Тема № 2: «Небесна сфера. Небесні координати. Сузір’я. Зоряні карти. Вимірювання часу та календар.»

1)    Поняття уявної небесної сфери та її зв’язок зі спостерігачем на Землі.

Під час спостережень за зорями нам здається, що всі небесні світила розташовані на однако­вій відстані, ніби світять на поверхні велетенської сфери, в центрі якої знаходиться спостерігач. Нині відомо, що зорі та планети перебувають на різних відстанях від Зе­млі, а наша планета не знаходиться у цен­трі Всесвіту, бо у безмежному космосі відсутні центр та околиці. Для орієнтування на поверхні Землі відстань до зір не має суттєвого значення, тому радіус уявної небес­ної сфери можна вважати досить великим у порівнянні з розмірами Землі, але при цьому треба пам’ятати, що в центрі цієї сфери знаходиться око спостерігача. На таку сферу проектуються зображення зір та планет, і ми можемо виміряти тільки кути між напрямками на ці сві­тила. Деколи при вимірюванні кутів центр небесної сфери може знаходитися навіть у центрі Землі, бо радіус нашої планети дуже малий у порівнянні з відстанню до зір.

2)    Основні точки й лінії небесної сфери та їхній зв’язок із від­повідними точками й лініями на Землі.

На небесній сфері так само, як і на земній кулі, можна провести деякі кола, за допомогою яких визначають небесні координати світил.

На поверхні Землі існують дві особливі точки — гео­графічні полюси, де вісь обертання Землі перетинає поверхню планети (N, S —  відповідно Північний та Південний полюси). Площина земного екватора, яка ділить нашу планету на північну та південну півкулі, проходить через центр Землі перпендикулярно до її осі обертання. Меридіан на Землі проходить через геогра­фічні полюси та точку спостереження.

Якщо продовжити вісь обертання Землі у космос, то на небесній сфері ми отримаємо дві точки перетину, які називаються полюсами світу: Північний полюс Р1 (біля Полярної зорі) і Південний полюс Р2 (у сузір’ї Ок­тант).

Площина земного екватора перетинається з не­бесною сферою, і в перерізі ми отримаємо небесний екватор, який поділяє небо на дві рівні півкулі — північну та південну. Правда, існує одна суттєва від­мінність між полюсами та екватором на поверхні Землі та полюсами світу і небесним екватором. Географічні полюси реально існують як точки, де вісь обертання Землі перетинається з поверхнею планети, і до них можна долетіти чи доїхати так само, як і до екватора. Полюсів світу як реальних точок у космічному просторі немає, бо радіус небесної сфери є невизначеним, тому ми можемо позначити тільки напрямок, в якому вони спостерігаються.

3)    Екваторіальна система небесних координат та їхній зв’язок із географічними координатами. Карти зоряного неба.

У повсякденному житті для визначення напрямку ми використовуємо орієнтири, які нам добре знайомі, — будинки, дороги, ріки тощо. Якщо ми потрапляємо в незнайому місцевість, то наші звичні орієнтири зникають, тому ми можемо заблукати. У цьому випадку надійними орієнтирами можуть бути небесні світила, бо вони нам світять і вдома, і на чужині…

Для орієнтування на поверхні Землі астрономи засто­совують терміни прямовисна лінія та горизонт. Прямо­висну лінію визначають за допомогою звичайного виска-тягарця, який підвішують на нитці. Нехай спостерігач знаходиться на поверхні Землі у точці О, яка має геогра­фічну широту . Напрям ОО1 по виску вниз на центр Землі називають надиром, протилежний напрям ОZ, уверх, — зенітом. Зараз існує математичне визначення горизонту як площини, яка є перпендикулярною до прямовисної лінії.

Обрій, або лінія перетину площини горизонту з не­бесною сферою, буде колом, в центрі якого знаходиться спостерігач. На горизонті розрізняють чотири точки: N — північ, S — південь, Е — схід, W — захід, за допомогою яких люди орієнтуються і визначають напрямки під час мандрівок.

