Страница 5 из 5
2.1.5. Высота светила в кульминации
При своем суточном движении светило, вращаясь вокруг оси мира, за сутки дважды пересекает меридиан - над точками юга и севера. При этом оно один раз занимает самое высокое положение - верхняя кульминация, другой раз - самое низкое положение - нижняя кульминация.
В момент верхней кульминации над точкой юга светило достигает наибольшей высоты над горизонтом.
Кульминация - это явление прохождения светила через меридиан, м омент пересечения небесного меридиана.
Светило М в течение суток описывает суточную параллель – малый круг небесной сферы, плоскость которого перпендикулярна оси мира и проходит через глаз наблюдателя.
М 1 - верхняя кульминация (h max; А= 0 o), М2 – нижняя кульминация (h min; A =180 o), М 3 – точка восхода, М 4 – точка захода,
По суточному движению светила делятся на:
- невосходящие
- восходяще - заходящие (восходящие и заходящие в течении суток)
- незаходящие.
- К каким относится Солнце, Луна? (ко 2)
На рисунке 2.8 показано положение светила в момент верхней кульминации.
Как известно, высота полюса мира над горизонтом (угол PON): h P = φ. Тогда угол между горизонтом (NS) и небесным экватором (QQ 1) будет равен 180° - φ - 90° = 90° - φ. Угол MOS, который выражает высоту светила М в кульминации, представляет собою сумму двух углов: Q 1 OS и MOQ 1 . Величину первого из них мы только что определили, а второй является не чем иным, как склонением светила М, равным δ.
Таким образом, мы получаем следующую формулу, связывающую высоту светила в кульминации с его склонением и географической широтой места наблюдения:
h = 90° - φ + δ.
Зная склонение светила и определив из наблюдений его высоту в кульминации, можно узнать географическую широту места наблюдения.
На рисунке изображена небесная сфера. Рассчитаем зенитное расстояние светила в данном пункте в момент верхней кульминации, если его склонение известно.
Вместо высоты h часто употребляют зенитное расстояние Z, равное 90°-h.
Зенитное расстояние - угловое расстояние точки М от зенита.
Пусть в момент верхней кульминации светило находится в точке М, тогда дуга QМ есть склонение δ светила, так как AQ - небесный экватор, перпендикулярный оси мира РР". Дуга QZ равна дуге NP и равна географической широте местности φ. Очевидно, зенитное расстояние, изображаемое дугой ZM, равно z = φ - δ.
Если бы светило кульминировало к северу от зенита Z (т. е. точка М оказалась бы между Z и P), то z = δ- φ. По этим формулам можно рассчитать зенитное расстояние светила с известным склонением в момент верхней кульминации в пункте с известной географической широтой φ.
При своем суточном вращении вокруг оси мира светила два раза за сутки пересекают небесный меридиан. Явление прохождения светилом небесного меридиана называется кульминацией .
Различают верхнюю и нижнюю кульминации. В верхней кульминации светило при суточном движении находится в наивысшей точке над горизонтом, ближайшей к зениту. Точка нижней кульминации светила более удалена от точки зенита, чем точка верхней кульминации, и нижняя кульминация происходит через половину суток после верхней кульминации.
Точка пересечения суточной параллели светила с восточной частью истинного горизонта называется точкой восхода светила , а точка пересечения с западной частью истинного горизонта - точкой захода светила .
Незаходящие звезды видны в верхней (\(M_{2}\), \(M_{3}\)) и нижней (\({M}"_{2}\), \({M}"_{3}\)) кульминациях. У восходящих и заходящих звезд нижняя кульминация (\({M}"_{1}\)) проходит под горизонтом. У невосходящих звезд обе кульминации \(M_{4}\), и \({M}"_{4}\) невидимы, т. е. происходят под горизонтом.
Найдем зависимость между географическими и небесными координатами.
