Суточное вращение небесной сферы

Как известно, в течение суток Земля совершает один оборот вокруг своей оси. Если же рассматривать с точки зрения системы отсчёт Земли (т.е. представить, будто бы Земля неподвижна), то создаётся впечатление, что за сутки один оборот вокруг своей оси совершает небесная сфера со всеми звёздами. Это значит, что в течение суток все звёзды ежедневно совершают свой восход и закат, как и Солнце.

Это можно проиллюстрировать с помощью такого опыта. Попробуем сфотографировать звёздное небо с помощью фотоаппарата (лучше с помощью плёночного, а не цифрового). Поскольку в ночное время (особенно безлунное) освещённость неба очень маленькая, то для того, чтобы сфотографировать звёзды и планеты, приходится делать большую выдержку. Если установить выдержку на несколько часов (или даже на всю ночь), то в итоге получается такая картина:

То есть получается, что звёзды в течение своего суточного движения описывают дугу по небесной сфере, в течение 24 часов совершая оборот вокруг некоторого центра. Эту точку на небесной сфере называют Северным полюсом мира (если мы находимся в северном полушарии) или Южным полюсом мира (если мы находимся в южном полушарии.

Аналогичное суточное движение на небесной сфере совершают Луна и планеты, но при этом надо учесть, что для них (особенно для Луны) существуют отклонения, вызванные тем, что они находятся значительно ближе к нам, чем звёзды. Хотя и движения планет по отношению к звёздам в течение одних суток является весьма незначительным.

Следует отметить, что в тех случаях, когда астрономам нужно сделать неподвижную фотографию какого-либо небесного тела или всего звёздного неба, то они вынуждены ставить на фотоаппарат (или на телескоп, к которому подключён фотоаппарат) специальное устройство, которое автоматически поворачивает телескоп или фотоаппарат, чтобы по отношению к нему звёздное небо оставалось неподвижным. Скорость поворота должна составлять 15 градусов в час (из расчёта 360 градусов на 24 часа), или 15 угловых минут (половина видимого на небе диаметра Луны) за одну минуту времени.

Около северного полюса мира (на расстоянии примерно одного градуса от него) находится достаточно яркая звезда - альфа Малой Медведицы, которую называют Полярной звездой. Поэтому можно считать, что на небе северного полушария Земли все звёзды вращаются вокруг Полярной звезды. Около южного полюса мира яркой звезды нет.

Таким образом, Полярная звезда в течение суток неподвижна на небе – в то время как все остальные звёзды меняют свою высоту, то высота Полярной звезды не меняется. По её угловой высоте можно определить, где мы находимся – количество градусов северной широты равно числу градусов между направлением на Полярную звезду и направлением на горизонт.

Если мы окажемся на Северном полюсе, то Полярная звезда будет прямо у нас над головой, а все звёзды северной половины неба будут вращаться вокруг неё параллельно горизонту. Другими словами, находясь на северном полюсе, мы всегда будем видеть только половину звёздного неба, но при этом будем видеть все её звёзды одновременно.

Аналогично будет на Южном полюсе, с той разницей, что звёзды будут вращаться вокруг южного полюса мира. Точно так же на южном полюсе, мы всегда будем видеть только половину звёздного неба (полностью отличающуюся от той, что видна на севере), но при этом будем видеть все её звёзды одновременно.

Наоборот, на экваторе звёзды будут двигаться (всходить и восходить) перпендикулярно линии горизонта. Поэтому с экватора мы можем видеть все звёзды, но не сразу, а по мере их движения.

В средних широтах (между экватором и полюсами) ситуация будет промежуточная, как показано на картинках:

Прецессия земной оси. Земля, вращаясь вокруг своей оси, напоминает очень большой и тяжёлый маховик. Свойства маховиков – сохранять в одном направлении ось вращения. Ось вращения Земли направлена: в одном направлении – в точку северного полюса мира, в другом направлении – в точку южного полюса мира.

Однако у маховиков есть свойство, которое называют прецессия. Это означает, что в течение длительного времени, намного превышающего время вращения вокруг своей оси, эта ось вращения описывает определённую окружность. Это означает, что и нахождение Северного (и южного) полюса мира меняется. Если сейчас северный полюс мира примерно совпадает с Полярной звездой, то ещё несколько тысяч назад всё было не так. Например, 13 тысяч лет назад на месте Северного полюса Земли была не Полярная звезда, а другая яркая звезда – Вега:

Движение Солнца. Солнце на небесной сфере, как и все прочие небесные тела, в течение суток так же изображает вращение вокруг Земли. Не случайно в древности и в средние века люди всерьёз считали, что это Солнце вращается вокруг Земли, а не наоборот.

Однако, хотя Солнце на небесной сфере тоже совершает один оборот в течение суток, тем не менее его путь по небу несколько отличается от звёзд. Происходит это потому, что земная ось не строго перпендикулярна к плоскости, в которой лежит земная орбита, а находится под некоторым углом. Поэтому на полюсах Солнце движется не строго параллельно горизонту, а под некоторым углом, хотя и небольшим. При этом на полюсах и близких к ним территориях в летнее время Солнце никогда не заходит за горизонт (полярный день), а в зимнее время, наоборот, никогда не восходит (полярная ночь).

Наоборот, движение Солнца под наибольшим углом к горизонту имеет место не на экватора, а на насколько удалённых от него параллелях, которые называются Северный тропик и южный Тропик. Именно поэтому в тропических широтах восход и закат Солнца происходят очень быстро, переход от дня к ночи и наоборот происходит практически мгновенно (в то время как на полюсах может так и наступить в течение всего дня). В средних широтах ситуация промежуточная.

Наблюдение Солнца создаёт иллюзию, что оно вращается вокруг Земли, а не наоборот, однако вращение небесной сферы это опровергает – поскольку, очевидно, все без исключения небесные тела не могут вращаться вокруг Земли с одним и тем же периодом (24 часа), то в действительности это не Солнце и звёзды вращаются вокруг Земли, а Земля вращается вокруг своей оси.