Унаслідок обертання Землі навколо осі площини меридіана та горизонту протягом доби зміщуються у про­сторі щодо зір, але нам на поверхні Землі здається, що все відбувається навпаки — небесні світила рухаються щодо горизонту. Ми кажемо, що Сонце сходить, коли воно з’являється над обрієм на сході. Потім Сонце під­німається все вище і вище і опівдні займає найвище положення над горизонтом. Цей момент астрономи нази­вають кульмінацією (з латин. — вершина).

Кульмінація настає у той момент, коли Сонце перетинає площину меридіана і знаходиться над точкою півдня.

Момент кульмінації Сонця можна визначити за допомогою звичайної палички, яку треба встановити перпендикулярно до горизонту. Для визна­чення кульмінації уважно слідкуйте за довжиною тіні: коли Сонце знаходиться над точкою півдня, тінь вказує напрям на північ і має найменшу довжину.

Тільки у березні та вересні Сонце сходить поблизу точки сходу, а заходить біля точки заходу. Влітку Сонце сходить на північному сході, а заходить на північному заході. Узимку Сонце сходить на південному сході, а заходить на південному заході.

4)    Горизонтальна система небесних координат та рухома кар­та зоряного неба.

Для ви­значення екваторіальних небесних координат через сві­тило S та полюси світу Р1 і Р2 проводять коло схилення, яке перетинає небесний екватор в точці М. Перша координата  має назву пряме сходження (пря­ме піднесення) і визначається дугою екватора . Точка  на небесному екваторі називається точкою вес­няного рівнодення. У цій точці Сонце буває 21 березня. Пряме сходження  відлічується по дузі небесного екватора від точки весняного рівнодення проти ходу годинникової стрілки, якщо дивитися з Північного полюса, та вимірюється годинами, бо за допомогою цієї координати можна визначити час. Друга координата — схилення  визначається дугою кола схилень  від екватора до даного світила і вимірюється градусами. На північ від екватора схилення додатне, на південь — від’ємне. Межі визначення екваторіальних координат такі: 0 год 24 год;   -90°90°.

Карта зоряного неба у формі прямокутника є проекцією небесної сфери на певну площину, на якій позначені ек­ваторіальні координати . Ці координати не залежать від місця спостереження на Землі і майже не змі­нюються протягом року, тому картою зоряного неба можна користуватись у будь-якій країні північної півкулі. Правда, через тисячі років екваторіальні координати зір можуть суттєво змінитися, бо самі зорі обертаються навколо центра Галактики і з часом змінюється вигляд сузір’їв.

Існує карта зоряного неба у вигляді круга. Північний полюс світу знаходиться у центрі карти поблизу Полярної зорі. Коло схилень у про­екції на площину карти має вигляд радіальної лінії, яку проводять від Північного полюса світу. Небесний екватор на карті зображений виділеним колом, а інші концен­тричні кола проведені через кожні 20°. Координату  на карті визначають як відрізок радіальної лінії від еквато­ра до даної зорі. Схилення зір на екваторі дорівнює 0°, а на північному полюсі світу +90°. Пряме піднесення  на карті визначають як дугу екватора від точки весня­ного рівнодення  до радіальної лінії, яка проведена від полюса світу через дану зорю. Для зручності відліку  позначають на зовнішньому ободкові карти.

Внаслідок обертання Землі навколо осі площина горизонту зміщується у просторі, тому всі світила теж змінюють своє положення відносно горизонту. Деякі світила навіть перетинають площину горизонту — цей момент називають сходом або заходом світила. Моменти сходу—заходу небесних світил можна визначити за допомогою рухомої карти зоряного неба, або планісфери, на якій є спеціальний накладний круг з лінією горизонту та меридіаном.

 

5)    Визначення моментів сходу, заходу та кульмінації небес­них світил за допомогою рухомої карти зоряного неба.

 

6)          Зодіакальні сузір’я та екліптика.

