На сколько изменяется высота в верхней кульминации. Высота светил в кульминации

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.

Рисунок 3.1 Высота светил в кульминации

Особый интерес представляет высота светила во время кульминаций. Наибольшая высота (90) будет в верхней кульминации у светил, проходящих через зенит, т.е. при д = ц. Как можно догадаться из рисунка 3.1, верхняя кульминация светила с д < ц будет происходить к югу от зенита (при д < ц - 90 - под горизонтом), и их высота в этот момент составит h = 90 - ц+ д. Светила с д > ц в момент верхней кульминации будут расположены к северу от зенита на высоте h = ц+ p = 90 + ц - д. Для нижней кульминации все наоборот. Через надир (h = - 90) проходят светила с д = - ц. Соответственно, нижняя кульминация светила с д < -ц произойдет к югу от надира (и зенита) на высоте h = - ц- 180o+ p = - ц- д - 90, а для д > -ц - к северу от надира (зенита) на высоте h = ц- p = ц+ д - 90.

Знания того, что высота полюса мира равна широте места наблюдения, достаточно, чтобы понять, как меняется суточное движение светил на разных широтах. Так, при увеличении широты (при движении на север) северный полюс мира будет подниматься все выше над горизонтом, а небесный экватор и суточные параллели будет пересекать его под все меньшим углом. Соответственно, зоны незаходящих и невосходящих светил будут увеличиваться.

На северном географическом полюсе ц = 90, северный полюс мира совпадает с зенитом, а небесный экватор - с математическим горизонтом. Поэтому суточные параллели не пересекаются с горизонтом, все светила северного небесного полушария являюся незаходящими, а южного - невосходящими. Высота светил равна их склонению и в течение суток не меняется (речь пока идет о светилах, неподвижных относительно небесной сферы), поэтому светила не кульминируют. Кстати, часовой угол t на северном географическом полюсе не определен, поскольку понятие небесного меридиана там теряет смысл (юг со всех сторон, а остальные стороны света отсутствуют). По той же причине не определен и азимут светил (за исключением ненадежного магнитного). Вот такая замечательная точка географический полюс. Прямое восхождение светил привязано к точке на небесной сфере, а не на горизонте, поэтому б на географическом полюсе определяется так же, как и в любой другой точке на поверхности Земли. Однако если все-таки зафиксировать на горизонте какую-либо точку (например, направление нулевого меридиана или положение точки весеннего равноденствия в некоторый начальный момент времени), то все противоречия снимаются. Угол между этой точкой и кругом склонений (вертикалом) светила будет меняться пропорционально времени (на 360 в сутки), поскольку этот угол будет аналогом часового угла (азимута).

При уменьшении широты (движение на юг) наблюдается обратная картина - высота северного полюса мира над горизонтом уменьшается, а небесный экватор и суточные параллели пересекают его под все большим углом. Соответственно, зоны незаходящих и невосходящих светил уменьшаются.

На экваторе ц = 0, северный полюс мира совпадает с точкой севера, южный - с точкой юга, небесный экватор проходит через зенит, суточный параллели перпендикулярны горизонту и делятся им пополам. Зоны невосходящих и незаходящих светил отсутствуют - любое светило на экваторе половину суток находится над горизонтом, половину - под ним.

При дальнейшем движении на юг картина подобна описанной для движения на север, но только с той разницей, что в южном полушарии верхняя точка пересечения небесного экватора и небесного меридиана расположена к северу от зенита, а не к югу.

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°.

Небесная сфера - это воображаемая сферическая поверхность произвольного радиуса, в центре которой находится наблюдатель. Небесные тела проектируются на небесную сферу .

Из-за малых размеров Земли, в сравнении с расстояниями до звезд, наблюдателей, расположенных в разных местах земной поверхности, можно считать находящимися в центре небесной сферы . В действительности никакой материальной сферы, окружающей Землю, в природе не существует. Небесные тела движутся в беспредельном мировом пространстве на самых различных расстояниях от Земли. Эти расстояния невообразимо велики, наше зрение не в состоянии их оценить, поэтому человеку все небесные тела представляются одинаково удаленными.

За год Солнце описывает большой круг на фоне звездного неба. Годичный путь Солнца по небесной сфере называется эклиптикой. Перемещаясь по эклиптике . Солнце в равноденственных точках дважды пересекает небесный экватор. Это бывает 21 марта и 23 сентября.

Точка небесной сферы, которая остается неподвижной при суточном движении звезд, условно называется северным полюсом мира. Противоположная точка небесной сферы называется южным полюсом мира. Жители северного полушария его не видят, т. к. он находится под горизонтом. Отвесная линия, проходящая через наблюдателя, пересекает небо над головой в точке зенита и в диаметрально противоположной точке, называемой надиром.

Ось видимого вращения небесной сферы, соединяющую оба полюса мира и проходящую через наблюдателя, называют осью мира. На горизонте под северным полюсом мира лежит точка севера , диаметрально противоположная ей точка - точка юга . Точки востока и запада лежат на линии горизонта и отстоят от точек севера и юга на 90°.

Плоскость, проходящая через центр сферы перпендикулярно оси мира, образует плоскость небесного экватора , параллельную плоскости земного экватора. Плоскость небесного меридиана проходит через полюсы мира, точки севера и юга, зенит и надир.

Небесные координаты

Система координат, в которой отсчет производится от плоскости экватора, называется экваториальной . Угловое расстояние светила от небесного экватора называется , которое меняется от -90° до +90°. Склонение считается положительным к северу от экватора и отрицательным к югу. измеряется углом между плоскостями больших кругов, один из которых проходит через полюсы мира и данное светило, второй — через полюсы мира и точку весеннего равноденствия, лежащую на экваторе.

Горизонтальные координаты

Угловым расстоянием называется расстояние между объектами на небе, измеряемое углом, который образован лучами, идущими к объекту из точки наблюдения. Угловое расстояние светила от горизонта называют высотой светила над горизонтом. Положение светила относительно сторон горизонта называется азимутом. Отсчет ведется от юга по часовой стрелке. Азимут и высоту светила над горизонтом измеряют теодолитом. В угловых единицах выражают не только расстояния между небесными объектами, но и размеры самих объектов. Угловое расстояние полюса мира от горизонта равно географической широте местности.

Высота светил в кульминации

Явления Прохождения светил через небесный меридиан называются кульминациями. Нижней кульминацией называется прохождение светил через северную половину небесного меридиана. Явление прохождения светилом южной половины небесного меридиана называется верхней кульминацией. Момент верхней кульминации центра Солнца называется истинным полднем, а момент нижней кульминации — истинной полночью. Промежуток времени между кульминациями - полсуток .

У незаходящих светил над горизонтом видны обе кульминации, у восходящих и заходящих нижняя кульминация происходит под горизонтом, ниже точки севера. Каждая звезда кульминирует в данной местности всегда на одной и той же высоте над горизонтом, потому что ее угловое расстояние от полюса мира и от небесного экватора не меняется. Солнце же и Луна меняют высоту, на
которой они кульминируют .

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.

h = 90° - φ + δ.

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.