ASTRONOMICZNE PODSTAWY GEOGRAFII

Robert Bodzoń · 28 Grudnia 2006

ASTRONOMICZNE PODSTAWY GEOGRAFII - WĄTEK PODSTAWOWY

W tym wątku mam zamiar przedstawiać zagadnienia z pogranicza geografii i astronomii. Wiadomo, że Ziemia stanowi cząstkę Kosmosu i życie na niej powiązane jest ze zjawiskami astronomicznymi. Te zjawiska astronomiczne są szeroko opisywane w działach astronomicznych naszego forum. Natomiast w tym miejscu chciałbym się skupić na nieco mniej efektownej części astronomii, ale części bez której nasze zrozumienie zjawisk zachodzących we Wszechświecie wydaje się niepełne.

Mam nadzieję, że od czasu do czasu zaglądniecie tutaj i pomożecie mi w opisie tych zagadnień. Będę bazował na wiadomościach, które zdobyłem w czasie studiów (geografia), ale to było tak dawno temu , że sam mam potężne luki w wiedzy. Chcę więc sobie te wiadomości odświeżyć, a w miarę możliwości poszerzyć. A przede wszystkim chciałbym, aby znalazły się tutaj informacje przydatne dla uczniów, szczególnie maturzystów. Jak zapewne wiecie, geografia cieszy się coraz większą popularnością wśród zdających. Warto więc, aby mogli znaleźć treści dotyczące astronomicznych podstaw geografii, przedstawione w sposób w miarę przystępny i ciekawy.

Oczywiście jest to spora praca i pewne wyzwanie dla mnie. Dlatego kolejne odcinki będą ukazywały się sukcesywnie w kolejnych tygodniach, niektóre z nich będą stopniowo rozbudowywane, a niektóre zapewne modyfikowane. Dlatego powstaną dwa równoległe wątki. Ten, który właśnie czytacie, jako wątek podstawowy, gdzie będą stopniowo umieszczane kolejne, gotowe rozdziały, oraz wątek roboczy, gdzie będzie toczyć się ewentualna dyskusja i gdzie będę przedstawiał wersje robocze kolejnych części (podrozdziałów).

Wiem, że na forum są studenci astronomii. Ich wiedza jest na pewno szersza i głębsza niż moja. Liczę na ich pomoc, oraz kontrolowanie tego co napiszę i poprawianie błędów. Zresztą tę samą prośbę kieruję do pozostałych czytelników forum.

Robert Bodzoń · 28 Grudnia 2006

Poniżej przedstawiam spis treści, które chcę tutaj zamieścić. Tak, jak wspomniałem, nie jest to wersja ostateczna.