Слово «зодіак» (з грец. — коло життя) вперше почали вживати для визначення особ­ливих сузір’їв ще кілька тисяч років тому. Ця назва пов’язана з тим, що Сонце, Місяць і планети можна спо­стерігати тільки на тлі 12 сузір’їв, які утворюють на небесній сфері велике коло, і серед назв цих сузір’їв переважають назви тварин.

Зображено орбіту Землі, далекі сузір’я та проведені лінії через кожні 30°, які позначають положення нашої планети відносно зір через кожний місяць. Таким чином, ми можемо позначати рух Землі по орбіті й відраховувати великі проміжки часу.

За початок відліку руху Землі візьмемо точку весня­ного рівнодення . Якщо 21 березня з’єднати Землю та Сонце прямою лінією та продовжити її у космос, то ця пряма десь у далечині перетинає уявну небесну сферу в двох діаметрально протилежних точках, одна з яких знаходиться в сузір’ї Діви (з боку Землі), а інша — в су­зір’ї Риб (за Сонцем).

У березні сузір’я Риб з поверхні Землі не видно, бо воно перебуває за Сонцем. Астрономи цей момент опи­сують так: «21 березня Сонце знаходиться у напрямку сузір’я Риб у точці весняного рівнодення».

Рухаючись разом із Землею по орбіті, ми протягом року спостерігатимемо Сонце у різних напрямках на тлі різних сузір’їв. Якщо кожного дня позначати положення центра Сонця відносно далеких зір, то можна отримати велике коло небесної сфери, яке називається екліптикою. Математичне визначення екліптики — це лінія перетину площини орбіти Землі з небесною сферою, тобто площина екліптики збігається з площиною орбіти Землі.

Площина екліптики протягом століть займає стале положення відносно зір, але полюси світу поступово зміщуються в космічному просторі — це явище назива­ють прецесією. Вісь обертання Землі описує у космосі конус з періодом 26 000 років. І якщо в наш час Північний полюс світу знаходиться у сузір’ї Малої Ведмедиці, то через 13 000 років він переміститься у сузір’я Ліри, і наші нащадки будуть визначати напрям на північ за допомогою зорі Вега. Внаслідок прецесії змінюється також положення площини небесного еква­тора серед зір, тому в майбутньому в Україні не буде видно сузір’я Оріон, зате на наших широтах побачать найближчу до нас зорю Проксиму Кентавра.

 

7)          Визначення кута нахилу осі обертання Землі до площини екліптики.

З курсу природознавства відомо, що вісь обертання Землі нахилена до площини орбіти під кутом 66,5° і це призводить до зміни пір року на Землі. Якби вісь обертання Землі була перпендику­лярною до площини орбіти, то зміни пір року не відбува­лося б, бо Сонце протягом року освітлювало б рівномірно північну та південну півкулі нашої планети. Зараз такі дні, коли Сонце однаково освітлює дві півкулі Землі, настають тільки двічі на рік — весною 20—21 березня і восени 22—23 вересня, коли на всіх материках одна­кова тривалість дня — 12 год. У всі інші місяці трива­лість дня більша або менша за 12 год і залежить від географічної широти місця спостереження. Найдовший день у північній півкулі настає 21—22 червня — початок астрономічного літа, а у південній півкулі в цей день починається астрономічна зима. Через півроку 21—22 груд­ня, навпаки, у північній півкулі настає астрономічна зима, а у південній — літо.

На широті 50° (Харків, Київ, Львів) тривалість най­довшого дня 22 червня — 16 год 20 хв — у два рази більша тривалості найкоротшого дня 22 грудня — 8 год. На широті 45° різниця між найдовшим та найкоротшим днем трохи зменшується, тому в Криму найдовший день триває 15 год 30 хв, а найкоротший — 8 год 40 хв. Тільки на екваторі тривалість дня протягом року не змінюється: там день триває близько 12 год.

