РЕФЕРАТ
по астрономии
на тему
« СИСТЕМА НЕБЕСНЫХ КООРДИНАТ »
Выполнил ученик 11 класса «__ _»
средней общеобразовательной школы №_____
Фамилия И.О.
Москва, 2005
2. Экваториальная система небесных координат 4
3. Эклиптическая система небесных координат 6
4. 7
5. Изменение координат при вращении небесной сферы 8
6. Использование различных систем координат 8
Системы небесных координат используются в астрономии для описания положения светил на небе или точек на воображаемой небесной сфере . Небесные координаты вводятся на геометрически правильной поверхности небесной сферы координатной сеткой, подобной сетке меридианов и параллелей на Земле. Координатная сетка определяется двумя плоскостями: плоскостью экватора системы и связанными с ним двумя полюсами, а также плоскостью начального меридиана.
В астрономии применяют несколько систем небесных координат, удобных для решения различных научных и практических задач. При этом используются известные плоскости, круги и точки небесной сферы.
В зависимости от стоящей задачи, может быть более удобным использовать ту или иную систему. Наиболее часто используются горизонтальная и экваториальные системы координат . Реже - эклиптическая , галактическая и другие .
1. Горизонтальная система небесных координат
В горизонтальной системе небесных координат основным кругом служит математический, или истинный, горизонт, а координатой, аналогичной географической широте, - высота светила (над горизонтом) h . Она отсчитывается от плоскости горизонта со знаком «плюс» в видимом полушарии небесной сферы и со знаком «минус» - в невидимом, под горизонтом; таким образом, высоты, так же как и широты на Земле, могут принимать значения от + 90 до - 90°. Круг небесной сферы, на котором все точки имеют равные высоты, аналогичный географической параллели, называется альмукантаратом . Взамен высоты в астрономии часто используется зенитное расстояние z = 90° - h. Геометрически зенитное расстояние z представляет собой угол между направлениями на зенит и на объект; оно всегда положительно и принимает значения в пределах от 0 (для точки зенита) до 180° (для точки надира).
Аналогом географической долготы в горизонтальной системе координат служит азимут , представляющий собой двугранный угол между плоскостью вертикала, проходящего через зенит и рассматриваемую точку, и плоскостью небесного меридиана.
Поскольку обе указанные плоскости перпендикулярны плоскости математического горизонта, мерой двугранного угла может служить соответствующий угол между их следами в горизонтальной плоскости (альфа). В геодезии принято отсчитывать азимуты от направления на точку севера по часовой стрелке (через точки востока, юга и запада) от 0 до 360°. В астрономии азимуты отсчитываются в том же направлении, однако часто начиная от точки юга. Тем самым астрономические и геодезические азимуты отличаются друг от друга на 180°, поэтому важно при решении той или иной задачи на небесной сфере выявить, с каким именно азимутом приходится иметь дело.
Частным случаем понятия «азимут» служат долго применявшиеся в мореплавании и метеорологии румбы . В морской навигации окружность горизонта делилась на 32 румба; в метеорологии - на 16. Направления на север, восток, юг и запад называют главными румбами. Остальные направления называются по имени главных, например: северо-запад или юго-восток, соответственно, между севером и западом, югом и востоком. Еще более дробные румбы именуют так: румб между севером и северо-западом называют северо-северо-западом; между востоком и юго-востоком - восток-юго-восток и т.д. Таким образом, румб является округленным значением азимута.
2. Экваториальная система небесных координат
В экваториальной системе небесных координат исходной плоскостью служит небесный экватор. Координатой, аналогичной географической широте на Земле, в этом случае является склонение светила , угол между направлением на объект и плоскостью небесного экватора. Склонение отсчитывается по так называемому часовому кругу от плоскости небесного экватора со знаком «плюс» в северном полушарии небесной сферы и со знаком «минус» - в южном; оно может принимать значения в пределах от + 90 до - 90 °. Геометрическим местом точек с равными склонениями является суточная параллель .
Другая координата в экваториальной системе вводится двумя способами .
В первом случае начальной плоскостью служит плоскость небесного меридиана места наблюдений; координата, аналогичная земной долготе, в этом случае называется часовым углом и измеряется в часовой мере - часах, минутах и секундах. Часовой угол отсчитывается от южной части небесного меридиана в направлении суточного вращения неба до часового круга светила. Вследствие вращения небосвода часовой угол одного и того же светила в течение суток меняется в пределах от 0 до 24 ч. Такая система небесных координат носит название первой экваториальной . Часовой угол зависит не только от времени наблюдений, но и от места наблюдений на земной поверхности.
Во втором случае начальной плоскостью служит плоскость, проходящая через ось мира и точку весеннего равноденствия, которая вращается вместе со всей небесной сферой. Координата, аналогичная земной долготе, в этом случае называется прямым восxождением (альфа) и отсчитывается в часовой мере в направлении, обратном направлению вращения звездного неба. Для разных светил она имеет значения от 0 до 24 ч. Однако, в отличие от часовых углов, величина прямого восхождения одного и того же светила не меняется вследствие суточного вращения небосвода и не зависит от места наблюдений на поверхности Земли. Склонения и прямые восхождения называются второй экваториальной системой небесных координат. Эта система используется в звездных каталогах и на звездных картах.
3. Эклиптическая система небесных координат
В эклиптической системе основной плоскостью служит плоскость эклиптики . Чтобы определить положение светила, проводят через него и полюс эклиптики большой круг, который называется кругом широты данного светила. Его дуга от эклиптики до светила называется эклиптической широтой (или просто широтой). Широта является первой координатой в этой системе небесных координат (бета). Она отсчитывается от 0 до 90° со знаком «плюс» в сторону северного полюса эклиптики и со знаком «минус» в сторону ее южного полюса. Вторая координата - эклиптическая долгота (или просто долгота (ламбда); она отсчитывается от плоскости, проходящей через полюса эклиптики и точку весеннего равноденствия, в направлении годичного движения Солнца и может принимать значения от 0 до 360°. Координаты звезд в эклиптической системе не меняются в течение суток и не зависят от места наблюдений.
Эклиптическая система исторически появилась раньше второй экваториальной. Она была удобной потому, что древние угломерные инструменты, такие, например, как армиллярная сфера, были приспособлены для измерения непосредственно эклиптических координат Солнца, планет и звезд. В связи с этим эклиптическая система является основой всех старинных звездных каталогов и атласов звездного неба.
4. Галактическая система небесных координат
Галактическая система небесных координат используется для изучения нашей Галактики, она стала применяться сравнительно недавно. Основной плоскостью в ней служит плоскость галактического экватора, т. е. плоскость симметрии Млечного Пути. Галактические широты b отсчитываются к северу и к югу от экватора Галактики соответственно со знаками «плюс» и «минус». Галактические долготы l отсчитываются в направлении возрастающих прямых восхождений от плоскости, проходящей через полюса Галактики и точку пересечения экватора Галактики с небесным экватором. Эклиптические и галактические координаты получаются путем вычислений из экваториальных, которые определяются непосредственно из астрономических наблюдений.
Системы небесных координат подразделены также в зависимости от положения их центра в пространстве. Так, топоцентрической называют систему небесных координат, центр которой находится в какой-либо точке на поверхности Земли. Если для решения поставленной задачи используется система координат с центром в центре Земли, то ее называют геоцентрической системой небесных координат . Аналогичным образом систему с центром в центре Луны называют селеноцентрической , с центром в одной из планет - планетоцентрической (или более детально: для Марса - а р е о-центрической , для Венеры - афро-центрической и т. п.). Система небесных координат с центром в центре Солнца называется гелиоцентрической .
5. Изменения координат при вращении небесной сферы
Высота h , зенитное расстояние z , азимут A и часовой угол t светил постоянно изменяются вследствие вращения небесной сферы, так как отсчитываются от точек, не связанных с этим вращением.
Склонение δ , полярное расстояние p и прямое восхождение α светил при вращении небесной сферы не изменяются, но они могут меняться из-за движений светил, не связанных с суточным вращением.
6. Использование различных систем координат
Горизонтальная система координат используется для определения направления на светило с помощью угломерных инструментов и при наблюдениях в телескоп , смонтированный на азимутальной установке .
Первая экваториальная система координат используется для определения точного времени и при наблюдениях в телескоп, смонтированный на экваториальной установке .
Вторая экваториальная система координат является общепринятой в астрометрии . В этой системе составляются звёздные карты и описываются положения светил в каталогах.
Эклиптическая система координат используется в теоретической астрономии при определении орбит небесных тел.
Список используемой литературы
Учебная литература:
- Подобед В.В. Фундаментальная астрометрия. Установление фундаментальной системы небесных координат. – М.: Наука, 1968 г.
- Клищенко А.П., Шупляк В.И. Астрономия. – М.: Новое знание, 2004 г.
- Большая Советская Энциклопедия (на CD)
Источники сети Интернет:
3. www.astronomer.narod.ru
Для определения местонахождения небесного тела используют ту или иную систему небесных координат. В зависимости оттого, какой из кругов небесной сферы выбирается для построения координатной сетки, эти системы называются эклиптической системой координат или экваториальной . Для определения координат на земной поверхности используют географическую систему координат . Рассмотрим все указанные системы.
Эклиптическая система координат. Эклиптическая система координат наиболее часто используется астрологами. Эта система заложена во всех старинных атласах звёздного неба. Эклиптическая система строится на плоскости эклиптики. Положение небесного тела в этой системе определяется двумя сферическими координатами – эклиптической долготой (или просто долготой) и эклиптической широтой.
Эклиптическая долгота L отсчитывается от плоскости, проходящей через полюса эклиптики и точку весеннего равноденствия
в направлении годичного движения Солнца, т.е. по ходу знаков Зодиака (рис. 3.3 ). Долгота измеряется от 0° до 360°.
Эклиптическая широта В – угловое расстояние от эклиптики в сторону полюсов. Значение В положительно в сторону северного полюса эклиптики, отрицательно – в сторону южного. Измеряется от +90° до –90°.
Рис.3.3. Эклиптическая система небесных координат.
Экваториальная система координат. Экваториальная система координат также иногда используется астрологами. Эта система строится на небесном экваторе, совпадающем с земным экватором (рис. 3.4 ). Положение небесного тела в этой системе определяется двумя координатами – прямым восхождением и склонением.
Прямое восхождение α отсчитывают от точки весеннего равноденствия 0°
в сторону против суточного вращения небесной сферы. Измеряется либо в пределах от 0° до 360°, либо в единицах времени – от 0 час. до 24 час. Склонение δ – это угол между небесным экватором и полюсом (аналогично широте в эклиптической системе) и измеряется от –90° до +90°.
Рис.3.4. Экваториальная система небесных координат
Географическая система координат. Определяется географической долготой и географической широтой. В астрологии используется для координат места рождения.
Географическая долгота λ отсчитывается от гринвичского меридиана со знаком + к востоку и – к западу от – 180° до +180° (рис. 3.5 ). Иногда географическую долготу измеряют в единицах времени от 0 до 24 час, отсчитывая её к востоку от Гринвича.
Географическая широта φ отсчитывается вдоль меридианов в направлении географических полюсов со знаком + к северу, со знаком – к югу от экватора. Географическая широта принимает значение от – 90° до + 90°.
Рис.3.5. Географические координаты
Прецессия
Астрономы древности считали, что ось вращения Земли неподвижна относительно звёздной сферы, но Гипарх (160 лет до н.э.) открыл, что точка весеннего равноденствия медленно движется навстречу годичному движению Солнца, т.е. против хода зодиакальных созвездий. Это явление получило название прецессии .
Смещение составляет 50"3,1"" за год. Полный круг точка весеннего равноденствия совершает за 25 729 лет, т.е. 1° проходит приблизительно за 72 года. Ориентиром на небесной сфере служит северный полюс мира. Вследствие прецессии он медленно перемещается среди звёзд вокруг полюса эклиптики по окружности сферического радиуса 23°27". В наше время он всё ближе подходит к Полярной звезде.
Сейчас угловое расстояние между Северным полюсом мира и Полярной звездой составляет 57". На самое близкое расстояние (28") он подойдёт в 2000 году, а через 12 000 лет он окажется вблизи самой яркой звезды Северного полушария Веги.
Измерение времени
Вопрос измерения времени решается на протяжении всей истории развития человечества. Трудно себе представить более сложное понятие, чем время. Величайший философ древнего мира Аристотель за четыре столетия до нашей эры писал, что среди неизвестного в окружающей нас природе самым неизвестным является время, ибо никто не знает, что такое время и как им управлять.
Измерение времени основано на вращении Земли вокруг своей оси и на обращении её вокруг Солнца. Эти процессы непрерывны и имеют достаточно постоянные периоды, что позволяет использовать их в качестве естественных единиц измерения времени.
В силу того, что орбита Земли представляет собой эллипс, движение Земли происходит по ней с неравномерной скоростью, и, следовательно, скорость видимого движения Солнца по эклиптике происходит также неравномерно. Все светила за сутки в своём видимом движении дважды пересекают небесный меридиан. Пересечение небесного меридиана центром светила называется кульминацией светила (кульминация – слово латинское и в переводе означает «вершина»). Различают верхнюю и нижнюю кульминации светила. Промежуток времени между кульминациями называется полусуток . Момент верхней кульминации центра Солнца называется истинным полднем , а момент нижней – истинной полночью . Как верхняя, так и нижняя кульминации могут служить началом или концом промежутка времени (суток), выбранного нами в качестве единицы.
