(учебное пособие для преподавателей астрономии
средних общеобразовательных школ Кооператива ОЗЕРО)
Староволя - 2022 г.
Здравствуйте, мои дорогие друзья!
На просторах Интерета вы нашли мою очередную лекцию из плейлиста "Помощь школьнику". Её тема - "Небесная сфера и небесные координаты".
В Советском Союзе астрономия в обязательном порядке входила в школьную программу. Потом в России во время президенства Бориса Ельцина астрономию убрали из школьной программы. Поговаривают, что по просьбе патриарха Алексия. Чтобы нелепица христианской веры не так сильно бросалась в глаза. А потом снова "восстановили в правах".
Если вы откроете школьный учебник астрономии, то обнаружите в нем тему "Небесная сфера и небеснесные координаты" в самом его начале. Обычно эта тема вызывает у школьников отвращение и вследствие этого отвращения практически ими не усваивается. А вызывает она отвращение потому, что изложена в обратном порядке - от небесного горизонта к эклиптике. А надо наоборот - от эклиптики до небесного горизонта.
В этой лекции я попробую изложить эту тему или преподать ее в правильном порядке, применяя на практике важнейшие педагогические принципы: постепенность и контроль знаний на каждом этапе.
Эта лекция сначала была записана в текстовом видеи опубоикована на моей страничке в Яндекс-Дзене. Потом, идя навстречу "пожеланиям трудящихся", я записал видео-вариант и выложил на Ютуб.
Итак, начнем.
ГЛАВА ПЕРВАЯ
ПРОИСХОЖДЕНИЕ ЭКЛИПТИКИ - ЭТО ПРОИСХОЖДЕНИЕ СОЛНЕЧНОЙ СИСТЕМЫ.
Давным-давно в той области Вселенной, где сейчас находится Солнце и планеты Солнечной системы, никакой Солнечной системы не было. Давным-давно - это значит 5 000 000 000 лет назад. А было довольно разряженное газопылевое облако II поколения.
Насколько разряженное? Если бы мы в то время пролетали через его середину на каком-нибудь звездолете, мы бы на глаз не смогли бы заметить затемнения далеких звезд.
Почему II поколения?
Это газопылевое облако (вернее, наше газопылевое облако, из атомов которого слепились наши планеты и мы с вами), как и все остальные облака во Вселенной состояло практически из одного водорода. Повторяю, что дело происходило 5 000 000 000 лет назад. А возраст Вселенной = 13,5 млрд. лет. Это сейчас. А тогда он был = 8,5 млрд. лет. А это означает, что вокруг нашего облакапроизошло много событий, которые сопровождались выбросами в межзвездную среду тяжелых элементов, то есть тяжелее гелия, тяжелее железа и даже тяжелее урана. И наше газопылевое облако было уже обогащено тяжелыми элементами. Поэтому оно и называлось газопылевым облаком II поколения. Если бы наше Солнце и наши планеты слепислись бы из газового (уже без пыли) облака I поколения (то есть состоящего только из водорода, гелия, и примеси лития), то не получилась бы Земля. Ведь она состоит из железа, кремния, алюминия, кислорода, углерода и др. тяжелых элементов. И не получились бы мы с вами. Просто на месте Земли двигался бы по гелиоцентрической орбите какой-нибудь водородный шарик.
Но наша Солнечная система слепилась из газопылевого облака II поколения. Когда мы говорим "пылевого", следует иметь в виду, что те пылинки были значительно меньше пылинок из пустыни Сахара, переносимых ветром на Кобовердинские, Канарсие и Азорские осторова.
Но поначалу наше облако не хотело слепляться. Дело в том, что тепловые скорости его молекул и пылевых частичек были близки к первой космической скорости по отношению к нему самому. Это облако надо было сначала немного поджать. С этой задачей справились несколько Сверхновых, взорвавшихся относительно недалеко в космических масштабах от нашего облака, а может даже и внутри него. Ударные волны прокатились через это облако и создали так называемые ядра конденсации, которые начали притягиваться друг к другу, и на которые начали падать и другие молекулы, атомы и песчинки.