Найбільше сонячної енергії поверхня Землі отри­мує опівдні, коли настає кульмінація Сонця, а наймен­ше — вранці та ввечері. Вночі Земля тільки охолоджу­ється, тому середня температура поверхні залежить також від тривалості дня і ночі. Наприклад, на широті 50° кількість енергії, яку отримує поверхня за літній день, досягає 25 000 кДж/м2. Цікаво, що ця енергія навіть більша, ніж на екваторі, де цілий рік тривалість дня 12 год. Взимку коротка тривалість дня та невелика висота Сонця над горизонтом призводять до значного зменшення сонячної енергії, що обігріває поверхню Землі. На­приклад, у грудні кількість енергії, яку отримує оди­ниця поверхні на наших широтах протягом дня, майже у 7 разів менша, ніж за літній день.

Сучасний нахил осі обертання до площини орбіти під кутом 66,5° є оптимальним для різноманітних кліматичних зон на поверхні Землі — від тропіків до полярного кола. Усі інші варіанти зміни кута нахилу осі обертання Землі при­звели б до катастрофічних змін клімату і глобальної еколо­гічної катастрофи. Наприклад, якби вісь обертання Землі була нахилена до площини орбіти під кутом 50°, то полярне коло проходило б через Україну, а тропіки — через Чорне море. На наших широтах влітку протягом місяця Сонце не заходило б за горизонт, а опівдні кульмінація була б поблизу зеніту. Розрахунки показують, що літня темпера­тура поверхні досягла б критичних для життя меж від +60 до +80 °С. В іншому випадку, якби вісь обертання Землі була перпендикулярною до площини орбіти, зміни пір року взагалі не було б, тому Європа могла б перетворитися в холодну напівпустелю типу тундри.

 

8)    Зміна екваторіальних координат Сонця. Координати Сонця в дні рівнодень та сонцестоянь.

 

9)    Обертання Землі навколо осі та одиниці вимірювання ча­су — година, хвилина, секунда, зоряний та сонячний час.

Задача точного вимірювання часу є однією з найважливіших проблем сучасної науки. З нашого досвіду відомо, що час — це якась невловима величина, що рівномірно «тече», подібно до води в спо­кійній тихій річці. За цим принципом були сконструйо­вані водяні та пісочні годинники. З часом був створений механічний годинник, дія якого заснована на принципі періодичних коливань маятника, що довго може збері­гати сталим період своїх коливань. Принцип дії найточ­ніших сучасних електронних годинників базується на використанні коливань в електромагнітному полі кри­сталів або навіть окремих молекул. Хоча годинники протягом віків змінювали вигляд  та збіль­шувалась точність вимірювань, але одиниці для визна­чення часу залишились одними й тими самими — рік, година, хвилина, секунда, бо вони пов’язані з рухом Землі навколо Сонця та її обертанням навколо своєї осі.

Проміжок часу, за який Земля робить повний оберт навколо своєї осі, називають добою. Доба поділяється на 24 години.

Для визначення кутової швидкості обертання Землі орієнтирами можуть служити небесні світила. В астроно­мії існують дві системи відліку руху космічних тіл — від­носно Сонця та відносно зір. Тому і при визначенні оди­ниць часу теж збереглися дві системи відліку — зоряний час та сонячний час. Зоряний час переважно використо­вують астрономи, а в повсякденному житті всі люди застосовують тільки сонячний час.

Місцевий час можна визначити за допомогою со­нячного годинника — звичайної палички, тінь від якої допоможе приблизно виміряти місцевий час. Місцевий полудень — 12 година за місцевим часом — настає о тій порі, коли триває верхня кульмінація Сонця, — тоді тінь від палички найкоротша.

У повсякденному житті користуватись місцевим часом незручно, бо кожна точка на поверхні Землі має свій меридіан, і ми, переїжджаючи з одного місця до іншого, мусили б постійно переводити стрілки годинника на кілька хвилин. Ця проблема усувається, якщо кори­стуватись поясним часом, який запровадили у кінці XIX ст. Землю поділили меридіанами на 24 годинні пояси і домовились, що усі годинники в одному поясі будуть показувати однаковий час, який дорівнює місцево­му часу середнього меридіана. Мандрівники переводять годинники на одну годину тільки у випадку, коли вони перетинають межу відповідного поясу.

