В звёздных лабиринтах: Ориентирование по небу

Во первых, по самому построению небесной сферы все небесные светила при её вращении описывают окружности, плоскости которых параллельны плоскости небесного экватора. Но это и значит, что угловое расстояние светила от экватора, т.е. склонение, с течением времени не испытывает изменений.

Во-вторых, поскольку точка весеннего равноденствия сама участвует во вращении небесной сферы, то и угловые расстояния по линии небесного экватора от этой точки также остаются неизменными.

Следовательно, знание экваториальных координат позволяет без каких бы то ни было дополнительных вычислений находить на небесной сфере любую звезду.

Правда, если говорить строго, то вследствие отклонения фигуры Земли от идеального шара и неравномерного распределения масс в её недрах, ось вращения Земли совершает сложное движение в пространстве. В частности, за 26 000 лет она описывает в пространстве вокруг оси эклиптики конус в направлении часовой стрелки (если смотреть из мирового пространства на северный полюс Земли). В результате точка весеннего равноденствия перемещается вдоль эклиптики с востока на запад на 50'', 256 в год, «предваряет» Солнце, и весна начинается каждый год на 20 минут 24 секунды раньше. Это явление получило название прецессии или предварения равноденствий. Благодаря прецессии происходит медленное смещение по эклиптике точек весеннего и осеннего равноденствий, а также северного и южного полюсов мира по небесной сфере. В частности, примерно через 14 000 лет северный полюс мира переместится в район звезды Веги из созвездия Лиры. Тогда Вега станет полярной звездой.

В современную эпоху точка весеннего равноденствия находится в созвездии Рыб, а точка осеннего равноденствия в созвездии Девы.

Рис. 6. Эклиптическая система координат.

Наряду с экваториальной системой координат иногда пользуются ещё и так называемой эклиптической системой (рис. 6), где основным кругом отсчёта служит линия эклиптики. По аналогии с полюсами мира можно ввести понятие полюсов эклиптики.

Положение соответствующих точек на небесной сфере можно определить, проведя из центра небесной сферы прямую линию, перпендикулярную к плоскости эклиптики. Там, где она пересечет небесную сферу, и находятся полюсы эклиптики — северный (в северном полушарии неба) и южный (в южном полушарии).

Первая координата — эклиптическая долгота подобно прямому восхождению отсчитывается от точки весеннего равноденствия по кругу эклиптики в направлении против часовой стрелки и измеряется в градусах.

Вторая координата — эклиптическая широта отсчитывается от эклиптики в градусах по дуге, проходящей через светило и полюс эклиптики. Широта по дуге в направлении северного полюса эклиптики отсчитывается со знаком плюс, в противоположном — со знаком минус.

От экваториальных координат и на земной небесной сфере можно перейти к эклиптическим координатам и с помощью следующих соотношений:

sin 

=

cos •sin - sin •cos •sin ,

cos •sin 

=

sin •sin + cos •cos •sin ,

cos •cos 

=

cos •cos ,

где — угол наклона эклиптики к линии небесного экватора, равный 23°27'.

Звёздный компас

Итак, мы установили, что каждой точке пространства соответствует бесконечное множество вложенных друг в друга (концентрических) небесных сфер с центром в этой точке.

Если же ввести на небесной сфере геометрию, связывающую небесную сферу с Землей, то каждой точке земной поверхности будет соответствовать семейство небесных сфер с вполне определённым расположением основных кругов и линий, а двум разным точкам будут соответствовать семейства небесных сфер с различными расположениями основных кругов и линий. Иными словами, между точками земной поверхности и семействами небесных сфер с различным расположением основных кругов и линий существует взаимно однозначное соответствие. Это обстоятельство открывает возможность ориентирования с помощью небесной сферы.

Выясним прежде всего, чем отличаются друг от друга небесные сферы, соответствующие различным точкам одного и того же меридиана. Рассмотрим сперва небесную сферу, построенную для точки, расположенной на некоторой средней широте северного полушария Земли. У такой небесной сферы линия небесного экватора составляет с линией истинного горизонта некоторый положительный угол. Линия небесного экватора поднимается над линией истинного горизонта в южной стороне неба, достигая максимального удаления от неё в точке пересечения с небесным меридианом.

По самому характеру построения линий и кругов небесной сферы небесный экватор при её вращении как бы движется вдоль самого себя, а все небесные светила описывают окружности, плоскости которых параллельны плоскости небесного экватора. Поэтому любое небесное светило при вращении небесной сферы дважды в сутки проходит через небесный меридиан. Явление прохождения светила через небесный меридиан получило название кульминаций. Осью мира меридиан делится на две части. Если в момент кульминации светило пересекает небесный меридиан в той его части, которая содержит зенит, то кульминация называется верхней. При пересечении светилом части меридиана, содержащей надир, кульминация называется нижней. Попутно заметим, что если высота светила в течение полного оборота небесной сферы остается положительной, оно является для данной земной широты незаходящим, если отрицательной — невосходящим. Если же высота светила меняет в течение полного оборота небесной сферы (т. е. на протяжении суток) свой знак, то светило является заходящим.

Рис. 7. Высота полюса мира и географическая широта.

Станем теперь перемещаться вдоль земного меридиана к северу (рис. 7). Какие изменения произойдут с небесной сферой? Мы обнаружим, что по мере продвижения на север северный полюс мира будет постепенно приближаться к зениту, а следовательно, линия небесного экватора — сближаться с линией математического горизонта. Когда мы достигнем полюса Земли, отвесная линия совпадет с осью мира, следовательно, полюс мира совпадет с зенитом, плоскость экватора — с горизонтальной плоскостью, а линия небесного экватора — с линией математического горизонта (рис. 7 слева). Поэтому для наблюдателя, находящегося на полюсе, звёзды движутся параллельно плоскости математического горизонта. А это означает, что на полюсе высота звёзд данного полушария не изменяется с течением времени. Другими словами, на полюсе все звёзды данного полушария незаходящие.

Любопытно отметить, что на полюсе невозможно использовать горизонтальную систему небесных координат. Дело в том, что на полюсе нельзя выделить направление небесного меридиана: так как зенит совпадает с полюсом мира, то положение плоскости небесного меридиана определяется здесь уже не тремя, а фактически только двумя точками, т.е. становится неопределённым. В точке пересечения оси вращения Земли с её поверхностью любое направление есть направление на юг. Таким образом, на линии горизонта исчезает фиксированная точка, от которой следует отсчитывать азимут...

Теперь от средних широт северного полушария предпримем путешествие в направлении, противоположном северному полюсу Земли, к земному экватору. Мы обнаружим, что высота линии небесного экватора над горизонтом постепенно возрастает, а зенитное расстояние соответственно уменьшается. На экваторе северный полюс мира окажется на линии математического горизонта, а ось мира будет лежать в горизонтальной плоскости. Линия же небесного экватора пройдет через зенит и будет расположена перпендикулярно к линии горизонта (рис. 7 справа). Следовательно, на земном экваторе все звёзды будут восходить и заходить перпендикулярно к линии горизонта. При этом все они будут заходящими и восходящими.