Подвижная карта звездного неба

Цель работы: изучение возможностей использования подвижной карты при изучении звездного неба.

Пособия: подвижная карта звездного неба; «Справочник любителя астрономии» П.Г. Куликовского; Малый звездный атлас А.А. Михайлова; «Школьный астрономический календарь на 2009/2010 учебный год»; калькулятор.

Подвижная карта звездного неба (ПКЗН) служит отличным пособием для общей ориентировки по небу и решения ряда практических задач, в частности, для определения расположения созвездий относительно истинного горизонта в любой момент суток произвольного дня года.

ПКЗН состоит из двух элементов – звездной карты-подложки и накладного круга.

На карте показаны звезды до четвертой звездной величины, хорошо заметные невооруженным глазом. Отмечены также очертания самых заметных созвездий. Звезды изображены кружками разных размеров: чем ярче звезда, тем больше размер кружка. Яркие звезды в созвездиях обозначены буквами греческого алфавита. Двойные, близкие, переменные звезды и звездные скопления обозначены традиционными специальными значками, туманности – штриховкой. Млечный Путь изображен голубоватой полосой.

На карту нанесена сетка небесных экваториальных координат.

Карта составлена в проекции на плоскость небесного экватора, в которой небесные параллели изображаются концентрическими окружностями, а круги склонения – радиальными лучами, выходящими из северного полюса мира, расположенного в центре карты. Рядом с ним находится Полярная звезда ( Малой Медведицы). Круги склонения проведены через 15º () и оцифрованы в часах по краю карты-подложки. Небесный экватор и три небесных параллели с интервалами в 30º оцифрованы в точках их пересечения с начальным кругом склонения () и с диаметрально противоположным ему кругом склонения (). Оцифровка кругов склонения и небесных параллелей позволяет грубо оценивать значения экваториальных координат небесных светил.

Рис. 10. Подвижная карта звездного неба

Эллипс красного цвета, пересекающийся с небесным экватором в двух диаметрально противоположных точках, изображает эклиптику. Точки пересечения небесного экватора с эклиптикой, называемые точками равноденствий, обозначаются знаками ¡ (точка весеннего равноденствия: , ) и d (точка осеннего равноденствия: , ).

Область карты, заключенная внутри небесного экватора, представляет северную небесную полусферу; остальная часть карты изображает пояс южной небесной полусферы, заключенный между небесным экватором и небесной параллелью со склонением . Небесные параллели южной небесной сферы изображаются на карте окружностями большего радиуса, нежели небесный экватор. Поэтому изображения созвездий южной полусферы растянуты, и их вид несколько отличается от привычного вида тех же созвездий на небе.

По наружному обрезу карты-подложки, называемому лимбом дат, нанесены календарные числа и названия месяцев года.

Накладной круг позволяет установить вид звездного неба для любого времени суток произвольного дня года. Для этой цели внешний обрез круга, называемый часовым лимбом, разделен на 24 часа, по числу часов в сутках. Штрихи на часовом лимбе нанесены через каждые 10 минут. Часовой лимб оцифрован в системе местного среднего солнечного времени, и это необходимо помнить при пользовании ПКЗН.

На накладном круге нанесен эллипс, форма которого определяется географической широтой места наблюдения. Внутри эллипса накладной круг прозрачен, а за его пределами – окрашен голубым цветом. Этот эллипс изображает математический горизонт. Напомним, что математический горизонт составляет угол () с небесным экватором, поэтому в проекции на экватор он действительно образует эллипс. На математическом горизонте нанесена оцифровка, это – азимуты. Напомним, что точка истинного горизонта с азимутом является точкой юга . Точке севера на горизонте соответствует азимут , азимут точки запада . Точка востока имеет азимут .

Область внутри математического горизонта (эллипса на накладном круге) отображает видимый участок неба. То, что находится за пределами этого эллипса (математического горизонта) является невидимой в данный момент на данной широте областью неба.

Прямая линия, пересекающая весь накладной круг и проходящая через центр карты (северный полюс мира ), а также через точки севера и юга на горизонте, является небесным меридианом. В пределах горизонта он разделен на части по .

Точка на небесном меридиане, удаленная от точки юга на , является зенитом . Через него на накладном круге проходит некая дуга (часть эллипса), проходящая также через точки запада и востока на горизонте. Это – первый вертикал. Он также разделен на участки по .

Подвижная карта звездного неба позволяет приближенно решать ряд задач практической астрономии.

Сформулируем основные правила пользования подвижной картой звездного неба (ПКЗН).

1. Чтобы установить ПКЗН на момент наблюдения, надо, вращая накладной круг, совместить дату наблюдения, отложенную на краю карты-подложки, с местным средним солнечным временем момента наблюдения, отмеченным на краю накладного круга. Напомним, что время на наших часах – это декретное время (зимой) и летнее время (летом). Местное среднее солнечное время в пункте с географической долготой , находящемся в часовом поясе с номером , можно рассчитать по формулам

– зимой,	(5.1)
– летом.	(5.2)

Для Стерлитамака географическая долгота , а номер часового пояса . Тогда для наблюдателя, находящегося в Стерлитамаке, формулы (5.1)-(5.2) будут иметь вид:

– зимой,	(5.3)
– летом.	(5.4)

Итак, напомним еще раз, что по краю накладного круга на ПКЗН отложено не время, которое мы видим в некий момент на наших часах, а местное среднее солнечное время этого момента на данной географической долготе.

2. Чтобы определить по ПКЗН звездное время в интересующий момент среднего солнечного времени, следует сначала установить ПКЗН на данный момент времени согласно пункту 1. Затем следует посмотреть, каково прямое восхождение светил и точек небесной сферы, находящихся в этот момент в верхней кульминации, то есть, пересекающих небесный меридиан к югу от зенита. Прямое восхождение этих точек и будет численно равно звездному времени в этот момент. Напомним, что прямые восхождения в ПКЗН отложены на краю карты-подложки.

3. С помощью ПКЗН можно определить время и азимут восхода (захода) светила. Для этого надо, вращая накладной круг, установить данное светило на горизонт с восточной (западной) стороны. Отсчет азимута снимается непосредственно с оцифровки, сделанной вдоль математического горизонта. Напомним, что восход светил происходит в части горизонта, заключенной в пределах значений азимута . Она включает в себя точку востока и простирается от точки севера до точки юга . Заход светил происходит на участке горизонта, где .

Отсчет местного среднего солнечного времени восхода (захода) светила считывается по краю накладного круга против даты наблюдения, указанной на краю карты-подложки.

4. По ПКЗН можно найти место нахождения Солнца на эклиптике в любой день года. Для этого надо, вращая накладной круг, установить ПКЗН, согласно правилу 1, на момент местного среднего солнечного времени данной даты. В этот момент Солнце находится в верхней кульминации, то есть, пересекает небесный меридиан к югу от зенита. Этот момент времени принято называть полуднем. Тогда точка пересечения эклиптики с небесным меридианом (к югу от зенита) и будет являться местом нахождения Солнца.

5. Научившись находить местоположение Солнца на эклиптике в заданный день года, несложно определить моменты времени и азимуты восхода (захода) Солнца на данную дату. Для этого достаточно путем вращения накладного круга установить точку эклиптике, в которой находится Солнце, на горизонт с восточной (западной) стороны и дальше действовать согласно правилу 3. Еще раз напомним, что найденное таким образом время восхода (захода) Солнца является местным средним солнечным. Зная его, можно определить время восхода (захода) Солнца по нашим часам:

– зимой,	(5.5)
– летом.	(5.6)

Разница времени между моментами захода и восхода Солнца дает нам продолжительность светового дня для данной даты.

По подвижной карте звездного неба можно приблизительно указать день года (дату), в который то или иное светило восходит, кульминирует или заходит в заданный момент времени суток. В этом случае, поворачивая накладной круг, устанавливают его на карте так, чтобы выбранное светило заняло заданное положение (восход, кульминация, заход). Тогда штрих часового лимба, обозначающий заданный момент времени, совпадает с искомым днем на лимбе дат.

Аналогично, по заданной дате можно определить приближенные моменты времени суток интересующих явлений (обратная задача).

Конечно, определение дат и моментов времени по подвижной карте звездного неба является весьма приближенным, но вполне достаточным для уяснения общей картины явлений. Точные же их определения производятся соответствующими вычислениями.

Определяя по подвижной карте вид звездного неба в различные моменты суток, можно выяснить условия видимости созвездий, то есть установить, все ли созвездия восходят над горизонтом и заходят за горизонт данного места Земли.

Задания:

1. Установить подвижную карту звездного неба на день и час занятий и указать расположение созвездий на небесном своде, отдельно отметив восходящие и заходящие в это время созвездия.

2. Изучить контуры созвездий Большой Медведицы, Малой Медведицы, Кассиопеи, Лебедя, Льва, Пегаса, Возничего и Ориона.

3. Установить подвижную карту звездного неба последовательно на 0^ч, 6^ч, 12^ч и 18^ч 1 октября, указать расположение в эти моменты времени созвездий Большой Медведицы, Кассиопеи, Ориона и Лебедя и сформулировать выводы о характере и причине изменения вида звездного неба в течение суток.

4. Определить день года, в который в 8^ч30^м вечера в верхней кульминации находится звезда: 1) Вега; 2) Альдебаран; 3) Арктур; 4) Денеб; 5) Капелла; 6) Алголь; 7) Спика; 8) Регул.

5. Определить дату, в которуюта же звезда в тот же момент суток находится в нижней кульминации.

6. В дни 21 марта, 22 июня, 23 сентября и 22 декабря найти моменты времени восхода, верхней кульминации, захода и нижней кульминации звезды: 1) Альтаира; 2) Сириуса; 3) Поллукса; 4) Ригеля; 5) Антареса; 6) Бетельгейзе; 7) Проциона; 8) Кастора.

7. Определить время восхода и захода Большой Медведицы и Кассиопеи в произвольно выбранный день года.

8. Из анализа результатов пунктов 4 – 7 сформулировать выводы:

9. а) о продолжительности промежутка времени между моментами верхней и нижней кульминации одних и тех же звезд в пределах суток;

б) об изменении моментов времени восхода, кульминаций и захода звезд на протяжении года, указав направление и величину этого изменения за полгода, за месяц, за полмесяца и за сутки;

в) об условиях видимости различных созвездий в данном месте Земли.