Наше облако перед конденсацией как-то вращалось вокруг центра своей массы. Естественно, плоскость его вращения не имела никакого отношения к плоскости Галактики. Продолжило оно вращаться и в процессе конденсации. Согласно закону сохранения момента количества движения скорость его вращения непрерывно росла, и наше газопылевое облако закономерно превратилось в быстровращающийся диск.
В центре этого диска "зажглось" Солнце или, как выражаются астрономы, Солнце легло на главную последовательность диаграммы Герцшпрунга-Рассела.
Образовавшееся Солнце продолжило свое вращение в том же направлении, в котором вращался газопылевой диск, в центре которого оно слепилось. В этом же направлении и сейчас вращаются вокруг Солнца все планеты и все малые тела Солнечной системы. Все сколь угодно маленькие пылинки. В этом же направлении вокруг своей оси, как правило, вращаются и все планеты Солнечной системы. Об исключениях я тут промолчу. В этом же направлении и примерно в этой же плоскости обращаются вокруг своих планет и спутники этих планет. За немногоми исключениями, о которых я тут тоже промолчу.
Давайте взглянем на Солнечную систему со стороны Северного полюса Земли. Из этой точки зрения Солнце вращается вокруг своей оси против часовой стрелки. Так же против часовой стрелки обращаются вокруг Солнца и все планеты Солнечной системы. И Луна вокруг Земли. И Земля вокруг своей оси.
Вы знаете из курса общей физики о закон сохранения момента количества движения в замкнутой физической системе, из которой ничего не вылетает, и в которую ничего не влетает со стороны. Поскольку за 5 000 000 000 лет формирования Солнечной системы в нее ничего существенного не влетало, и из нее ничего существенного не вылетало, можно ее замкнутой системой. И ее вращательный момент сохранился.
Каждый момент имеет величину, плоскость и направление вращения. И к настоящем времени для нашей Солнечной системы известны все эти три величины.Плоскости орбит всех планет Солнечной системы за исключением Плутона и других тел пояса Койпера очень близки к плоскости суммарного момента всей Солнечной системы. А этот суммарный момент, как мы уже знаем, есть ничто иное, как момент нашего газопылевого облака, сохранившегося нетронутым до настоящего времени. Эта плоскость даже имеет свое собственное название - инвариантная плоскость.
Это о плоскости момента. Теперь поговорим о его количестве.
Каждое тело Солнечной системы вносит в него свой вклад соответственно своей массе и удаленности от центра массы всей Солнечной системы.
Вы, наверное, подумали, что наибольший вклад в момент Солнечной системы вносит само Солнце из-за того, что в нем сосредоточено 99% массы всей Солнечной системы. А вот и не угадали. 60,3% момента Солнечной системы сосредоточено в Юпитере. Естественным образом плоскость его орбиты максимально приближена к инвариантной плоскости. Наклонение орбиты Юпитера к инвариантной плоскости составляет 0,93 градуса. Для Земли - 1,57 градуса. Наклонение экватора Солнца к инвариантной плоскости составляет 2,4 градуса.
Здесь я хочу еще раз особо подчеркнуть, что плоскость вращения газопылевого облака, из которого слепилась наша Солнечная система, не имела никакого отношения у плоскости нашей Галактики. Соответственно сейчас, инвариантная плоскость тоже никакого отношения к плоскости нашей Галактики не имеет.
Контрольные вопросы и задачи к первой главе
1. Почему плоскость вращения Земли вокруг Солнца и направление ее вращения не совпадают с Галактической плоскостью и напровлением вращения звезд вокруг центра Галактики?
ГЛАВА ВТОРАЯ
ПРИСТУПАЕМ К ПОСТРОЕНИЮ НЕБЕСНОЙ СФЕРЫ
Небесная сфера- это воображаемая геометрическая сфера радиусом 10 пк (32,6 св. года) с центром где-то внутри Солнца.
Как известно, говорить о том, что Земля вращается вокруг Солнца - это не совсем верно. Правильнее говорить о том, что Земля и Солнце вращаются вокруг общего центра масс. Но этот центр никогда не покидает пределов Солнца, поэтому ПРАКТИЧЕСКИ говорить о том, что Земля вращается вокруг Солнца. Именно в этой точке (в центре масс Земля-Солнце) и находится центр Небесной сферы.