ASTRONOMICZNE PODSTAWY GEOGRAFII

1. UKŁADY WSPÓŁRZĘDNYCH

1.1 Układ współrzędnych geograficznych

1.2 Układy współrzędnych niebieskich (sferycznych)

1.2.1 Układ współrzędnych horyzontalnych

1.2.2 Układ współrzędnych równikowych

1.2.3 Układ współrzędnych godzinnych

1.2.4 Układ współrzędnych ekliptycznych

1.2.5 Układ współrzędnych galaktycznych

1.3 Zjawiska wpływające na współrzędne

1.3.1 Precesja

1.3.2 Nutacja

1.3.3 Paralaksa roczna

1.3.4 Aberracja światła

1.3.5 Refrakcja atmosferyczna

2. RACHUBA CZASU

2.1 Czas

2.1.1 Czas gwiazdowy

2.1.2 Czas prawdziwy słoneczny

2.1.3 Czas średni słoneczny

2.1.4 Czas uniwersalny

2.1.5 Czas strefowy

2.1.6 Czas urzędowy

2.1.7 Linia zmiany daty

2.1.8 Czas efemeryd

2.1.9 Międzynarodowa służba czasu

2.2 Kalendarz

3. RUCHY ZIEMI I ICH NASTĘPSTWA

3.1 Ruch obrotowy Ziemi

3.1.1 Dzień i noc

3.1.2 Siła odśrodkowa

3.1.3 Siła Coriolisa

3.2 Ruch obiegowy Ziemi

3.2.1 Pory roku

3.2.2 Strefy oświetlenia Ziemi

3.2.3 Dnie i noce polarne

4. KSZTAŁT I ROZMIARY ZIEMI

4.1 Kształt Ziemi

4.2 Rozmiary Ziemi

5. WYZNACZANIE WSPÓŁRZĘDNYCH GEOGRAFICZNYCH

5.1 Wyznaczanie długości geograficznej

5.2 Wyznaczanie szerokości geograficznej

6. RUCHY CIAŁ NIEBIESKICH

6.1 Elementy orbity

6.2 Prędkość orbitalna

6.3 Ruch księżyca

6.3.1 Fazy Księżyca

6.3.2 Zaćmienia w układzie Ziemia-Księżyc

6.4 Ruchy planet

6.4.1 Widome ruchy planet na tle gwiazd

6.4.2 Widoczność planet na sferze niebieskiej

Moje plany są następujące:

styczeń - rozdział I

luty - rozdział II, III

marzec - rozdział IV

kwiecień - rozdział V

maj - rozdział VI

Być może, czasami, nie będę trzymał się podanej kolejności, szczególnie w przypadku podrozdziałów. Tym bardziej, że te rozdziały i podrozdziały mają różną "objętość".

Przykładowo w niepozornym podrozdziale "3.1.1 Dzień i noc" muszę opisać nie tylko co to jest dzień, noc, wschód Słońca, zachód Słońca, ale także zmierzch, świt (rodzaje), a nawet białe noce (co to jest i gdzie i kiedy można obserwować). A do tego jeszcze ciekawostki związane z ruchem Słońca w czasie dnia po sferze niebieskiej.

Mam nadzieję, że pierwsza część w wątku roboczym pojawi się w najbliższy weekend. Póki co, jeżeli ktoś ma jakieś uwagi może je przedstawić w wątku "Nowości".

Edytowane 30 Grudnia 2006 przez Robert Bodzoń

Robert Bodzoń · 29 Grudnia 2006

Przypominam, że w tym wątku będą zamieszczane gotowe rozdziały (podrozdziały). Zanim jednak trafią w to miejsce, najpierw będą pojawiać się w wątkach roboczych. Taki pierwszy wątek dotyczący układu horyzontalnego już jest tutaj: http://astro-forum.org/Forum/index.php?showtopic=14952

Jeszcze raz proszę o wypowiedzi w wątkach "roboczych", a nie tutaj.

Edytowane 31 Grudnia 2006 przez Robert Bodzoń

Robert Bodzoń · 31 Grudnia 2006

1.1 UKŁAD WSPÓŁRZĘDNYCH GEOGRAFICZNYCH

Rozdział w przygotowaniu

Robert Bodzoń · 31 Grudnia 2006

1.2.1 UKŁAD WSPÓŁRZĘDNYCH HORYZONTALNYCH

Układ współrzędnych horyzontalnych jest układem, w którym główną osią jest kierunek pionu, a płaszczyzną podstawową jest płaszczyzna horyzontu. Horyzont jest kołem wielkim na sferze niebieskiej prostopadłym do pionu.

Współrzędnymi w układzie horyzontalnym są:

- azymut (A)

- wysokość (h)

Początkiem układu horyzontalnego jest punkt, w którym znajduje się obserwator. Linia pionu wybiegająca z tego miejsca przecina sferę niebieską w dwóch punktach: zenicie (Z) i nadirze (Nd).

W miejscach przecięcia się przedłużenia osi obrotu Ziemi (oś świata) ze sferą niebieską znajdują się:

- północny biegun świata (Bn)

- południowy biegun świata (Bs)

Koło wielkie przechodzące przez zenit, nadir oraz bieguny świata nazywane jest południkiem astronomicznym (lokalnym, miejscowym).

Prostopadłe do niego koło, przechodzące przez zenit i nadir, nazywane jest pierwszym wertykałem.

Południk astronomiczny przecina horyzont w punktach północy (N) i południa (S).

Pierwszy wertykał przecina horyzont w punktach wschodu (E) i zachodu (W).

Punkty N, E, S, W nazywane są punktami kardynalnymi horyzontu

Azymut

Azymut (A) - jest kątem zawartym pomiędzy półkolem początkowym układu (półkolem południka lokalnego) a półkolem wertykalnym (wierzchołkowym) przechodzącym przez dany obiekt.

