Видимое суточное движение звезд доклад

Обновлено: 16.05.2024

� 8. Видимые движения звезд, Солнца, Луны и планет

Если в ясную ночь пронаблюдать звездное небо в течение нескольких часов, то легко заметить, что небесный свод, как одно целое, со всеми находящимися на нем светилами плавно вращается около некоторой воображаемой оси, проходящей через место наблюдения. Это вращение небесного свода и светил называется суточным движением, так как одно полное обращение совершается за сутки. Вследствие суточного вращения звезды и другие небесные тела непрерывно меняют свое положение относительно сторон горизонта.

Если наблюдать суточное движение звезд в северном полушарии Земли (но не близко к ее полюсу) и при этом стоять лицом к южной стороне горизонта, то их вращение происходит слева направо, т.е. �по часовой стрелке�. На восточной стороне горизонта (если наблюдать не на полюсе Земли) звезды восходят, поднимаются выше всего над южной стороной горизонта и заходят на западной стороне. При этом каждая звезда всегда восходит в одной и той же точке восточной стороны горизонта и заходит всегда в одной и той же точке западной стороны. Максимальная высота над горизонтом для каждой данной звезды и для данного места наблюдения также всегда постоянна.

Если же стать лицом к северной стороне горизонта, то наблюдения покажут, что одни звезды будут также восходить и заходить, а другие � описывать полные круги над горизонтом, вращаясь вокруг общей неподвижной точки. Эта точка называется северным полюсом мира.

Приблизительное положение северного полюса мира на небе можно найти по положению самой яркой звезды в созвездии Малой Медведицы. Эта звезда на звездных картах обозначается буквой ст и за свою близость к северному полюсу мира называется Полярной звездой (рис. 1). Расстояние Полярной звезды от северного полюса мира в настоящее время меньше 1�.

Рис. 1. Околополярные созвездия.

Солнце и Луна, так же как и звезды, восходят на восточной стороне горизонта, выше всего поднимаются над южной и заходят на западной стороне. Но, наблюдая восход и заход этих светил, можно заметить, что в разные дни года они восходят, в отличие от звезд, в разных точках восточной стороны горизонта и заходят также в разных точках западной стороны.

Так, Солнце в начале зимы восходит на юго-востоке, а заходит на юго-западе. Но с каждым днем точки его восхода и захода передвигаются к северной стороне горизонта. При этом с каждым днем Солнце в полдень поднимается над горизонтом все выше и выше, день становится длиннее, ночь � короче.

В начале лета, достигнув некоторого предела на северо-востоке и на северо-западе, точки восхода и захода Солнца начинают перемещаться в обратном направлении, от северной стороны горизонта к южной. При этом полуденная высота Солнца и продолжительность дня начинают уменьшаться, а продолжительность ночи � увеличиваться. Достигнув некоторого предела в начале зимы, точки восхода и захода Солнца снова начинают передвигаться к северной стороне неба и все описанные явления повторяются.

Из элементарных и не очень продолжительных наблюдений легко заметить, что Луна не остается все время в одном и том же созвездии, а переходит из одного созвездия в другое, передвигаясь с запада на восток примерно на 13� в сутки. Перемещаясь по 12 созвездиям, Луна обходит полный круг по небу за 27,32 суток.

Более тщательные и более продолжительные наблюдения показывают, что и Солнце, подобно Луне, перемещается по небу с запада на восток, проходя по тем же 12 созвездиям. Только скорость его перемещения значительно меньше, около 1� в сутки, и весь путь Солнце проходит за год.

Созвездия, по которым проходят пути Солнца и Луны, называются зодиакальными (от греческого слова зоон � животное). Названия их таковы: Рыбы, Овен, Телец, Близнецы, Рак, Лев, Дева, Весы, Скорпион, Стрелец, Козерог и Водолей. Первые три созвездия Солнце проходит в весенние месяцы, следующие три � в летние, еще три следующих � в осенние и, наконец, последние три � в зимние месяцы. Те созвездия, в которых в данное время находится Солнце, недоступны наблюдениям и становятся хорошо видны лишь приблизительно через полгода.

Еще в глубокой древности среди звезд зодиакальных созвездий было замечено пять небесных светил, внешне очень похожих на звезды, но отличающихся от последних тем, что они не сохраняют одного и того же положения в созвездиях, а �блуждают� по ним подобно Солнцу и Луне. Эти тела были названы планетами, что значит �блуждающие светила�. Древние римляне дали планетам имена своих богов: Меркурий, Венера, Марс, Юпитер и Сатурн. В XVIII - XX вв. были открыты еще три планеты: Уран (в 1781 г.), Нептун (в 1846 г.) и Плутон (в 1930 г.).

