Кульминация светил. Вид звездного неба на различных географических параллелях

В каждом месте земной поверхности высота hp полюса мира всегда равна географической широте φ этого места, т. е. hp=φ (1)

а плоскость небесного экватора и плоскости небесных параллелей наклонены к плоскости истинного горизонта под углом

i=90°—φ (2)

Высота h и зенитное расстояние z любой точки небесной сферы, в том числе и любого светила, связаны между собою зависимостью

h+z=90° (3)

В момент верхней кульминации (рис. 1) светило со склонением δ<φ (светила M1, M2 и M3) пересекает небесный меридиан к югу от зенита z (над или под точкой юга S) и его зенитное расстояние

zв=φ-δ (4)

высота

hв= (90°—φ) +δ (5)

азимут AB=0° и часовой угол tB = 0°=0ч.

 

Рис. 1. Верхняя кульминация светил

При δ>φ светило (M4) в верхней кульминации пересекает небесный меридиан к северу от зенита (над точкой севера Ν), между зенитом Z и северным полюсом мира Р, и тогда зенитное расстояние светила

zв=δ—φ (6)

высота hв=(90°-δ)+φ (7)

азимут AB=180°, а часовой угол tB = 0° = 0ч.

В момент нижней кульминации (рис. 2) светило пересекает небесный меридиан под северным полюсом мира: незаходящее светило (M1)—над точкой севера N, заходящее светило (М2 и M3) и невосходящее светило (M4)—под точкой севера. В нижней кульминации высота светила

hн=δ-(90°-φ) (8)

его зенитное расстояние zн=180°—δ—φ (9)

азимут Aн=180° и часовой угол tн=180°=12ч.

 

Рис. 2. Нижняя кульминация светил

В зависимости от φ, светила с δ<0° могут в нижней кульминации проходить под точкой юга S (светило M5) и тогда Aн=0°, а часовой угол tн=180°=12ч. В этом случае при решении задач получится zн>180° или hн< - 90°, чего быть не может, и, следовательно, реальное зенитное расстояние z=360°-zн, а высота h=-(180°+hн), но всегда h = 90°—z. Направление кульминации относительно зенита отмечается буквами: S (или ю)—кульминация к югу и N (или с) — кульминация к северу от зенита. Из формулы (8) следует, что при

δ≥+(90°-φ) (10)

высота hн≥0°, т. е. светило никогда не заходит под горизонт (незаходящее светило), а, согласно формуле (5), у невосходящего светила hв<=0° и склонение

δ≤-(90°-φ) (11)

Пример 1. Определить зенитное расстояние, высоту, азимут и часовой угол звезды Капеллы (а Возничего) в верхней и нижней кульминации на северном тропике (φ=+23°27'), на географической широте φ=+45°58' и на северном полярном круге (φ=+66°33'). Склонение Капеллы δ=+45°58'.

Данные: Капелла (α Возничего), δ=+45°58';

северный тропик, φ=+23°27'; место с φ = +45°58';

северный полярный круг, φ=+66°33'.

Решение: Склонение Капеллы δ = +45°58'>φ северного тропика, и поэтому следует воспользоваться формулами (6) и (3):

zв= δ-φ = +45°58'-23°27' = 22°31'N, hв=90°—zв=90°—22°31'=+67°29'N;

следовательно, азимут Aв=180°, а часовой угол tв=0° = 0ч.

На географической широте φ=+45°58'=δ зенитное расстояние Капеллы zв=δ-φ=0°, т. е. в верхней кульминации она находится в зените, и ее высота hв=+90°, часовой угол tв=0°=0ч, а азимут AB неопределенный.

Те же величины для северного полярного круга вычисляются по формулам (4) и (3), так как склонение звезды δ<φ=+66°33':

zв = φ—δ =+66°33'—45°58' = 20°35'S, hв=90°—zв= +90°—20°35'= +69°25'S, а поэтому Aв=0° и tв = 0°=0ч,

Вычисления высоты hн и зенитного расстояния zн Капеллы в нижней кульминации проводятся по формулам (8) и (3): на северном тропике (φ=+23°27')

hн=δ— (90°—φ) = + 45°58'-(90°—23°27') = -20°35'N,

т. е. в нижней кульминации Капелла заходит за горизонт, и ее зенитное расстояние

zн=90°—hн=90°-(-20°35') = 110°35' N, азимут Aн=180° и часовой угол tн=180°=12ч,

На географической широте φ=+45°58' у звезды hн=δ-(90°-φ) = +45°58'-(90°-45°58') = + 1°56'N,

т. е. она уже незаходящая, и ее zн=90°—hн=90°-1°56'=88°04' N, Aн=180° и tн=180°=12ч

На северном полярном круге (φ = +66°33')

hн = δ—(90°—φ) = +45°58'— (90°—66°33') = +22°31' N, и zн = 90°—hн = 90°—22°31' = 67°29' N,

т. е. звезда тоже не заходит за горизонт.

Пример 2. На каких географических параллелях звезда Капелла (δ=+45°58') не заходит за горизонт, никогда не видна и в нижней кульминации проходит в надире?

Данные: Капелла, δ=+45°58'.

Решение. По условию (10)

φ≥ + (90°—δ) = + (90°—45°58'), откуда φ≥+44°02', т. е. на географической параллели, с φ=+44°02' и севернее ее, вплоть до северного полюса Земли (φ=+90°), Капелла является незаходящей звездой.

Из условия симметрии небесной сферы находим, что в южном полушарии Земли Капелла не восходит в местностях с географической широтой от φ=-44°02' до южного географического полюса (φ=-90°).

