Цель данного курса лекций заключается в знакомстве слушателей с базовыми понятиями астрономии, её основными достижениями и современными проблемами.
Речь пойдёт о важнейших понятиях астрономии и особенностях работы астрономов, об их приборах и объектах изучения: о том, что можно увидеть в телескоп - планетах, звёздах, галактиках; и том, чего не видно - тёмном веществе и тёмной энергии.

Слушатели узнают, что такое небесные координаты, звёздные величины и спектры, и как из наблюдений можно узнать время, расстояние, химический состав и физические свойства небесных объектов. Плавно перейдём к вопросам строения и эволюции звёзд - как устроены звёзды, почему они не взрываются (а иногда и взрываются!), почему не сжимаются в точку (а порою сжимаются!), за счёт чего они излучают свет, как рождаются, как умирают и как «живут после смерти». Речь пойдет также и о межзвёздных молекулах, о звёздных скоплениях, о строении нашей Галактики и о Вселенной в целом. В общем, о прошлом и будущем нашего мира.

Курс состоит из двух блоков: методы и объекты.

• Первый блок - описание астрономии как профессии: история, инструменты, системы измерения координат и времени, связь астрономии с физикой и космонавтикой, принципы действия важнейших приборов.
• Второй блок - обсуждение физической природы, строения и эволюции планет, звёзд, галактик и Вселенной в целом.

Ориентирован на формирование представления об астрономии как науке.

Формат

Форма обучения заочная (дистанционная). Еженедельные занятия содержат тематические видеолекции и тестовые задания с автоматизированной проверкой результатов. Важным элементом изучения дисциплины является написание творческих работ в формате реферата-рассуждения по заданным темам, которое должно содержать полные развёрнутые ответы, подкреплённые примерами из лекций и/или личного опыта, знаний или наблюдений.

Требования

Курс рассчитан на широкую аудиторию неспециалистов и требует знания основ физики и математики в объёме школьной программы.

Курс может быть использован для учебного процесса в вузах по программам подготовки бакалавров, магистров и специалистов в качестве дополнительного образования.

Программа курса

Раздел 1. Астрономия в мире и в России. Где работают астрономы и чем занимаются. Типы астрономических объектов: галактики, звёзды, планеты, астероиды, кометы.

Раздел 2. Принцип работы телескопов. Рефракторы и рефлекторы. Активная и адаптивная оптика. Приёмники излучения. Астроклимат. Методы измерения расстояний до космических тел. Параллакс. Единицы расстояния в астрономии. Излучение небесных тел. Звёздные величины. Спектры излучения и поглощения. Принцип работы спектрографа. Эффект Доплера и его использование в астрономии. Основные системы координат и измерение времени. Движение небесных тел. Законы Кеплера. Характерные массы космических тел и методы их измерения. Планеты: сравнительные характеристики. Физические условия на поверхности, наблюдательные характеристики атмосфер. Температура поверхности планет; парниковый эффект. Кольца и спутники планет. Планеты-спутники. Приливные эффекты. Астероиды, кометы, метеорное вещество. Астероидно-кометная опасность. Методы и результаты поиска планетных систем у других звёзд

Раздел 3. Основные характеристики звёзд: светимость, масса, температура, радиус. Внутреннее строение звёзд и ядерные источники их энергии. Основные этапы эволюции звёзд. Солнце. Проявления солнечной активности и её влияние на Землю. Поздние стадии эволюции звёзд. Белые карлики, нейтронные звёзды, черные дыры. Галактики. Крупномасштабная структура Вселенной. Элементы космологии.

Результаты обучения

В результате изучения данного курса слушатели должны:

• получить представление об астрономии как науке, об особенностях работы астрономов и главных направлениях их исследований;
• познакомиться с базовыми понятиями астрономии, её основными достижениями и современными проблемами;
• познакомиться с принципами работы важнейших астрономических приборов;
• получить представление об основных астрономических явлениях и процессах;
• научиться анализировать происходящие в космосе события на основе физических законов;
• познакомиться с основными фактами из истории астрономии.

Эта древнейшая наука возникла, чтобы помогать человеку ориентироваться во времени и пространстве (календари, географические карты, навигационные приборы создавались на основе астрономических знаний), а также прогнозировать различные природные явления, так или иначе связанные с перемещением небесных тел. Современная астрономия включает в себя несколько разделов.

Сферическая астрономия при помощи математических методов изучает видимое расположение и движение Солнца, Луны, звезд, планет, спутников, в том числе искусственных тел на небесной сфере. С этим разделом астрономии связана разработка теоретических основ счета времени.

Практическая астрономия представляет собой знания об астрономических инструментах и способах определения из астрономических наблюдений времени, географических координат и азимутов направлений. Она служит чисто практическим целям и в зависимости от места применения (в небе, на земле или на море) разделяется на три вида: авиационную , геодезическую и мореходную .

Астрофизика изучает физическое состояние и химический состав небесных тел и их систем, межзвездной и межгалактической сред и происходящие в них процессы. Являясь разделом астрономии, но в свою очередь делится на разделы в зависимости от объекта изучения: физика планет, естественных спутников планет, Солнца, межзвездной среды, звездных атмосфер, внутреннего строения и эволюции звезд, межзвездной среды и так далее.

Небесная механика изучает движение небесных тел Солнечной системы, включая кометы и искусственные спутники Земли в их общем гравитационном поле. Составление эфемерид тоже относится к задачам этого раздела астрономии.

Астрометрия – раздел астрономии, связанный с измерением координат небесных объектов и изучением вращения Земли.

Звездная астрономия изучает звездные системы (их скопления, галактики), их состав, строение, динамику, эволюцию.