Azymut zmienia wartość od 0° do 360° zgodnie z kierunkiem ruchu wskazówek zegara.

W astronomii azymut mierzony jest wzdłuż horyzontu od punktu południa (S) w kierunku zachodnim (W).

W geografii (geodezji, kartografii, topografii) azymut mierzony jest wzdłuż horyzontu od punktu północy (N) w kierunku wschodnim (E).

Azymut astronomiczny: S - 0°, W - 90°, N - 180°, E - 270°

Azymut geograficzny: N - 0°, E - 90°, S - 180°, W - 270°

UWAGA! Według informacji, które otrzymałem, obecnie także w przypadku azymutu astronomicznego punktem początkowym, od którego mierzona jest jego wartość jest północ.

Wysokość

Wysokość (h) - jest kątem zawartym pomiędzy kierunkiem na dany obiekt, a rzutem tego kierunku na płaszczyznę horyzontu.

Wysokość zmienia wartość od -90° do 90°. Ujemne wartości dotyczą obiektów znajdujących się pod horyzontem.

h horyzontu = 0°

h zenitu = 90°

W niektórych przypadkach zamiast wysokości używa się odległości zenitalnej (z)

z = 90° - h

Wiadomości praktyczne

Układ horyzontalny jest układem który, obraca się wraz z Ziemią.

Dla wybranego obiektu, obserwowanego z danego miejsca, wartość azymutu i wysokości zmienia się na skutek ruchu obrotowego Ziemi.

Zmiany te, w zależności od położenia obiektu, mogą postępować wolniej lub szybciej.

Przykład 1

miejsce obserwacji - Kraków (50°N, 20°E); data obserwacji - 01.01.2007

obserwowany obiekt - Syriusz

20:00 UT - A = 140° - h = 14°

22:00 UT - A = 169° - h = 23°

Zmiana wartości azymutu o 29 stopni, zaś wysokości o 9 stopni.

Przykład 2

miejsce obserwacji - Kraków (50°N, 20°E); data obserwacji - 01.01.2007

obserwowany obiekt - Capella

20:00 UT - A = 101° - h = 77°

22:00 UT - A = 248° - h = 81°

Zmiana wartości azymutu o 147 stopni (!), zaś wysokości o 4 stopnie.

Przykład 3

miejsce obserwacji - Kraków (50°N, 20°E); data obserwacji - 01.01.2007

obserwowany obiekt - Gwiazda Polarna

20:00 UT - A = 0° - h = 51°

22:00 UT - A = 359° - h = 50°

Zmiana wartości azymutu o 1 stopień (!), zaś wysokości także o 1 stopień (!).

Współrzędne horyzontalne danego obiektu mierzone w tym samym czasie w różnych miejscach na powierzchni Ziemi są różne.

Przykład 1

miejsce obserwacji - Kraków (50°N, 20°E); data obserwacji - 01.01.2007

obserwowany obiekt - Syriusz

22:00 UT - A = 169° - h = 23°

Przykład 2

miejsce obserwacji - Kapsztad (32°S, 18°E); data obserwacji - 01.01.2007

obserwowany obiekt - Syriusz

22:00 UT - A = 35° - h = 70°

UWAGA!

Dysponując teleskopem na montażu azymutalnym (ze skalą azymutu i wysokości) możemy nastawiać instrument na dany obiekt korzystając ze współrzędnych horyzontalnych.

Słownik

Almukantar (almukantarat) - to koło na sferze niebieskiej przechodzące przez punkty położone na tej samej wysokości nad horyzontem.

Horyzont astronomiczny - to koło wielkie na sferze niebieskiej leżące w płaszczyźnie prostopadłej do pionu.

Koło wertykalne (wierzchołkowe) - to koło wielkie przechodzące przez zenit i nadir.

Koło małe - to koło, które powstaje w wyniku przecięcia sfery płaszczyzną nie przechodzącą przez jej środek.

Kołami małymi są między innymi: koła jednakowej deklinacji, almukantary.

Koło wielkie - to największe koło jakie można wpisać w kulę. Jego średnica jest równa średnicy kuli, a jego obrys biegnąc po powierzchni kuli dzieli ją na dwie półkule.

Kołami wielkimi są między innymi: południk lokalny, pierwszy wertykał, horyzont, równik niebieski, ekliptyka.

Koło wierzchołkowe - koło wertykalne

Nadir - to najniżej położony punkt sfery niebieskiej, znajdujący się dokładnie pod pozycją obserwatora.

Wertykał - koło wertykalne.

Zenit - to najwyżej położony punkt sfery niebieskiej, znajdujący się dokładnie ponad pozycją obserwatora.

Robert Bodzoń · 31 Grudnia 2006

1.2.2 UKŁAD WSPÓŁRZĘDNYCH RÓWNIKOWYCH

(UKŁAD WSPÓŁRZĘDNYCH RÓWNIKOWYCH RÓWNONOCNYCH)

Układ współrzędnych równikowych jest układem, w którym główną osią jest oś świata, a płaszczyzną podstawową jest płaszczyzna równika niebieskiego.

Początkiem układu równikowego jest punkt, w którym znajduje się obserwator.

Współrzędnymi w układzie równikowym są:

- rektascensja (α)

- deklinacja (δ)

Rektascensja

Rektascensja (α) - jest kątem dwuściennym pomiędzy południkiem przechodzącym przez punkt Barana, a południkiem przechodzącym przez dany obiekt.

Rektascensję mierzy się od punktu równonocy (punktu Barana), wzdłuż równika niebieskiego w kierunku zgodnym z widomym rocznym ruchem Słońca.

Rektascensję liczy się w zakresie od 0° do 360°, jednak najczęściej podaje się jej wartość w mierze godzinnej od 0h do 24h.

Deklinacja

Deklinacja (δ) - jest kątem środkowym między kierunkiem na dany obiekt a jego rzutem na płaszczyznę równika niebieskiego.

Deklinacja liczona jest od 0° do 90° dla obiektów położonych na północnej półkuli sfery niebieskiej oraz od 0° do -90° dla obiektów położonych na południowej półkuli sfery niebieskiej. Punkty równika niebieskiego mają deklinację równą zeru.

- równik niebieski - δ = 0°

- północny biegun niebieski - δ = 90°

- południowy biegun niebieski - δ = -90°

Uwaga! W niektórych programach i efemerydach deklinacja dodatnia oznaczana jest jako północna (N), zaś deklinacja ujemna jako południowa (S).

Wiadomości praktyczne

Współrzędne równikowe tworzą układ, w którym można sporządzać mapy nieba ważne w ciągu długich okresów czasu.

Zmiany współrzędnych równikowych ciał niebieskich następują przede wszystkim za sprawą ich ruchów własnych i są większe w przypadku obiektów położonych stosunkowo blisko (np. Księżyc, planety, komety), a bardzo małe w przypadku obiektów odległych (np. gwiazdy, galaktyki). W przypadku tych ostatnich większe znaczenie ma precesja.

Przykład 1 - Księżyc - epoka 2000

1.01.2007 19:00 UT - α = 05h08m39s δ = 27°30'02"

2.01.2007 19:00 UT - α = 06h11m11s δ = 27°50'33"

Przykład 2 - Saturn - epoka 2000

1.01.2007 19:00 UT - α = 09h48m09s δ = 14°33'07"

2.01.2007 19:00 UT - α = 09h47m58s δ = 14°34'16"

1.01.2008 19:00 UT - α = 10h42m17s δ = 10°01'26"

Przykład 3 - Wega

epoka 2007 - α = 18h37m10s δ = 38°47'18"

epoka 2008 - α = 18h37m12s δ = 38°47'22"

epoka 2107 - α = 18h40m31s δ = 38°52'57"

UWAGA!

Dysponując teleskopem na montażu paralaktycznym (ze skalą rektascensji i deklinacji) możemy nastawiać instrument na dany obiekt korzystając ze współrzędnych równikowych.

Słownik

Ekliptyka - pozorna roczna droga Słońca na sferze niebieskiej

Punkt Barana - to jeden z dwóch punktów przecięcia się ekliptyki z równikiem niebieskim. Jest to punkt równonocy wiosennej.

Równik niebieski - jest to koło wielkie, którego płaszczyzna jest prostopadła do osi obrotu sfery niebieskiej. Jego płaszczyzna pokrywa się z płaszczyzną równoleżnika ziemskiego, na którym znajduje się obserwator. Dzieli sferę niebieską na dwie równe części: północną i południową.