Нульовий пояс проходить через Гринвіцький мериді­ан, тому годинники у Великобританії йдуть за місцевим часом Гринвіцького меридіана — цей час називають всесвітнім часом. Західна Європа живе за часом першо­го поясу, який на 1 год випереджає всесвітній. Україна знаходиться у другому поясі, тому київський час ви­переджає на 2 год всесвітній. Якщо ми їдемо на захід до Польщі, то стрілки наших годинників треба перевести на 1 год назад, а якщо подорожуємо на схід до Росії — то на 1 год вперед. Правда, величезні простори Росії змушують вводити 10 часових поясів, тому, мандруючи на Далекий Схід, годинники треба переводити на 7 год вперед. Різниця між місцевим та київським часом визнача­ється різницею географічних довгот Києва та місця спо­стереження. Наприклад, ми хочемо визначити різницю між київським та місцевим часом у Харкові. Довгота Києва дорівнює приблизно 30° (або 2 год 00 хв в годинному вимірі), Харкова — 36° (або 2 год 25 хв за всесвітнім часом). Тобто місцевий час у Харкові на 25 хв попереду київського, тому взимку Сонце у Харкові куль­мінує приблизно об 11 год 35 хв за київським часом.

На меридіані з довготою 180° проходить лінія зміни дат. Для тих, хто її перетинає, є можливість подоро­жувати не тільки в просторі, а й у часі. Наприклад, якщо летіти з Азії в Америку 1 січня, то наступний день теж буде 1 січня, тобто виникає на перший погляд фантастична можливість прожити той самий день двічі. Зате коли пасажири летять у зворотному напрямі, з Америки в Азію, то протягом перельоту за кілька годин можна прожити 2 доби — після 1 січня зразу настане 3 січня.

10) Обертання Землі навколо Сонця та календар.

Календарі створені для вимірювання великих проміжків часу. У сучасному календарі всіх європейських країн за основу береться 1 тропічний рік (365 діб 5 год 48 хв 46 с) — період обертання Землі навколо Сонця відносно точки весняного рівнодення , але при створенні ідеаль­ного календаря виникає ускладнення, бо тропічний рік не має цілого числа діб.

Довгий час в Європі користувалися юліанським ка­лендарем, який був запроваджений ще Юлієм Цезарем 46 р. до н. є. У цьому календарі тривалість року була прийнята за 365 діб 6 год 00 хв 00 с, а для того, щоб рік мав ціле число діб, було прийнято, що кожні 3 роки підряд триватимуть по 365 діб, а четвертий — 366 діб (високосний рік). Але в середньому кожний календарний рік був дов­ший за тропічний на 11 хв 14 с (365 діб 6 год 00 хв 00 с — — 365 діб 5 год 48 хв 46 с = 11 хв 14 с). Тобто коли тропіч­ний рік вже реально закінчувався, рік за юліанським ка­лендарем тривав ще 11 хв 14 с. Тому за чотири роки похиб­ка накопичувалася і календар відставав вже на 44 хв 56 с, а за 400 років — майже на 3 доби.

Григоріанський календар, що діє в наш час, виправив цю неточність. В ньому вилучили три доби з кожних 400 років, тобто три високосні роки зробили простими.

Григоріанський календар теж не є ідеальним, але похибку на одну добу він дає лише через 3300 років.

Переглянути презентацію Заняття № 2

Реклама

Добавить комментарий

Заполните поля или щелкните по значку, чтобы оставить свой комментарий:

Логотип WordPress.com

Для комментария используется ваша учётная запись WordPress.com. Выход /  Изменить )

Google+ photo

Для комментария используется ваша учётная запись Google+. Выход /  Изменить )

Фотография Twitter

Для комментария используется ваша учётная запись Twitter. Выход /  Изменить )

Фотография Facebook

Для комментария используется ваша учётная запись Facebook. Выход /  Изменить )

Connecting to %s