Небесная сфера

Небе'сная сфе'ра, воображаемая вспомогательная сфера произвольного радиуса, на которую проектируются небесные светила; служит для решения различных астрометрических задач. Представление о Н. с. 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. Т. о., в их представлении Н. с. была важнейшим элементом Вселенной. С развитием научных знаний такой взгляд на Н. с. отпал. Однако заложенная в древности геометрия Н. с. в результате развития и совершенствования получила современный вид, в котором и используется в астрометрии.

  Радиус Н. с. может быть принят каким угодно: в целях упрощения геометрических соотношений его полагают равным единице. В зависимости от решаемой задачи центр Н. с. может быть помещен в место, где находится наблюдатель (топоцентрическая Н. с.), в центр Земли (геоцентрическая Н. с.), в центр той или иной планеты (планетоцентрическая. Н. с.), в центр Солнца (гелиоцентрическая Н. с.) или в любую др. точку пространства. Каждому светилу на Н. с. соответствует точка, в которой её пересекает прямая, соединяющая центр Н. с. со светилом (с его центром). При изучении взаимного расположения и видимых движений светил на Н. с. выбирают ту или иную систему координат (см. Небесные координаты ) ,определяемую основными точками и линиями. Последние обычно являются большими кругами Н. с. Каждый большой круг сферы имеет два полюса, определяющиеся на ней концами диаметра, перпендикулярного к плоскости данного круга.

  На рис. 1 изображена Н. с., которая соответствует месту наблюдения, расположенному в некоторой точке земной поверхности с широтой (р. Отвесная (вертикальная) линия, проведённая через центр этой сферы, пересекает Н. с. в точках Z и Z', называемыми соответственно зенитом и надиром. Плоскость, проходящая через центр Н. с. перпендикулярно отвесной линии, пересекает сферу по большому кругу NESW,называемому математическим (или истинным) горизонтом. Математический горизонт делит Н. с. на видимую и невидимую полусферы; в первой находится зенит, во второй - надир. Прямая, проходящая через центр Н. с. параллельно оси вращения Земли, называемой осью мира, а точки пересечения её с Н. с. - Северным Ри Южным P'полюсами мира. Плоскость, проходящая через центр Н. с. перпендикулярно оси мира, пересекает сферу по большому кругу AWA'E,называется небесным экватором. �з 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 Н. с., проходящий через полюсы мира, зенит и надир, называется небесным меридианом.

  �з двух точек, в которых небесный меридиан пересекается с математическим горизонтом, ближайшая к Северному полюсу мира Nназывается точкой севера, а диаметрально противоположная S- точкой юга. Прямая NS,проходящая через эти точки, есть полуденная линия. Точки горизонта, отстоящие на 90° от точек Nи S, называются точками востока Еи запада W.Точки N, Е. S, Wназываются главными точками горизонта. По диаметру EWпересекаются плоскости математического горизонта и небесного экватора.

  Большой круг Н. с., по которому происходит видимое годичное движение центра Солнца, называется эклиптикой ( рис. 2 ).

  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 Н. с. 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 Н. с., вторая - в Южном). Большой круг Н. с., проходящий через полюсы мира и точки равноденствия, называется колюром равноденствий; большой круг Н. с., проходящий через полюсы 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 Н. с. вокруг оси мира с периодом, равным одним звёздным суткам. Вследствие вращения Н. с. 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 KNи SM',касающиеся горизонта в точках Nи S ( рис. 1 ). 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 ( рис. 3 ). 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 ( рис. 4 ).

  Лит.:Блажко С. Н., Курс сферической астрономии, М. - Л., 1948; Казаков С. А., Курс сферической астрономии, 2 изд., М. - Л., 1940.

  В. П. Щеглов.

Рис. 4. �зображение небесной сферы для полюса (j = 90°).

Рис. 2. Небесная сфера: ЎA A' - небесный экватор; ЎE = E' - эклиптика; Ў и  - точки весеннего и осеннего равноденствия; Е и E' - точки летнего и зимнего солнцестояния; Р и P' - Северный и Южный полюсы мира; П и П' - Северный и Южный полюсы эклиптики.