Если в качестве основной точки для определения продолжительности суток выберем центр истинного Солнца , т.е. центр того солнечного диска, который мы видим на небесной сфере, то получим единицу времени, называемую истинными солнечными сутками .
При выборе в качестве основной точки так называемого среднего экваториального Солнца , т.е. некоторой фиктивной точки, двигающейся по экватору с постоянной скоростью движения Солнца по эклиптике, получим единицу времени, называемую средними солнечными сутками .
Если в качестве основной точки при определении продолжительности суток выбрать точку весеннего равноденствия , то получим единицу времени, называемую звёздными сутками . Звёздные сутки короче солнечных на 3 мин. 56,555 сек. Местные звёздные сутки – это промежуток времени от момента верхней кульминации точки Овна
на местном меридиане до данного момента времени. В определённой местности каждая звезда кульминирует всегда на одной и той же высоте над горизонтом, потому что её угловое расстояние от полюса мира и от небесного экватора не меняется. Солнце и Луна, напротив, меняют высоту, на которой они кульминируют. Промежутки между кульминациями звёзд на четыре минуты короче, чем промежутки между кульминациями Солнца. Солнце за сутки (время одного оборота небесной сферы), успевает сдвинуться относительно звёзд к востоку – в сторону, противоположную суточному вращению неба, на расстояние около 1°, так как небесная сфера делает полный оборот (360°) за 24 часа (15° – за 1 час, 1°– за 4 минуты).
Кульминации Луны ежесуточно запаздывают на целых 50 минут, так как Луна делает приблизительно один оборот навстречу вращению неба за месяц.
На звёздном небе планеты не занимают постоянного места, так же как Луна и Солнце, поэтому на карте звёздного неба, как и на картах космограмм и гороскопов, положение Солнца, Луны и планет можно указать лишь для определённого момента времени.
Поясное время. Поясным временем (Тп) какого-либо пункта называется местное среднее солнечное время основного географического меридиана того часового пояса, в котором этот пункт расположен. Для удобства определения времени поверхность Земли разделена 24 меридианами – каждый из них отстоит от соседнего ровно на 15° по долготе. Эти меридианы определяют 24 часовых пояса. Границы часовых поясов отстоят от каждого из соответствующих меридианов на 7,5° к востоку и западу. Время одного и того же пояса в каждый момент для всех его пунктов считается одинаковым. Нулевым считается гринвичский меридиан. Также была установлена линия перемены даты, т.е. условная линия, на запад от которой календарная дата для всех часовых поясов восточной долготы будет больше на один день по сравнению со странами, расположенными на часовых поясах западной долготы.
В России поясное время было введено в 1919 году. Приняв за основу международную систему часовых поясов и существовавшие тогда административные границы, на карту РСФСР были нанесены часовые пояса от II до XII включительно (см. Приложение 2, Табл. 12 ).
Местное время. Время в любом измерении, будь то звёздное, истинное солнечное или среднее солнечное время какого-нибудь меридиана, называется местным звёздным, местным истинным солнечным и местным средним солнечным временем. Все точки, лежащие на одном меридиане, в один и тот же момент будут иметь одинаковое время, которое называется местным временем LT (Local Time). На различных меридианах местное время различно, т.к. Земля, вращаясь вокруг своей оси, последовательно поворачивает к Солнцу разные части поверхности. Солнце восходит и день наступает не во всех местах земного шара одновременно. К востоку от Гринвичского меридиана местное время увеличивается, а к западу – уменьшается. Местное время используется астрологами для нахождения так называемых полей (домов) гороскопа.
Всемирное время. Местное среднее солнечное время гринвичского меридиана называется всемирным или мировым временем (UT, GMT). Местное среднее солнечное время какого-либо пункта на земной поверхности определяется географической долготой этого пункта, выраженной в часовой мере и отсчитываемой от Гринвичского меридиана. К востоку от Гринвича время считается положительным, т.е. оно больше, чем в Гринвиче, а к западу от Гринвича – отрицательным, т.е. время в местностях западнее Гринвича меньше гринвичского.
Декретное время (td) – время, введённое на всей территории Советского Союза 21 июня 1930 г. Отменено 31 марта 1991 г. Вновь введено на территории СНГ и России с 19 марта 1992 г.
Эфемеридное время. Неравномерность шкалы всемирного времени привела к необходимости введения новой шкалы, определяемой орбитальными движениями тел Солнечной системы и представляющей шкалу изменения независимой переменной дифференциальных уравнений ньютоновой механики, положенных в основу теории движения небесных тел. Эфемеридная секунда равна 1/31556925,9747 части тропического года (см.) начала нашего столетия (1900 г.). Знаменатель этой дроби соответствует числу секунд в тропическом году 1900. Эпоха 1900 г. выбрана в качестве нуль-пункта шкалы эфемеридного времени. Начало этого года соответствует моменту, когда Солнце имело долготу 279°42".
Сидерический, или звёздный год. Это промежуток времени, в течение которого Солнце при своём видимом годовом движении вокруг Земли по эклиптике описывает полный оборот (360°) и возвращается в прежнее положение относительно звёзд.
Тропический год. Это промежуток времени между двумя последовательными прохождениями Солнца через точку весеннего равноденствия. В силу прецессионного движения точки весеннего равноденствия навстречу движению Солнца тропический год несколько короче сидерического.
Аномалистический год. Это промежуток времени между двумя последовательными прохождениями Земли через перигелий.
Календарный год. Календарный год используют для счёта времени. Он содержит целое число дней. Длина календарного года выбрана с ориентацией на тропический год, поскольку правильное периодическое возвращение времён года связано именно с продолжительностью тропического года. А так как тропический год не содержит целого числа дней, пришлось при построении календаря прибегнуть к системе вставки дополнительных дней, которые компенсировали бы накопившиеся за счёт дробной части тропического года дни. В юлианском календаре, введённом Юлием Цезарем в 46 году до н.э. при содействии александрийского астронома Созигена, простые годы содержали 365 дней, високосные – 366. Таким образом, средняя продолжительность года в юлианском календаре была больше продолжительности тропического года на 0,0078 суток. В силу этого, если, например, Солнце в 325 году проходило через точку весеннего равноденствия 21 марта, то в 1582 году, когда папой Григорием ХIII была принята реформа календаря, день равноденствия пришёлся уже на 11 марта. Реформа календаря, произведённая по предложению итальянского врача и астронома Луиджи Лилио , предусматривает пропуск некоторых високосных лет. В качестве таких лет были взяты годы в начале каждого столетия, у которых число сотен не делится на 4, а именно: 1700, 1800 и 1900гг. Таким образом средняя продолжительность григорианского года стала равна 365,2425 средних солнечных суток. В ряде стран Европы переход на новый стиль был осуществлён 4 октября 1582 года, когда следующим днём считали 15 октября. В России же новый (григорианский) стиль был введён в 1918 году, когда по постановлению СНК 1 февраля 1918 года предписывалось считать 14 февраля.
Кроме календарной системы счёта дней, в астрономии большое распространение получила система непрерывного счёта дней от некоторой начальной даты. Такая система была предложена в XVI веке лейденским профессором Скалигером . Она получила название в честь отца Скалигера Юлия, поэтому называется юлианским периодом (не путать с Юлианским календарём!). За начальную точку был принят гринвичский полдень 1 января 4713 г. до н.э. по юлианскому календарю, поэтому юлианские сутки начинаются в гринвичский полдень. Каждый день по этому счёту времени имеет свой порядковый номер. В эфемеридах – астрономических таблицах – счёт юлианских дней ведётся с 1.01.1900 г. 1.01.1996 г. – 2 450 084-й юлианский день.
Планеты солнечной системы
В Солнечной системе девять больших планет. В порядке удаления от Солнца – это Меркурий, Венера, Земля (с Луной), Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун и Плутон (рис. 3.6 ).
Рис.3.6. Орбиты планет Солнечной системы
Планеты обращаются вокруг Солнца по эллипсам почти в одной плоскости. Между Марсом и Юпитером обращаются малые планеты, так называемые астероиды, число которых приближается к 2 000. Пространство между планетами заполнено разреженным газом и космической пылью. Его пронизывают электромагнитные излучения, которые являются носителями магнитных, гравитационных и других силовых полей.
Солнце примерно в 109 раз больше Земли по диаметру и в 330 тыс. раз массивнее Земли, а масса всех планет вместе взятых составляет лишь около 0,1 процента от массы Солнца. Солнце силой своего притяжения управляет движением планет Солнечной системы. Чем ближе планета к Солнцу, тем больше её линейная и угловая скорость обращения вокруг Солнца. Период обращения планеты вокруг Солнца по отношению к звёздам называется звёздным , или сидерическим периодом (см. Приложение 2, Табл. 1,2 ). Период обращения Земли относительно звёзд называется звёздным годом .
До XVI века существовала так называемая геоцентрическая система мира Клавдия Птолемея. В XVI веке эта система была пересмотрена польским астрономом Николаем Коперником , который поставил Солнце в центр. Галилей , построивший первую зрительную трубу, прототип телескопа, на основе своих наблюдений подтвердил теорию Коперника.
В начале XVII века Иоганн Кеплер – математик и астролог австрийского королевского двора – установил три закона движения тел в Солнечной системе.
Первый закон Кеплера. Планеты движутся по эллипсам, в одном из фокусов которых находится Солнце.
Второй закон Кеплера. Радиус-вектор планеты за одинаковые промежутки времени описывает равные площади, поэтому, чем ближе к Солнцу находится планета, тем быстрее она движется, и, наоборот, чем дальше она от Солнца, тем её движение медленнее.
Третий закон Кеплера. Квадраты времён обращения планет относятся между собой как кубы их средних расстояний от Солнца (больших полуосей их орбит). Таким образом, второй закон Кеплера количественно определяет изменение скорости движения планеты по эллипсу, а третий закон Кеплера связывает средние расстояния планет от Солнца с периодами их звёздных обращений и позволяет большие полуоси всех планетных орбит выразить в единицах большой полуоси земной орбиты.
Исходя из наблюдений движения Луны и законов Кеплера, Ньютон открыл закон всемирного тяготения . Он установил, что вид орбиты, которую описывает тело, зависит от скорости небесного тела. Таким образом, законы Кеплера, позволяющие определить орбиту планеты, являются следствием более общего закона природы – закона всемирного тяготения, который составляет основу небесной механики. Законы Кеплера соблюдаются тогда, когда рассматривается движение двух изолированных тел с учётом их взаимного притяжения, но в Солнечной системе действует не только притяжение Солнца, но и взаимное притяжение всех девяти планет. В связи с этим происходит, хотя и достаточно малое, но отклонение от движения, которое происходило бы, если строго следовать законам Кеплера. Такие отклонения называются возмущениями . Их приходится учитывать при вычислениях видимого положения планет. Мало того, именно благодаря возмущениям была открыта планета Нептун, она была вычислена, как говорится, на кончике пера.
В 40-х годах XIX века было обнаружено, что Уран, открытый В. Гершелем в конце XVIII века, едва заметно отклоняется от пути, по которому он должен следовать с учётом возмущений со стороны всех уже известных планет. Астрономы Леверье (во Франции) и Адаме (в Англии) высказали предположение, что Уран подвергается притяжению ещё какого-то неизвестного тела. Они вычислили орбиту неизвестной планеты, её массу и даже указали место на небе, где в данное время должна находиться неведомая планета. В 1846 году эта планета была найдена с помощью телескопа в указанном ими месте немецким астрономом Галле. Так был открыт Нептун.
Видимое движение планет. С точки зрения земного наблюдателя, через определённые промежутки времени планеты меняют направление своего движения, в отличие от Солнца и Луны, которые перемещаются по небосводу в одном направлении. В связи с этим различают прямое движение планеты (с запада на восток, как Солнце и Луна), и попятное , или ретроградное движение (с востока на запад). В момент перехода от одного вида движения к другому происходит кажущаяся остановка планеты. Исходя из вышесказанного, видимый путь каждой планеты на фоне звёзд это сложная линия с зигзагами и петлями. Формы и размеры описываемых петель различны для разных планет.
Есть различие и между движениями внутренних и внешних планет. К внутренним планетам относят Меркурия и Венеру, орбиты которых лежат внутри орбиты Земли. Внутренние планеты в своём движении тесно связаны с Солнцем, Меркурий удаляется от Солнца не далее, чем на 28°, Венера – на 48°. Конфигурация, при которой Меркурий или Венера проходит между Солнцем и Землёй, называется нижним соединением с Солнцем, во время верхнего соединения планета находится за Солнцем, т.е. Солнце оказывается между планетой и Землёй. К внешним планетам относятся планеты, орбиты которых лежат вне орбиты Земли. Внешние планеты перемещаются на фоне звёзд как бы независимо от Солнца. Они описывают петли, когда находятся в противоположной от Солнца области неба. У внешних планет бывает только верхнее соединение. В тех случаях, когда Земля находится между Солнцем и внешней планетой, происходит так называемое противостояние .
Противостояние Марса в то время, когда Земля и Марс максимально приближаются друг к другу, называется великим противостоянием . Великие противостояния повторяются через 15-17 лет.
3.7. Характеристика планет солнечной системы
Планеты Земной группы. Меркурий, Венера, Земля и Марс называются планетами типа Земля. Они по многим параметрам отличаются от планет-гигантов: меньшими размерами и массой, большей плотностью и пр.
