Небесная сфера. Кульминация светил реферат

Определение географической широты по астрономическим наблюдениям

Определение географической широты по астрономическим наблюдениям

11-Г класс

Определение географической широты в древние времена. В древние времена, и особенно в эпоху Великих географических открытий, определение координат места было необходимой и первоочередной задачей. На каждом корабле был астроном, который с помощью простейших инструментов был способен определить широту и долготу местонахождения судна.

Долгое время для определение координат использовали якобсштаб - инструмент, представляющий собой длинную градуированную планку, снабженную более короткой подвижной поперечной перекладиной. При визировании нужно было приставить конец планки к глазу, а поперечную перекладину двигать до тех пор, пока ее нижний конец не коснется горизонта, а верхний - данной звезды или Солнца. Таким образом определялась высота светила, а с ее помощью - широта места и время. Якобсштаб использовался до середины XVIIIв., пока не был вытеснен зеркальным секстантом - астрономический угломерный инструмент, состоящий из зрительной трубы, двух зеркал, светофильтров и шкалы. Секстант был настолько важен для мореплавателей, что его даже поместили на небо, назвав этим словом созвездие.

Система географических координат на поверхности Земли. Земной шар делится плоскостью экватора на два равных полушария -Северное и Южное. Плоскость экватора перпендикулярна к оси вращения Земли. Ось вращения пересекается с земной поверхностью в Северном и Южном полюсах Земли.

Если мысленно пересечь земной шар плоскостями, параллельными экватору, получаются окружности - параллели. Земной шар можно мысленно пересечь перпендикулярными к экватору и проходящими через земную ось плоскостями, которые носят название плоскостей меридианов, а линии, образованные их пересечением с поверхностью земного шара называются меридианами. Любая точка на поверхности земного шара может быть задана двумя координатами. Одна координата называется долготой и отсчитывается от нулевого, условно принятого меридиана, проходящего через Гринвичскую обсерваторию. Вторая координата называется широтой и отсчитывается от земного экватора к полюсам.

Высота полюса мира над горизонтом. Высота полюса мира над горизонтом hp= PCN, а географическая широта места = COR. Эти два угла ( PCN и COR) равны как углы со взаимно перпендикулярными сторонами: [ОС] [CN],[OR][CP]. Равенство этих углов дает простейший способ определения географической широты местности : угловое расстояние полюса мира от горизонта равно географической широте местности. Чтобы определить географическую широту местности, достаточно измерить высоту полюса мира над горизонтом, так как:

hp=.

Суточное движение светил на различных широтах. С изменением географической широты места наблюдения меняется ориентация оси вращения небесной сферы относительно горизонта. Необходимо рассмотреть, какими будут видимые движения небесных светил в районе Северного полюса, на экваторе и на средних широтах Земли.

На полюсе Земли полюс мира находится в зените, и звезды движутся по кругам, параллельным горизонту. Здесь звезды не заходят и не восходят, их высота над горизонтом неизменная.

На средних географических широтах существуют как восходящие и заходящие звезды, так и те, которые никогда не опускаются под горизонт. Например, околополярные созвездия на географических широтах СССР никогда не заходят. Созвездия, расположенные дальше от северного полюса мира, показываются ненадолго над горизонтом. А созвездия, лежащие около южного полюса мира, являются невосходящими.

Но чем дальше продвигаешься к югу, тем больше можно увидеть южных созвездий. На земном экваторе, если бы днем не мешало Солнце, за сутки можно было бы увидеть созвездия всего земного неба.

Для наблюдателя на экваторе все звезды восходят и заходят перпендикулярно плоскости горизонта. Каждая звезда здесь проходит над горизонтом ровно половину своего пути. Северный полюс мира для него совпадает с точкой севера, а южный полюс мира - с точкой юга. Ось мира расположена в плоскости горизонта.

Высота светил в кульминации. Полюс мира при кажущемся вращении неба, отражающем вращение земли вокруг оси, занимает неизменное положение над горизонтом на данной широте. Звезды за сутки описывают над горизонтом вокруг оси мира круги, параллельные небесному экватору. При этом каждое светило за сутки дважды пересекает небесный меридиан.

Явления прохождения светил через небесный меридиан называются кульминациями. В верхней кульминации высота светила максимальна, в нижней кульминации - минимальна. Промежуток времени между кульминациями равен половине суток.

У не заходящего на данной широте светила М видны обе кульминации, у звезд, которые восходят и заходят, нижняя кульминация происходит под горизонтом, ниже точки севера. У светила М4, находящегося далеко к югу от небесного экватора, обе кульминации могут быть невидимы.