Рис. 3. �зображение небесной сферы для экватора (j = 0°).

Рис. 1. Небесная сфера: Z - зенит; Z' - надир; NESW - математический горизонт; N, Е, S, W - точки севера, востока, юга и запада; Р и P' - Северный и Южный полюсы мира; AWA'E - небесный экватор; j - географическая широта.

Небесные координаты

Небе'сные координа'ты,числа, с помощью которых определяют положение светил и вспомогательных точек на небесной сфере.В астрономии употребляют различные системы Н. к. Каждая из них по существу представляет собой систему полярных координат на сфере с соответствующим образом выбранным полюсом. Систему Н. к. задают большим кругом небесной сферы (или его полюсом, отстоящим на 90° от любой точки этого круга) с указанием на нём начальной точки отсчёта одной из координат. В зависимости от выбора этого круга системы Н. к. называлась горизонтальной, экваториальной, эклиптической и галактической. Н. к. 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 Н. к.

  В горизонтальной системе основным кругом служит математический, или истинный, горизонт NESW( рис. 1 ), полюсом - зенит Zместа наблюдения. Для определения положения светила s проводят через него и Zбольшой круг, называется кругом высоты, или вертикалом, данного светила. Дуга Zs вертикала от зенита до светила называется его зенитным расстоянием zи является первой координатой; zможет иметь любое значение от 0° (для зенита Z) до 180° (для надира Z'). Вместо zпользуются также высотой светила h,равной дуге круга высоты от горизонта до светила. Высота отсчитывается в обе стороны от горизонта от 0° до 90° и считается положительной, если светило находится над горизонтом, и отрицательной - если светило под горизонтом. При таком условии всегда справедливо соотношение z+ h= 90°. Вторая координата - азимут А -есть дуга горизонта, отсчитываемая от точки севера Nпо направлению к востоку до вертикала данного светила (в астрометрии азимут часто отсчитывают от точки юга Sк западу). Эта дуга NESMизмеряет сферический угол при Zмежду небесным меридианом и вертикалом светила, равный двугранному углу между их плоскостями. Азимут может иметь любое значение от 0° до 360°. Существенной особенностью горизонтальной системы является её зависимость от места наблюдения, т.к. зенит и математический горизонт определяются направлением отвесной линии, различным в разных точках земной поверхности. Вследствие этого координаты даже весьма удалённого светила, наблюдаемого одновременно из разных мест земной поверхности, различны. В процессе движения по суточной параллели каждое светило дважды пересекает меридиан; прохождения его через меридиан называются кульминациями. В верхней кульминации zбывает наименьшим, в нижней - наибольшим. В этих пределах zизменяется в течение суток. Для светил, имеющих верхнюю кульминацию к югу от Z, азимут Ав течение суток меняется от 0° до 360°. У светил же, кульминирующих между полюсом мира Ри Z, азимут изменяется в некоторых пределах, определяемых широтой места наблюдения и угловым расстоянием светила от полюса мира.

  В первой экваториальной системе основным кругом служит небесный экватор QЎ Q’( рис. 2 ), полюсом - полюс мира Р, видимый из данного места. Для определения положения светила s проводят через него и Рбольшой круг, называемый часовым кругом, или кругом склонений. Дуга этого круга от экватора до светила есть первая координата - склонение светила d. Склонение отсчитывается от экватора в обе стороны от 0° до 90°, причём для светил Южном полушария d принимается отрицательным. �ногда вместо склонения берётся полярное расстояние р,равное дуге Рs круга склонений от Северного полюса до светила, которая может иметь любое значение от 0° до 180°, так что всегда справедливо соотношение: р+ d = 90°. Вторая координата - часовой угол t -есть дуга экватора QM,отсчитываемая от расположенной над горизонтом точки Qпересечения его с небесным меридианом в направлении вращения небесной сферы до часового круга данного светила. Эта дуга соответствует сферическому углу при Рмежду направленной к точке юга дугой меридиана и часовым кругом светила.