Планеты перемещаются по зодиакальным созвездиям большую часть времени с запада на восток, но часть пути и с востока на запад. Первое движение, т. е. такое же, как у Солнца и Луны, называется прямым, второе, с востока на запад, � попятным движением.

Из-за осевого вращения Земли звезды нам кажутся перемещающимися по небу. При внимательном наблюдении можно заметить что Полярная звезда почти не меняет положения относительно горизонта.

Рис. 9. Фотография околополярной области неба, снятая неподвижной камерой с экспозицией около часа.

Рис. 10. Созвездия в окрестности Полярной звезды.

Рис. 11. Основные точки и линии небесной сферы.

Диаметрально противоположная точка Z' называется надиром. Плоскость (NESW), перпендикулярная отвесной линии ZZ' является плоскостью горизонта — эта плоскость касается поверхности земного шара в точке, где расположен наблюдатель (точка С на рис. 12). Она делит поверхность небесной сферы на две полусферы: видимую, все точки которой находятся над горизонтом, и невидимую, точки которой лежат под горизонтом.

Рис. 12. Соотношение между линиями и плоскостями на небесной сфере и на земном шаре.

Ось видимого вращения небесной сферы, соединяющую оба полюса мира (Р и Р') и проходящую через наблюдателя (С), называют осью мира (рис. 11). Ось мира для любого наблюдателя всегда будет параллельна оси вращения Земли (рис. 12). На горизонте под северным полюсом мира лежит точка севера N (рис. 11 и 12) диаметрально противоположная ей точка S — точка юга.

Линия NS называется полуденной линией (рис. 11), так как по ней на горизонтальной плоскости в полдень падает тень от вертикально поставленного стержня. (Как на местности провести полуденную линию и как по ней и по Полярной звезде ориентироваться по сторонам горизонта, вы изучали в V классе в курсе физической географии.) Точки востока Z и запада W лежат на линии горизонта. Они отстоят от точек севера N и юга 5 на на 90°. Через точку N, полюсы мира, зенит Z и точку S проходит плоскость небесного меридиана (рис. 11), совпадающая для наблюдателя С с плоскостью его географического меридиана (рис. 12). Наконец, плоскость (AWQE), проходящая через наблюдателя (точку С) перпендикулярно оси мира, образует плоскость небесного экватора, параллельную плоскости земного экватора (рис. 11). Небесный экватор делит поверхность небесной сферы на два полушария: северное с вершиной в северном полюсе мира и южное с вершиной в южном полюсе мира.

Знакомиться со звездным небом надо в безоблачную ночь, когда свет Луны не мешает наблюдать слабые звезды. Прекрасна картина ночного неба с рассыпанными по нему мерцающими звездами. Число их кажется бесконечным. Но так только кажется, пока вы не приглядитесь и не научитесь находить на небе знакомые группы звезд, неизменных по своему взаимному расположению. Эти группы, названные созвездиями, люди выделили тысячи лет назад. Под созвездием понимают всю область неба в пределах некоторых установленных границ. Все небо разделено на 88 созвездий, которые можно находить по характерному для них расположению звезд.

Многие созвездия сохраняют свое название с глубокой древности. Некоторые названия связаны с греческой мифологией, например Андромеда, Персей, Пегас, некоторые — с предметами, которые напоминают фигуры, образуемые яркими звездами созвездий (Стрела, Треугольник, Весы и др.). Есть созвездия, названные именами животных (например, Лев, Рак, Скорпион).

Созвездия на небосводе находят, мысленно соединяя их ярчайшие звезды прямыми линиями в некоторую фигуру, как показано на звездных картах (см. рис. 4, 8, 10, а также звездную карту в приложении). В каждом созвездии яркие звезды издавна обозначали греческими буквами, чаще всего самую яркую звезду созвездия — буквой а, затем буквами и т. д. в порядке алфавита по мере убывания яркости; например, Полярная звезда есть а созвездия Малой Медведицы

На рисунках 4 и 8 показаны расположение главных звезд Большой Медведицы и фигура этого созвездия, как его изображали на старинных звездных картах (способ нахождения Полярной звезды знаком вам из курса географии).

Рис. 8. Фигура созвездия Большой Медведицы (со старинной звездной карты), его современные границы указаны пунктиром.