Меркурий – самая близкая к Солнцу планета. Он находится на расстоянии в 2,5 раза ближе к Солнцу, чем Земля. Для земного наблюдателя Меркурий удаляется от Солнца не более чем на 28°. Только вблизи крайних положений планету можно увидеть в лучах вечерней или утренней зари. Для невооружённого глаза Меркурий – светлая точка, а в сильный телескоп у него вид серпика или неполного круга. Меркурий окружён атмосферой. Атмосферное давление у поверхности планеты приблизительно в 1 000 раз меньше, чем у поверхности Земли. Поверхность Меркурия тёмно-бурая и похожа на лунную, усыпанная кольцевыми горами и кратерами. Звёздные сутки, т.е. период вращения вокруг оси относительно звёзд, равны 58,6 наших суток. Солнечные сутки на Меркурии длятся два меркурианских года, то есть около 176 земных суток. Длительность дня и ночи на Меркурии приводит к резкому различию температуры между полуденными и полуночными участками. Дневное полушарие Меркурия накаляется до 380°С и выше.
Венера – ближайшая к Земле планета Солнечной системы. По размерам Венера почти такая же, как и земной шар. Поверхность планеты всегда скрыта облаками. Газовая оболочка Венеры открыта М. В. Ломоносовым в 1761 году. Атмосфера Венеры резко отличается по химическому составу от земной и совершенно непригодна для дыхания. Она состоит приблизительно на 97% из углекислого газа, азота – 2%, кислорода – не более 0,1%. Солнечные сутки составляют 117 земных суток. На ней нет смены времён года. У её поверхности температура близка к +450°С, а давление составляет около 100 атмосфер. Ось вращения Венеры почти в точности направлена к полюсу орбиты. Суточное вращение Венеры происходит не в прямом, а в обратном направлении, т.е. в направлении, противоположном движению планеты по орбите вокруг Солнца.
Марс – четвёртая планета Солнечной системы, последняя из планет земной группы. Марс почти в два раза меньше Земли. Масса примерно в 10 раз меньше массы Земли. Ускорение свободного падения на его поверхности в 2,6 раза меньше, чем на Земле. Солнечные сутки на Марсе – 24 часа и 37,4 минуты, т.е. почти как на Земле. Продолжительность светлого времени дня и полуденная высота Солнца над горизонтом изменяются на протяжении года примерно так же, как и на Земле, из-за почти одинакового у этих планет наклона плоскости экватора к плоскости орбиты (у Марса около 25°). Когда Марс находится в противостоянии, он настолько яркий, что его можно отличить от других светил по красно-оранжевому цвету. На поверхности Марса видны две полярные шапки, когда одна растёт – другая уменьшается. Он усеян кольцевыми горами. Поверхность планеты окутана дымкой, её покрывают облака. На Марсе бушуют мощные пылевые бури, иногда длящиеся месяцами. Давление атмосферы в 100 раз меньше земного. Сама атмосфера в основном состоит из углекислоты. Суточные температурные изменения достигают 80-100°С.
Планеты-гиганты. К планетам-гигантам относятся четыре планеты Солнечной системы: Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун.
Юпитер – самая большая планета Солнечной системы. Он в два раза массивнее, чем все остальные планеты, вместе взятые. Но масса Юпитера мала по сравнению с Солнцем. Он больше Земли по диаметру в 11 раз, а по массе – более чем в 300 раз. Юпитер удалён от Солнца на расстояние, равное 5,2 а.е. Период обращения вокруг Солнца составляет около 12 лет. Экваториальный диаметр Юпитера около 142 тыс. км. Угловая скорость суточного вращения этого гиганта в 2,5 раза больше, чем Земли. Период вращения Юпитера на экваторе равен 9 ч 50 мин.
По своему строению, химическому составу и физическим условиям у поверхности Юпитер не имеет ничего общего с Землёй и планетами земной группы. Неизвестно, какая поверхность у Юпитера – твёрдая или жидкая. В телескоп можно наблюдать светлые и тёмные полосы изменчивых облаков. Наружный слой этих облаков состоит из частичек замёрзшего аммиака. Температура надоблачных слоёв составляет около –145°С. Выше облаков атмосфера Юпитера состоит, по-видимому, из водорода и гелия. Толщина газовой оболочки Юпитера чрезвычайно велика, а средняя плотность Юпитера, наоборот, очень мала (от 1 260 до 1 400 кг/м3), что составляет всего 24% средней плотности Земли.
Юпитер имеет 14 спутников, тринадцатый открыт в 1974 году, а четырнадцатый – в 1979 году. Они движутся по эллиптическим орбитам вокруг планеты. Из них два спутника выделяются своими размерами, это Каллисто и Ганимед – крупнейший из спутников в Солнечной системе.
Сатурн – вторая по величине планета. Он расположен вдвое дальше от Солнца, чем Юпитер. Его экваториальный диаметр составляет 120 тыс. км. По массе Сатурн вдвое меньше Юпитера. В атмосфере Сатурна найдена небольшая примесь газообразного метана, как и на Юпитере. Температура на видимой стороне Сатурна близка к температуре замерзания метана (-184°С), из твёрдых частиц которого скорее всего состоит облачный слой этой планеты. Период осевого вращения составляет 10 час. 14 мин. Быстро вращаясь, Сатурн приобрёл сплюснутую форму. Плоская система колец опоясывает планету вокруг экватора, нигде не соприкасаясь с её поверхностью. В кольцах различают три зоны, разделённые узкими щелями. Внутреннее кольцо очень прозрачное, а среднее кольцо наиболее яркое. Кольца Сатурна представляют собой массу мелких спутников планеты-гиганта, расположенных в одной плоскости. Плоскость колец имеет постоянный наклон к плоскости орбиты, равный примерно 27°. Толщина колец Сатурна около 3 км, а диаметр по наружному краю – 275 тыс. км. Период обращения Сатурна вокруг Солнца 29,5 лет.
У Сатурна 15 спутников, десятый был открыт в 1966 году, последние три – в 1980 году американским автоматическим космическим аппаратом «Вояджер-1». Крупнейший из них Титан.
Уран – самая эксцентричная планета Солнечной системы. Он отличается от других планет тем, что вращается, как бы лёжа на боку: плоскость его экватора почти перпендикулярна к плоскости орбиты. Наклон оси вращения к плоскости орбиты на 8° превосходит 90°, поэтому направление вращения планеты является обратным. Спутники Урана тоже движутся в обратном направлении.
Уран был открыт английским учёным Уильямом Гершелем в 1781 году. Он расположен вдвое дальше от Солнца, чем Сатурн. В атмосфере Урана найдены водород, гелий и небольшая примесь метана. Температура в подсолнечной точке возле поверхности составляет 205-220°С. Период обращения вокруг оси на экваторе – 10 часов 49 мин. Из-за необычного расположения оси вращения Урана Солнце там поднимается высоко над горизонтом почти до зенита даже на полюсах. Полярный день и полярная ночь достигают на полюсах 42-летней продолжительности.
Нептун – обнаружил себя силой своего притяжения. Его местоположение сначала было вычислено, после чего немецкий астроном Иоганн Галле открыл его в 1846 году. Средняя удалённость от Солнца – 30 а.е. Период обращения – 164 года 280 суток. Нептун полностью покрыт облаками. Предполагается, что в атмосфере Нептуна есть водород с примесью метана, а поверхность Нептуна в основном водная. У Нептуна два спутника, самый крупный из них Тритон.
Плутон – наиболее удалённая от Солнца планета, девятая по счёту, была открыта в 1930 г. Клайдом Томбо в Лоуэлловской астрологической обсерватории (Аризона, США).
Плутон выглядит как точечный объект пятнадцатой звёздной величины, т.е. он примерно в 4 тыс. раз слабее тех звёзд, которые находятся на пределе видимости невооружённым глазом. Плутон очень медленно, всего на 1,5° в год (4,7 км/с) движется по орбите, которая имеет большой наклон (17°) к плоскости эклиптики и сильно вытянута: в перигелии она приближается к Солнцу на более короткое расстояние, чем орбита Нептуна, а в афелии отходит на 3 млрд. км дальше. При средней удалённости Плутона от Солнца (5,9 млрд. км) наше дневное светило выглядит с этой планеты не как диск, а как сияющая точка и даёт освещённость в 1 560 раз меньшую, чем на Земле. И поэтому неудивительно, что изучать Плутон очень трудно: мы о нём почти ничего не знаем.
Плутон составляет 0,18 массы Земли, а в диаметре меньше Земли в два раза. Период обращения вокруг Солнца в среднем 247,7 лет. Период осевого суточного вращения 6 суток 9 часов.
Солнце – центр Солнечной системы. Его энергия огромна. Даже та ничтожная часть, которая попадает на Землю, очень велика. Земля получает от Солнца в десятки тысяч раз больше энергии, чем все электростанции мира, если бы они работали на полную мощность.
Расстояние от Земли до Солнца в 107 раз превышает его диаметр, который в свою очередь в 109 раз больше земного и составляет около 1 392 тыс. км. Масса Солнца в 333 тыс. раз больше массы Земли, а объём – в 1 млн. 304 тыс. раз. Внутри Солнца вещество сильно сжато давлением вышележащих слоёв и раз в десять плотнее свинца, зато наружные слои Солнца в сотни раз разрежённее воздуха у поверхности Земли. Давление газа в недрах Солнца в сотни миллиардов раз больше, чем давление воздуха у поверхности Земли. Все вещества на Солнце находятся в газообразном состоянии. Почти все атомы полностью теряют свои электроны и превращаются в «голые» атомные ядра. Свободные электроны, оторвавшись от атомов, становятся составной частью газа. Такой газ называется плазмой. Частицы плазмы движутся с огромными скоростями – сотни и тысячи километров в секунду. На Солнце постоянно идут ядерные реакции, являющиеся источником неиссякаемой энергии Солнца.
Солнце состоит из тех же химических элементов, что и Земля, но водорода на Солнце несравненно больше, чем на Земле. Солнце не израсходовало и половины запасов водородного ядерного топлива. Оно будет светить многие миллиарды лет, пока в недрах Солнца весь водород не превратится в гелий.
Доходящее до нас радиоизлучение Солнца возникает в так называемой короне Солнца. Солнечная корона простирается на расстояние нескольких солнечных радиусов, она доходит до орбит Марса и Земли. Таким образом, Земля погружена в солнечную корону.
Время от времени в солнечной атмосфере появляются активные области, число которых регулярно меняется, с циклом в среднем около 11 лет.
Луна – спутник Земли, диаметром в 4 раза меньше Земли. Орбита Луны представляет собой эллипс, в одном из фокусов которого находится Земля. Среднее расстояние между центрами Луны и Земли составляет 384 400 км. Орбита Луны наклонена на 5°9" к земной орбите. Средняя угловая скорость Луны 13°, 176 за сутки. Наклон лунного экватора к эклиптике составляет 1°32,3". Время оборота Луны вокруг своей оси равно времени оборота её вокруг Земли, вследствие чего Луна всегда обращена к Земле одной стороной. Движение Луны неравномерно: на одних участках своего видимого пути она перемещается быстрее, на других – медленнее. В течение своего движения по орбите расстояние Луны до Земли изменяется в пределах от 356 до 406 тыс. км. Неравномерность движения по орбите связана с влиянием на Луну Земли, с одной стороны, и мощного по силе тяготения Солнца – с другой. А если учесть, что на её движение влияют Венера, Марс, Юпитер и Сатурн, то понятно, почему Луна непрерывно меняет в некоторых пределах форму эллипса, по которому она обращается. Вследствие того, что Луна имеет эллиптическую форму орбиты, она либо приближается к Земле, либо отдаляется от неё. Ближайшая к Земле точка лунной орбиты называется перигеем , а наиболее удалённая – апогеем .
Лунная орбита пересекает плоскость эклиптики в двух диаметрально противоположных точках, называемых лунными узлами . Восходящий (Северный) узел пересекает плоскость эклиптики, двигаясь с юга на север, а нисходящий (Южный) узел – с севера на юг. Лунные узлы непрерывно перемещаются по эклиптике в направлении против хода зодиакальных созвездий. Период обращения лунных узлов по эклиптике составляет 18 лет и 7 месяцев.
Различают четыре периода обращения Луны вокруг Земли:
а) звёздный , или сидерический месяц – период обращения Луны вокруг Земли относительно звёзд, он составляет 27,3217 суток, т.е. 27 дней 7 часов 43 минут;
б) лунный , или синодический месяц – период обращения Луны вокруг Земли относительно Солнца, т.е. промежуток между двумя новолуниями или полнолуниями, он составляет в среднем 29,5306 суток, т.е. 29 дней 12 часов 44 минут. Его длительность не является постоянной из-за неравномерного движения Земли и Луны и колеблется в пределах от 29,25 до 29,83 дня;
в) драконический месяц– промежуток времени между двумя последовательными прохождениями Луны через один и тот же узел своей орбиты, он составляет 27,21 средних суток;
г) аномалистический месяц – промежуток времени между двумя последовательными прохождениями Луны через перигей, он составляет 27,55 средних суток.
Во время движения Луны вокруг Земли меняются условия освещения Луны Солнцем, происходит так называемая смена лунных фаз. Основные фазы Луны – новолуние, первая четверть, полнолуние и последняя четверть. Линия на диске Луны, отделяющая освещённую часть обращённого к нам полушария от неосвещённой, называется терминатором. Из-за превышения синодического лунного месяца над сидерическим Луна восходит ежедневно позже примерно на 52 минуты, восходы и заходы Луны приходятся на различные часы суток, а одинаковые фазы наступают в различных точках лунной орбиты поочерёдно во всех знаках Зодиака.
Лунные и солнечные затмения. Лунные и солнечные затмения происходят, когда Солнце и Луна находятся вблизи узлов. В момент затмения Солнце, Луна и Земля располагаются почти на одной прямой.