Так как кульминация светил происходит при пересечении небесного меридиана, то плоскость совпадает с плоскостью небесного меридиана. Суточные пути звезд изображаются отрезками, параллельными небесному экватору \(Q{Q}"\). Пусть восходящая и заходящая звезда находится в верхней кульминации \(M_{1}\). Высота полюса мира равна географической широте \(\varphi\). \(\angle QOS\) равен \(90° - \varphi\) и представляет собой наклон небесного экватора к плоскости горизонта. Дуга \(M_{1}S\) (или \(\angle M_{1}OS\)) - это высота светила над горизонтом. Эта дуга состоит из сумм двух дуг: \(M_{1}S = SQ + QM_{1}\). Учитывая, что дуга \(SQ\), опирающаяся на \(\angle QOS\), определяется величиной \(90° - \varphi\), а дуга \(QM_{1}\) обозначает угловое расстояние звезды от небесного экватора и определяется величиной склонения \(\delta\), получим формулу для определения высоты звезды в ее верхней кульминации: \
Для незаходящей звезды нижняя кульминация \({M_{2}}"\) измеряется дугой \({M_{2}}"N\) или соответствующим центральным углом (\(\angle {M_{2}}"ON\)). Указанный угол равен разности \(\angle {M_{2}}"O{Q}"\) и \(\angle NO{Q}"\), где \(\angle {M_{2}}"OQ = \delta\) - угловое расстояние светила от небесного экватора, а \(\angle NO{Q}" = 90° - \varphi\) - наклон небесного экватора к плоскости горизонта. Значит, высота звезды в нижней кульминации равна: \
Если обе кульминации незаходящей звезды находятся по одну сторону от зенита (например, \(M_{3}\) и \({M_{3}}"\)), то ее верхняя кульминация определяется из соотношения: \(h_{В} = 180° - [(90° - \varphi) + \delta]\), или после упрощения: \
Соотношения \(h_{В} = (90° - \varphi) + \delta\), \(h_{Н} = \delta - (90° - \varphi)\) и \(h_{B} = 90° + \varphi - \delta\) связывают географическую широту с высотой и склонением звезд во время их кульминации. Отметим, что азимуты звезд в верхней кульминации \(M_{1}\) и \(M_{2}\) равны 0°, а азимуты звезд в нижней кульминации \({M_{1}}"\) и \({M_{2}}"\) равны 180°. Азимуты звезды \(M_{3}\) в верхней и нижней кульминациях равны 180°.
КУЛЬМИНАЦИЯ светила, астроном. переход и мгновенье перехода светила через полуденник места; достижение наибольшей высоты. Кульминировать, перекатываться через меридиан. Толковый словарь Даля
Все светила за сутки в своем видимом движении дважды пересекают небесный меридиан. Пересечение центром светила небесного меридиана называется кульминацией светила. Кульминация - слово латинское и в переводе означает вершина. Различают верхнюю и нижнюю кульминацию светила.
Рис. 1.23. Кульминация светил: а - к югу от зенита; б - к северу от зенита
В верхней кульминации высота светила наибольшая, а в нижней - наименьшая. Для незаходящих светил обе кульминации происходят над горизонтом. Для восходящих и заходящих светил верхняя кульминация происходит над горизонтом, а нижняя под горизонтом. У невосходящих светил обе кульминации происходят под горизонтом и они недоступны наблюдениям.
Верхняя кульминация светила может происходить между зенитом и точкой юга (на южной части меридиана) или между зенитом и полюсом мира (на северной части меридиана). На рис. 1.23 изображена небесная сфера. Основные круги показаны диаметрами и хордами. Из рисунка видно, что к югу от зенита кульминируют те светила, склонение которых меньше широты места, а к северу от зенита - те светила, склонение которых больше широты места.
В момент верхней кульминации часовой угол светила равен 0, а в момент нижней кульминации 180°. Азимут светила при верхней кульминации к северу от зенита равен 0, а к югу от зенита - 180°.
