Элементы сферической астрономии

Рассмотрим астрономические единицы счета времени, которые стали прообразами календарных единиц. Затем о том, как в далеком прошлом люди, даже не зная истинной продолжительности года, могли измерять равные ему временные отрезки, наблюдая восход (или заход) Солнца в одной и той же точке горизонта, ориентируя в этом направлении свои храмы и пирамиды.

Основные точки и линии небесной сферы. Прежде всего напомним, что при изучении вида звездного неба пользуются понятием небесной сферы — воображаемой сферы произвольного радиуса, к внутренней поверхности которой как бы «подвешены» звезды. В центре этой сферы (в точке О) и находится наблюдатель (рис.). Точка небесной сферы, расположенная прямо над головой наблюдателя, называется зенитом, противоположная ей — надиром. Точки пересечения воображаемой оси вращения Земли («оси мира») с небесной сферой называются полюсами мира. 

Проведем через центр небесной сферы три воображаемые плоскости: первую перпендикулярно к отвесной линии, вторую перпендикулярно к оси мира и третью — через отвесную линию (через центр сферы и зенит) и ось мира (через полюс мира). В результате на небесной сфере получим три больших круга (центры которых совпадают с центром небесной сферы): горизонт, небесный экватор и небесный меридиан (рис.). Небесный меридиан пересекается с горизонтом в двух точках: точке севера (N) и точка юга (S), небесный экватор — в точке востока (Е) и точке запада (W). Линия SN, определяющая направление «север — Юг», называется полуденной линией.

Рис. Основные точки и линии небесной сферы; стрелкой указано направление ее вращения 

Видимое годичное передвижение центра диска Солнца среди звезд происходит по эклиптике — большому кругу, плоскость которого составляет с плоскостью небесного экватора угол ε = 23°27. С небесным экватором эклиптика пересекается в двух точках (рис.): в точке весеннего равноденствия ¡и в точке осеннего равноденствия W.

Рис. Положение эклиптики на небесной сфере; стрелкой указано направление видимого годичного движения Солнца

Напомним, что Солнце передвигается по эклиптике навстречу видимому суточному вращению небесной сферы (т. е. с запада на восток) со скоростью почти 1° в сутки, что составляет два его видимых угловых диаметра. Через точку весеннего равноденствия Солнце проходит 20 (или 21) марта, двигаясь из южного полушария в северное. Полгода спустя 22 (или 23) сентября оно проходит через точку осеннего равноденствия из северного полушария в южное.

Небесные координаты. Как и на глобусе— уменьшенной модели Земли, на небесной сфере (но изнутри нее!) можно построить координатную сетку, позволяющую определить координаты любого светила. Роль земных меридианов на небесной сфере играют круги склонений, проходящие от северного полюса мира к южному, вместо земных параллелей на небесной сфере проводятся суточные параллели. Для каждого светила можно найти (рис.):

Рис. Направление отсчета экваториальных координат а и S, а также часового угла t звезды

1. Угловое расстояние α его круга склонения от точки весеннего равноденствия, измеренное вдоль небесного экватора против суточного движения небесной сферы (аналогично тому, как вдоль земного экватора мы измеряем географическую долготу λ — угловое расстояние меридиана наблюдателя от нулевого гринвичского меридиана). Эта координата называется прямым восхождением светила.

2. Угловое расстояние светила δ от небесного экватора — склонение светила, измеренное вдоль круга склонений, проходящего через это светило (соответствует. географической широте φ).

Прямое восхождение светила α измеряется в часовой мере — в часах (ч или h), минутах (м или m) и секундах (с или s) от 0^h до 24^h склонение δ — в градусах, со знаком «плюс» (от 0° до +90°) по направлению от небесного экватора к северному полюсу мира и со знаком «минус» (от 0° до —90°) — к южному полюсу мира. В процессе суточного вращения небесной сферы эти координаты для каждого светила остаются неизменными.

Положение каждого светила на небесной сфере в данный момент времени можно описать и двумя другими координатами: его азимутом и угловой высотой над горизонтом. Для этого от зенита через светило к горизонту проводим мысленно большой круг — вертикал. Азимут светила A отсчитывается от точки юга S к западу до точки пересечения вертикала светила с горизонтом. Если же отсчет азимута ведется от точки юга против часовой стрелки, то ему приписывают знак минус. Высота светила h отсчитывается вдоль вертикала от горизонта до светила (рис.). Обратившись к рис., видно, что высота полюса мира над горизонтом равна географической широте наблюдателя.

Рис. Направление отсчета азимута А и высоты h светила

Кульминация светил. В процессе суточного вращения Земли каждая точка небесной сферы дважды проходит через небесный меридиан наблюдателя. Прохождение того или другого светила через ту часть дуги небесного меридиана, на которой расположен зенит наблюдателя, называется верхней кульминацией светила. При этом высота светила над горизонтом достигает наибольшего значения. В момент нижней кульминации светило проходит противоположную часть дуги меридиана, на которой находится надир. Временем, прошедшим после верхней кульминации светила, измеряется часовой угол светила t.

Если светило в верхней кульминации проходит через небесный меридиан к югу от зенита, то его высота над горизонтом в этот момент равна