Солнечное затмение происходит, когда Луна проходит между Землёй и Солнцем. В это время Луна обращена к Земле своей неосвещённой стороной, то есть солнечное затмение происходит только во время новолуния (рис. 3.7 ). Видимые размеры Луны и Солнца почти одинаковы, поэтому Луна может закрыть собой Солнце.
Рис.3.7. Схема солнечного затмения
Расстояния Солнца и Луны от Земли не остаются постоянными, так как орбиты Земли и Луны не окружности, а эллипсы. Поэтому если в момент солнечного затмения Луна находится в наименьшем удалении от Земли, то Луна целиком закроет Солнце. Такое затмение называется полным . Полная фаза затмения Солнца длится не более 7 минут 40 секунд.
Если во время затмения Луна находится в наибольшем удалении от Земли, то она имеет несколько меньшие видимые размеры и не закрывает полностью Солнце, такое затмение называется кольцеобразным . Затмение будет полным или кольцеобразным, если в новолуние Солнце и Луна находятся почти на узле. Если Солнце в момент новолуния окажется на некотором расстоянии от узла, то центры лунного и солнечного дисков не совпадут и Луна закроет Солнце частично, такое затмение называется частичным . Ежегодно бывают не менее двух солнечных затмений. Максимально возможное число затмений в течение года – пять. В виду того, что тень от Луны во время солнечного затмения падает не на всю Землю, солнечное затмение наблюдается в определённой местности. Этим и объясняется редкость этого явления.
Лунное затмение происходит во время полнолуния, когда Земля находится между Луной и Солнцем (рис. 3.8 ). Диаметр Земли в четыре раза больше диаметра Луны, поэтому тень от Земли в 2,5 раза превосходит размеры Луны, т.е. Луна может целиком погрузиться в земную тень. Наибольшая продолжительность полного лунного затмения 1 час 40 минут.
Рис.3.8. Схема лунного затмения
Введение
1 Небесные координаты
2 Теории движения небесных тел
3 Методы космической геодезии
Заключение
Список использованной литературы
ВВЕДЕНИЕ
Искусственные спутники открыли новую эру в науке об измерении Земли - эру космической геодезии.
Они внесли в геодезию новое качество - глобальность; благодаря большим размерам зоны видимости поверхности Земли со спутника значительно упростилось создание геодезической основы для больших территорий, так как существенно сократилось необходимое количество промежуточных этапов измерений. Так, если в классической геодезии среднее расстояние между определяемыми пунктами составляет 10-30 км, то в космической геодезии эти расстояния могут быть на два порядка больше (1-3 тыс. км). Тем самым упрощается передача геодезических данных через водные пространства. Между материком и островами, рифами, архипелагами геодезическая связь может быть установлена при прямой их видимости со спутника непосредственно через него, без каких-либо промежуточных этапов, что способствует более высокой точности построения геодезической сети.
Космическая геодезия – научная дисциплина, в которой для решения научных и практических задач геодезии используются результаты наблюдений искусственных и естественных небесных тел.
В соответствии с этим в предмет изучения в рамках космической геодезии входят:
Теории движения небесных тел;
Разработка способов определения орбит небесных тел (прямая задача) и вычисления эфемерид (обратная задача);
Обоснование требований к геодезическим спутникам в отношении параметров их орбит и состава бортовой аппаратуры;
Обоснование требований к расположению станций наблюдения и их аппаратурного оснащения;
Изучение методов наблюдений и теории математической обработки наблюдений;
Интерпретация результатов наблюдений и их обработки.
Основными задачами космической геодезии являются:
Определение положений и изменений со временем координат наземных пунктов;
Изучение внешнего гравитационного поля и его изменений со временем;
Уточнение некоторых астрономических постоянных.
При всей глобальности вопросов, охватываемых космической геодезией, автор данной работы поставила перед собой весьма скромную цель:
Рассмотреть основные понятия, без которых дальнейшее углубление в эту науку не представляется возможным.
НЕБЕСНЫЕ КООРДИНАТЫ
При решении задач космической геодезии приходится использовать различные системы координат, отличающиеся между собой:
Расположением начала (например, планетоцентрические, геоцентрические, квазигеоцентрические (референцные) и т.д.;
Ориентированием основной плоскости (например, экваториальные, горизонтальные, орбитальные);
Ориентацией начальной плоскости (например, гринвичские, равноденственные);
Видом координатных систем (прямоугольные, полярные, цилиндрические, и т.д.).
Что же такое небесные координаты и небесная сфера?
Небе́сная сфе́ра - воображаемая вспомогательная сфера произвольного радиуса, на которую проецируются небесные светила: служит для решения различных астрометрических задач. За центр небесной сферы, как правило, принимают глаз наблюдателя. Для находящегося на поверхности Земли наблюдателя вращение небесной сферы воспроизводит суточное движение светил на небе. Площадь небесной сферы с учетом непостоянства значения размеров дуги равных склонений составляет 41252.96 кв. градусов.
Представление о Небесной сфере возникло в глубокой древности; в основу его легло зрительное впечатление о существовании куполообразного небесного свода. Это впечатление связано с тем, что в результате огромной удалённости небесных светил человеческий глаз не в состоянии оценить различия в расстояниях до них, и они представляются одинаково удалёнными. У древних народов это ассоциировалось с наличием реальной сферы, ограничивающей весь мир и несущей на своей поверхности многочисленные звёзды. Таким образом, в их представлении небесная сфера была важнейшим элементом Вселенной. С развитием научных знаний такой взгляд на небесную сферу отпал. Однако заложенная в древности геометрия небесной сферы в результате развития и совершенствования получила современный вид, в котором и используется в астрометрии.
Радиус небесной сферы может быть принят каким угодно: в целях упрощения геометрических соотношений его полагают равным единице. В зависимости от решаемой задачи центр небесной сферы может быть помещен в место:
· где находится наблюдатель (топоцентрическая небесная сфера),
· в центр Земли (геоцентрическая небесная сфера),
· в центр той или иной планеты (планетоцентрическая небесная сфера),
· в центр Солнца (гелиоцентрическая небесная сфера) или в любую др. точку пространства.
Каждому светилу на небесной сфере соответствует точка, в которой её пересекает прямая, соединяющая центр небесной сферы со светилом (с его центром). При изучении взаимного расположения и видимых движений светил на небесной сфере выбирают ту или иную систему координат, определяемую основными точками и линиями. Последние обычно являются большими кругами небесной сферы. Каждый большой круг сферы имеет два полюса, определяющиеся на ней концами диаметра, перпендикулярного к плоскости данного круга.
На рисунке изображена небесная сфера, которая соответствует месту наблюдения, расположенному в некоторой точке земной поверхности с широтой . Отвесная (вертикальная) линия, проведённая через центр этой сферы, пересекает небесную сферу в точках Z и Z", называемых соответственно зенитом и надиром. Плоскость, проходящая через центр небесной сферы перпендикулярно отвесной линии, пересекает сферу по большому кругу NESW, называемому математическим (или истинным) горизонтом. Математический горизонт делит небесную сферу на видимую и невидимую полусферы; в первой находится зенит, во второй - надир. Прямая, проходящая через центр небесной сферы параллельно оси вращения Земли, называемой осью мира, а точки пересечения её с небесной сферой - Северным Р и Южным P" полюсами мира. Плоскость, проходящая через центр небесной сферы перпендикулярно оси мира, пересекает сферу по большому кругу AWA"E, называется небесным экватором. Из построения следует, что угол между осью мира и плоскостью математического горизонта, а также угол между отвесной линией и плоскостью небесного экватора равны географической широте места наблюдений. Большой круг небесной сферы, проходящий через полюсы мира, зенит и надир, называется небесным меридианом.
Из двух точек, в которых небесный меридиан пересекается с математическим горизонтом, ближайшая к Северному полюсу мира N называется точкой севера, а диаметрально противоположная S - точкой юга. Прямая NS, проходящая через эти точки, есть полуденная линия. Точки горизонта, отстоящие на 90° от точек N и S, называются точками востока Е и запада W. Точки N, Е. S, W называются главными точками горизонта. По диаметру EW пересекаются плоскости математического горизонта и небесного экватора.
Большой круг небесной сферы, по которому происходит видимое годичное движение центра Солнца, называется эклиптикой
Плоскость эклиптики образует с плоскостью небесного экватора угол e = 23°27". Эклиптика пересекает экватор в двух точках, одна из которых -точка весеннего равноденствия (в ней Солнце при видимом годичном движении переходит из Южного полушария небесной сферы в Северное), а другая, диаметрально противоположная ей, - точка осеннего равноденствия. Точки эклиптики, отстоящие на 90° от точек весеннего и осеннего равноденствия, называется точками летнего и зимнего солнцестояния (первая - в Северном полушарии небесной сферы, вторая - в Южном). Большой круг небесной сферы, проходящий через полюсы мира и точки равноденствия, называется колюром равноденствий; большой круг небесной сферы, проходящий черезполюсы мира и точки солнцестояния, - колюром солнцестояний. Прочерченные на звёздной карте, эти круги отсекают хвосты у древних изображений созвездий Большой Медведицы (колюр равноденствий) и Малой Медведицы (колюр солнцестояний), откуда и происходит их название (греч. kуluroi, буквально - с обрубленным хвостом, от kуlos - обрубленный, отсеченный и ига - хвост).
Видимому суточному перемещению звёзд, являющемуся отображением действительного вращения Земли вокруг оси, соответствует вращение небесной сферы вокруг оси мира с периодом, равным одним звёздным суткам. Вследствие вращения небесной сферы все изображения светил описывают в пространстве параллельные экватору окружности, называются суточными параллелями светил. В зависимости от расположения суточных параллелей относительно горизонта светила подразделяются на незаходящие (суточные параллели располагаются целиком над горизонтом), невосходящие (суточные параллели целиком под горизонтом), восходящие и заходящие (суточные параллели пересекаются горизонтом).
Границами этих групп светил являются параллели KN и SM", касающиеся горизонта в точках N и S . Так как видимость светил определяется положением горизонта, плоскость которого перпендикулярна отвесной линии, то условия видимости небесных светил различны для мест на поверхности Земли с различной географической широтой j. Это явление, известное уже в древности, служило одним из доказательств шарообразности Земли. На экваторе (j = 0°) ось мира PP" располагается в плоскости горизонта и совпадает с полуденной линией NS. Суточные параллели (KK", MM") всех светил пересекают плоскость горизонта под прямыми углами. Здесь все светила являются восходящими и заходящими.
По мере перемещения наблюдателя по земной поверхности от экватора к полюсу наклон оси мира к горизонту увеличивается. Всё большее число светил становится незаходящими и невосходящими. На полюсе (j = 90°) ось мира совпадает с отвесной линией, а плоскость экватора - с плоскостью горизонта. Здесь все светила разделяются только на незаходящие и невосходящие, так каких суточные параллели (KK", MM") располагаются в плоскостях, параллельных горизонту
Системы небесных координат используются в астрономии для описания положения светил на небе или точек на воображаемой небесной сфере. Координаты светил или точек задаются двумя угловыми величинами (или дугами), однозначно определяющими положение объектов на небесной сфере. Таким образом, системы небесных координат являются сферическими системами координат, в которых третья координата - расстояние - часто неизвестна и не играет роли. Эти системы отличаются друг от друга выбором основной плоскости и началом отсчёта.
В зависимости от поставленной задачи, может быть более удобным использовать ту или иную систему. Наиболее часто используются горизонтальная и экваториальные системы координат. Реже - эклиптическая, галактическая и другие.
Горизонтальная система координат
В этой системе основной плоскостью является плоскость математического горизонта. Одной координатой при этом является либо высота светила h, либо его зенитное расстояние z. Другой координатой является азимут A.
Высотой h светила называется дуга вертикального круга от математического горизонта до светила, или угол между плоскостью математического горизонта и направлением на светило. Высоты отсчитываются в пределах от 0° до +90° к зениту и от 0° до −90° к надиру.
Зенитным расстоянием z светила называется дуга вертикального круга от зенита до светила, или угол между отвесной линией и направлением на светило. Зенитные расстояния отсчитываются в пределах от 0° до 180° от зенита к надиру.
Азимутом A светила называется дуга математического горизонта от точки юга до вертикального круга светила, или угол между полуденной линией и линией пересечения плоскости математического горизонта с плоскостью вертикального круга светила. Азимуты отсчитываются в сторону суточного вращения небесной сферы, то есть к западу от точки юга, в пределах от 0° до 360°. Иногда азимуты отсчитываются от 0° до +180° к западу и от 0° до −180° к востоку. (В геодезии азимуты отсчитываются от точки севера.)
Первая экваториальная система координат
В этой системе основной плоскостью является плоскость небесного экватора. Одной координатой при этом является склонение δ (реже - полярное расстояние p). Другой координатой - часовой угол t.
Склонением δ светила называется дуга круга склонения от небесного экватора до светила, или угол между плоскостью небесного экватора и направлением на светило. Склонения отсчитываются в пределах от 0° до +90° к северному полюсу мира и от 0° до −90° к южному полюсу мира.
Полярным расстоянием p светила называется дуга круга склонения от северного полюса мира до светила, или угол между осью мира и направлением на светило. Полярные расстояния отсчитываются в пределах от 0° до 180° от северного полюса мира к южному.