Момент верхней кульминации центра Солнца называется истинным полднем, а момент нижней кульминации - истинной полночью.

Найдем зависимость между высотой h светила М в верхней кульминации, его склонением и широтой местности . ZZ/ - отвесная линия, РР/ - ось мира, QQ/ - проекция небесного экватора, NS - линия горизонта на плоскость небесного меридиана (PZSP/N).

Высота полюса мира над горизонтом равна географической широте места, т. е. hp= . Следовательно, угол между полуденной линией NS и осью мира РР/ равен широте местности , т.е. PON=hp= . Очевидно, что наклон плоскости небесного экватора к горизонту, измеряемый QOS, будет равен 900- , так как QOZ= PON как углы с взаимно перпендикулярными сторонами. Тогда звезда М со склонением , кульминирующая к югу от зенита, имеет в верхней кульминации высоту

h=90о - + .

Из этой формулы видно, что географическую широту можно определить, измеряя высоту любого светила с известным склонением в верхней кульминации. При этом следует учитывать, что если светило в момент кульминации находится к югу от экватора, то его склонение отрицательно.

referatwork.ru

Небесная сфера, Небесные координаты, Высота светил в кульминации

Небесная сфера — это воображаемая сферическая поверхность произвольного радиуса, в центре которой находится наблюдатель. Небесные тела проектируются на небесную сферу.

Из-за малых размеров Земли, в сравнении с расстояниями до звезд, наблюдателей, расположенных в разных местах земной поверхности, можно считать находящимися в центре небесной сферы. В действительности никакой материальной сферы, окружающей Землю, в природе не существует. Небесные тела движутся в беспредельном мировом пространстве на самых различных расстояниях от Земли. Эти расстояния невообразимо велики, наше зрение не в состоянии их оценить, поэтому человеку все небесные тела представляются одинаково удаленными.

За год Солнце описывает большой круг на фоне звездного неба. Годичный путь Солнца по небесной сфере называется эклиптикой. Перемещаясь по эклиптике. Солнце в равноденственных точках дважды пересекает небесный экватор. Это бывает 21 марта и 23 сентября.

Точка небесной сферы, которая остается неподвижной при суточном движении звезд, условно называется северным полюсом мира. Противоположная точка небесной сферы называется южным полюсом мира. Жители северного полушария его не видят, т. к. он находится под горизонтом. Отвесная линия, проходящая через наблюдателя, пересекает небо над головой в точке зенита и в диаметрально противоположной точке, называемой надиром.

Элементы небесной сферы

Соотношение между элементами небесной сферы и земного шара

Ось видимого вращения небесной сферы, соединяющую оба полюса мира и проходящую через наблюдателя, называют осью мира. На горизонте под северным полюсом мира лежит точка севера, диаметрально противоположная ей точка — точка юга. Точки востока и запада лежат на линии горизонта и отстоят от точек севера и юга на 90°.

Плоскость, проходящая через центр сферы перпендикулярно оси мира, образует плоскость небесного экватора, параллельную плоскости земного экватора. Плоскость небесного меридиана проходит через полюсы мира, точки севера и юга, зенит и надир.

Небесные координаты

Система координат, в которой отсчет производится от плоскости экватора, называется экваториальной. Угловое расстояние светила от небесного экватора называется склонением , которое меняется от -90° до +90°. Склонение считается положительным к северу от экватора и отрицательным к югу. Прямое восхождение светила измеряется углом между плоскостями больших кругов, один из которых проходит через полюсы мира и данное светило, второй — через полюсы мира и точку весеннего равноденствия, лежащую на экваторе.

Экваториальные координаты

Горизонтальные координаты

Угловым расстоянием называется расстояние между объектами на небе, измеряемое углом, который образован лучами, идущими к объекту из точки наблюдения. Угловое расстояние светила от горизонта называют высотой светила над горизонтом. Положение светила относительно сторон горизонта называется азимутом. Отсчет ведется от юга по часовой стрелке. Азимут и высоту светила над горизонтом измеряют теодолитом. В угловых единицах выражают не только расстояния между небесными объектами, но и размеры самих объектов. Угловое расстояние полюса мира от горизонта равно географической широте местности.

