1 Астрономические системы координат
 Скачать 2.84 Mb.
|
29,29 км/с).1.2.4. Земные системы координат. Астрономические и геодезические координаты. Существует три типа земных координат точек земной поверхности: географические, геодезические и геоцентрические. Для определения положения точек па земной поверхности, наилучше представляющего поверхность Земли, служат географические координаты - широта и долгота. Точки пересечения оси вращения с поверхностью Земли называются полюсами Земли. Тот полюс, с которого видно, что вращение Земли происходит против часовой стрелки называется Северным полюсом, а противоположный - Южным. Плоскость, проходящая через центр Земли перпендикулярно к оси вращения, называется плоскостью земного экватора. В географической системе координат экватор является основным кругом. Начальным кругом в географической системе координат является меридиан Гринвичской обсерватории, начальной точкой - точка пересечения гринвичского меридиана с небесным экватором. Любая плоскость, проходящая через ось вращения, называется плоскостью меридиана. Малые круги, параллельные экватору, называются географическими параллелями. С 1916 г. за начальный меридиан принимается Гринвичский, проходящий через центр гринвичской обсерватории, расположенной в восточной части Лондона. Счёт долгот ведется от начального меридиана или в одну сторону (в РФ с запада на восток), от 0 до 360°, или в обе стороны, от 0 до 180°. В последнем случае к долготам точек, находящихся восточнее начального меридиана, приписывается слово «восточная» или знак +, а для точек западнее начального меридиана - слово «западная» или знак -. Такой счет долгот наиболее распространенный. Географической широтой точки земной поверхности называется угол между отвесной линией в этой точке и плоскостью небесного экватора. Географической долготой точки земной поверхности называется угол между плоскостью Гринвичского меридиана и истинным меридианом в этой точке. Географические координаты точек земной поверхности, определяемые астрономическим методом, т. е. по наблюдению небесных светил, называются астрономическими координатами. Географические координаты точек на поверхности земного эллипсоида, определяемые из геодезических измерений и последующих вычислений на земном эллипсоиде, называются геодезическими координатами. На поверхности эллипсоида положение точки определяется направлением нормали (перпендикуляра) к его поверхности в этой точке, а на земной поверхности - направлением отвесной линии. Поскольку в точках земной поверхности направление отвесной линии вообще не совпадает с направлением нормали к эллипсоиду, на котором производится обработка геодезических измерений, поэтому астрономические координаты не будут совпадать с геодезическими. Если нормаль к эллипсоиду всегда пересекает ось вращения эллипсоида, то отвесная линия может и не пересекать оси вращения эллипсоида. Таким образом, только плоскость геодезического меридиана будет определяться как плоскость, включающая нормаль в данной точке, и ось вращения. Плоскость астрономического меридиана будет включать отвесную линию и пройдет в общем случае параллельно оси вращения Земли. Меридиан небесной сферы лежит в плоскости астрономического меридиана. У каждой точки земной поверхности следует различать координаты: 1) геоцентрическая широта  - есть угол между радиус- вектором точки, т. е. направлением к центру эллипсоида и плоскостью земного экватора; геоцентрическая долгота соответствует геодезической долготе;2) геодезическая широта В измеряется углом между нормалью к референц-эллипсоиду в рассматриваемой точке и плоскостью экватора;геодезическойдолготой  пункта земной поверхности называется двугранный угол между плоскостями Гринвичского меридиана и меридиана определяемой точки, спроектированного на поверхность референц-эллипсоида по направлению нормали к его поверхности в данной точке. Расхождения между значениями географических и геодезических широт и долгот называются уклонениями отвесной линии в меридиане (  ) и в первом вертикале ( ). Геодезические координаты точек земной поверхности применяют для целей картографии.3) астрономическая широта  измеряется углом между отвесной линией в рассматриваемой точке и плоскостью экватора. Именно этот угол мы получаем из астрономических наблюдений. Астрономической долготой  называется угол между плоскостью истинного (астрономического) меридиана точки, от которой ведется счет долгот (также Гринвичская обсерватория), и плоскостью истинного меридиана данной точки. Счет астрономической долготы ведется точно так же, как и геодезической. Рис.14. Земные системы координат. Широты отсчитываются от экватора и изменяются в пределах от 0° до 90°. Причём широты от экватора к северному полюсу называются северными и считаются положительными, а к южному полюсу -южными и считаются отрицательными. Как отмечалось выше, причиной различия геодезических координат от астрономических является уклонение отвеса, а это значит, что между теми и другими координатами может быть установлена связь и эта связь через составляющие уклонения отвеса очень проста, а именно:    (8)где  - геодезические координаты точки, - астрономические координаты, и - составляющие уклонения отвеса в меридиане и в первом вертикале.Вывод этих формул дается в курсах геодезической гравиметрии или геодезии. Таким образом, если знать составляющие уклонения отвеса, которые могут быть получены из гравиметрических измерений, то геодезические координаты можно получить через астрономические. Практически непосредственно определяются только астрономические координаты. Геодезические же координаты могут быть получены из астрономических координат путём вычислений и передаваться от пункта к пункту путем геодезических измерений. При наблюдении близких к Земле небесных светил и искусственных космических тел для приведения наблюдений к центру Земли применяется геоцентрическая система координат. Между астрономическими (небесными) и географическими координатами существует тесная связь, которая устанавливается двумя следующими теоремами. 1.3.1. Системы измерения времени в астрономии.  