакальных созвездия.

8. Чем отличаются планеты от звёзд при наблюдении невооружённым глазом?
И планета, и звезда характеризуются свечением, по которому, могут быть замечены с Земли. Однако звезда - это самосветящийся объект. В то время как планета светится за счет света, отраженного от звезд. Стало быть, излучение планет в разы слабее звездного. Для звезд более характерно мерцание, вызванное колебанием воздуха. Планеты, в свою очередь, светят равномерно, хоть и более тускло.

9. Что такое видимая звёздная величина?
Видимая звёздная величина m указывает поток излучения вблизи наблюдателя, т. е. наблюдаемую яркость небесного источника, которая зависит не только от реальной мощности объекта, но и от расстояния до него.

Основная часть:
Как точно описать положение светила на небе? Куда направить свой взгляд или телескоп, чтобы увидеть то, что интересует наблюдателя.
Математики давно применяют способ описания точки в пространстве с помощью системы координат. Существуют такие системы координат, в которых положение объекта характеризуется не линейные, а угловые. (Географические координаты - широта и долгота - являются углами, определяющими положение точки на поверхности Земли.
Для описания взаимных положений видимых движений светил удобно разместить все светила на внутренней поверхности воображаемой сферы в центре наблюдатель. Такая сфера получила название небесной.
Ось, параллельная оси видимого вращения небесной сферы, называют осью мира.
Ось мира пересекает небесную сферу в двух точках - полюсах мира.

Из «Небесного атласа» А. Целлариуса 1660 г. Армиллярная сфера Тихо Браге

Небесный экватор и небесный меридиан.
Небесным экватором называется большой круг, перпендикулярный оси мира.
Небесным меридианом называется большой круг небесной сферы, проходящий через полюс мира Р, южный полюс мира Р".

Горизонтальная система координат: Основной плоскостью горизонтальной системы координат является математический горизонт NWSE , а отчёт ведётся от Z зенита и от одной из точек математического горизонта. Одной координатной является зенитное расстояние z (Зенитное расстояние к югу zв = φ - δ; к северу zн = 180 - φ - δ) или высота светила над горизонтом h . Высотой h светила М называется высота вертикального круга mМ от математического горизонта до светила, или центральный угол mOM между плоскостью математического горизонта и направлением на светило М . Высоты отсчитываются от 0 до 90 к зениту и от 0 до -90 к надиру. Зенитным расстоянием светила называется дуга вертикального круга ZM от светила до зенита . z + h = 90 (1). Положение самого вертикального круга определяется дугой координатной - азимутом А . Азимутом А называется дуга математического горизонта Sm от точки юга S до вертикального круга, проходящего через светило. Азимуты отсчитывается в сторону вращения небесной сферы , т.е. к западу от точки юга, в пределах от 0 до 360. Система координат используется для непосредственных определений видимых положений светил с помощью угломерных инструментов.

Первая экваториальная система координат: Начало отсчёта - точка небесного экватора Q . Одной координатной является склонение. Склонением называется дуга mM часового круга PMmP′ от небесного экватора до светила. Отсчитываются от 0 до +90 к северному полюсу и от 0 до -90 к южному. p + = 90 . Положение часового круга определяется часовым углом t . Часовым углом светила М называется дуга небесного экватора Qm от верхней точки Q небесного экватора до часового круга PMmP′, проходящего через светило. Часовые углы отсчитываются в сторону суточного обращения небесной сферы, к западу от Q в пределах от 0 до360 или от 0 до 24 часов. Система координат используется в практической астрономии для определения точного времени и суточного вращения неба. Определяет Суточное движение Солнца, Луны и других светил.

Вторая экваториальная система координат: Одной координатной является склонение , другой прямое восхождение α . Прямое восхождение α светила М называется дуга небесного экватора ♈ m от точки весеннего равноденствия ♈ до часового круга, проходящего через светило. Отсчитывается в сторону противоположную суточному вращению в пределах от 0 до до 360 или от 0 до 24 часов. Система используется для определения звёздных координат и составления каталогов. Определяет годичное движение Солнца и других светил.

Высота полюса мира над горизонтом, высота светила в меридиане
Высота полюса мира над горизонтом всегда равна астрономической широте места наблюдателя:
Если склонение светила меньше географической широты, то оно кульминирует к югу от зенита на z = φ - δ или на высоте h = 90 - φ + δ
Если склонение светила равно географической широте, то оно кульминирует в зените и z = 0, а h = + 90
Если склонение светила больше географической широты, то оно кульминирует к северу от зенита на z = с - φ или на высоте h = 90 + φ - с

Задача 1.
Звезды с каким склонением будут кульминировать в зените на широте Москвы (55° 45′ с.ш. 37° 37′ в.д.)?

Вспоминаем самые необходимые формулы для решения задач на связь широты, высоты и склонения:
К югу от зенита - h вк =90 ∘ −φ+δ , или иначе h вк =90 ∘ +(δ−φ) &
h нк =δ−(90 ∘ −φ) , или иначе h нк =δ+φ−90 ∘ .
К северу от зенита - h вк =90 ∘ −δ+φ , или иначе h вк =90 ∘ −(δ−φ) .
h нк =δ−(90 ∘ −φ) , или иначе h нк =δ+φ−90 ∘ .
В зените на широте Москвы светила будут в верхней кульминации. Подумайте, а могут быть в нижней? Поэтому мы применяем формулу для верхней кульминации. Какую? К югу или к северу от зенита? Очевидно, что формулы высоты верхней кульминации к югу или к северу от зенита не должны иметь разрыва в переходной точке (h = 90°). Из формул видно, что можно применять любую.
h ю =90 ∘ +(δ−φ)=h с =90 ∘ −(δ−φ)=90 ∘ - высота зенита. Из формул видно, что δ = φ . Ответ 55° 45′
Задача 2.
На какой высоте находится Полюс мира на широте Москвы (55° 45′ с.ш. 37° 37′ в.д.)?

Полюс мира примечателен тем, что имеет склонени δ = 90 ∘ .
Звезда, находящаяся в полюсе мира будет иметь постоянную высоту h = φ .
Попробуйте это вывести из формул верхней и нижней кульминации. Какую формулу надо выбрать? Подойдет ли любая формула и почему?
Задача 3.
Какое склонение имеет незаходящая звезда, которая едва касается горизонта на широте Москвы (55° 45′ с.ш. 37° 37′ в.д.)? Оптическими эффектами пренебречь.

По условию звезда на широте Москвы незаходящая, но тем не менее иногда касается горизонта. В какой момент это может случиться? Видно, что в момент нижней кульминации, т.к. в момент верхней кульминации ее высота будет не меньше. Запишем формулу высоты в нижней кульминации: h нк =δ+φ−90 0
Чему равна высота на горизонте? Правильно, нулю. Отсюда склонение и широта комплементарны до 90 0 (δ+φ=90 0 ). Ответ: 37° 37′

Д.З. § 4
Карточка 1. Чему равно склонение точки зенита на географической широте Минска (ᵠ = 53 о 54 / )?
Карточка 2. В каком созвездии сегодня находится Полюс Эклиптики? На каких географических параллелях звезда Капелла (δ=+45°58") не заходит за горизонт, никогда не видна и в нижней кульминации проходит в надире?

Карточка 3. Определить зенитное расстояние, высоту, азимут и часовой угол звезды Капеллы (а Возничего) в верхней и нижней кульминации на северном тропике (φ=+23°27"), на географической широте φ=+45°58" и на северном полярном круге (φ=+66°33"). Склонение Капеллы δ=+45°58".