Высота светил в кульминации

Явления Прохождения светил через небесный меридиан называются кульминациями. Нижней кульминацией называется прохождение светил через северную половину небесного меридиана. Явление прохождения светилом южной половины небесного меридиана называется верхней кульминацией. Момент верхней кульминации центра Солнца называется истинным полднем, а момент нижней кульминации — истинной полночью. Промежуток времени между кульминациями — полсуток.

У незаходящих светил над горизонтом видны обе кульминации, у восходящих и заходящих нижняя кульминация происходит под горизонтом, ниже точки севера. Каждая звезда кульминирует в данной местности всегда на одной и той же высоте над горизонтом, потому что ее угловое расстояние от полюса мира и от небесного экватора не меняется. Солнце же и Луна меняют высоту, накоторой они кульминируют.

shkolo.ru

Задания:

1. По модели небесной сферы изучить ее основные элементы и изменение их положения относительно наблюдателя в процессе суточного вращения небесной сферы.

2. Указать расположение основных элементов небесной сферы относительно истинного горизонта.

3. Начертить мелом на черном глобусе те элементы небесной сферы, которые могут быть на нем изображены.

4. Отождествить на модели небесной сферы ее основные элементы, изображенные на подвижной карте звездного неба.

5. Начертить изображение основных элементов небесной сферы в проекции на плоскость: а) небесного меридиана; б) математического горизонта; в) небесного экватора; г) первого вертикала.

Библиографический список

1. Блажко С.Н.Курс сферической астрономии. – М.: Гостехиздат, 1954. – 238 с.

2. Дагаев М.М.Модель небесной сферы (описания и упражнения). – М.: Учпедгиз, 1960. – 56 с.

3. Дагаев М.М.Задачник-практикум по курсу общей астрономии. – М.: Просвещение, 1965. – 184 с.

4. Дагаев М.М., Демин В.Г., Климишин И.А., Чаругин В.М.Астрономия.– М.: Просвещение, 1983. – § 49–54, 106, 110, 112, 113.

5. Кононович Э.В., Мороз В.И. Общий курс астрономии. – М.: УРСС, 2001. – 542 с.

6. Куликов К.А.Курс сферической астрономии. – М.: Наука, 1974. – 232 с.

7. Куликовский П.Г.Справочник любителя астрономии. – М.: УРСС, 2002. – 688 с.

Лабораторная работа № 2

Кульминация светил. Вид звездного неба на разных географических широтах

Цель работы: изучение условий видимости небесных светил в различных местах земной поверхности.

Пособия: «Справочник любителя астрономии» П.Г. Куликовского; Малый звездный атлас А.А. Михайлова; калькулятор.

Видимое положение светил и любых точек на небесной сфере определяется двумя сферическими координатами. В астрономии используется несколько различных систем небесных координат. Выбор той или иной системы координат определяется содержанием выполняемой задачи. Однако, принцип построения всех систем сферических координат един.

На небесной сфере выбирается большой круг, принимаемый за основной круг системы координат. Именно он определяет название системы координат. Две диаметрально противоположные точки небесной сферы, удаленные на от всех точек основного круга, называютсяполюсами этого круга.

Одна координата отсчитывается вдоль основного круга от некоторой выбранной точки, называемой нуль – пунктом системы координат. Вторая координата отсчитывается от основного круга в перпендикулярном направлении, вдоль большого круга, проходящего через полюса основного круга.

Рассмотрим наиболее часто используемые системы небесных координат.

Горизонтальная система координат. За основной круг принимается математический горизонт. Его полюсами являются точки зенита (Z) и надира (Na). Нуль-пунктом в горизонтальной системе координат является точка юга S на горизонте (рис. 2.1).

Положение небесного светила в горизонтальной системе определяется двумя координатами – азимутом А, изменяющимся в пределах от 0° до 360°, и высотой h, принимающей значения от 0° до 90°.

Азимут А отсчитывается вдоль математического горизонта от точки юга S в западном направлении. Азимуты основных точек горизонта:

Рис. 2.1. Горизонтальная система координат

, ,.

Вторая координата – высота h – отсчитывается вдоль вертикального круга от математического горизонта до светила. Над горизонтом высота светила положительна, под горизонтом – отрицательна. Все точки горизонта имеют высоту 0°, зенит – 90°, надир – -90°.

В практике наблюдений часто измеряют не высоту h, а зенитное расстояние , то есть, удаленность светила от точки зенита до светила вдоль вертикального круга. Очевидно, что связь между высотой и зенитным расстоянием определяется формулой:

Зенитное расстояние всегда положительно и изменяется в пределах от (точкаZ) до (Na). Все точки, лежащие на одном альмукантарате, имеют одинаковую высоту и зенитное расстояние.

