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. 3651/4 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. 3651/4 солнечных суток и ок. 3661/4 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.
Ответь на вопросы викторины «Астрономия»