Внегалактическая астрономия изучает космические небесные тела, находящиеся за пределами нашей звездной системы (Галактики), а именно другие галактики, квазары и прочие сверхдальние объекты.

Космогония изучает происхождение и развитие космических тел и их систем (Солнечной системы в целом, а также планет, звезд, галактик).

Космология – учение о космосе, изучающее физические свойства Вселенной в целом, выводы делаются на основе результатов исследования той ее части, которая доступна для наблюдения и изучения.

Астрология ничего из вышеперечисленного не изучает и большинство астрономических знаний для астролога совершенно бесполезны. Астроному так же нет нужды разбираться в астрологии, а тем более вступать в дискуссии на эту, лежащую вне его интересов и компетенции тему. Тем не менее, на астрологическом сайте астрономии место нашлось. Будет здесь тот необходимый минимум астрономических сведений, без которых астрологу не обойтись и все, что может быть интересно любому человеку, интересующемуся астрологией.

ЧАСТЬ 1. ОСНОВЫ СФЕРИЧЕСКОЙ АСТРОНОМИИ

Глава 1. Введение

Общая астрономия, ее возникновение и современные особенности, основные разделы. Предмет космонавтики, основные разделы, становление современной космонавтики. Астрономические обсерватории на Земле и в космосе. Экскурсия в Пулковскую обсерваторию

Предмет астрономии, её основные разделы

Астрономия – наука о физическом строении, движении, происхождении и эволюции небесных тел, их систем и изучение Вселенной в целом (современное определение с XVIII в.)

Астрономия – 2 греческих слова (астро – звезда, номос – закон), т.е. звездозаконие – наука о законах жизни звезд (времена древних греков – V – VI вв. до н.э., т.е. ~ 2,5 тыс. лет назад)

Объекты астрономии:

· Солнечная система и её составляющие (Солнце, большие и малые планеты, спутники планет, астероиды, кометы, пыль).

· Звезды и их скопления и системы, туманности, наша Галактика в целом и другие галактики и их скопления.

· Различные объекты в разных участках спектра электро-магнитных волн (квазары, пульсары, космические лучи, гравитационные волны, реликтовое излучение (фон)

· Вселенная в целом (крупно-масштабная структура, темная материя и пр.).

Ориентировочно можно выделить следующие основные разделы астрономии:

1. Астрометрия – это классическая часть астрономии (от древних греков - 5-1 век до н.э.) изучает координаты (положения) небесных тел и их изменения на небесной сфере; конкретнее: создает инерциальную систему координат (неподвижную) СК; в общем: наука об измерении пространства и времени.

Астрометрия включает 3 подраздела:

а) сферическая астрономия – это теоретическая часть астрометрии, математический аппарат для выражения координат небесных тел и их изменения;

б) практическая астрономия - разрабатывает методы наблюдений и их обработки, теорию астрономических приборов и хранителей шкалы точного времени (служба времени); служит для решения задач определения координат географических пунктов на суше (полевая астрономия), на море (мореходная астр-я), в воздухе (авиационная астрономия), находит применение в спутниковой навигации и геодезии;

в) фундаментальная астрометрия – решает вопросы определения координат и собственных движений небесных объектов на сфере, а также астрономических постоянных (прецессии, аберрации и нутации), в том числе фотографическая и ПЗС астрометрия – определение a,d и m a , d небесных тел методами фотографических и ПЗС наблюдений.

2. Небесная механика (теоретическая астрономия) – изучает пространственные движения небесных тел и их систем под действием сил взаимного тяготения и иной физической природы; изучает фигуры небесных тел и их устойчивость для понимания процессов происхождения и эволюции небесных тел и их систем; определяет элементы орбит небесных тел по данным наблюдений, предвычисляет видимые положения (координаты) небесных тел.

Астрометрия и небесная механика изучают лишь геометрию и механику окружающего космоса.

3. Астрофизика возникла в 1860 г. на основе открытия спектрального анализа. Это основная часть современной астрономии. Изучает физическое состояние и процессы, происходящие на поверхности и в недрах небесных тел, химический состав (температура, яркость, блеск, наличие электро-магнитных волн), свойства среды между небесными телами и пр.

Включает разделы:

а) практическая астрофизика – разрабатывает способы астрофизических наблюдений и их обработки, занимается теоретическим и практическим применением астрофизических инструментов

б) теоретическая астрофизика – занимается объяснением происходящих на небесных телах физических процессов и наблюдаемых явлений на основе теоретической физики.

Новые разделы по диапазону, используемых электромагнитных волн:

в) радиоастрономия исследует небесные тела посредством радиолокации, изучает их излучение в радиодиапазоне (от мм до км длин волн), а также излучение межзвездной и межгалактической среды. Возникла в 1930 г. после открытия К. Янским (USA), Рёбером радиоизлучения Млечного Пути, Солнца;

г) также разделы астрофизики или астрономии (наземные, заатмосферные и космические):

инфракрасная астрономия (астрофизика)

рентгеновская

нейтринная

Могут быть подразделы астрофизики по объектам исследования:

околоземная астрономия:

физика Солнца

физика звёзд

физика планет, Луны и др.

4. Звёздная астрономия – занимается исследованием движения и распределения в пространстве звезд (в первую очередь в нашей Галактике), газо-пылевых туманностей и звёздных систем (шаровых и рассеянных звездных скоплений) их структурой и эволюцией, проблемами их устойчивости.

Включает следующие подразделы:

Внегалактическая астрономия - исследование свойств и распределений звёздных систем (галактик), находящихся за пределами нашей Галактики (их сотни миллионов - см. Глубокий Обзор космического телескопа Хаббла);

Динамика звёздных систем и др.

5. Космогония – разрабатывает проблемы происхождения и эволюции небесных тел и их систем, в том числе и тел Солнечной системы (включая Землю), а также проблемы звездообразования.

6. Космология – изучает Вселенную как единое целое: её геометрическую структуру, эволюцию и происхождение всех составляющих объектов, общие параметры, типа возраст, материя, энергия и др.

Отдельное место занимает космическая астрономия , где особо можно выделить космонавтику – как комплекс ряда отраслей науки (включая астрономию) и технику, цель которой – изучение и освоение космоса.

Предмет космонавтики и её разделы

Космонавтика – это комплекс ряда отраслей науки и техники, имеющий целью осуществить проникновение в космическое пространство с целью его изучения и освоения. Уже - полёты в космическое пространство. Космонавтика занимает особое положение в астрономии.

Космонавтика – с греческого “космос” – Вселенная, “наутикс” – плавание, т.е. плавание (путешествие) во Вселенной или (заруб.) астронавтика – звездоплавание

Можно выделить основные разделы космонавтики:

1. Теоретическая космонавтика (в основе лежит небесная механика) – изучает движение космических аппаратов (КА) в поле тяготения Земли, Луны и тел солнечной системы: вывод КА на орбиту, маневрирование, спуск КА на Землю и тела солнечной системы.

2. Практическая космонавтика – изучает:

Устройство и работу ракетно-космических систем, методы осуществления космических полётов

Бортовое оборудование.

Астрономические исследования средствами космонавтики

Космическая астрометрия

Космическая астрофизика (тела Солнечной системы, Солнце)

4. Изучение Земли с КА (космическая геодезия, связь, ТV, навигация, дистанционное зондирование Земли (ДЗЗ), технологии, земледелие, геология и др.)

Достижения астрономии 20-го века

ЛУНА-АО

HST

Терминология

Обычно даётся вид небесной сферы извне, в то время как наблюдатель находится в её центре. Все построения представляют на поверхности небесной сферы (изнутри, лишь в планетарии)

В т. О находится наблюдатель – половина видимой небесной сферы.)

Земля – принята за шар!

Рис.2.2 Элементы небесной сферы (а); вся небесная сфера, где в центре т. О - наблюдатель (б).

Напр-е отвесной линии - линия, проходящая через любую точку на поверхности Земли (наблюдатель, пункт направления над головой набл.) и центр масс Земли ZOZ¢. Отвесная линия пересекает небесную сферу в 2-х точках – Z (зенит – точно над головой наблюдателя) и Z¢ (надир – противоположная точка на сфере).

Плоскость, перпендикулярная к отвесной линии и проходящая через т. О называется истинным или математическим горизонтом (большой круг небесной сферы NESW, то есть, мнимая, воображаемая окружность на сфере). Есть реальный, видимый горизонт, Он лежит на поверхности Земли и зависит от рельефа местности. В моменты восхода и захода светила считают находящимися на истинном горизонте.

Суточное вращение небесной сферы. Из наблюдений звёздного неба видно, что небесная сфера медленно вращается в направлении от востока к западу (суточное - поскольку её период равен одним суткам), но это кажущееся (если стоять лицом к Югу, то вращение небесной сферы по направлению часовой стрелки). Реально же Земля вращается вокруг оси в направлении с запада на восток (подтверждается опытами с маятником Фуко, отклонением падающих тел к востоку). В астрономии сохранена терминология кажущихся явлений: восход и заход небесных светил, суточные движения Земли и Луны, вращение звёздного неба.

Суточное вращение Земли происходит вокруг земной оси рр¢, а видимое вращение небесной сферы происходит вокруг её диаметра РР¢, параллельного земной оси и называемого осью мира.

Ось мира пересекается с небесной сферой в 2-х точках – северный полюс мира (P) в северном полушарии находится на расстоянии ~ 1° от звезды a в созвездии Малой Медведицы и южный полюс (P¢) в южном полушарии находится в созвездии Октанта (нет ярких звёзд, но можно определиться по созвездию Южный крест). Оба полюса неподвижны на небесной сфере.

Большой круг (QQ¢) небесной сферы, плоскость которого перпендикулярна оси мира называется небесным экватором, также проходит через центр небесной сферы. Небесный экватор пересекается с плоскостью горизонта в 2-х диаметрально противоположных точках: точка восток (Е) и точка запад (W). Небесный экватор вращается вместе с небесной сферой!

Большой круг небесной сферы, проходящий через полюса мира (Р, Р¢), зенит (Z) и надир (Z¢) называется небесным меридианом (неподвижным) . Он пересекается с истинным горизонтом в точках юга (S) и севера (N), отстоящих от точек Е и W на 90 0 .

Отвесная линия и ось мира лежит в плоскости небесного меридиана, которые пересекаются с плоскостью истинного горизонта по диаметру (NOS) небесной сферы, проходящего через точку N и точку S. Это полуденная линия , поскольку Солнце в полдень находится вблизи небесного меридиана.

Вращается видимая небесная сфера , аточки Зенита, Надира и все точки истинного горизонта неподвижны относительно наблюдателя, т.е. не вращаются вместе с небесной сферой. Небесный меридиан проходит через неподвижные точки и точки полюса и также не вращается, т.е. связан с Землей. Он образует плоскость земного (географического) меридиана, на котором находится наблюдатель и поэтому не участвует в суточном вращении небесной сферы. Для всех наблюдателей, расположенных на общем географическом меридиане, небесный меридиан общий.

В суточном вращении небесной сферы вокруг оси мира небесные светила движутся по малым кругам, суточным или небесным параллелям, плоскости которых параллельны плоскости небесного экватора.

Каждое светило дважды в сутки пересекает (проходит) небесный меридиан. Один раз - его южную половину (верхняя кульминация - высота светила над горизонтом наибольшая) и второй раз - его северную половину, через 12 часов - (нижняя кульминация - высота светила над горизонтом наименьшая ).

Глава 4. Время

Движение Земли как природный процесс для счета времени. Истинное солнечное время. Единицы измерения времени: сутки, час, минута, секунда. Проблема среднего солнечного времени, среднее Солнце. Уравнение времени и его компоненты. Звездное время. Переход от среднего времени к звездному и обратно.

Местное, поясное, летнее время. Переход от одного вида времени к другому. Всемирное и региональное время. Линия смены дат.

Всемирное (UT) и координированное (UTC)время. Неравномерность вращения Земли, эфемеридное и динамическое (TDT) время.

Истинное солнечное время

Среднее солнечное время – равномерное время, определяемое движением среднего солнца. Использовалось как эталон равномерного времени с масштабом в одну среднюю солнечную секунду (1/86400 доля средних солнечных суток) до 1956 года.

Уравнение времени

Связь между двумя системами солнечного времени устанавливает уравнение времени – разность между средним солнечным временем (Т ср). истинным солнечным временем (Т ист): h = Т ср - Т ист . Уравнение времени – величина переменная. Онадостигает +16 минут в начале ноября и –14 минут в средине февраля. Уравнение времени публикуется в Астрономических ежегодниках (АЕ). Выбирая из АЕ величину h и измеряя непосредственно часовой угол истинного солнца t ист можно найти среднее время: Т ср = t ист +12 h + h.

т.е. среднее солнечное время в любой момент равно истинному солнечному времени плюс уравнение времени.

Таким образом, измерив непосредственно часовой угол Солнца t ¤ , определяют истинное солнечное время и, зная уравнение времени h в этот момент, находят среднее солнечное время: T m = t ¤ + 12 h + h. Так как среднее экваториальное солнце проходит через меридиан то раньше, то позже истинного Солнца, разность их часовых углов (уравнение времени) может быть как положительной, так и отрицательной величиной.

Уравнение времени и его изменение в течение года представлено на рисунке сплошной кривой (1). Эта кривая является суммой двух синусоид - с годичным и полугодичным периодами.

Синусоида с годичным периодом (штриховая кривая) дает разность между истинным и средним временем, обусловленную неравномерным движением Солнца по эклиптике. Эта часть уравнения времени называется уравнением центра или уравнением от эксцентриситета (2). Синусоида с полугодичным периодом (штрих-пунктирная кривая) представляет разность времен, вызванную наклоном эклиптики к небесному экватору, и называется уравнением от наклона эклиптики (3).

Уравнение времени обращается в нуль около 15 апреля, 14 июня, 1 сентября и 24 декабря и четыре раза в году принимает экстремальные значения; из них наиболее значительные около 11 февраля (h = +14 m ) и 2 ноября (h = -16 m ).

Уравнение времени можно вычислить для любого момента. Оно обычно публикуется в астрономических календарях и ежегодниках для каждой средней полуночи на меридиане Гринвича. Но следует иметь в виду, что в некоторых из них уравнение времени дается в смысле «истинное время минус среднее» (h = T ¤ - Т т ) и поэтому имеет противоположный знак. Смысл уравнения времени всегда разъясняется в объяснении к календарям (ежегодникам).

4.3 Звездное время. Переход от среднего времени к звездному и обратно

Звёздные сутки - промежуток времени между двумя последовательными одноименными кульмина­циями точки весеннего равноденствияна одном и том же меридиане. Это более постоянный период времени, т.е. период вращения Земли относительно далеких звезд. За начало звёздных суток принят момент её нижней кульминации, то есть полночь тогда, когда

S = t ¡ = 0. Точность звездной шкалы времени до 10 -3 секунд в течение нескольких месяцев.

Таким образом, процесс вращения Земли вокруг своей оси определяет три вида времени суток для измерения коротких интервалов: истинное солнечное время , среднее солнечное время и звездное время .

Местное, поясное, летнее время. Переход от среднего времени к звездному и обратно

Средние сутки длиннее (продолжительнее) звездных, поскольку за один оборот небесной сферы в направлении с востока на запад само солнце смещается с запада на восток на 1 градус (т.е.3 m 56 s).

Таким образом, в тропическом году средних суток на один день меньше, чем в звездном.

Для измерения длительных промежутков времени используется движение земли вокруг Солнца. Тропический год - это промежуток времени между двумя последовательными прохождениями среднего солнца через среднюю точку весеннего равноденствия и равен 365,24219879 среднесолнечных суток или 366,24219879 звёздных суток.

Перевод интервалов среднего времени в звездное и обратно выполняется по таблицам, чаще на ЭВМ, с помощью АЕ, АК, а в общем виде по формулам: DТ = К¢ ´ DS и DS = К ´ DT,

где K=366.24/365.24 = 1.002728 и К¢ =365.24/366.24 = 0.997270.

Средние звёздные сутки равны 23 часам 56 минутам 04.0905 секундам среднесолнечных суток. Звездный год содержит 365,2564 среднесолнечных суток , т.е. больше чем тропический год на 20 m 24 s из-за движения точки g навстречу Солнцу.

В различных пунктах на одном географическом меридиане время (солнечное, звездное) одинаково.

Местное время – это время Т м измеренное на каком-либо конкретном географическом меридиане. Для каждой точке на Земле существует свое местное время. Например, при расстоянии между двумя наблюдателя 1¢ = 1852 метра (для экватора) разница во времени достигает 4-х минут! Неудобно в жизни.

Поясное время – это время Т п местное солнечное время центрального меридиана какого-либо часового пояса. По Т п производится счет времени на территории данного часового пояса. Т п было введено с 1884 года по решению международной конференции (в России с 1919 года) при условиях:

1) Земной шар был поделен по долготе на 24 пояса по 15 градусов;

3) Разница во времени двух соседних поясов равна одному часу. Географическая долгота центрального меридиана пояса (в часах) равна номеру этого пояса. Нулевой меридиан проходит через центр Гринвичской обсерватории (Англия);

4) Границы часовых поясов на океанах проходят по географическим меридианам, на суше в основном, по административным границам

Шкалы времени

Астрономическое время

До 1925 года в астрономической практике за начало средних солнечных суток принимали момент верхней кульминации (полдень) среднего солнца . Такое время называлось средним астрономическим или просто астрономическим. В качестве единицы измерения использовалась средняя солнечная секунда.

Всемирное (или мировое) время UT

Всемирное время используется с 1 января 1925 года вместо астрономического времени. Отсчитывается от нижней кульминации среднего солнца на меридиане Гринвича. Иными словами местное среднее время меридиана с нулевой долготой (Гринвичского) называют всемирным (мировым) временем (Universal Time - UT). Эталоном секунды для шкалы UT служит определенная часть периода вращения Земли вокруг своей оси 1\365.2522 х 24 х 60 х 60. Однако, из-за нестабильности осевого вращения Земли шкала UT не равномерна: непрерывное замедление около 50 сек. за 100 лет; нерегулярные изменения до 0.004 сек. в сутки; сезонные колебания около 0.001 сек за год.

Региональное время вводится для отдельных регионов, например среднеевропейское время, средне-тихоокеанское время, лондонское время и т.п.

Летнее время. В целях экономии материальных ресурсов за счет более рационального использования светлого времени года в ряде стран вводится летнее время – т.т. «перевод стрелок» часов на 1 час вперед по сравнению с поясным. Но график всех видов деятельности людей не менялся! Летнее время вводится обычно в конце марта в полночь с субботы на воскресенье, а отменяется в конце октября, также в полночь с субботы на воскресенье.

Эфемеридное время

Эфемеридное время (ЕТ - Ephemeris time) или земное динамическое время (Terrestrial Dynamical Time - TDT) или Ньютоновское время:

независимая переменная (аргумент) в небесной механике (ньютоновская теория движения небесных тел). Введено с 1 января 1960 года в астрономических ежегодниках как более равномерное, чем Всемирное время, отягощенное долгопериодическими неравномерностями во вращении Земли. В настоящее время это самая стабильная временная шкала для нужд астрономии и космонавтики. Определяется из наблюдения тел солнечной системы (в основном Луны). В качестве единицы измерения принята эфемеридная секунда как 1/31556925,9747 доля тропического года для момента 1900 январь 0, 12 часов ЕТ или, иначе, как 1/86400 доля продолжительности средних солнечных суток для этого же момента.

Эфемеридное время -связано со всемирным временем соотношением:

Поправка DT на 2000 год принимается равной +64.7 секунды.

Глава 5. Календарь

Виды календарей: солнечный, лунный и лунно-солнечный календари. Юлианский и Григорианский календарь. Календарные эры. Юлианский период и юлианские дни.

Определение

Календарь - это система счета длительных промежутков времени при целочисленных значениях количества суток в более продолжительных единицах времени. Календарный месяц и календарный год содержат целое число суток, чтобы начало каждого месяца и года совпадало с началом суток.

Поэтому – календарные и природные месяц и год не должны быть равны.

Задачи календаря: 1) установление порядка счета дней, 2) определение числа суток в длительных периодах времени (год), 3) установление начала счета периодов.

В основу календаря положены: 1) период сезонных изменений на Земле – год (солнечный календарь ), 2) период смены фаз Луны – месяц (лунный календарь). Существуют лунный и лунно-солнечный календари.

Виды солнечных календарей

В основу солнечного календаря положен тропический год = 365,2422 средних солнечных суток.

Древнеегипетский календарь – один из первых (3000 до н.э.). Год – длительностью 360 дней; число месяцев 12, продолжительностью 30 дней. Эклиптика была разделена на 360 равных частей – градусов. Позднее жрецы уточняли продолжительность года: от 365 дней, до 365.25!

Римский календарь . 8-й век до н.э. Но он был менее точным, чем египетский.

Год – длительностью 304 дней; число месяцев 10.

Юлианский календарь. Введен с 1 января 45 года до н.э. Юлием Цезарем на основе египетского календаря. Год – длительностью 365.25 дней; число месяцев 12. Каждый 4-й год високосный - делится на 4 без остатка, т.е. 366.25 дней (365,365,365,366!)

Использовался в Европе более 1600 лет!

Григорианский календарь. Год в юлианском календаре был длиннее истинного на 0.0078 суток и таким образом за 128 лет накапливались лишние сутки, которые надо было прибавлять. В 14-м веке это отставание было известно и в 1582 году решением Папы Григория 13-го в календаре были переведены даты сразу на 10 дней вперед. Т.е. после 4 октября сразу начиналось 14 октября 1582 года! Кроме того, было принято каждые 400 лет исключать 3 високосных года (в столетиях, которые не делились на 4).

Новый календарь стал называться Григорианским – «новый стиль». Год в Григорианском календаре (365.2425) отличается от истинного (365.242198) на 0.0003 суток и таким образом накапливаются лишние сутки лишь за 3300 лет!

Новый стиль в настоящее время используется повсеместно. Его минус – неодинаковое число дней в месяцах (29,30,31) и кварталах. Это усложняет планирование.

Предложено несколько проектов реформы григорианского календаря, предусматривающих устранение или уменьшение этих недостатков.

Один из них, по-видимому самый простой, заключается в следующем. все кварталы года имеют одинаковую продолжительность по 13 недель, т.е. по 91 дню. Первый месяц каждого квартала содержит 31 день, остальные два - по 30 дней. Таким образом, каждый квартал (и год) будет начинаться всегда в один и тот же день недели. Но так как 4 квартала по 91 дню содержит 364 дня, а год должен содержать 365 или 366 дней (високосный), то между 30 декабря и 1 января вставляется день вне счета месяцев и недель - международный нерабочий день Нового года. А в високосном году такой же нерабочий день, вне счета месяцев и недель, вставляется после 30 июня.

Однако вопрос о введении нового календаря может быть решен только в международном масштабе.

Лунный календарь

Базируется на смене фаз Луны, т.е. периоде между двумя последовательными моментами первого появления лунного серпа после новолуния. Точная продолжительность лунного месяца установлена по наблюдениям солнечных затмений – 29.530588 средних солнечных суток. В лунном году – 12 лунных месяцев = 354.36708 ср. солнечных суток. Лунный календарь появился почти одновременно с солнечным, еще в середине 3-го века до н.э. Тогда же была введена и семидневная неделя (по числу известных тогда светил (Солнце, луна + 5 планет от Меркурия до Сатурна)

В настоящее время лунный календарь применяется как мусульманский календарь в странах Азии и др.

5.4 Математические основы построения календаря (самостоятельно)

5.5 Календарные эры

Счет лет обязательно предполагает некоторый начальный момент системы летоисчисления – календарную эру. Эра - означает также и систему летоисчисления. В истории человечества существовало до 200 различных эр. Например, Византийская эра «от сотворения мира», в которой за «сотворение мира» был принят 5508 год до н.э. Китайская «циклическая» эра – от 2637 года до н.э. От сотворения Рима – 753 год до н.э. и т.п.

Наша эра – христианская эра – вошла в употребление лишь с 1 января 533 года от дня рождения библейской личности (не исторической) И.Христа.

Более реальная причина произвольного выбора начала нашей эры (н.э.) связана с периодичностью числа 532 года = 4х7х19. Пасха приходится на воскресение одной и той же даты каждые 532 года! Это удобно для предвычислений дат празднования христианского праздника пасхи. В основе лежат периоды, связанные с движением Луны и Солнца (4 - период высокосных лет, 7 – число дней в неделе, 19 - число лет, через которые лунные фазы приходятся на одни и те же календарные числа (метонов цикл был известен еще в 432 году до н.э.). Метон – древнегреческий астроном.

Общие понятия

Влияние рефракции является важной проблемой для наземной астрономии, где выполняются измерения больших углов на небесной сфере, при определении экваториальных координат светил, вычислении моментов их восхода и захода.

астрономической (или атмосферной) рефракцией . Из-за этого наблюдаемое (видимое) зенитное расстояние z¢ светила меньше его истинного (т.е. при отсутствии атмосферы) зенитного расстояния z, а видимая высота h¢ несколько больше истинной высоты h. Рефракция как бы приподнимает светило над горизонтом.

Разность r = z - z¢ = h¢ - h , называется рефракцией.

Рис. Явление рефракции в земной атмосфере

Рефракция изменяет лишь зенитные расстояния z, но не изменяет часовые углы. Если светило находится в кульминации, то рефракция изменяет только его склонение и на ту же величину, что и зенитное расстояние, так как в этом случае плоскости его часового и вертикального кругов совпадают. В остальных случаях, когда эти плоскости пересекаются под некоторым углом, рефракция изменяет и склонение, и прямое восхождение светила.

Следует отметить, что рефракция в зените принимает значение r = 0, а на горизонте она достигает 0.5 - 2 градуса. Из-за рефракции диски Солнца и Луны вблизи горизонта выглядят овальными, так как у нижнего края диска рефракция на 6¢ больше, чем у верхнего и поэтому вертикальный диаметр диска кажется укороченным в сравнении с горизонтальным диаметром, который рефракцией не искажается.

Эмпирически, т.е. опытным путем из наблюдений выведено приближенное выражение для определения общей (средней) рефракции:

r = 60².25 ´В\760´273\(273 0 +t 0) ´ tgz¢,

где: В - атмосферное давление, t 0 - температура воздуха.

Тогда, при температуре, равной 0 0 и при давлении 760 мм ртутного столба рефракция для видимых лучей (l =550 миллимикрон) равна:

r =60².25 ´ tgz¢ = К´ tgz¢. Здесь К – постоянная рефракции при указанных выше условиях.

По приведенным формулам рефракция вычисляется для зенитного расстояния не более 70 угловых градусов с точностью до 0.¢¢01 . Пулковские таблицы (5-е издание) позволяют учитывать влияние рефракции до зенитного расстояния z = 80 угловых градусов.

Для более точных расчетов учитывается зависимость рефракции не только от высоты объекта над горизонтом, но и от состояния атмосферы, главным образом от ее плотности, которая сама является функцией, в основном температуры и давления. Поправки на рефракцию рассчитываются при давлении В [мм.рт.ст.] и температуре t° С по формуле:

Для учета влияния рефракции с высокой точностью (0.¢¢01 и выше) теория рефракции достаточно сложна и рассматривается в специальных курсах (Яценко, Нефедьева А.И.и др). Функционально величина рефракции зависит от многих параметров: высоты (H), широты места (j), также температуры воздуха (t), атмосферного давления (p), атмосферного давления (В) на пути светового луча от небесного светила до наблюдателя и различна для разных длин волн электромагнитного спектра (l) и каждого зенитного расстояния (z). Современные расчеты рефракции выполняются на ЭВМ.

Следует также отметить, что рефракцию по степени ее влияния и учета разделяют на нормальную (табличную) и аномальную . Точность учета нормальной рефракции определяется качеством модели стандартной атмосферы и до зенитных расстояний не более 70 градусов достигает 0.¢¢01 и выше. Большое значение здесь имеет выбор места наблюдений - высокогорье, с хорошим астроклиматом и регулярным рельефом местности, обеспечивающим отсутствие наклонных слоев воздуха. При дифференциальных измерениях с достаточным числом опорных звезд на ПЗС кадрах можно учитывать влияние вариаций рефракции, таких как дневная и годичная.

Аномальная рефракция , такая как инструментальная и павильонная учитывается обычно достаточно хорошо с помощью систем сбора метеоданных. В приземном слое атмосферы (до 50 метров) используются такие методы как размещение метеодатчиков на мачтах и зондирование. Во всех указанных случаях можно достичь точности учета аномалий рефракции не хуже 0.²01. Труднее устранить влияние флуктуаций рефракции, обусловленных атмосферной турбуленцией высокой частоты, которые имеют доминирующее влияние. Спектр мощности дрожаний показывает, что их амплитуда значительна в диапазоне от 15гц до 0.02гц. Отсюда следует, что оптимальное время регистрации небесных обьектов должно быть не менее 50 секунд. Эмпирические формулы, выведенные Э.Хегом (e =± 0.²33(T+0.65) - 0.25 ,

где Т - время регистрации) и И.Г.Колчинским (e =1\Ön(± 0.²33(secz) 0.5 , где n - число моментов регистрации) показывают, что при таком времени регистрации для зенитного расстояния (z) равного нулю, точность положения (e) звезды, около 0.²06-0.²10.

По другим оценкам такой тип рефракции может быть учтен посредством измерений в течение одной-двух минут с точностью до 0."03 (А.Яценко), до 0."03-0."06 для звезд в диапазоне 9-16 величины (I.Reqiume) или до 0."05 (E.Hog). Расчеты, проведенные в обсерватории США USNO Стоуном и Даном показали, что при ПЗС регистрации на автоматическом меридианном телескопе (поле зрения 30" x 30" и время экспозиции 100 секунд) можно определить положения звезд дифференциально с точностью до 0.²04. Перспективная оценка, выполненная американскими астрономами Colavita, Zacharias и др. (см. табл.7.1) для широкоугольных наблюдений в видимом диапазоне длин волн показывает, что с помощью двухцветной методики можно достигнуть атмосферного предела точности, около 0.²01.

Для перспективных телескопов с полем зрения ПЗС, порядка, 60"x60", с использованием многоцветовой методики наблюдений, отражательной оптики, наконец с использованием дифференциальными методами опорных каталогов высокой плотности и точности на уровне космических каталогов типа HC и TC

вполне реально достижение точности, порядка нескольких миллисекунд (0.²005).

Рефракция

Видимое положение светила над горизонтом, строго говоря, отличается от вычисленного по формуле (1.37). Дело в том, что лучи света от небесного тела, прежде чем попасть в глаз наблюдателя, проходят сквозь атмосферу Земли и преломляются в ней, а так как плотность атмосферы увеличивается к поверхности Земли, то луч света (рис. 19) все более и более отклоняется в одну и ту же сторону по кривой линии, так что направление ОМ 1 , по которому наблюдатель О видит светило, оказывается отклоненным в сторону зенита и не совпадающим с направлением ОМ 2 (параллельным ВМ ), по которому он видел бы светило при отсутствии атмосферы.

Явление преломления световых лучей при прохождении ими земной атмосферы называется астрономической рефракцией.

Угол M 1 OM 2 называется углом рефракции или рефракцией r . Угол ZOM 1 называется видимым зенитным расстоянием светила z", а угол ZOM 2 - истинным зенитным расстоянием z.

Непосредственно из рис. 19 следует

z - z" = r или z = z" + r ,

т.е. истинное зенитное расстояние светила больше видимого на величину рефракции r . Рефракция как бы приподнимает светило над горизонтом.

По законам преломления света луч падающий и луч преломленный лежат в одной плоскости. Следовательно, траектория луча МВО и направления ОМ 2 и OM 1 лежат в одной вертикальной плоскости. Поэтому рефракция не изменяет азимута светила, и, кроме того, равна нулю, если светило находится в зените.

Если светило находится в кульминации, то рефракция изменяет только его склонение и на ту же величину, что и зенитное расстояние, так как в этом случае плоскости его часового и вертикального кругов совпадают. В остальных случаях, когда эти плоскости пересекаются под некоторым углом, рефракция и

Небесная сфера. Особые точки небесной сферы. Небесные координаты. Звездная карта, созвездия, использование компьютерных приложений для отображения звездного неба. Видимая звездная величина. Суточное движение светил. Связь видимого расположения объектов на небе и географических координат наблюдателя. Движение Земли вокруг Солнца. Видимое движение и фазы Луны. Солнечные и лунные затмения. Время и календарь.

ЗАКОНЫ ДВИЖЕНИЯ НЕБЕСНЫХ ТЕЛ

Структура и масштабы Солнечной системы. Конфигурация и условия видимости планет. Методы определения расстояний до тел Солнечной системы и их размеров. Небесная механика. Законы Кеплера. Определение масс небесных тел. Движение искусственных небесных тел.

СОЛНЕЧНАЯ СИСТЕМА

Происхождение Солнечной системы. Система Земля - Луна. Планеты земной группы. Планеты-гиганты. Спутники и кольца планет. Малые тела Солнечной системы. Астероидная опасность.

МЕТОДЫ АСТРОНОМИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Электромагнитное излучение, космические лучи и Гравитационные волны как источник информации о природе и свойствах небесных тел. Наземные и космические телескопы, принцип их работы. Космические аппараты. Спектральный анализ. Эффект Доплера. Закон смещения Вина. Закон Стефана-Больцмана.