При суточном вращении небесной сферы горизонтальные координаты светил непрерывно изменяются, принимая в различные моменты времени строго определенные различные значения. Это позволяет заранее вычислять горизонтальные координаты небесных светил и определять условия их видимости в заданные моменты времени. Но для составления звездных карт, списков и каталогов небесных объектов горизонтальная система координат не пригодна. Для этой цели требуется такая система координат, в которой вращение небесной сферы не влияло бы на значения обеих координат светила.

Экваториальные системы координат. Для неизменности сферических координат необходимо, чтобы координатная сетка вращалась вместе с небесной сферой. Наиболее пригодны для этих целей экваториальные системы координат. В них за основной круг принимается небесный экватор, полюсами которого являются северный и южный полюсы мира.

Первая экваториальная система координат. За нуль-пункт в первой экваториальной системе принимается южная точка небесного экватора , не изменяющая своего положения на небе относительно горизонта при суточном вращении неба. От этой точки вдоль небесного экватора в направлении суточного вращения небесной сферы отсчитывается координата, называемая часовым углом t (рис. 2.2). Часовые углы измеряются в часовой мере и пределы их значений: от до. Вторая координата – склонение . Так называется дуга круга склонения от небесного экватора до светила. Склонение измеряется в градусной мере и изменяется в пределах: от 00 до . В северном полушарии неба склонение положительно, а в южном отрицательно.

Иногда вместо склонения используется так называемое полярное расстояние , измеряемое дугой круга склонения от северного полюса мира до светила. Полярное расстояние всегда положительно и изменяется в пределах от(точка) до(). Полярное расстояние связано со склонениемсветила следующим соотношением:

Все точки небесной сферы, лежащие на одной небесной параллели, имеют одно и тоже склонение. При суточном вращении небесной сферы любое светило движется, описывая круг, вдоль небесной параллели, при этом его склонение не изменяется. Однако вторая координата – часовой угол светила – при суточном вращении неба непрерывно меняется. В связи с этим использовать первую экваториальную систему координат при составлении звездных карт и списков звезд нельзя.

Рис. 2.2. Экваториальные системы координат

Обычно первая экваториальная система координат используется в процессе астрономических наблюдений при наведении телескопа на светило.

Вторая экваториальная система небесных координат. В этой системе координат основной круг – небесный экватор, а нуль-пункт – точка весеннего равноденствия на нем. Она вместе со всеми точками небесного экватора участвует в суточном вращении небесной сферы.

Во второй экваториальной системе координат положение светила на небесной сфере также определяется двумя координатами (рис. 2.2). Одна из них – по-прежнему – склонение δ. Другая называется прямым восхождением и обозначается .

Прямым восхождением называется дуга небесного экватора от точки весеннего равноденствия  до точки пересечения небесного экватора с кругом склонения светила. Прямое восхождение всегда положительно, отсчитывается в направлении против суточного вращения небесной сферы, то есть с запада на восток, измеряется во временных единицах и изменяетсяв пределах от 0hдо 24h.

Координаты светила во второй экваториальной системе не меняются при суточном вращении небесной сферы. Поэтому именно она используется в звездных картах и атласах, в каталогах и списках небесных объектов.

Из рисунка 2.2 видно, что сумма часового угла и прямого восхождения для любого светила численно равна часовому углу точки весеннего равноденствия: . Этот угол принято называтьместным звездным временем.

На практике используются и другие системы небесных координат. Например, при изучении движения тел солнечной системы обычно пользуются эклиптической координатной сеткой, где в качестве основного круга выступает эклиптика. Исследование структуры нашей Галактики удобнее всего производить в галактической системе небесных координат, в которой основным кругом является галактический экватор.

Экваториальные координаты (прямое восхождение и склонение) звезд, определяющие их положение на небесной сфере относительно небесного экватора, не зависят от положения наблюдателя на земной поверхности. В то же время вид самой небесной сферы, то есть, расположение ее элементов относительно истинного горизонта, зависит исключительно от географической широтыместа наблюдения, что находит свое выражение в теореме о высоте северного полюса мира над горизонтом. Напомним ее формулировку: высота северного полюса мира над горизонтом численно равна географической широте места наблюдения.

Поэтому изменение высоты и азимутанебесного светила при суточном вращении небесной сферы и условия его видимости в разных местах Земли зависят не только от склонения светила, но и от географической широтыместа наблюдения на земной поверхности.