Невооруженным глазом в безлунную ночь можно видеть над горизонтом около 3000 звезд. В настоящее время астрономы определили точное местоположение нескольких миллионов звезд, измерили приходящие от них потоки энергии и составили списки-каталоги этих звезд.

2. Яркость и цвет звезд.

Днем небо кажется голубым оттого, что неоднородности воздушной среды сильнее всего рассеивают голубые лучи солнечного света.

Вне пределов земной атмосферы небо всегда черное, и на нем можно наблюдать звезды и Солнце одновременно.

Звезды имеют разную яркость и цвет: белый, желтый, красноватый. Чем краснее звезда, тем она холоднее. Наше Солнце относится к желтым звездам. Ярким звездам древние арабы дали собственные имена.

Белые звезды: Вега в созвездии Лиры, Альтаир в созвездии Орла (видны летом и осенью). Сириус — ярчайшая звезда неба (видна зимой); красные звезды: Бетельгейзе в созвездии Ориона и Альдебаран в созвездии Тельца (видны зимой), Антарес в созвездии Скорпиона (виден летом); желтая Капелла в созвездии Возничего (видна зимой).

Современные методы наблюдений дают возможность обнаружить звезды примерно до 25-й звездной величины. Измерения показали, что звезды могут иметь дробные или отрицательные звездные величины, например: для Альдебарана звездная величина для Веги для Сириуса для Солнца

3. Видимое суточное движение звезд. Небесная сфера.

Из-за осевого вращения Земли звезды нам кажутся перемещающимися по небу. При внимательном наблюдении можно заметить, что Полярная звезда почти не меняет положения относительно горизонта.

Рис. 9. Фотография околополярной области неба, снятая неподвижной камерой с экспозицией около часа.

Рис. 10. Созвездия в окрестности Полярной звезды.

Явления суточного движения звезд удобно изучать, воспользовавшись математическим построением — небесной сферой, т. е. воображаемой сферой произвольного радиуса, центр которой находится в точке наблюдения. На поверхность этой сферы проецируют видимые положения всех светил, а для удобства измерений строят ряд точек и линий (рис. 11). Так, отвесная линия проходящая через наблюдателя, пересекает небо над головой - в точке зенита Диаметрально противоположная точка называется надиром. Плоскость перпендикулярная отвесной линии является плоскостью горизонта — эта плоскость касается поверхности земного шара в точке, где расположен наблюдатель (точка С на рис. 12). Она делит поверхность небесной сферы на две полусферы: видимую, все точки которой находятся над горизонтом, и невидимую, точки которой лежат под горизонтом.

Ось видимого вращения небесной сферы, соединяющую оба полюса мира (Р и Р) и проходящую через наблюдателя называют

Рис. 11. Основные точки и линии небесной сферы.

Рис. 12. Соотношение между линиями и плоскостями на небесной сфере и на земном шаре.

осью мира (рис. 11). Ось мира для любого наблюдателя всегда будет параллельна оси вращения Земли (рис. 12). На горизонте под северным полюсом мира лежит точка севера N (рис. 11 и 12), диаметрально противоположная ей точка S — точка юга. Линия NS называется полуденной линией (рис. 11), так как по ней на горизонтальной плоскости в полдень падает тень от вертикально поставленного стержня. (Как на местности провести полуденную линию и как по ней и по Полярной звезде ориентироваться по сторонам горизонта, вы изучали в V классе в курсе физической географии.) Точки востока Е и запада W лежат на линии горизонта. Они отстоят от точек севера N и юга S на

Рис. 13. Суточные пути светил относительно горизонта для наблюдателя, находящегося: а — на полюсе Земли; б — в средних географических широтах; в — на экваторе.

на 90°. Через точку полюсы мира, зенит и точку S проходит плоскость небесного меридиана (рис. 11), совпадающая для наблюдателя С с плоскостью его географического меридиана (рис. 12). Наконец, плоскость проходящая через наблюдателя (точку С) перпендикулярно оси мира, образует плоскость небесного экватора, параллельную плоскости земного экватора (рис. 11). Небесный экватор делит поверхность небесной сферы на два полушария: северное с вершиной в северном полюсе мира и южное с вершиной в южном полюсе мира.

4. Определение географической широты.

Обратимся к рисунку 12.

Угол (высота полюса мира над горизонтом) равен углу (географическая широта места), как углы со взаимно перпендикулярными сторонами 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.

5. Суточное движение светил на различных широтах.