32,6 светового года - это много или мало? Это - ОЧЕНЬ МНОГО. Внутри этой сферы оказывается, например, Сириус, от которого свет летит 8 лет. А расстояние от Земли до Солнца - 8 световых минут. Получается, что любые перемещения по Солнечной системе совершенно НИЧТОЖНЫ по сравнению с размерами Небесной сферы. Как бы мы не метались по Солнечной системе, нам не удастся выбраться из самого центра Небесной сферы. Ели мы скажем, что центр Небесной сферы находится, скажем, в центре Земли или в глазу наблюдателя, стоящего на Земле, или в глазу другого наблюдателя, стоящего в 1 000 километров от первого, это не будет ошибкой. Вот на это обстоятельство и не обращают авторы нескольких учебников астрономии, которые я видел. А надо бы.
Плоскость орбиты Земли неограниченно (как и любая плоскость) простирается во всех направлениях по Вселенной и пересекает Небесную сферу. Образуется эклиптика - первый для вас БОЛЬШОЙ КРУГ небесной сферы. Соответственно, под прямым углом эту плоскость протыкает прямая, которая выходит из Небесной сферы в точках Северного и Южного полюсов эклиптики.
Если на орбиту Земли посмотреть со стороны Северного полюса эклиптики, то сама Земля, все планеты Солнечной системы вокруг Солнца и само Солнце вокруг своей оси вращаются против часовой стрелки.
Рассмотрим 2 звезды: Бетельгейзе и Сириус. Бетельгейзе находится с внешней стороны Небесной сферы. Сириус - внутри нее. Рассмотрим путь от Бетельгейзе до центра Небесной сферы (а это тоже самое, что и донашего глаза). По пути этот луч "протыкает" небесную сферу. На небесной сфере в том месте, где луч от Бетельгейзе ее "протыкает", образуется ПРОЕКЦИЯ звезды на небесную сферу. А вместе с этой проекцией образуются и сферические координаты этой проекции: эклиптические долгота и широта. Широта - это угол от эклиптики "вверх" или "вниз" по небесной сфере, то есть к северному полюсу эклиптики или к ее южному полюсу. А долгота - это угол от некоего нулевого эклиптического меридиана. Но на практике используются не углы от эклиптики и от нулевого эклиптического меридиана, а углы от небесного экватора и небесного нулевого меридиана. Но о них - в четвертой главе. Не хочу в этой лекции нарушать один из важнейших педагогических принципов - постепенность.
Если некая звезда, например, Сириус, находится внутри небесной сферы, то она тоже ПРОЕЦИРУЕТСЯ на небесную сферу с аналогичными последствиями. То есть её проекции присваиваются координаты на небесной сфере - широта и долгота относительно эклиптики и эклиптического нулевого меридиана. Или относительно небесного экватора и небесного меридиана.
Контрольные вопросы и задачи ко второй главе
1. Во сколько раз скорость движения проекции Земли на эклиптику больше скорости света? Один парсек округлим до 3 световых лет, а число пи - до 3.
ГЛАВА ТРЕТЬЯ
ПРОДОЛЖЕНИЕ РАССКАЗА ОБ ЭКЛИПТИКЕ. ПОЯС ЗОДИАКА
Итак, все звезды проецируются на небесную сферу. И проекции этих звезд образуют созвездия. Именно проекции этих звезд, а не сами звезды.
Для примера рассмотрим ковш Большой медведицы. Здесь я считаю уместным пояснить, чем созвездие отличается от астеризма. Большая медведица - это созвездие. Ковш Большой медведицы - это астеризм.
Созвездие - это ОБЛАСТЬ, площадка довольно хитрой формы на небесной сфере.
Астеризм - это рисунок, сложенный из звезд.