При кульминации светила к югу от зенита высоты в момент верхней и нижней кульминаций рассчитывают по формулам:
При кульминации светила к северу от зенита высоты в момент верхней и нижней кульминаций рассчитываются по формулам:
Обобщая формулы высоты светила для момента верхней кульминации, получаем, что . Знак плюс перед скобкой берется тогда, когда светило кульминирует к югу от зенита , а знак минус, - когда к северу от зенита .
Высота в момент нижней кульминации для всех светил определяется по единой формуле.
Формула высоты светила в момент его верхней кульминации имеет важное практическое значение. Рассчитав высоту светила в момент верхней кульминации и сравнив ее с измеренной высотой в этот же момент, можно определить поправку секстанта. По высоте светила, измеренной в момент кульминации, при знании склонения светила можно определить широту своего местонахождения. Формулы для расчета высот светил в момент верхней и нижней кульминаций позволяют установить зависимость между широтой места наблюдателя, склонением Солнца и его высотой.
Из рассмотренных формул видно, что при предельных значениях склонения Солнца, равных его высота в момент верхней кульминации на географических широтах равна 90°, т. е. Солнце будет кульминировать в зените. На географической параллели, северная широта которой равна . Солнце кульминирует в зените в день летнего солнцестояния, а на географической параллели, южная широта которой в день зимнего солнцестояния. Географическая параллель, северная широта которой равна называется северным тропиком, или тропиком Рака, а географическая параллель, южная широта которой равна южным тропиком, или тропиком Козерога. В указанных созвездиях много веков тому назад находились точки солнцестояний.
Из формул также видно, что при склонении Солнца его высота в моменты кульминаций на широтах равна нулю. На географической параллели, северная широта которой равна высота Солнца равна нулю в момент нижней кульминации в день летнего солнцестояния и в момент верхней кульминации в день зимнего солнестояния, т. е. в эти дни на этой параллели Солнце соответственно не заходит и не восходит. Эта географическая параллель называется Северным полярным кругом.
На географической параллели, южная широта которой в день зимнего солнцестояния Солнце является незаходящим светилом, а в момент летнего солнцестояния - невосходящим светилом. Эту параллель называют Южным полярным кругом.
Пример 1. Звезда Денеб; склонение звезды широта места наблюдателя Определить высоту звезды в моменты верхней и нижней кульминаций.
Решение 1. Определяем положение звезды относительно зенита в момент верхней кульминации. Так как то звезда кульминирует к северу от зенита.
2. Определяем высоту звезды в момент верхней кульминации:
3. Определяем высоту звезды в момент нижней кульминации: . Звезда Денеб на данной широте восходит и заходит, так как ее высота в моменты верхней и нижней кульминаций имеет разные знаки.
Пример 2. Дата 22 июня; склонение Солнца ; широта Ленинграда . Определить высоту Солнца в моменты верхней и нижней кульминаций.
Решение 1. Определяем положение Солнца относительно зенита в момент верхней кульминации. Так как , то Солнце кульминирует к югу от зенита.
Высота полюса мира над горизонтом
Рассмотрим, какова высота полюса мира над горизонтом, по рисунку 2.5, где часть небесной сферы и земной шар изображены в проекции на плоскость небесного меридиана. Пусть OP - ось мира, параллельная оси Земли; OQ - проекция части небесного экватора, параллельного экватору Земли; OZ - отвесная линия. Тогда высота полюса мира над горизонтом h P = ∠ PON , а географическая широта j = ∠ Q 1 O 1 O . Очевидно, что эти углы (PON и Q 1 O 1 O ) равны между собой, поскольку их стороны взаимно перпендикулярны (OO 1 ⊥ ON , а OQ ⊥ OP ). Отсюда следует, что высота полюса мира над горизонтом равна географической широте места наблюдения : h P = j. Таким образом, географическую широту пункта наблюдения можно определить, если измерить высоту полюса мира над горизонтом.
В зависимости от места наблюдателя на Земле меняется вид звёздного неба и характер суточного движения звёзд.