Рис. 2.3. Кульминации светила

Как мы знаем, при суточном вращении небесной сферы любое светило движется вдоль небесной параллели. При этом оно дважды в сутки пересекает небесный меридиан. Моменты пересечения светилом небесного меридиана называются кульминациями. Различают две кульминации светила – верхнюю и нижнюю. Верхняя кульминация, когда высота светила максимальна, происходит в южной стороне неба, над точкой юга на горизонте (рис. 2.3.). В моментнижней кульминации, происходящей вблизи точки севера на горизонте, высота светила имеет наименьшее значение. Высоту светила в верхней и нижней кульминациях можно рассчитать по формулам

В каждом месте земной поверхности с определенной географической широтой , условия видимости небесных светил зависят от соотношения их склоненияи широты. В зависимости от этого соотношения одни светила являются незаходящими в данном месте Земли, другие – невосходящими, третьи – восходят и заходят. Причем продолжительность их пребывания над горизонтом на протяжении суток и положение точек их восхода и захода опять-таки зависят от соотношенияи(рис. 2.4). Условия видимости светил выводятся из формул, определяющих их высоту в верхней и нижней кульминации.

Рис. 2.4. Области незаходящих и невосходящих светил

Светила, которые даже в момент нижней кульминации не уходят под горизонт, то есть , называютсянезаходящими. На основе этого определения можно записать условие незаходимости:

Светила, которые даже в верхней кульминации не поднимаются над горизонтом, то есть , называютсяневосходящими. Для них справедливо условие невосходимости:

Светила, верхняя кульминация которых происходит над горизонтом, а нижняя – под горизонтом, называются восходящими и заходящими. Условие восходимости и заходимости имеет вид:

Соотношение между иопределяет также и расположение светила относительно зенита в момент верхней кульминации:

при верхняя кульминация светила происходит к югу от зенита;

при в момент верхней кульминации светило проходит через точку зенита;

при верхняя кульминация светила наблюдается к северу от зенита.

Поэтому при вычислении зенитного расстояния или высотысветила в верхней кульминации, около числового результата необходимо проставить буквыS или N (юг или север), указывающие направления верхней кульминации. Кроме того, поскольку высота светил может быть положительной и отрицательной, перед числовым ее значением следует обязательно поставить соответствующий знак.

Для определения условий видимости небесных светил в южном полушарии Земли нужно помнить, что там над истинным горизонтом находится южный полюс мира, большинство видимых небесных светил принадлежит южной небесной полусфере и имеет отрицательное склонение (), причем в нижней кульминации светила проходят через небесный меридиан над точкой юга или под ней. Поэтому при расчетах проще всего считать географическую широтуточек южного полушария Земли и склонениенебесных светил южной небесной полусферы положительными, а окончательному результату приписывать противоположное направление (N вместо S и наоборот). При вычислениях следует обязательно выполнять чертежи, которые дают наглядное представление о решаемых задачах и предохраняют от возможных ошибок.

Рассмотренные ранее условия видимости светил наглядно демонстрируются на модели небесной сферы. Помня, что всегда высота полюса мира , можно установить модель небесной сферы на определенную географическую широтуи, укрепив насадки-светила в разных точках модели (в точках с различным склонением), увидеть при вращении модели различные суточные пути светил, плоскости которых наклонены к плоскости истинного горизонта под одним и тем же углом.

Изменяя склонение насадок-светил, можно выяснить расположение точек их восхода и захода, условия их кульминации и условиях невосходящих и незаходящих светил.

Если же, не меняя склонения светил, последовательно устанавливать модель небесной сферы на разную широту, то можно убедиться в изменении условий видимости одних и тех же светил. Особенно рекомендуется обратить внимание на продолжительность пребывания над горизонтом различных широт светил, лежащих на небесном экваторе (). Это позволяет выяснить возможность наблюдений звезд на различных широтах областей северной и южной полусферы.

Установка модели небесной сферы для земного экватора (;) и северного географического полюса (;) позволяет представить себе вид звездного неба на этих широтах.

studfiles.net

Смотрите также

• 
  Коммерческое представительство реферат
• 
  Карл брюллов реферат
• 
  Древнегреческие мифы реферат
• 
  Восприятие пространства реферат
• 
  Атмосферные осадки реферат
• 
  Щелкунчик балет реферат
• 
  Уборка зерновых реферат
• 
  Соусы холодные реферат
• 
  Рождественские песни реферат
• 
  Реферат строение черепа
• 
  Реферат работа концертмейстера