Нам, смотрящим из центра небесной сферы, кажется, что звезды ковша Большой медведицы, расположены недалеко друг от друга. И что ковш Большой медведицы - это такая фигура в ПРОСТРАНСТВЕ. На самом деле ковш Большой медведицы (как и любой другой астеризм) - это фигура только НА НЕБЕСНОЙ СФЕРЕ. В постранстве же он выглядит так:
Очевидно, что уже в недалеком будущем (если, конечно, ислам не прикончит всю цивилизацию вообще) школьники из развитых стран будут совершать групповые экскурсии на Луну в рамках изучения темы "Небесная сфера и небесные координаты". Дело в том, что с Луны можно видеть участки небесной сферы непосредственно рядом с Солнцем. И Солнце тоже проецируется на небесную сферу, а не только далекие звезды. Луна вокруг Земли тоже обращается практически в плоскости эклиптики (наклонение составляет Х градусов). Отсюда можно сделать вывод, что Солнце проецируется на эклиптику, если на него смотреть с Луны.
Естественно, и на Земле Солнце тоже всегда проецируется на Эклиптику. Об этом знали даже древнеегипетские астрономы. Но откуда??? Ведь днем небесную сферу не видно! Естественно, древнеегипетские астрономы сделали такой вывод из теоретических расчетов. Но в редкие минуты полных солнечных затмений они могли убедиться в их правильности :) В редкие минуты полных солнечных затмений Солнце находилось на ПРЕДСКАЗАННОМ месте небесной сферы.
Теперь будем смотреть на Солнце не с Луны, а с Земли. И мысленно выключим голубое сияние неба.
Земля обращается вокруг Солнца в этом направлении (1), если смотреть на Солнечную систему с Северного полюся эклиптики. Естественно, что проекция Солнца на небесную сферу (а в нашем случае это то же самое, что и само Солнце) вращается в том же направлении (2). Астрономы говорят , что "в течении года Солнце ползет по эклиптике".
Сама эклиптика пересекает 12 созвездий. Эти созвездия называют "зодиакальными", так как там много животных. И все вместе эти созвездия образуют "пояс Зодиака". Можно также сказать, что Солнце (вернее, его проекция) переползает из одного зодиакального созвездия в другое. Существует замечательное стихотворение о том, когда и в каком зодиакальном созвездии находится точка, противоположная Солнцу. Вот эта:
Взглянув на пояс Зодиака,
Мы в январе увидим Рака.
А в феврале увидим Льва.
Хранителем его была
В холодном марте злая Дева
(Соседка Льва по небу слева).
Весы купив себе в апреле,
Они спокойно жить хотели,
Но в мае страшный Скорпион
Нарушил их покой и сон.
Его убил Стрелец прекрасный,
Отца июня сын несчастный,
В июле ж братец Козерог
Сон Льва и Девы уберёг,
А в августе, на много дней
приехал дядя Водолей.
Из Рыб уху он в сентябре
Варил и кушал на дворе,
Зажарил Овна в октябре,
Тельца зарезал в ноябре.
А в декабре, в конце концов,
Родилась пара Близнецов.
Предлагаю вам дизайнерскую карту зодиакальных созвездий. Она прекрасно подойдет, скажем, для оформления детской спаленки. Да и я сам, будучи взрослым, хорошо бы спал в такой спаленке.
Контрольные вопросы и задачи к третьей главе
1. Вблизи какого элемента небесной сферы всегда расположны Марс и Юпитер?
2. Какое зодиакальное созвездие меняет свои эклиптические координаты (отдельно от своих соседей медленно перемещается в сторону северного полюса эклиптики)?
3. Какую точку на небесной сфере "протыкает" северная половина оси Солнца? Иля рядом с какой точкой северная половина оси Солнца "ппротыкает" небесную сферу?
4. Какие созвездия являются зодиакальными для Европейских астрологов? Европа здесь - спутник Юпитера :)
5. В каком созвездии находится Солнце 15 июля и 15 сентября?
6. Стоит ли искать Юпитер в Большой медведице?
7. В какой фазе Луны можно наблюдать полное или частичное Лунное затмение?
8. Можно ли в хороший телескоп увидеть Венеру во второй четверти?
9. Можно ли в хороший телескоп увидеть Юпитер в первой четверти?
ГЛАВА ЧЕТВЕРТАЯ
НЕБЕСНЫЙ ЭКВАТОР, СЕВЕРНЫЙ И ЮЖНЫЙ ПОЛЮС МИРА
Перенесемся из центра Солнца на Землю. Напомню, что, учитывая размеры небесной сферы, практически нет разницы, находимся ли мы в центре Солнца или на поверхности Земли. Или в центре Земли. При всех перемещениях по Солнечной системе мы не в состоянии выбраться из самого центра небесной сферы.