Согласно формуле (9), нижняя кульминация Капеллы в надире, т. е. при zΗ=180°=180°—φ—δ, происходит в южном полушарии Земли, на географической параллели с широтой φ=-δ =-45°58'.

Задача 1. Определить высоту полюса мира и наклонение небесного экватора к истинному горизонту на земном экваторе, на северном тропике (φ=+23°27'), на северном полярном круге (φ = +66°33') и на северном географическом полюсе.

Задача 2. Склонение звезды Мицара (ζ Большой Медведицы) равно +55°11'. На каком зенитном расстоянии и на какой высоте она бывает в верхней кульминации в Пулкове (φ=+59°46') и Душанбе (φ=+38°33')?

Задача 3. На каком наименьшем зенитном расстоянии и наибольшей высоте бывают в Евпатории (φ = +45°12') и Мурманске (φ=+68°59') звезды Алиот (ε Большой Медведицы) и Антарес (а Скорпиона), склонение которых соответственно равно +56°14' и -26°19'? Указать азимут и часовой угол каждой звезды в эти моменты.

Задача 4. В некотором месте наблюдения звезда со склонением +32°19' поднимается над точкой юга на высоту в 63°42'. Найти зенитное расстояние и высоту этой звезды в том же месте при азимуте, равном 180°.

Задача 5. Решить задачу для той же звезды при условии ее наименьшего зенитного расстояния 63°42' к северу от зенита.

Задача 6. Какое склонение должны иметь звезды, чтобы в верхней кульминации проходить в зените, а в нижней кульминации — в надире, точке севера и точке юга места наблюдения? Чему равна географическая широта этих мест?

Задача 7. Вычислить зенитное расстояние, высоту, азимут и часовой угол в верхней и нижней кульминации звезды β Лебедя (имеющей склонение +27°51') на земном экваторе, на северном и южном тропике (φ=±23°27'), на географической широте (φ=±27°51'), на северном и южном полярных кругах (φ=±66°33') и географических полюсах. По найденным значениям высоты в верхней и нижней кульминации построить график ее зависимости от географической широты, проанализировать закономерность изменения высоты и указать, на какой географической широте понятие кульминаций отсутствует.

Задача 8. Чему равна разность зенитных расстояний двух звезд при одноименных кульминациях в одном пункте наблюдения?

Задача 9. Решить предыдущую задачу для звезд γ Андромеды и α Овна, склонение которых равно +42°05' и +23°14'. Указать различие азимутов и часовых углов этих звезд в одноименных кульминациях в Днепропетровске (φ=+48°28') и в Душанбе (φ=+38°33').

Задача 10. Найти разность зенитных расстояний звезды при ее разноименных кульминациях в одном пункте наблюдения.

Задача 11. Решить предыдущую задачу для звезд, верхняя кульминация которых в Ярославле (φ = +57°38') и Ташкенте (φ=+41°18') происходит над точкой юга.

Задача 12. Вычислить разность наибольшей и наименьшей высоты звезды Альдебарана (а Тельца) в тех местах, где обе ее кульминации бывают к северу от зенита. В пределах каких географических параллелей возможны эти явления? Склонение Альдебарана равно +16°25'.

Задача 13. Найти разность зенитных расстояний при одноименных кульминациях одной и той же звезды на различных географических параллелях.

Задача 14. Решить предыдущую задачу для звезд Алиота (ε Большой Медведицы) и Спики (α Девы) по наблюдениям в Пулкове (φ=+59°46') и в Ашхабаде (φ= +37°45'). Склонение этих звезд равно соответственно +56°14' и -10°54'.

Задача 15. У звезды α Большой Медведицы, склонение +62°01', а у звезды α Южной Рыбы —29°54'. Чему равны высота полюса мира и наклонение небесного экватора к истинному горизонту на тех географических параллелях, где эти звезды проходят в зените, кульминируют в точке юга и точке севера? Рассмотреть обе кульминации и сделать обобщающий вывод.

Задача 16. В Москве (φ = +55°45') звезда η Большой Медведицы в нижней кульминации находится на высоте +15°19' Круглосуточно ли пребывает она над горизонтом Горького (φ=+56°20') и Ашхабада (φ=+37°45')?

Задача 17. Склонение звезды Денеба (α Лебедя) равно +45°06'. Найти условия ее видимости в Кирове (φ = +58°36') и Ла-Плате (φ = -34°54').

Задача 18. Звезды с каким склонением проходят в зените и надире Петрозаводска (φ=+61°47'), Тбилиси (φ = =+41°42') и Канберры (φ=-35°20') и каковы условия их видимости в этих городах?

Задача 19. На каких географических параллелях звезды Бега (α Лиры) и β Скорпиона становятся незаходящими? Склонение этих звезд соответственно равно +38°44' и —19°40'.

Задача 20. С каких географических параллелей северного земного полушария становятся видимы звезды Толиман (α Центавра) и Канопус (α Киля), склонение которых соответственно равно —60°38' и —52°40'? Какие из этих звезд видны на территории СССР в Кушке (φ = = +35°15')?

Задача 21. С каких географических параллелей звезды Алголь (β Персея, δ=+40°46') и Антарес (α Скорпиона, δ=-26°19') становятся невосходящими?

Задача 22. Вычислить пояса географической широты, в которых основные звезды Большой Медведицы и Южного Креста не восходят над горизонтом, полностью восходят и заходят, а также совсехм не заходят. Склонение этих звезд Большой Медведицы находится в пределах от +62°01' (α) до +49°26' (η), а Южного Креста - от -62°49' (α) до -56°50' (γ).

Ответы - Кульминация светил. Вид звездного неба