Теперь мы знаем, что с изменением географической широты места наблюдения меняется ориентация оси вращения небесной сферы относительно горизонта. Рассмотрим, 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 (рис. 13, а). Здесь звезды не заходят и не восходят, их высота над горизонтом неизменная.

На средних широтах существуют как восходящие и заходящие звезды, так и те, которые никогда не опускаются под горизонт (рис. 13, б). Например, околополярные созвездия (рис. 10) на географических широтах СССР никогда не заходят. Созвездия, расположенные дальше от северного полюса мира, показываются ненадолго над горизонтом. А созвездия, лежащие еще дальше к югу, являются невосходящими (рис. 14).

Но чем дальше продвигается наблюдатель к югу, тем больше южных созвездий он может видеть. На земном экваторе за сутки можно было бы увидеть созвездия всего звездного неба, если бы не мешало Солнце

Рис. 14. Видимые суточные пути светил относительно горизонта в северной стороне неба.

Рис. 15. Верхние и нижние кульминации светил.

днем (рис. 13, в). Для наблюдателя на экваторе все звезды восходят и заходят перпендикулярно плоскости горизонта Каждая звезда здесь проводит над горизонтом ровно половину своего пути.

Для наблюдателя на экваторе Земли северный полюс мира совпадает с точкой севера, а южный полюс мира — с точкой юга (рис. 13, в). Ось мира для него расположена в плоскости горизонта.

6. Кульминации.

Полюс мира при кажущемся вращении неба, отражающем вращение Земли вокруг оси, занимает неизменное положение над горизонтом на данной широте (рис. 12). Звезды за сутки описывают над горизонтом вокруг оси мира круги, параллельные экватору. При этом каждое светило за сутки дважды пересекает небесный меридиан (рис. 15).

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

У не заходящего на данной широте светила М (рис. 15) видны (над горизонтом) обе кульминации, у звезд, которые восходят и заходят, нижняя кульминация происходит под горизонтом, ниже точки севера У светила 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. В истинный полдень тень от вертикального стержня падает вдоль полуденной линии.

Суточное перемещение Солнца (как собственно и других небесных тел) по небу является следствием вращения Земли вокруг своей оси, которое направлено с запада на восток, а, соответственно, видимое движение Солнца при этом происходит с востока на запад. Однако из-за наличия наклона земной оси к плоскости орбиты вокруг Солнца, точки восхода/захода при обращении Земли вокруг Солнца постоянно смещаются, и в итоге восход/заход на востоке/западе происходит только вблизи равноденствий, которые приходятся на начало 20-ых чисел марта и сентября. Летом к Солнцу обращено северное полушарие Земли, соответственно в средних широтах точка восхода смещается к северо-востоку, а точка захода к северо-западу, а зимой Земля подставляет Солнцу южное полушарие и восход светила происходит на юго-востоке, а заход на юго-западе.

Годичный путь Солнца относительно звёзд связан с обращением Земли вокруг Солнца. Конечно, из-за того что днём звёзд невидно, трудно отследить данное движение Солнца, хотя в течение суток за счёт этого движения − Солнце перемещается на фоне звёзд на целый градус (т.е. на два своих видимых размера). Однако о наличии этого движения говорит сменяющийся вместе с временами года вид звёздного неба, а конкретно наблюдаемые созвездия. К примеру, созвездие Ориона можно наблюдать на тёмном небе с осени и до середины весны, однако в остальную часть года Солнце находится слишком близко к этому созвездию (хотя непосредственно через него не проходит), а на дневном небе невооружённым глазом увидеть звёзды, составляющее это созвездие не представляется возможным. Солнце при наблюдении с Земли в течение года, перемещается по небу вдоль линии, называемой эклиптикой, которая обозначает плоскость земной орбиты (в более точном определении − плоскость орбиты центра масс системы Земля-Луна) и проходит через 13 созвездий (Овен, Телец, Близнецы, Рак, Лев, Дева, Весы, Скорпион, Змееносец, Стрелец, Козерог, Водолей и Рыбы). Поскольку вокруг Солнца Земля обращается по эллиптической орбите, то орбитальная скорость является непостоянной величиной, это естественно отражается и на видимом перемещении Солнца по эклиптике. Видимое движение также неравномерно – одну половину эклиптики Солнце проходит медленней (когда Земля более удалена от светила), а вторую – быстрее, за счёт этого в северном полушарии весна и лето несколько длиннее осени и зимы. Когда в северном полушарии лето – Земля находится от Солнца дальше всего и движется медленней по орбите, а когда зима – ближе всего и движется быстрее (в южном полушарии всё равно наоборот).