Вы, наверное, помните, как выглядит глобус. А у многих, он сейчас, наверное, и перед глазами. Мой выглядит так:
Настоящая Земля, а не глобус так расположена в пространстве, что плоскость ее орбиты проходит параллельно столу:
Земля обращается вокруг Солнца, а положение оси ее суточного вращения не меняется:
Напомню, что вследствие огромных размеров небесной сферы Земле никогда не удастся выбраться из самого центра небесной сферы, сколько бы она ни крутилась вокруг Солнца. Ее можно даже поместить в центр Солнца. Так и сделаем:
Подобно тому, как мы во все стороны продолжали плоскость земной орбиты вплоть до пересечения оной с небесной сферой с образованием эклиптики, продолжим так же и плоскость земного экватора во все стороны. Она, пересекая небесную сферу, образует небесный экватор. Это - ВТОРОЙ БОЛЬШОЙ КРУГ на небесной сфере, о котором вы узнали из этого учебника.
Эклиптика и небесный экватор пересекаются в двух противоположных точках, которые называются точкой весеннего равноденствия и точкой осеннего равноденствия. Осталось разобраться, какая из них какая.
Очевидно, что путь Земли по орбите лежит следующим образом:
В положении 1 в северном полушарии - зима, а в южном - лето.
В положении 2 в в северном полушарии - лето, а в южном - зима.
Получается, что положение 3 - это положение весеннего равноденствия.
Но так будет, если с Солнца смотреть на Землю. Тогда Земля будет в точке весеннего равноденствия. А если отслеживать движение Солнца по небесной сфере, как принято еще со времен Древнего Египта, то 22 марта Солнце будет в точке осеннего равноденствия. Поэтому названия этих точек поменяли. Точка весеннего равноденствия стала точкой осеннего равноденствия. А точка осеннего равноденствия стала точкой весеннего равноденствия.
Эта точка (точка весеннего равноденствия, где Солнце оказывается 22 марта) - особая точка на небесной сфере.
1. Здесь пересекаются эклиптика и небесный экватор (как и в противоположной точке осеннего равноденствия).
2. Через эту точку проходит нулевой меридиан. Этот нулевой меридиан также проходит и через полюса мира. А Земная ось также "протыкает" небесную сферу в полюсах мира.
Через точку весеннего равноденствия проходит нулевой меридиан как экваториальных координат, так и эклиптических координат.
Но экваториальные координаты получили наибольшее распросртранение. Подавляющее большинство карт звездного неба выполнено в экваториальных координатах.
Очевидно, что если вы не меняете своего положения на поверхности Земли, то и небесный экватор не меняет для вас своего положения. Определить положение горизонта по отношению к небесному экватору в зависимости от широты наблюдателя можно по этой картинке. Самое главное - не забывать, что расстояние между глазом наблюдателя и центром Земли ничтожно по сравнению с размером небесной сферы. Поэтому можно считать, что плоскость горизонта проходит через центр Земли. В видео-варианте этой лекции сия картинка анимирована. Наблюдателя можно перемещать по земному шару, а вместе с ним поворачивается и плоскость его горизонта.
На этой картинке мы видим наблюдателя, стоящего на Земле на широте Крыма, то есть на 45 градусах с. ш. Солнце находится прямо за Землей. Наблюдатель, следовательно, смотрит на закат.
Окружим наблюдателя небесной сферой:
И расположим горизонт горизонтально:
Теперь вспомним, что для небесной сферы совершенно ничтожно расстояние от наблюдателя до центра Земли. Поэтому смело можем опустить наблюдателя на горизонт. Так будет выглядеть небо для этого наблюдателя:
Если вы наблюдаете небо в Москве или в Белоруссии, то небесный экватор для вас проходит как-то так:
В день зимнего солнцестояния Солнце находится в 23 градусах 27 минутах ниже небесного экватора, то есть тут:
А в день летнего солнцестояния Солнце находится в 23 граусах 27 минутах выше небесного экватора, то есть тут:
Контрольные вопросы и задачи к четвертой главе
1. Как расположено Солнце по отношению к небесному экватору в день осеннего равноденствия?