Часовым углом t светила называется дуга небесного экватора от верхней точки небесного экватора (то есть точки пересечения небесного экватора с небесным меридианом) до круга склонения светила, или двугранный угол между плоскостями небесного меридиана и круга склонения светила. Часовые углы отсчитываются в сторону суточного вращения небесной сферы, то есть к западу от верхней точки небесного экватора, в пределах от 0° до 360° (в градусной мере) или от 0 h до 24 h (в часовой мере). Иногда часовые углы отсчитываются от 0° до +180° (от 0 h до +12 h) к западу и от 0° до −180° (от 0 h до −12 h) к востоку.
Вторая экваториальная система координат
В этой системе, как и в первой экваториальной, основной плоскостью является плоскость небесного экватора, а одной координатой - склонение β (реже - полярное расстояние p). Другой координатой является прямое восхождение α. Прямым восхождением α светила называется дуга небесного экватора от точки весеннего равноденствия до круга склонения светила, или угол между направлением на точку весеннего равноденствия и плоскостью круга склонения светила. Прямые восхождения отсчитываются в сторону, противоположную суточному вращению небесной сферы, в пределах от 0° до 360° (в градусной мере) или от 0h до 24h (в часовой мере).
Эклиптическая система координат
В этой системе основной плоскостью является плоскость эклиптики. Одной координатой при этом является эклиптическая широта β, а другой - эклиптическая долгота λ.
Эклиптической широтой β светила называется дуга круга широты от эклиптики до светила, или угол между плоскостью эклиптики и направлением на светило. Эклиптические широты отсчитываются в пределах от 0° до +90° к северному полюсу эклиптики и от 0° до -90° к южному полюсу эклиптики.
Эклиптической долготой λ светила называется дуга эклиптики от точки весеннего равноденствия до круга широты светила, или угол между направлением на точку весеннего равноденствия и плоскостью круга широты светила. Эклиптические долготы отсчитываются в сторону видимого годового движения Солнца по эклиптике, то есть к востоку от точки весеннего равноденствия в пределах от 0° до 360°.
Галактическая система координат
В этой системе основной плоскостью является плоскость нашей Галактики. Одной координатой при этом является галактическая широта b, а другой - галактическая долгота l.
Галактической широтой b светила называется дуга круга галактической широты от эклиптики до светила, или угол между плоскостью галактического экватора и направлением на светило. Галактические широты отсчитываются в пределах от 0° до +90° к северному галактическому полюсу и от 0° до -90° к южному галактическому полюсу.
Галактической долготой l светила называется дуга галактического экватора от точки начала отсчёта C до круга галактической широты светила, или угол между направлением на точку начала отсчёта C и плоскостью круга галактической широты светила. Галактические долготы отсчитываются против часовой стрелки, если смотреть с северного галактического полюса, то есть к востоку от точки начала отсчёта C в пределах от 0° до 360°.
Точка начала отсчёта C находится вблизи направления на галактический центр, но не совпадает с ним, поскольку последний, вследствие небольшой приподнятости Солнечной системы над плоскостью галактического диска, лежит примерно на 1° к югу от галактического экватора. Точку начала отсчёта C выбирают таким образом, чтобы точка пересечения галактического и небесного экваторов с прямым восхождением 280° имела галактическую долготу 32,93192° (на эпоху 2000).
Координаты точки начала отсчёта C на эпоху 2000 в экваториальной системе координат составляют:
Изменения координат при вращении небесной сферы
Высота h, зенитное расстояние z, азимут A и часовой угол t светил постоянно изменяются вследствие вращения небесной сферы, так как отсчитываются от точек, не связанных с этим вращением. Склонение δ, полярное расстояние p и прямое восхождение α светил при вращении небесной сферы не изменяются, но они могут меняться из-за движений светил, не связанных с суточным вращением.
История и применение
Небесные координаты употреблялись уже в глубокой древности. Описание некоторых систем содержится в трудах древнегреческого геометра Евклида (около 300 до н. э.). Опубликованный в «Альмагесте» Птолемея звёздный каталог Гиппарха содержит положения 1022 звёзд в эклиптической системе небесных координат.
Наблюдения изменений небесных координат привели к величайшим открытиям в астрономии, которые имеют огромное значение для познания Вселенной. К ним относятся явления прецессии, нутации, аберрации, параллакса, собственных движений звёзд и другие. Небесные координаты позволяют решать задачу измерения времени, определять географические координаты различных мест земной поверхности. Широкое применение находят небесные координаты при составлении различных звёздных каталогов, при изучении истинных движений небесных тел - как естественных, так и искусственных - в небесной механике и астродинамике и при изучении пространственного распределения звёзд в проблемах звёздной астрономии.
ТЕОРИИ ДВИЖЕНИЯ НЕБЕСНЫХ ТЕЛ
Решаемые Теорией движения небесных тел задачи разделяются на две большие группы:
Классический пример трёх тел задачи - система Солнце, Земля, Луна. В 1912г. финский астроном К.Ф. Сундман нашёл общее решение этой задачи в виде рядов, сходящихся для любого момента времени t. Однако ряды Сундмана оказались совершенно бесполезными для практических вычислений вследствие их крайне медленной сходимости. При некоторых специальных начальных условиях можно получить очень простые решения задачи трёх тел (решения Лагранжа), представляющие большой интерес для астрономии. Это точки либрации (положения относительного равновесия в задаче небесной механики о движении тела малой массы в силовом поле, не зависящем от времени во вращающейся системе координат), в которых тело малой массы может находиться в состоянии относительного равновесия по отношению к двум др. небесным телам (так называемая, ограниченная задача трёх тел). Для системы двух тел (рассматриваемых как точечные притягивающие массы) существуют три коллинеарные точки либрации, лежащие на прямой, проходящей через эти тела, и две треугольные точки либрации, расположенные таким образом, что два тела и точки либрации образуют равносторонние треугольники.
В коллинеарных точках либрации тела находятся в неустойчивом равновесии. Для астродинамики представляют интерес точки либрации систем Земля - Луна и Солнце - Земля.
Частным случаем трёх тел задачи является так называемая ограниченная задача трёх тел, в которой два тела конечной массы движутся вокруг центра инерции по эллиптическим орбитам, а третье тело имеет бесконечно малую массу. Для ограниченной задачи удалось исследовать разнообразные классы периодических движений. Для общего случая задачи трёх тел подробно изучены предельные свойства движения при t ® +Ґ и t ® -Ґ, то есть так называемые финальные движения.
В задаче двух тел, притягивающиеся тела принимаются за материальные точки, что справедливо, если они имеют сферическую структуру или если расстояния между ними весьма велики сравнительно с их размерами. Это условие в значительной мере выполняется для Солнца и каждой из планет. При решении задачи двух тел обычно рассматривают движение одного тела относительно другого. Движение в этой задаче происходит по коническим сечениям - окружности, эллипсу, параболе, гиперболе, прямой, - согласно законам Кеплера. Задача двух тел, описывающая т. н. невозмущённое движение, является первым приближением при изучении истинных движений небесных тел.
Так как общее математическое решение задачи n тел имеет очень сложный характер и не может быть использовано в конкретных вопросах, в небесной механике рассматриваются отдельные частные задачи, решение которых основывается на тех или иных особенностях Солнечной системы. Так, в первом приближении, движение планеты или кометы можно рассматривать как происходящее в поле тяготения одного только Солнца. В этом случае уравнения движения допускают решение в конечном виде (задача двух тел). Дифференциальные уравнения движения системы больших планет решаются с помощью разложения в математические рады (аналитические методы) или путём численного интегрирования. Теория движения спутников во многих отношениях аналогична теории движения больших планет, однако, она имеет важную особенность: масса планеты, являющаяся в этом случае центральным телом, значительно меньше массы Солнца, вследствие чего его притяжение существенно возмущает движения спутников.
На движение близких к планете спутников большое влияние оказывает также отклонение её формы от сферической.
Особенностью движения Луны является то обстоятельство, что её орбита расположена целиком вне сферы действия тяготения Земли, т. е. за пределами той области, где притяжение Земли преобладает над притяжением Солнца. Поэтому при построении теории движения Луны приходится осуществлять больше последовательных приближений, чем в планетных задачах. В современной теории движения Луны за первое приближение принимается не задача двух тел, а так называемая задача Хилла - специальный случай задачи трёх тел (обычно под ограниченной задачей трёх тел понимают изучение движения материальной точки P3 под действием притяжения точками P1 и P2 ; точки P1 и P2 движутся по кеплеровским орбитам; точка P3 может иметь и не плоское движение и её действие на точки P1 и P2 не учитывается; масса материальной точки P3 принимается равной нулю), решение которой даёт промежуточную орбиту, более удобную для проведения процесса последовательных приближений, чем эллипс.
Построение математических теорий движения конкретных небесных тел как естественных, так и искусственных (планет, спутников, комет, космических зондов).
Орбиты небесных тел - траектории, по которым движутся небесные тела в космическом пространстве. Формы орбит небесных тел и скорости, с которыми по ним движутся небесные тела, определяются силой тяготения, а также силой светового давления, электромагнитными силами, сопротивлением среды, в которой происходит движение, приливными силами, реактивными силами (в случае движения ядра кометы) и многое др.
В движении планет, комет и спутников планет, а также в движении Солнца и звёзд в Галактике решающее значение имеет сила всемирного тяготения. На активных участках орбит искусственных космических объектов наряду с силами тяготения определяющее значение имеет реактивная сила двигательной установки. Ориентация орбиты в пространстве, её размеры и форма, а также положение небесного тела на орбите определяются величинами (параметрами), называемыми элементами орбиты.
Элементы орбит планет, комет и спутников определяются по результатам астрономических наблюдений в три этапа:
вычисляются элементы т. н. предварительной орбиты без учёта возмущений, т. е. решается задача двух тел. Для этой цели в большинстве случаев достаточно иметь три наблюдения (т. е. координаты трёх точек на небесной сфере) небесного тела (например, малой планеты), охватывающие промежуток времени в несколько дней или недель.
Осуществляется улучшение предварительной орбиты (т. е. вычисляются более точные значения элементов орбиты) по результатам более длительного ряда наблюдений.
Вычисляется окончательная орбита, которая наилучшим образом согласуется со всеми имеющимися наблюдениями.
Для многих тел Солнечной системы, в том числе для больших планет, Луны и некоторых спутников планет, имеются уже длительные ряды наблюдений. Для вычисления по этим наблюдениям окончательной орбиты (или, как говорят, для разработки теории движения небесного тела) применяются аналитические и численные методы небесной механики.
В результате первого этапа орбита определяется в виде конического сечения (эллипса, иногда также параболы или гиперболы), в фокусе которого находится другое (центральное) тело. Такие орбиты называются невозмущёнными или кеплеровыми, т.к. движение небесного тела по ним происходит по законам Кеплера.
Напомним:
Первый закон Кеплера (Закон эллипсов)
Каждая планета Солнечной системы обращается по эллипсy, в одном из фокусов которого находится Солнце.
Форма эллипса и степень его сходства с окружностью характеризуется отношением
,где c - расстояние от центра эллипса до его фокуса (половина межфокусного расстояния), a - большая полуось. Величина e называется эксцентриситетом эллипса. При c = 0 и e = 0 эллипс превращается в окружность.
Закон всемирного тяготения Ньютона гласит, что «каждый объект во вселенной притягивает каждый другой объект по линии соединяющей центры масс объектов, пропорционально массе каждого объекта, и обратно пропорционально квадрату расстояния между объектами». Это предполагает, что ускорение a имеет форму
Вспомним, что в полярных координатах
В координатной форме запишем
Подставляя
и во второе уравнение, получим
которое упрощается
После интегрирования запишем выражение
для некоторой константы
, которая является удельным угловым моментом ().ПустьУравнение движения в направлении
становится равным
Закон всемирного тяготения Ньютона связывает силу на единицу массы с расстоянием как
где G - универсальная гравитационная константа и M - масса звезды.
В результате
Это дифференциальное уравнение имеет общее решение:
для произвольных констант интегрирования e и θ 0 .
Заменяя u на 1/r и полагая θ 0 = 0, получим:
Мы получили уравнение конического сечения с эксцентриситетом e и началом системы координат в одном из фокусов. Таким образом, первый закон Кеплера прямо следует из закона всемирного тяготения Ньютона и второго закона Ньютона.
Второй закон Кеплера (Закон площадей)
Каждая планета движется в плоскости, проходящей через центр Солнца, причём за равные времена радиус-вектор, соединяющий Солнце и планету, заметает сектора равной площади.
Применительно к нашей Солнечной системе, с этим законом связаны два понятия: перигелий - ближайшая к Солнцу точка орбиты, и афелий - наиболее удалённая точка орбиты. Таким образом, из второго закона Кепплера следует, что планета движется вокруг Солнца неравномерно, имея в перигелии бо́льшую линейную скорость, чем в афелии.
Каждый год в начале января Земля, проходя через перигелий, движется быстрее, поэтому видимое перемещение Солнца по эклиптике к востоку также происходит быстрее, чем в среднем за год. В начале июля Земля, проходя афелий, движется медленнее, поэтому и перемещение Солнца по эклиптике замедляется. Закон площадей указывает, что сила, управляющая орбитальным движением планет, направлена к Солнцу.
По определению угловой момент
точечной частицы с массой m и скоростью записывается в виде: . - радиус-вектор частицы а - импульс частицы.По определению
.В результате мы имеем
.
Продифференцируем обе части уравнения по времени
поскольку векторное произведение параллельных векторов равно нулю. Заметим, что F всегда параллелен r, поскольку сила радиальная, и p всегда параллелен v по определению. Таким образом можно утверждать, что
- константа.Третий закон Кеплера (Гармонический закон)
Квадраты периодов обращения планет вокруг Солнца относятся, как кубы больших полуосей орбит планет.
,где T 1 и T 2 - периоды обращения двух планет вокруг Солнца, а a 1 и a 2 - длины больших полуосей их орбит.
Ньютон установил, что гравитационное притяжение планеты определенной массы зависит только от расстояния до неё, а не от других свойств, таких, как состав или температура. Он показал также, что третий закон Кеплера не совсем точен - в действительности в него входит и масса планеты:
,
где M – масса Солнца, а m 1 и m 2 – массы планет.
Поскольку движение и масса оказались связаны, эту комбинацию гармонического закона Кеплера и закона тяготения Ньютона используют для определения массы планет и спутников, если известны их орбиты и орбитальные периоды.
Шестью элементами, определяющими гелиоцентрическую невозмущённую О. н. т. Р (рис.), являются:
наклон орбиты к плоскости эклиптики i.
Может иметь любое значение от 0 до 180°; наклон считается меньшим 90°, если для наблюдателя, находящегося в северном полюсе эклиптики, движение планеты имеет прямое направление (против часовой стрелки), и большим 90° при обратном движении. Долгота узла W. Это - гелиоцентрическая долгота точки, в которой планета пересекает эклиптику, переходя из Южного полушария в Северное (восходящий узел орбиты). Долгота узла может принимать значения от 0 до 360°.Большая полуось орбиты а. Иногда вместо а в качестве элемента орбиты принимается среднее суточное движение n (дуга орбиты, проходимая телом за сутки). Эксцентриситет орбиты е. Если b – малая полуось орбиты, то е =
/a. Вместо эксцентриситета иногда принимают угол эксцентриситета j, который определяется соотношением sin j = е. Расстояние перигелия от узла (или аргумента перигелия) w. Это гелиоцентрический угол между восходящим узлом орбиты и направлением на перигелий орбиты, измеряемый в плоскости орбиты в направлении движения планеты; может иметь любые значения от 0 до 360°. Вместо элемента w применяется также долгота перигелия p = W + w. Элемент времени, т. е. эпоха (дата), в которую планета находится в определённой точке орбиты. В качестве такого элемента может служить, например, момент t, в который планета проходит перигелий. Положение планеты на орбите определяется аргументом широты и, который представляет собой угловое расстояние планеты вдоль орбиты от восходящего узла, или истинной аномалией v -угловым расстоянием планеты от перигелия. Аргумент широты меняется от 0 до 360° в направлении движения планеты. Аналогичными элементами определяются орбиты комет, Луны, спутников планет, компонентов двойных звёзд, Солнца в Галактике и др. небесных тел.МЕТОДЫ КОСМИЧЕСКОЙ ГЕОДЕЗИИ
Основным методом космической геодезии является одновременное наблюдение спутника с наземных пунктов. При этом измеряются самые разнообразные параметры относительно положения пунктов и спутников. Параметрами могут служить дальность, скорость изменения дальности (или радиальная скорость), угловая ориентация линии визирования пункт-спутник в какой-либо системе координат, скорость изменения углов и т. д. Измерительные средства располагаются на наземных пунктах. На спутнике же размещается аппаратура, обеспечивающая работу этих измерительных средств. Спутник - это вспомогательный маяк для проведения измерений относительно положения опорных пунктов, причем этот маяк может быть как пассивным, так и активным. В первом случае спутник, освещенный солнцем или имеющий специальную лампу-вспышку, фотографируется с наземных пунктов на фоне звездного неба.
Синхронные наблюдения искусственных спутников Земли, наблюдения искусственных космических объектов, выполняемые одновременно из двух или более точек земной поверхности ведутся методами, позволяющими определять либо направление на спутник (позиционные наблюдения), либо расстояние до него (дальномерные наблюдения), либо обе эти величины одновременно. Результаты таких наблюдений используются для решения астрономических, геофизических и особенно геодезических задач. Направления на ИСЗ, определённые одновременно с двух станций наблюдений, положения которых известны в той или иной системе координат, позволяют вычислить координаты спутника в той же системе и положение плоскости, проходящей через обе станции и спутник (т. н. плоскость синхронизации). Если известны координаты только одной станции, то такие наблюдения позволяют определить положение плоскости синхронизации. Пересечение двух таких плоскостей (вычисленных по результатам двух наблюдений одного и того же или разных ИСЗ) определяет направление земной хорды, соединяющей обе станции. Если одновременно с позиционными (хотя бы с одной станции) производятся дальномерные наблюдения, появляется возможность вычислить все элементы треугольника с вершинами в двух станциях наблюдений и ИСЗ (т. н. космического треугольника), в том числе и расстояние между станциями. Наблюдения последнего типа позволяют по известным координатам одной, опорной, станции определить координаты второй станции, удалённой от первой на тысячи км; описанный метод спутниковой геодезии называют способом геодезических векторных ходов. Поскольку осуществление наблюдений строго в одни и те же моменты времени на станциях, удалённых на большие расстояния друг от друга, крайне сложно, наблюдения проводят в одни и те же интервалы времени (с точностью до десятых и сотых долей секунды), а затем результаты приводят к одним и тем же моментам математическим путём. Одновременность наблюдений спутника с нескольких пунктов обеспечивается специальным синхронизирующим устройством, которое по сигналам единого времени производит одновременное открывание и закрывание затворов фотокамер. Наличие на фотографии изображений звезд (в виде точек) и следа спутника в виде пунктирной линии позволяет путем графических измерений определить взаимное положение штрихов пунктирной линии, соответствующих положениям спутника, и ближайших к ним точек, соответствующих звездам. Это дает возможность, зная положение звезд по звездному каталогу, определить координаты штрихов спутника или, точнее, угловую ориентацию линий визирования наблюдательный пункт-спутник. Совокупность угловых координат линии визирования пункт-спутник позволяет определить взаимную угловую ориентацию геодезических пунктов. Ориентация всей сети на поверхности Земли требует знания координат хотя бы одного пункта, определяемых классическими методами, и дальности до другого или координат двух пунктов, называемых базисными. - Для преодоления неблагоприятных метеорологических условий при оптических наблюдениях спутника используются радиотехнические средства. В этом случае спутник является как бы активным маяком. Применяются различные принципы измерений: эффект Доплера, смещение фаз радиосигналов спутника, принимаемых в различных точках пункта, время распространения сигнала пункт-спутник-пункт и т. д.
Большие перспективы в измерительной технике космической геодезии имеют оптические квантовые генераторы (лазеры). Они позволяют измерять дальность и радиальную скорость со значительно более высокой точностью, чем с помощью радиотехнических средств. Таким образом, космическая геодезия позволит уточнить форму Земли - геоид, точно определить координаты любых пунктов на поверхности нашей планеты, создать топографические карты на любые районы земной поверхности и определить параметры поля тяготения Земли. Все это даст возможность морскому флоту определять очертания материков и получать точные координаты островов, рифов, маяков и других морских объектов, авиации - определять координаты аэропортов, наземных ориентиров и станций наведения. Эти данные позволят выбирать наилучшие маршруты движения и обеспечат надежность и безопасность работы морского и воздушного транспорта. Как известно, для прокладки курса корабля или самолета в каждый момент времени необходимо точно знать их местоположение. Для этих целей служат различные навигационные системы, которые обеспечивают вождение по заданным маршрутам. С давних времен в навигации использовались естественные ориентиры или поля: небесные светила, магнитное поле Земли и др. В последнее время большое распространение получили радионавигационные системы, среди которых наиболее современными являются системы, использующие искусственные спутники Земли. Спутники обеспечивают навигационной системе глобальность. Всепогодность навигации в этом случае достигается благодаря использованию радиосредств сверхвысокочастотного диапазона. Навигация с использованием спутников основана на измерении параметров относительного положения и движения навигируемого объекта и спутника. Такими параметрами могут служить: расстояние (дальность), скорость изменения этого расстояния (радиальная скорость), угловая ориентация линии объект-спутник (линии визирования) в какой-либо системе координат, скорость изменения этих углов и др. Координаты спутника в моменты навигационных определений могут сообщаться кораблям (или самолетам) при каждой навигации. Кроме того, на спутнике может устанавливаться запоминающее устройство, в которое закладываются данные о его прогнозируемом движении. Эта информация “сбрасывается” со спутника в процессе полета (периодически или по запросу с навигируемого объекта). Для упрощения процесса определения координат объекта может быть составлен каталог эфемерид (параметров орбит) навигационных спутников на несколько месяцев или лет вперед. Большое влияние на прогнозирование движения спутника оказывают ошибки определения элементов орбиты, которые зависят прежде всего от точности работы наземных измерительных средств. Эти средства должны быть хорошо “привязаны” к геодезической системе координат. Если этого не будет, то может произойти “сдвиг” координатной системы навигационного спутника относительно геодезической. А это приведет к сдвигу в определении положения навигируемого объекта относительно геодезической системы, а следовательно, и к сдвигу относительно земных ориентиров, что может вызвать катастрофические последствия. Геодезические спутники позволяют с высокой точностью осуществить привязку координат измерительных пунктов к геодезической системе. Для успешной работы навигационных спутников имеет значение правильный выбор параметров их орбит. Необходимо обеспечить достаточную частоту видимости спутника с навигируемых объектов. С этой точки зрения различные орбиты сильно отличаются друг от друга. Так, спутник, летящий по низкой полярной орбите “осматривает” всю Землю дважды в сутки, один раз на прямых, другой-на обратных витках. Точнее говоря, Земля относительно движущегося по орбите спутника перемещается так, что с любой ее точки он может быть виден 2 раза в сутки. Чтобы обеспечить непрерывный обзор поверхности Земли со спутников, запускаемых на полярные орбиты, т. е. для обеспечения видимости одного или более спутников с корабля или самолета, находящегося в любой точке нашей планеты, необходимо на орбитах высотой 200 км иметь 160 спутников, а высотой 1 тыс. км - 36 спутников. Создание систем космической навигации позволяет значительно улучшить безопасность движения транспорта. Подобные системы прочно входят в практику корабле и самолетовождения, так как позволяют с высокой точностью определять местоположение кораблей и самолетов в любое время суток, при любом состоянии погоды.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В данной работе была сделана попытка вкратце свести воедино основные понятия, необходимые для успешного изучения космической геодезии, а также общие сведения о задачах науки и способах их решения.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1. Закатов П.С., Курс высшей геодезии, М., 1964;
2. Меллер И., Введение в спутниковую геодезию, пер. с англ., М., 1967;
3. Левантовский В.И., Механика космического полета в элементарном изложении, М., 1970;
4. Пуанкаре А., Лекции по небесной механике, пер. с франц., М., 1965;
5. Справочное руководство по небесной механике и астродинамике, М., 1971.
6. Изотов А.А., Новые исходные геодезические даты СССР, в кн.: Сборник научно-технических и производственных статей по геодезии, картографии, топографии, аэросъёмке и гравиметрии, в. 17, М., 1948;
Географическая система координат. Географическая система координат предназначена для определения места положения какой-либо точки на поверхности Земли. Для этого земной шар мысленно окутывают координатной сеткой (рис. 1.), которая очерчивает на поверхности планеты круги. Круг наибольшего диаметра, перпендикулярный оси NS вращения Земли, называют экватором , а малые круги, параллельные экватору - параллелями . Круги, перпендикулярные экватору и проходящие через северный и южный географические полюса планеты, называют меридианами . Начальной параллелью принято считать экватор, а начальным меридианом - тот меридиан, который проходит через Гринвичскую обсерваторию (Англия). Географическая система координат позволяет однозначно определить положение любой точки на поверхности планеты при помощи двух координат - широты
и долготы . |
Географической долготой
называется двугранный угол между плоскостью нулевого меридиана и плоскостью меридиана (рис. 2), проходящего через данную точку М земной поверхности. В астрономии принято отсчитывать долготы к востоку от начального меридиана (т. е. в сторону суточного вращения Земли) в пределах от 0° до 360° или от 0 до 24. Однако, допускается отсчёт долготы от 0° до +180° (или от 0 до +12) к востоку (восточная долгота) и от 0° до -180° к западу (западная долгота) от нулевого меридиана.Астрономической (или географической ) широтой
называется угол между плоскостью экватора и отвесной линией в данной точки поверхности Земли. Отсчитывают широты от 0° до 90° в северном полушарии и 0° до -90° в южном полушарии. |
Поскольку земной шар представляет собой эллипсоид вращения и масса по объёму земного шара распределена не равномерно, то отвесная линия может не совпадать с нормалью к касательной плоскости в данной точке поверхности планеты. Поэтому иногда, помимо астрономической широты, приходится различать ещё геодезическую и геоцентрическую широты.
Геодезической широтой
называется угол между плоскостью земного экватора и отвесной линией в данной точки поверхности Земли (рис.3).Геоцентрической широтой (обозначения не имеет) называется угол
между плоскостью экватора и отвесной линией в данной точки поверхности Земли.Разность между геоцентрической и астрономической широтами на полюсах и на экваторе равна нулю, а в других точках планеты не превышает
.Геоцентрическую широту
можно вычислить по следующей формуле: , (1) .В этой формуле
- астрономическая широта, а - сплюснутость Земли.Радиус-вектор R можно определить по формуле
, (2)
где а - экваториальный радиус Земли.
В 1976 г. Международным астрономическим союзом (МАС) были приняты следующие значения параметров земного эллипсоида:
а =6 378 140 м, b =6 356 755 м,
=1: 298,257.С учётом этих данных формулы (1) и (2) принимают вид:
, (3) . (4)СИСТЕМЫ НЕБЕСНЫХ КООРДИНАТ.
Элементы небесной сферы. Небесной сферой называется некоторая сфера произвольного и достаточно большого радиуса, проведённая из точки наблюдения. Существует несколько способов графического представления небесной сферы, отличающихся друг от друга лишь набором параметров, необходимых для решения тех или иных задач.
Небесным меридианом называется большой круг
небесной сферы, проходящий через отвесную линию и ось мира
. Из соображений удобства принято небесный меридиан изображать в плоскости листа бумаги.
Отвесной (или вертикальной ) линией называется линия
, параллельная или совпадающая с направлением нити отвеса и проходящая через глаз наблюдателя О (центр небесной сферы). Точки пересечения отвесной линии с небесной сферой называются зенитом (точно над головой наблюдателя) и надиром (точка, диаметрально противоположная точке зенита). |
Математическим (или истинным ) горизонтом называется большой круг
небесной сферы, перпендикулярный отвесной линии.Осью мира
называется ось, вокруг которой происходит кажущееся вращение небесной сферы.Небесным экватором
называется большой круг небесной сферы, перпендикулярный оси мира .Плоскостью эклиптики называется плоскость орбиты Земли, то есть плоскость, перпендикулярная оси вращения планеты. Плоскость эклиптики составляет с плоскостью небесного экватора угол 23°26’, который вследствие прецессии земной оси вращения периодически изменяется в незначительных пределах.
Горизонтальная система координат. Основными параметрами горизонтальной системы координат (рис. 5) являются круг высоты, отвесная линия и плоскость истинного горизонта.
Кругом высоты (или вертикальным кругом или вертикалом )называется большой круг
небесной сферы, проходящий через зенит, надир и данное светило М . Координатами светила в горизонтальной системе координат являются высота и азимут. |
Высота светила над горизонтом определяется величиной центрального угла
между плоскостью истинного горизонта и направлением на светило М. Измеряется высота от 0° до 90° в северном полушарии и 0° до -90° в южном полушарии. Высота светила над горизонтом может быть выражена зенитным расстоянием этого светила, т. е. величиной центрального угла между отвесной линией и направлением на светило М. Зенитное расстояние отсчитывается от точки зенита вдоль вертикала, проходящего через данное светило М от 0° до 180° (или от 0 до 12). Понятно, что высота светила и его зенитное расстояние связаны между собой простым соотношением: . (5)Малый круг небесной сферы, параллельный истинному горизонту и проходящий через данное светило М , называется альмукантаратом . Все светила одного и того же альмукантарата имеют одну и ту же высоту над горизонтом. Для того, чтобы окончательно определить положение данного светила, используется вторая координата - азимут.
Астрономическим азимутом А светила называется угловое расстояние
, отсчитываемое вдоль плоскости истинного горизонта от точки юга S до вертикала, проходящего через данное светило M . Обычно азимут отсчитывают в сторону запада (в сторону суточного вращения небесной сферы) от 0° до 360° (или от 0 до 24). Это - астрономический азимут. Однако, в геодезии принято пользоваться геодезическим азимутом , отсчитываемым от точки севера в пределах от 0° до 180° (или от 0 до 12) к западу (западный азимут) и от 0° до -180° (или от 0 до -12) к востоку (восточный азимут). Между астрономическим и геодезическим азимутами имеет место очевидное соотношение: . (6)Экваториальные системы координат. Различают две экваториальные системы координат, которые отличаются друг от друга лишь одной из координат. Каждая из экваториальных систем может быть получена путём поворота горизонтальной системы координат вокруг её центра на угол
( - астрономическая широта пункта наблюдения). При этом все элементы горизонтальной системы отобразятся в совершенно аналогичные элементы экваториальных систем координат: отвесная линия перейдёт в ось мира , плоскость истинного горизонта - в плоскость небесного экватора , а круг высоты заменится кругом склонений (рис. 6). |
Первой координатой светила
на небесной сфере в обеих экваториальных системах координат является склонение или полярное расстояние. Второй координатой является часовой угол (в первой экваториальной системе координат) или прямое восхождением (во второй экваториальной системе координат).Склонением
называется центральный угол , отсчитываемый вдоль круга склонений от плоскости небесного экватора до направления на светило М . Склонение отсчитывается от 0° до 90° в северном полушарии и от 0° до -90° в южном. Склонение может быть заменено полярным расстоянием р , т. е. центральным углом , отсчитываемым вдоль круга склонений от северного полюса мира до направления на светило. Полярное расстояние измеряется от северного полюса мира к южному в пределах от 0° до 180° (или от 0 до 12). Между склонением и полярным расстоянием очевидна простая связь: . (7)Малый круг небесной сферы, параллельный небесному экватору, называется суточной (или небесной ) параллелью . Понятно, что все светила, имеющие одно и то же склонение, лежат на одной суточной параллели.
Часовым углом t называется угловое расстояние, отсчитываемое вдоль небесного экватора от верхней его точки до круга склонений, проходящего через данное светило. Часовой угол отсчитывается в сторону запада (т. е. в сторону суточного вращения небесной сферы) от 0° до 360° (или от 0
до 24).Прямым восхождением
светила называется угловое расстояние, отсчитываемое вдоль небесного экватора от точки весеннего равноденствия до круга склонений, проходящего через данное светило. Прямое восхождение отсчитывается в сторону востока от 0° до 360° (или от 0 до 24).| ЭКВАТОРИАЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ КООРДИНАТ | |
| Небесный меридиан |
Небесный меридиан |
| Точки зенита и надира | Точки северного и южного полюсов мира |
| Отвесная линия | Ось мира |
| Точки севера и юга | Нижняя и верхняя точки небесного экватора |
| Плоскость истинного горизонта | Плоскость небесного экватора |
| Вертикал | Круг склонений |
| Высота светила над горизонтом | Склонение |
| Зенитное расстояние | Полярное расстояние |
| Астрономический азимут | Часовой угол |
| ГОРИЗОНТАЛЬНАЯ СИСТЕМА КООРДИНАТ | ПЕРВАЯ ЭКВАТОРИАЛЬНАЯ СИСТЕМА КООРДИНАТ | ВТОРАЯ ЭКВАТОРИАЛЬНАЯ СИСТЕМА КООРДИНАТ | |
|
координата |
Высота: h= h= | Склонение: d= |
Склонение: |
| Зенитное расстояние: Z= | Полярное расстояние: |
Полярное расстояние: |
|
|
координата |
Астрономический азимут: А= (к западу) |
Часовой угол: (к западу) |
¾ |
Геодезический азимут: А’= (к востоку) |
¾ | Прямое восхождение: a=(к востоку) |
Эклиптическая система координат. Эклиптическая система координат (рис. 7) может быть получена из экваториальной системы путём мысленного его поворота вокруг центра небесной сферы на угол 23°26’ (угол наклона оси вращения Земли к плоскости эклиптики (плоскости земной орбиты)). При этом аналогом оси мира становится ось эклиптики, а аналогом плоскости небесного экватора - плоскость эклиптики. Точки
и , в которых ось эклиптики пересекает небесный меридиан, называются северным и южным полюсами эклиптики соответственно. Точки пересечения эклиптики с плоскостью небесного экватора называются точками весеннего равноденствия (точка, в которой Солнце переходит из южного полушария в северное) и осеннего равноденствия (точка, в которой Солнце переходит из северного полушария в южное). Точки, отстоящие от равноденственных на 90° называются точками летнего () и зимнего () солнцестояния. Большой круг небесной сферы, проходящий через полюсы эклиптики и светило, называется кругом астрономической широты. Координаты светила в эклиптической системе координат определяются астрономической широтой и астрономической долготой. |
Астрономической широтой называется угловое расстояние от плоскости эклиптики до светила, отсчитываемое вдоль круга широты. Астрономическая широта отсчитывается от 0 до 90° в северном полушарии и от 0 до -90° - в южном.
Астрономической долготой называется угловое расстояние от точки весеннего равноденствия до круга широты данного светила. Отсчитывается астрономическая долгота вдоль плоскости эклиптики в сторону видимого годичного движения Солнца от 0 до 360°.
Светила, расположенные на одном круге широты, имеют одинаковые астрономические долготы .
Галактическая система координат.
Галактическим экватором называется большой круг G -
небесной сферы (рис. 8), наиболее близкий к средней линии Млечного Пути. Положение галактического экватора задаётся экваториальными координатами его северного полюса Г, то есть точки, отстоящей на 90° от всех точек галактического экватора и находящейся в северном полушарии небесной сферы. Диаметрально противоположная точка называются южным галактическим полюсом.
Кругом галактической широты
светила называется большой круг небесной сферы , проходящий через галактические полюсы и через светило М
.
Восходящим узлом - галактического экватора на небесном экваторе называется точка пересечения небесного экватора с галактическим экватором, где Млечный Путь переходит из южного полушария в северное, если при этом идти против часовой стрелки и смотреть со стороны северного галактического полюса.
Галактической широтой светила называется угловое расстояние по кругу галактической широты СМ от галактического экватора до светила. Галактические широты обозначаются буквой b и отсчитываются от 0 до +90° к северному галактическому полюсу и от 0 до -90° к южному галактическому полюсу.
Галактической долготой светила называется угловое расстояние по галактическому экватору -С от восходящего узла галактического экватора на небесном экваторе до круга галактической широты, проходящего через светило. Галактические долготы обозначаются буквой l и отсчитываются от 0 до 360° в каждую сторону, противоположную движению часовой стрелки, если смотреть на плоскость галактического экватора со стороны его северного полюса.
С 1971 года принята новая система галактических координат, в которой долгота l отсчитывается не от восходящего узла -, а от точки галактического экватора, соответствующей направлению на центр Галактики. Эта точка отстоит на
= 33°, 0 к западу от восходящего узла. Следовательно, галактическая долгота l в новой системе и долгота в старой системе связаны соотношением:
.
Если при этом окажется l > 360°, то из полученного значения l следует вычесть 360°.
СИСТЕМЫ СЧЁТА ВРЕМЕНИ
Основной единицей меры времени являются сутки. Сутками называется промежуток времени, в течении которого Земля совершает один полный оборот вокруг своей оси вращения относительно какой-либо точки на небесной сфере . В зависимости от специфики решаемой задачи принято выбирать одну из трёх точек на небесной сфере:
1) истинное Солнце (или просто Солнце),
2) среднее экваториальное солнце,
3) точка весеннего равноденствия.
Сутки, связанные с выбором одной из этих точек на небесной сфере, называются соответственно истинными солнечными, средними солнечными и звёздными сутками.
Истинное солнечное время. Истинным солнцем называется центр видимого на небе солнечного диска. Истинными солнечными сутками называется промежуток времени между двумя ближайшими одноимёнными кульминациями истинного Солнца на одном и том же географическом меридиане. За начало истинных солнечных суток принимается момент нижней кульминации истинного солнца, называемый истинной полночью . Промежуток времени от начала истинных солнечных суток до любого другого момента времени называется истинным солнечным временем
Истинное солнечное время на данном меридиане числено равно часовому углу истинного солнца, выраженному в часовой мере, пляс 12 :
. (1)Пользоваться в повседневной жизни истинными солнечными сутками крайне неудобно по двум причинам. Во-первых, линейная скорость Земли по орбите не постоянна (это связано с эллиптичностью земной орбиты). Летом она меньше чем зимой. Это приводит к непостоянству скорости суточного движения истинного солнца по небесной сфере. Поэтому продолжительность истинных солнечных суток оказывается разной в разное время года: летом истинные солнечные сутки короче, а зимой - длиннее. Во - вторых, истинное Солнце движется, как известно, не по небесному экватору, а в плоскости эклиптики, наклонённой к плоскости небесного экватора на угол
. В результате центр солнечного диска каждый раз в моменты восхода и захода появляется над горизонтом в различных точках. Избавиться от этих двух неприятных обстоятельств можно, если ввести две фиктивные (ничем на небе не отмеченные) точки, называемые средним эклиптическим и средним экваториальным солнцем. Это позволяет ввести понятие средних солнечных суток, лишённых упомянутых выше недостатков, связанных с непостоянством продолжительности истинных солнечных суток и с наклоном эклиптики к плоскости экватора.Среднее солнечное время и уравнение времени. Средним эклиптическим солнцем называется некоторая фиктивная точка (никак на небе не отмеченная), движущаяся по той же траектории что и истинное Солнце, т. е. по эклиптике, с постоянной скоростью, равной средней скорости истинного Солнца. Введение среднего эклиптического солнца, таким образом, устраняет неприятность, связанную с зависимостью продолжительности солнечных суток от времени года, но не снимает проблемы, связанной с наклоном эклиптики к экватору. Для устранения второго обстоятельства вводят ещё одну фиктивную точку, называемую средним экваториальным солнцем.
Средним экваториальным солнцем называется некоторая фиктивная точка, движущаяся по небесному экватору с постоянной скоростью, равной скорости среднего эклиптического солнца. Таким образом среднее экваториальное солнце, поскольку оно движется по небесному экватору и с постоянной скоростью, позволяет строить такую систему счёта времени, в которой продолжительность суток в течении года остаётся неизменной. В этой системе счёта времени средними солнечными сутками называется промежуток между двумя ближайшими одноимёнными кульминациями среднего экваториального солнца на одном и том же географическом меридиане. За начало средних солнечных суток принимается момент нижней кульминации среднего экваториального солнца, называемый средней полночью . Промежуток времени от начала средних солнечных суток до любого другого момента времени называется средним солнечным временем на данном географическом меридиане.