Измерение времени является одной из важнейших задач астрономии при изучении движения небесных тел. Определение момента и промежутка времени требует введения шкалы времени, т. е. выбора некоторого периодического астрономического или физического процесса, построение теории этого процесса и задание единицы времени. Промежуток между событиями определяется разностью эпох, которая измеряется в принятых единицах времени. Единица времени назначается по соглашению как некоторое число периодов астрономического или физического процесса. Для измерения времени необходимо установить единицы измерения и системы счета времени. Единица измерения может быть выбрана произвольно, но она должна быть постоянной и удобной для практического использования. Если же единица измерения непостоянна, то должна быть известна закономерность, с которой она меняется. В зависимости от используемого периодического процесса в современной астрономии определены и используются шкалы: Звёздного времени; Солнечного времени; Динамического времени; Атомного времени. Вследствие вращения Земли вокруг своей оси через небесный меридиан периодически проходят звёзды, Солнце, точки небесной сферы. Измерение времени сводится к измерению двугранного угла от плоскости небесного меридиана до круга склонений небесного тела, т. е. часового угла. Если наблюдается Солнце, то время, определяемое из этих наблюдений, называется солнечным временем. Измерение часового угла точки весеннего равноденствия  определяет момент наблюдения в шкале звёздного времени. Длительность единицы времени определяется как часть промежутка времени между последовательными одноименными кульминациями Солнца или точки весеннего равноденствия. Так как обе шкалы определяются вращением Земли, то они связаны друг с другом точным соотношением. Основным недостатком этих шкал является их неравномерность: из- за изменения скорости вращения Земли. Длительность единицы времени является переменной величиной, причем точный закон ее изменения не известен. Шкалы динамического времени определяются на основе теорий движения Земли и других тел Солнечной системы (шкала эфемеридного времени - в рамках ньютоновой механики, шкалы барицентрического и земного времени - в рамках теории относительности Эйнштейна). Эти шкалы используются, когда решаются задачи космической навигации, эфемеридной астрономии. Шкала атомного времени основана на показаниях атомных часов, и единица атомного времени связана с частотой излучения или поглощения энергии при переходе атомов из одного квантового состояния в другое. Современная шкала времени, которая используется и в астрономии, и в повседневной жизни, является атомной шкалой. Шкалы атомного и динамического времени независимы как друг от друга, так и от шкал солнечного и звёздного времени, т. е. от вращения Земли. Так как повседневная жизнь человека определяется вращением Земли, то одной из важных задач астрометрии является определение связи атомного и солнечного времени. Эта задача может быть решена лишь с помощью регулярных наблюдений радиоисточников, звёзд, тел Солнечной системы. Наблюдения проводятся с Земли, движущейся в переменном гравитационном поле Солнечной системы. Поэтому преобразование моментов наблюдений из атомной шкалы в динамические шкалы и обратно осуществляется в современной сферической астрономии на основе теории относительности Эйнштейна с учетом скорости Земли и гравитационного потенциала Солнечной системы. Приведём общую схему различных шкал времени, используемых в астрономии. Рассмотрим принятые в астрономии системы измерения времени, считая вращение Земли вокруг оси равномерным и не касаясь пока влияния неравномерности вращения Земли, полагая, что оно может быть учтено позже в виде особой поправки. 1.3.3. Видимое годичное движение Солнца. Истинное солнечное время. В повседневной жизни принято измерять время по Солнцу. Примем за точку, относительно которой отсчитываются обороты Земли вокруг оси, вместо точки - центр видимого солнечного диска, который называют истинным Солнцем. Промежуток времени между двумя последовательными прохождениями через небесный меридиан данного пункта истинного Солнца называется истинными сутками. До 1925 г. за начало истинных солнечных суток астрономами принимался момент верхней кульминации истинного Солнца. Это было удобно для астрономических наблюдений, однако приводило к несоответствию с принятым в повседневной жизни счетом дат, так как смена даты приходилась на полдень. Поэтому с 1 января 1925 г. за начало истинных солнечных суток принимается момент нижней кульминации истинного Солнца на меридиане данного пункта, т. е. истинная полночь. В этот момент истинное солнечное время равно  , а часовой угол истинного Солнца  .Момент верхней кульминации истинного Солнца на меридиане данного пункта называется истинным полднем. В этот момент часовой угол  истинного Солнца равен нулю, а истинное солнечное время равно .Таким образом, истинными сутками называется промежуток времени между истинными полуночами. Истинные солнечные сутки подразделяются на 24 истинных часа, истинный час содержит 60 истинных минут, истинная минута 60 истинных секунд. Время, прошедшее от истинной полуночи, т. е. от  истинного солнечного времени до любого другого момента, выраженное в истинных часах, минутах и секундах, называется местным истинным солнечным временем и обозначается буквой  .Мерой истинного солнечного времени является часовой угол истинного Солнца, увеличенный на .Следовательно, в любой момент времени истинное солнечное время в данном пункте численно равно часовому углу истинного Солнца, выраженному в часовой мере, плюс , т. е. (54)Таким образом, для определения истинного солнечного времени в любой момент достаточно получить из наблюдений в этот момент часовой угол истинного Солнца. Однако часовой угол истинного Солнца изменяется непропорционально времени, т. е. истинное солнечное время течет неравномерно, по следующим причинам. Согласно первому закону Кеплера годичное движение Земли вокруг Солнца происходит по эллипсу, в одном из фокусов которого находится Солнце. Согласно второму закону Кеплера о постоянстве секториальной скорости движение Земли вокруг Солнца неравномерно: скорость движения Земли достигает наибольшей величины при прохождении ею наиболее близкой к Солнцу точки ее орбиты (в перигелии скорость Земли равна |
до 
, однако с разной скоростью.
за сутки. Через диаметрально противоположную перигею точку - апогей - Солнце проходит 4 июля, долгота его в это время за сутки возрастает только на 
. Вследствие неравномерности движения Солнца по эклиптике его часовые углы изменяются также неравномерно.
.
. Между местным истинным временем и истинным Гринвичским временем существует соотношение:
(55)