2. Как расположено Солнце по отношению к небесному экватору в день весеннего равноденствия?
3. Какое время года и время суток изображено на этом рисунке?
4. Выше или ниже небесного экватора расположена полная Луна зимой?
5. Закат Солнца на экваторе:
В каком положении будет находися Солнце, когда в северном полушарии лето? В положении 1 или 2?
6. Когда на экваторе наступает равноденствие (день становится равным ночи)?
7. На какой общей окружности расположены Солнце и Луна на этом рисунке?
На эклиптике или на небесном экваторе?
8. Второй вопрос к этому же рисунку. Вы находитесь в Белоруссии и видите такой заход Солнца. Луна будет расти или убывать?
ГЛАВА ПЯТАЯ
ГОРИЗОНТ, ЗЕНИТ И НАДИР
Это - местные координаты наблюдателя на какой-нибудь планете Солнечной системы, в большинстве случаев - на Земле. По сравнению с размерами небесной сферы расстояние от глаза наблюдателя до центра Земли совершенно ничтожно, Поэтому можно считать, что плоскость горизонта проходит через центр Земли.
Если наблюдатель стоит на северном полюсе Земли, то его горизонт совпадает с... чем? Я уверен, что вы сами теперь в состоянии самостоятельно ответить на этот вопрос :)
Так и происходит при нормальном преподавании любой темы. С каждым разом все меньше новой информации и все больше вопросов.
Зенит - это точка небесной сферы над головой наблюдателя. Надир - это противоположная точка небесной сферы под ногами у наблюдателя.
Контрольные вопросы и задачи к пятой главе
1. Вид из вашего окна на запад:
На какой широте вы находитесь?
2. Вы знаете, что земная ось как бы "протыкает" небесную сферу где-то в районе Полярной звезды, поэтому все светила вращаются вокруг нее (вокруг Полярной звезды). Какова высота Полярной звезды над горизонтом на широте Москвы (56 градусов с. ш.)?
3. Какова высота Полярной звезды над горизонтом на Кабо-Верде (17 градусов с. ш.)? Можно ли ее увидеть с Кабо-Верде, если дымка над океаном поднимается до высоты 21 градус?
4. Почему на острове Брава (самый южный остров Кабо-Верде) все лето льют тропические ливни, как в ДРК?
5. Это закат Солнца в Белоруссии или восход Солнца в Патагонии?
6. Почему жителям Новой Зеландии и Тасмании не кажется, что на Луне нарисовано какое-то лицо?
7. Имеется такое правило:
Работает ли это правило в южном полушарии?
8. Самостоятельно подпишите названия к этим кругам небесной сферы:
9. В какие дни (очень примерно) на Кабо-Верде полная Луна проходит через зенит?
ГЛАВА ШЕСТАЯ
СКЛОНЕНИЕ И ПРЯМОЕ ВОСХОЖДЕНИЕ
Очевидно, что только живя на экваторе вы в течение года сможете увидеть ВСЕ светила на небесной сфере за исключением южных и северных приполярных областей, которые всегда будут скрыты атмосферной дымкой.
Это был вид на Атлантический океан с побережья Габона.
А это - вид на Индийский океан с побережья Сомали:
Солнце только что зашло у вас за спиной за равнины Африки, а нулевой небесный меридиан уже час как взошел над равниной Индийского океана. Некоторые звезды в настоящий момент находятся непосредственно под горизонтом и готовятся взойти прямо сейчас. Это звезды №1, №2 и №3.
Если некая звезда на экваторе восходит через час после восхода нулевого небесного меридиана, то астрономы говорят, что она имеет прямое восхождение, равное 1 часу.
Две звезды, имеющие одинаковое прямое восхождение, восходят одновременнно только на экваторе. На всех других широтах они восходят в разное время или имеют КОСОЕ восхождение.
То есть прямое восхождение - это небесная координата, аналогичная долготе на глобусе. А склонение аналогично земной широте.
Вот мы и разобрали все вопросы, связанные с небесными координатами. Конец лекции. Спасибо за внимание.