Видимое движение Луны

Плоскость лунной орбиты имеет наклон в 5 градусов к плоскости земной орбиты вокруг Солнца, таким образом, видимое движение Луны относительно звёзд проходит недалеко от линии эклиптики. Вот только скорость этого движения гораздо больше, чем у Солнца. Если Солнце перемещается относительно звёзд по небу на величину равную своему видимому диаметру за половину земных суток, то Луна преодолевает такое же расстояние примерно за 1 час, а поскольку Луну можно наблюдать на тёмном небе, то и отследить это смещение на фоне звёзд несложно. Луна движется по своей орбите в том же направлении, куда вращается Земля вокруг оси (против часовой стрелки при взгляде с северного полюса), так что видимое движение Луны на фоне звёзд будет происходить с запада на восток. В виду ещё большей эллиптичности лунной орбиты, чем земной, видимое движение Луны будет более неравномерным. Путь относительно звёзд (и вокруг Земли) Луна совершает за 27 суток 7 ч 43 мин 11,5 с. В новолуние Луна находится в том же направлении на небе, что и Солнце (т.е. между Землёй и Солнцем) и потому повёрнута неосвещённой стороной. Однако постепенно удаляясь всё дальше от светила на восток, начинает расти освещённый Солнцем край лунного диска и так до полнолуния. Полная Луна восходит в восточной части неба и примерно повторяет суточный путь Солнца полугодовалой давности. Таким образом, в северном полушарии в летние месяцы, когда Солнце восходит на северо-востоке, поднимается высоко и заходит на северо-западе − Луна в свою очередь восходит на юго-востоке, не поднимается высоко над горизонтом, и под утро садится на юго-западе (как и Солнце в течение дня в северном полушарии зимой). Наличие пересечений плоскостей лунной и земной орбит, даёт нам возможность наблюдать такие явления, как солнечные и лунные затмения. Однако они происходят только при одновременном соблюдении следующих независимых друг от друга условий – Луна на своём пути относительно звёзд должна быть близка к точке пересечения этого пути с эклиптикой, а также должно быть новолуние (для солнечного затмения) или полнолуние (для лунного).

Видимое движение планет

Орбитальные плоскости планет имеют наклон не больше нескольких градусов к плоскости земной орбиты, следовательно, их видимый путь относительно звёзд проходит недалеко от эклиптики, но вид траектории этого движения куда сложнее, чем у Солнца и Луны. Изначально двигаясь в том же направлении, что Луна и Солнце (с запада на восток (прямое движение)), планеты в какой-то момент начинают замедляться, останавливаются, а затем какое-то время двигаются с востока на запад (попятное движение), после чего снова замедляются и вновь переходят к прямому движению. Траектория движения при смене направлений имеет форму петли.

Движение более близких к Солнцу планет, чем Земля (нижних планет), несколько отличается от движения планет, которые дальше Земли (верхние планеты). Венера движется по небу быстрее Солнца в прямом направлении, обгоняет его, затем останавливается не более чем в 47 градусах от Солнца (это и есть точка максимального углового удаления от светила (восточная элонгация)), после чего переходит на попятное движение, снова проходит мимо Солнца и вновь останавливается не дальше 47 градусов от светила (западная элонгация) затем опять переходит на прямое движение. Также движется Меркурий, только размер петли будет меньше, поскольку Меркурий ближе к Солнцу и его угловое расстояние от светила совсем невелико, максимум 28 градусов. В случае Марса и других верхних планет, движение в прямом направлении будет медленней, чем у Солнца, следовательно, планеты будут постепенно отставать от него, находясь при этом всё западнее от светила. Когда планета будет в противоположном от Солнца направлении, её движение на фоне звёзд замедлится, и она перейдёт к попятному движению, которое скоро замедлится и вновь перейдёт к прямому, после чего планета начнёт сближение с Солнцем на небе. Чем дальше верхняя планета, тем меньше будет размер петли при перемене направлений движения.

Перемены направлений движения обусловлены неодинаковой орбитальной скоростью планет. Попятное движение Венеры и Меркурия получается, когда они обгоняют Землю, двигаясь по своей орбите и находясь при этом с Землёй по одну сторону от Солнца. А в случае верхних планет, наоборот Земля обгоняет их и из-за этого они получают попятное движение. Петли же получаются из-за того, что планетные орбиты не лежат в одной плоскости, а имеют, пусть и небольшие, но наклоны относительно плоскости земной орбиты.

Видимое движение звёзд

Читайте также: