АСТРОНОМІЯ - Навчальний посібник для профільної школи 2017

Частина 1. Космографія

Розділ І. Вступ до астрономії

Тема 1.1. Зоряне небо й небесна сфера

§ 2. Зоряне небо, небесні світила і небесна сфера

Вступ

Вигляд зоряного неба, як велетенської чаші над Землею, незмінність положень зір одна відносно одної — все це дозволило людині ще в давні часи упорядкувати небо для власних потреб.

Цілі вивчення § 2

Вивчивши матеріал цього параграфа, Ви будете:

• знати й розуміти поняття небесна сфера; найяскравіші зорі на небі (Сиріус, Вега, Капела, Спіка, Арктур);

• уміти формулювати означення небесної сфери, показати точки і лінії на небесній сфері;

• виявляти ставлення й оцінювати принцип уведення поняття небесна сфера, розміщення на небесній сфері світил.

Актуалізація раніше набутих знань / компетентностей

У параграфі розглядаємо питання небесної сфери, тому потрібно пригадати з геометрії поняття сфери та її параметри (радіус, діаметр).

Методичні поради щодо опанування навчального матеріалу

Найперше треба з’ясувати, чому в людини виникає враження про сферу, на якій начебто містяться зорі. Нагадаємо — це уявний ефект, спричинений великими відстанями до небесних тіл, які оком людина не може оцінити. Далі треба розглянути поняття небесне світило, яке в астрономії використовують для позначення будь-якого небесного тіла, коли йдеться про астрономічні спостереження, для яких природа небесного тіла не важлива.

Після цього — опанувати поняття небесна сфера, скориставшись для цього засобами візуалізації, наприклад, схематичними малюнками, динамічною моделлю чи армілярною сферою. Зверніть увагу на те, що в нашу епоху Північний полюс світу лежить поблизу зорі, яку називають Полярною.

Важливо зрозуміти — поняття небесної сфери виявилося дуже зручним під час вивчення видимих рухів світил та визначення їх взаємних положень на небі, що здавна робили астрономи не тільки з допитливості, але й із потреб практики (вимірювання часу, орієнтування на місцевості по небесних світилах). Бажано запам’ятати означення небесної сфери.

Пояснювальний текст

Перше враження від спостереження зоряного неба — незліченність зір і певна хаотичність їх розміщення на небосхилі. Насправді зір, які можна побачити неозброєним оком, на небі Землі близько 6000, а найяскравіші з них дуже легко ув’язати у прості геометричні фігури, наприклад, трикутники чи квадрати. Це дозволило ще в давні часи «упорядкувати» зорі на небі й використати їх для практичних потреб.

1. Зоряне небо і небесні світила. На нічному небі неозброєним оком без допомоги бінокля чи телескопа, окрім зір, можна від часу до часу спостерігати Місяць, планети, а також інші об’єкти. Усі ці об’єкти в астрономії для зручності позначають одним поняттям небесні світила. І коли йдеться про астрономічні спостереження, в яких природа небесного тіла не важлива, то використовують саме цей термін.

Найяскравіші світила на небі Землі — Сонце, Місяць, п’ять планет (Меркурій, Венера, Марс, Юпітер і Сатурн). Доволі яскравими є також деякі зорі, наприклад, Сиріус, Вега, Капела, Спіка, Арктур.

2. Небесна сфера. Спостерігаючи зоряне небо, важко позбутися враження про сферичне склепіння, яке начебто є над головою. Та насправді ніякого твердого неба не існує. Світила перебувають від Землі на різних відстанях, але відстані такі великі, що наше око не сприймає цієї різниці. Ми можемо розрізняти відстані лише в межах до 2 км. Всі предмети, що лежать далі, нам здаються віддаленими однаково. Тому й виникає відчуття, що всі світила лежать від нас на однаковій відстані на внутрішній поверхні деякої сфери. Ще у стародавні часи її назвали небесною сферою.

Для вирішення багатьох практичних завдань відстані до небесних тіл не важливі. Тому, хоча в природі небесної сфери не існує, астрономи використовують її як математичу модель для вивчення видимих рухів світил та визначення їх взаємних положень на небі (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Перше враження, яке виникає під час спостереження зоряного неба, — небесні світила лежать на внутрішній поверхні деякої сфери. Зверніть увагу на те, що у центрі небесної сфери фактично перебуває око спостерігача.

Небесна сфера — це уявна сфера довільного радіуса, в центрі якої перебуває спостерігач і на яку спроектовано всі світила так, як він бачить їх у певний момент часу з певної точки простору.

У визначенні небесної сфери її радіус вказано довільним. Що це означає? Для правильного розуміння поняття треба вважати радіус небесної сфери як завгодно великим — таким, що перевищує відстань до найдальшого з відомих нам небесних об’єктів. Водночас радіус небесної сфери не може бути нескінченно великим (R = ∞), бо в такому разі кривизна поверхні (величина, обернена до радіуса) буде дорівнювати нулю. Тобто, сферична поверхня стане плоскою, що суперечить спостереженням.

Небесна сфера має всі властивості звичайної геометричній сфери, зокрема: а) площини, проведені через центр сфери, перетинають її по великих колах, радіуси яких дорівнюють радіусу сфери (r = R); б) кожне велике коло ділить сферу на півсфери (півкулі); в) через дві довільні точки сфери можна провести тільки одне велике коло; г) два великих кола завжди перетинаються у двох діаметрально протилежних точках; д) площини, що перетинають сферу поза її центром, утворюють на ній малі кола, радіуси яких менші за радіус сфери (r < R). Ці властивості сфери дозволяють виокремити на ній окремі точки, лінії і кола.

Проведемо через центр небесної сфери прямовисну лінію (лінію виска). Ця лінія перетне небесну сферу у двох точках: точці зеніту (Z) — найвищій точці над головою спостерігача, і точці надиру (Z') — у протилежній півкулі під його ногами. Якщо через центр небесної сфери провести площину, перпендикулярну до прямовисної лінії, ця площина перетне небесну сферу по великому колу, яке називають математичним, або істинним горизонтом (SWNE). Математичний горизонт практично ніколи не збігається з видимим горизонтом. Видимий горизонт на суші — це зазвичай неправильна лінія, точки якої лежить вище або нижче за істинний горизонт. У відкритому морі видимий горизонт є завжди малим колом, площина якого паралельна до площини математичного горизонту.

Мале коло, що проходить через світило і площина якого паралельна до площини математичного горизонту, називають альмукантаратом світила. Велике півколо, що проходить через світило, зеніт і надир, називають колом висоти, вертикальним колом, або просто вертикалом світила.

Вигляд нічного неба повсякчас змінюється: на заході світила опускаються до горизонту й деякі з них заходять, а на сході — поступово піднімаються, а на їх місці з’являються нові, яких раніше не було видно. Це є наслідком обертання небесної сфери.

Вісь обертання небесної сфери (вона паралельна осі обертання Землі, адже насправді обертається Земля, а не зоряне небо), називають віссю світу. Вісь світу перетинає небесну сферу у двох точках, які називають полюсами світу. Північним полюсом світу є той, дивлячись на який з поза меж небесної сфери, ми бачимо її обертання за годинною стрілкою. У нашу епоху Північний полюс світу перебуває поблизу зорі α Малої Ведмедиці, яку називають Полярною зорею.

Коло великого діаметра, що проходить через зеніт, надир та полюси світу називають небесним меридіаном. За один добовий оберт кожне світило двічі на добу перетинає меридіан. Момент перетину небесним світилом меридіана називають кульмінацією (від латинського culmen — вершина).

Площина небесного меридіана перпендикулярна до площини горизонту. Діаметр SN, по якому вони перетинаються, називають полуденною лінією. Полуденна лінія перетинається з горизонтом у двох точках: точці півночі N (над нею лежить північний полюс світу) і точці півдня S (діаметрально протилежній до точки півночі).

Площина, що проходить через центр небесної сфери перпендикулярно до осі світу, — це площина небесного екватора. Вона перетинає небесну сферу по великому колу, яке називають небесним екватором (QWQ'E). Небесний екватор поділяє небесну сферу на півкулі — північну й південну (рис. 2.2).

Ще одне коло великого діаметра, по якому Сонце здійснює свій річний рух на небесній сфері, називають екліптикою (докладніше про неї у § 8). Екліптика перетинає небесний екватор у двох точках — весняного й осіннього рівнодення.

Рис. 2.2. Основні точки і лінії на небесній сфері.

Визначивши основні лінії і точки на небесній сфері, ми можемо запровадити на ній небесні координати (про це в §4) так, як на поверхні Землі запроваджено географічні координати.

Проблемне питання

Оскільки центр небесної сфери пов’язаний з оком спостерігача, то виникає слушне запитання про кількість небесних сфер з огляду на кількість людей на Землі. На перший погляд їх має бути вдвічі більше, ніж людей, бо кожна людина має два ока. Але цей висновок, формально правильний, водночас є помилковим. Насправді небесна сфера одна. І причина цього полягає в тому, що діаметр Землі неймовірно малий, як порівняти з відстанями навіть до найближчих зір.

З якого б місця на поверхні нашої планети ми не спостерігали одну й ту саму точку небесної сфери (одну й ту саму зорю), наприклад, найближчу до Сонця Проксиму із сузір’я Кентавра, напрямки на неї будуть паралельними.

Видимі відстані між довільними точками на небесній сфері, зокрема між зорями, або видимі діаметри небесних світил, вимірюють в кутових або дугових одиницях — градусах, хвилинах і секундах дуги. Наприклад, відстань між точками А і В небесної сфери, показана на ній дугою АВ (рис. 2.3), відповідає значенню центрального кута α між напрямками на ці точки з центра О небесної сфери, де міститься спостерігач. Центральні кути завжди лежать у площинах великих кіл, і дуги, що їх стягують, — це найкоротші відстані між точками небесної сфери.

Рис. 2.3. Відстань між точками на небесній сфері (її показано дугою АВ) вимірюють центральним кутом α між напрямками на ці точки з центру О небесної сфери.

Навчальне завдання

• Намалюйте небесну сферу й позначте на малюнку: вісь світу; північний і південний полюси світу; зеніт і надир; математичний горизонт; небесний екватор; небесний мередіан.

• Яким елементам небесної сфери відповідають такі точки і лінії на поверхні земної кулі: екватор; місцевий меридіан; георгафічні полюси.

Висновки

Поняття небесної сфери, що з’явилося на зорі розвитку астрономії, дозволяє вивчати рухи небесних світил та визначати їх взаємні положення на небі.

1. Що в астрономії розуміють під небесним світилом?

2. Назвіть 5—7 найвідоміших небесних світил.

3. Чому під час спостереження зоряного неба здається, що всі світила лежать на внутрішній поверхні сфери?

4. Сформулюйте визначення небесної сфери.

5. Покажіть усі точки, лінії та кола небесної сфери на її рисунку чи моделі.

Додаткові та цитовані джерела інформації до § 2

• Климишин І.А. Зоряне небо України. — Івано-Франківськ : Гостинець, 2003. — 64 с.

За результатами вивчення §2 Ви маєте:

знати й розуміти

поняття небесна сфера.

знати

найяскравіші зорі на небі (Сиріус, Вега, Капела, Спіка, Арктур).

уміти

формулювати означення небесної сфери; показати точки і лінії небесної сфери.

виявляти ставлення й оцінювати

принцип уведення небесної сфери та розміщення на ній небесних світил.





Відвідайте наш новий сайт - Матеріали для Нової української школи - планування, розробки уроків, дидактичні та методичні матеріали, підручники та зошити