Рис 2.5 Высота полюса мира над горизонтом Рис. 2.6 Суточное движение светил на полюсе Земли
Рис. 2.7. Суточное движение светил в средних широтах Рис 2.8 Высота светила в кульминации
Рис. 2.5. Высота полюса мира над горизонтом
Проще всего разобраться в том, что и как происходит, на полюсах Земли. Полюс - такое место на земном шаре, где ось мира совпадает с отвесной линией, а небесный экватор - с горизонтом (рис. 2.6). Для наблюдателя, находящегося на Северном полюсе, Полярная звезда видна близ зенита. Здесь над горизонтом находятся только звёзды Северного полушария небесной сферы (с положительным склонением). На Южном полюсе, наоборот, видны только звёзды с отрицательным склонением. В обоих случаях, двигаясь вследствие вращения Земли параллельно небесному экватору, звёзды остаются на неизменной высоте над горизонтом, не восходят и не заходят.
Отправимся с Северного полюса в привычные средние широты. Высота Полярной звезды над горизонтом будет постепенно уменьшаться, одновременно угол между плоскостями горизонта и небесного экватора будет увеличиваться. Как видно из рисунка 2.7, в средних широтах (в отличие от Северного полюса) лишь часть звёзд Северного полушария неба никогда не заходит. Все остальные звёзды как Северного, так и Южного полушария восходят и заходят.
Высота светила в кульминации
Рис. 2.9. Суточное движение светил на экваторе
При своём суточном движении светила дважды пересекают небесный меридиан - над точками юга и севера. Момент пересечения небесного меридиана называется кульминацией светила . В момент верхней кульминации над точкой юга светило достигает наибольшей высоты над горизонтом. На рисунке 2.8 показано положение светила в момент верхней кульминации. Как известно, высота полюса мира над горизонтом (угол PON ): h P = j. Тогда угол между горизонтом (NS ) и небесным экватором (QQ 1) будет равен 180° – j – 90° = 90° – j. Угол MOS , который выражает высоту светила M в кульминации, представляет собой сумму двух углов: Q 1 OS и MOQ 1 . Величину первого из них мы только что определили, а второй является не чем иным, как склонением светила M , равным d.
Таким образом, мы получаем следующую формулу, связывающую высоту светила в кульминации с его склонением и географической широтой места наблюдения:
h = 90° – j + d.
Зная склонение светила и определив из наблюдений его высоту в кульминации, можно узнать географическую широту места наблюдения.
Продолжим наше воображаемое путешествие и отправимся из средних широт к экватору, географическая широта которого 0°. Как следует из только что выведенной формулы, здесь ось мира располагается в плоскости горизонта, а небесный экватор проходит через зенит. На экваторе в течение суток все светила побывают над горизонтом (рис. 2.9).
Вопросы 1. В каких точках небесный экватор пересекается с линией горизонта? 2. Как располагается ось мира относительно оси вращения Земли; относительно плоскости небесного меридиана? 3. Какой круг небесной сферы все светила пересекают дважды в сутки? 4. Как располагаются суточные пути звёзд относительно небесного экватора? 5. Как по виду звёздного неба и его вращению установить, что наблюдатель находится на Северном полюсе Земли? 6. В каком пункте земного шара не видно ни одной звезды Северного небесного полушария?
Упражнение 4 1. Географическая широта Киева 50°. На какой высоте в этом городе происходит верхняя кульминация звезды Антарес, склонение которой равно –26°? Сделайте соответствующий чертёж. 2. Высота звезды Альтаир в верхней кульминации составляла 12°, склонение этой звезды равно +9°. Какова географическая широта места наблюдения? Сделайте необходимый чертёж. 3. Определите склонение звезды, верхняя кульминация которой наблюдалась в Москве (географическая широта 56°) на высоте 47°над точкой юга. 4. Каково склонение звёзд, которые в вашем городе кульминируют в зените; в точке юга? 5*. Какому условию должно удовлетворять склонение звезды, чтобы она была незаходящей для места с географической широтой j; невосходящей? 6*. Докажите, что высота светила в нижней кульминации выражается формулой h = j + d– 90°.