Среднее солнечное время на данном меридиане числено равно часовому углу среднего экваториального солнца, выраженному в часовой мере, плюс 12 :
. (2)
По причине непостоянства скорости истинного Солнца моменты времени в обеих системах совпадают далеко не всегда. Среднее экваториальное солнце то отстаёт от истинного, то опережает его. Соответствующая разность моментов времени обеих систем называется уравнением времени :
. (3)Уравнение времени позволяет получить связь между истинным и средним солнечными временами. Для этого достаточно в уравнения (1) и (2) подставить
и , выраженные из уравнения времени (3): (4)Звёздное время. Звёздными сутками называется промежуток между двумя ближайшими одноимёнными кульминациями точки весеннего равноденствия на одном и том же географическом меридиане. За начало звёздных суток принимается момент верхней кульминации точки весеннего равноденствия, называемый звёздным полднем . Промежуток времени от начала звёздных суток до любого другого момента времени называется звёздным временем s на данном географическом меридиане.
Звёздное время s на данном географическом меридиане числено равно часовому углу точки весеннего равноденствия, выраженному в часовой мере :
. (5)Звёздное время s на данном географическом меридиане также может быть определено суммой часового угла t любого светила и прямого восхождения того же светила :
. (6)Иногда приходится осуществлять переход от звёздного времени к солнечному или наоборот. Для этого необходимо сначала найти звёздное время
на начало солнечных суток (положение точки весеннего равноденствия на небесной сфере на начало солнечных суток), а затем по таблицам отыскать звёздное время на данный момент истинного солнечного времени . Приближённо это можно сделать по формуле: .Величина
приводится в астрономических календарях, а приближённо её можно рассчитать по формуле:
,
Такое несовпадение моментов солнечного и звёздного времени объясняется тем, что Солнце движется в направлении, противоположном суточному вращению Земли (с запада на восток). За сутки это перемещение составляет почти 1°, в результате чего солнечные сутки оказываются длиннее звёздных на
. За год это составляет ровно одни сутки: звёздный год на одни сутки длиннее солнечного. Начала истинных солнечных и звёздных суток совпадают 23 сентября каждого года.Местное, всемирное и поясное время. Истинное, среднее и звёздное время на том или ином географическом меридиане называют также местным истинным, местным средним или местным солнечным временем . Мы для краткости все такие времена будем именовать просто местным временем . Вполне понятно, что местное время в один и тот же момент на каждом географическом меридиане будет различным. Разность местных времён двух географических меридианов в один и тот же момент равен разности долгот этих меридианов, выраженных в часовой мере:
(7)
Естественно, что пользоваться местным временем в повседневной жизни не удобно. Поэтому из всего множества меридианов выбрали 24 основных, отстоящих друг от друга на 15°. Один из них, проходящий через Гринвичскую обсерваторию (Англия), стали называть нулевым или Гринвичским меридианом , а местное время на нём всемирным временем или временем по Гринвичу . Все остальные меридианы пронумеровали от 0 да 23 в сторону к востоку от Гринвичского. Кроме того, с каждым из этих меридианов связали полоску земной поверхности шириной в 15° (7,5° к востоку от соответствующего меридиана и на 7,5° к западу от него). Такие полосы земной поверхности стали называть часовыми поясами и считать время в любой точке данного часового пояса одинаковым и равным местному времени на центральном меридиане данного часового пояса. Такое время называется поясным временем . Поясное время связано со всемирным временем очень простым соотношением:
- номер часового пояса, отсчитываемый от нулевого меридиана в сторону востока.Следует отметить, что в действительности границы между часовыми поясами не совпадают в точности с меридианами, отстоящими от основного меридиана на 7,5°, а согласуются с государственными и административными границами и, при необходимости, могут изменяться.
Разность поясных времён двух часовых поясов всегда является целым числом, равным разности номеров этих часовых поясов:
. (9)
Поясное время какого-либо пункта с восточной долготой
может быть определено по формулам:
(10)
Декретное время. Весной 1930 г. правительством Советского Союза было принято постановление о переводе стрелок часов на 1 час вперёд относительно поясного времени:
. (4)
Такое время называется декретным. Местное время связано с декретным следующим выражением:
. (5)
Из соображений более рационального использования светлой части суток в большинстве регионов страны используется, так называемое, летнее время:
(6)Эфемеридное и атомное время. Вследствие непрерывного уменьшения скорости вращения Земли все рассмотренные выше единицы счёта времени изменяются. Так, например, в 1900 году секунда была несколько короче тем сейчас. Это недопустимо сильно сказывается при расчётах движения тел в пределах Солнечной системы. Поэтому в астрономии вводится понятие эфемеридного (или ньютоновского ) времени, единицей измерения которого является отрезок времени, равный одной средней солнечной секунде 1900 года.
Существует и более строгое определение секунды, как отрезка времени, равного 9 192 631 770 периодам колебаний электромагнитной волны, излучаемой атомом цезия. Система счёта времени, построенная на таком определении секунды называется атомным временем . Переход на атомное время был осуществлён в 1964 году, а в качестве эталона атомного времени Международным комитетом мер и весов были приняты атомные цезиевые часы. С 1 января 1972 года все страны мира перешли на счёт времени по этим часам.
ПЕРЕХОД ОТ ОДНОЙ СИСТЕМЫ КООРДИНАТ К ДРУГОЙ
При решении многих задач практической астрономии приходится осуществлять переход от одной системы координат к другой и обратно. Эта операция выполняется при помощи сферической тригонометрии, для чего необходимо уметь решать так называемые сферические треугольники. Поэтому прежде рассмотрим основные понятия и начала математического аппарата сферической тригонометрии, после чего применим эту информацию к решению поставленной задачи.
ЭЛЕМЕНТЫ СФЕРИЧЕСКОЙ ТРИГОНОМЕТРИИ
Сферическим треугольником называется фигура на поверхности сферы, образованная пересечением трёх дуг больших кругов этой сферы (рис. 9). Вершины сферического треугольника принято обозначать большими буквами латинского алфавита, а противолежащие этим сторонам угла – соответственно малыми буквами.
Каждая сторона сферического треугольника меньше суммы двух других сторон:
.Каждая сторона сферического треугольника больше разности двух других его сторон:
Полупериод сферического треугольника всегда больше каждой из его сторон:
Сумма сторон сферического треугольника всегда меньше 360°:
360°.Сумма углов сферического треугольника всегда меньше 540° и больше 180°:
180°.Разность между суммой трёх углов сферического треугольника и 180° называется сферическим избытком Е :
180°.
Площадь сферического треугольника s равна произведению сферического избытка на величину
:
, (8)
где R – радиус сферы, на поверхности которой образован треугольник.
Косинус одной стороны сферического треугольника равен сумме произведения косинусов двух других его сторон и произведения синусов тех же сторон на косину угла между ними:
. (9)
Синусы сторон сферического треугольника пропорциональны синусам противолежащих им углов:
. (10)
. (11)
Синус стороны сферического треугольника, умноженный на косинус прилежащего угла, равен произведению синуса другой стороны, ограничивающей прилежащий угол, на косинус третьей стороны минус косинус стороны, ограничивающей угол, умноженный на произведение синуса третьей стороны на косинус угла, противолежащего первой стороне:
. (12)
Полярным треугольником для данного сферического треугольника называется такой сферический треугольник, по отношению сторон которого вершины данного являются полюсами, то есть отстоят от сторон на 90° (рис. 10).
Сумма угла данного сферического треугольника и соответствующей стороны полярного треугольника равна 180°:
(13)и наоборот:
. (14)
На основе этих свойств полярного треугольника и исходя из (8) – (12), можно получить другие зависимости между сторонами и углами сферического треугольника. Так, например:
.
Эти формулы, равно как и другие, которые могут быть получены на основании выражений (13) и (14), справедливы не только для полярного треугольника, но и вообще для всякого сферического треугольника.
1. Горизонтальная система небесных координат
2. Экваториальная система небесных координат
3. Эклиптическая система небесных координат
4. Галактическая система небесных координат
5. Изменение координат при вращении небесной сферы
6. Использование различных систем координат
Список используемой литературы
Системы небесных координат используются в астрономии для описания положения светил на небе или точек на воображаемой небесной сфере. Небесные координаты вводятся на геометрически правильной поверхности небесной сферы координатной сеткой, подобной сетке меридианов и параллелей на Земле. Координатная сетка определяется двумя плоскостями: плоскостью экватора системы и связанными с ним двумя полюсами, а также плоскостью начального меридиана.
В астрономии применяют несколько систем небесных координат, удобных для решения различных научных и практических задач. При этом используются известные плоскости, круги и точки небесной сферы.
В зависимости от стоящей задачи, может быть более удобным использовать ту или иную систему. Наиболее часто используются горизонтальная и экваториальные системы координат . Реже - эклиптическая , галактическая и другие.
1. Горизонтальная система небесных координат
В горизонтальной системе небесных координат основным кругом служит математический, или истинный, горизонт, а координатой, аналогичной географической широте, - высота светила (над горизонтом) h . Она отсчитывается от плоскости горизонта со знаком «плюс» в видимом полушарии небесной сферы и со знаком «минус» - в невидимом, под горизонтом; таким образом, высоты, так же как и широты на Земле, могут принимать значения от + 90 до - 90°. Круг небесной сферы, на котором все точки имеют равные высоты, аналогичный географической параллели, называется альмукантаратом . Взамен высоты в астрономии часто используется зенитное расстояние z = 90°-h. Геометрически зенитное расстояние z представляет собой угол между направлениями на зенит и на объект; оно всегда положительно и принимает значения в пределах от 0 (для точки зенита) до 180° (для точки надира).
Аналогом географической долготы в горизонтальной системе координат служит азимут , представляющий собой двугранный угол между плоскостью вертикала, проходящего через зенит и рассматриваемую точку, и плоскостью небесного меридиана.
Поскольку обе указанные плоскости перпендикулярны плоскости математического горизонта, мерой двугранного угла может служить соответствующий угол между их следами в горизонтальной плоскости (альфа). В геодезии принято отсчитывать азимуты от направления на точку севера по часовой стрелке (через точки востока, юга и запада) от 0 до 360°. В астрономии азимуты отсчитываются в том же направлении, однако часто начиная от точки юга. Тем самым астрономические и геодезические азимуты отличаются друг от друга на 180°, поэтому важно при решении той или иной задачи на небесной сфере выявить, с каким именно азимутом приходится иметь дело.
Частным случаем понятия «азимут» служат долго применявшиеся в мореплавании и метеорологии румбы . В морской навигации окружность горизонта делилась на 32 румба; в метеорологии- на 16. Направления на север, восток, юг и запад называют главными румбами. Остальные направления называются по имени главных, например: северо-запад или юго-восток, соответственно, между севером и западом, югом и востоком. Еще более дробные румбы именуют так: румб между севером и северо-западом называют северо-северо-западом; между востоком и юго-востоком - восток-юго-восток и т.д. Таким образом, румб является округленным значением азимута.
2. Экваториальная система небесных координат
В экваториальной системе небесных координат исходной плоскостью служит небесный экватор. Координатой, аналогичной географической широте на Земле, в этом случае является склонение светила , угол между направлением на объект и плоскостью небесного экватора. Склонение отсчитывается по так называемому часовому кругу от плоскости небесного экватора со знаком «плюс» в северном полушарии небесной сферы и со знаком «минус» - в южном; оно может принимать значения в пределах от + 90 до - 90 °. Геометрическим местом точек с равными склонениями является суточная параллель .
Другая координата в экваториальной системе вводится двумя способами .
В первом случае начальной плоскостью служит плоскость небесного меридиана места наблюдений; координата, аналогичная земной долготе, в этом случае называется часовым углом и измеряется в часовой мере - часах, минутах и секундах. Часовой угол отсчитывается от южной части небесного меридиана в направлении суточного вращения неба до часового круга светила. Вследствие вращения небосвода часовой угол одного и того же светила в течение суток меняется в пределах от 0 до 24 ч. Такая система небесных координат носит название первой экваториальной . Часовой угол зависит не только от времени наблюдений, но и от места наблюдений на земной поверхности.
Во втором случае начальной плоскостью служит плоскость, проходящая через ось мира и точку весеннего равноденствия, которая вращается вместе со всей небесной сферой. Координата, аналогичная земной долготе, в этом случае называется прямым восxождением (альфа) и отсчитывается в часовой мере в направлении, обратном направлению вращения звездного неба. Для разных светил она имеет значения от 0 до 24 ч. Однако, в отличие от часовых углов, величина прямого восхождения одного и того же светила не меняется вследствие суточного вращения небосвода и не зависит от места наблюдений на поверхности Земли. Склонения и прямые восхождения называются второй экваториальной системой небесных координат. Эта система используется в звездных каталогах и на звездных картах.
3. Эклиптическая система небесных координат
В эклиптической системе основной плоскостью служит плоскость эклиптики. Чтобы определить положение светила, проводят через него и полюс эклиптики большой круг, который называется кругом широты данного светила. Его дуга от эклиптики до светила называется эклиптической широтой (или просто широтой). Широта является первой координатой в этой системе небесных координат (бета). Она отсчитывается от 0 до 90° со знаком «плюс» в сторону северного полюса эклиптики и со знаком «минус» в сторону ее южного полюса. Вторая координата - эклиптическая долгота (или просто долгота (ламбда); она отсчитывается от плоскости, проходящей через полюса эклиптики и точку весеннего равноденствия, в направлении годичного движения Солнца и может принимать значения от 0 до 360°. Координаты звезд в эклиптической системе не меняются в течение суток и не зависят от места наблюдений.