ЗВЕЗДЫ

Звезды: основные физико-химические характеристики и их взаимная связь. Разнообразие звездных характеристик и их закономерности. Определение расстояния до звезд, параллакс. Двойные и кратные звезды. Внесолнечные планеты. Проблема существования жизни во Вселенной. Внутреннее строение и источники энергии звезд. Происхождение химических элементов. Переменные и вспыхивающие звезды. Коричневые карлики. Эволюция звезд, ее этапы и конечные стадии. Строение Солнца, солнечной атмосферы. Проявления солнечной активности: пятна, вспышки, протуберанцы. Периодичность солнечной активности. Роль магнитных полей на Солнце. Солнечно-земные связи.

НАША ГАЛАКТИКА – МЛЕЧНЫЙ ПУТЬ

Состав и структура Галактики. Звездные скопления. Межзвездный газ и пыль. Вращение Галактики. Темная материя.

ГАЛАКТИКИ. СТРОЕНИЕ И ЭВОЛЮЦИЯ ВСЕЛЕННОЙ

Открытие других галактик. Многообразие галактик и их основные характеристики. Сверхмассивные черные дыры и активность галактик. Представление о космологии. Красное смещение. Закон Хаббла. Эволюция Вселенной. Большой Взрыв. Реликтовое излучение. Темная энергия.

Планируемые результаты освоения учебного предмета

Учащиеся должны:

Знать, понимать

Смысл понятий: геоцентрическая и гелиоцентрическая система, видимая звездная величина, созвездие, противостояния и соединения планет, комета, астероид, метеор, метеорит, метеороид, планета, спутник, звезда, Солнечная система, Галактика, Вселенная, всемирное и поясное время, внесолнечная планета (экзопланета), спектральная классификация звезд, параллакс, реликтовое излучение, Большой Взрыв, черная дыра;

Смысл физических величин: парсек, световой год, астрономическая единица, звездная величина;

Смысл физического закона Хаббла;

Основные этапы освоения космического пространства;

Гипотезы происхождения Солнечной системы;

Основные характеристики и строение Солнца, солнечной атмосферы;

Размеры Галактики, положение и период обращения Солнца относительно центра Галактики;

Уметь

Приводить примеры: роли астрономии в развитии цивилизации, использования методов исследований в астрономии, различных диапазонов электромагнитных излучений для получения информации об объектах Вселенной, получения астрономической информации с помощью космических аппаратов и спектрального анализа, влияния солнечной активности на Землю;

Описывать и объяснять: различия календарей, условия наступления солнечных и лунных затмений, фазы Луны, суточные движения светил, причины возникновения приливов и отливов; принцип действия оптического телескопа, взаимосвязь физико-химических характеристик звезд с использованием диаграммы "цвет-светимость", физические причины, определяющие равновесие звезд, источник энергии звезд и происхождение химических элементов, красное смещение с помощью эффекта Доплера;

Характеризовать особенности методов познания астрономии, основные элементы и свойства планет Солнечной системы, методы определения расстояний и линейных размеров небесных тел, возможные пути эволюции звезд различной массы;

Находить на небе основные созвездия Северного полушария, в том числе: Большая Медведица, Малая Медведица, Волопас, Лебедь, Кассиопея, Орион; самые яркие звезды, в том числе: Полярная звезда, Арктур, Вега, Капелла, Сириус, Бетельгейзе;

Использовать компьютерные приложения для определения положения Солнца, Луны и звезд на любую дату и время суток для данного населенного пункта;

Использовать приобретенные знания и умения в практической деятельности и повседневной жизни для: понимания взаимосвязи астрономии с другими науками, в основе которых лежат знания по астрономии, отделение ее от лженаук; оценивания информации, содержащейся в сообщениях СМИ, Интернете, научно-популярных статьях.

Тематическое планирование

(11 класс)

Календарно-тематическое планирование

Астрономия - одна из самых загадочных и интересных наук. Несмотря на то, что в школах сейчас на астрономию в лучшем случае уделяется несколько уроков, интерес у людей к ней есть. Поэтому начиная с этого сообщения, я начну цикл постов об основах этой науки и интересных вопросах, встречающихся при её изучении.

Краткая история астрономии

Поднимая голову и смотря наверх, в небо, древний человек, наверное, не раз задумывался о том, что за неподвижные "светлячки" располагаются на небе. Наблюдая за ними, люди связали некоторые природные явления (например, смену сезонов года) с явлениями небесными, и приписали последним волшебные свойства. Например, в Древнем Египте разлив Нила совпадал по времени с появлением на небе ярчайшей звезды Сириус (или Сотис, как его называли египтяне). В связи с этим они изобрели календарь - "сотический" год - это промежуток между двумя восхождениями (появлениями на небе) Сириуса . Год разделили для удобства на 12 месяцев, по 30 дней в каждом. Оставшиеся 5 дней (в году 365 дней, соответственно, 12 месяцев по 30 дней - это 360, остаётся 5 "лишних" дней) объявляли праздниками.

Существенного прогресса в астрономии (и астрологии) добились вавилоняне . Их математика пользовалась 60-ричной системой счисления (вместо нашей десятичной, как будто у древних вавилонян было 60 пальцев), откуда и пришло сущее наказание для астрономов - 60-ричное представление времени и угловых единиц. В 1 часе - 60 минут (а не 100!!!), в 1 градусе - 60 минут, вся сфера - 360 градусов (не 1000!). Помимо этого именно вавилоняне выделили на небесной сфере зодиак:

Небесная сфера - воображаемая вспомогательная сфера произвольного радиуса, на которую проецируются небесные светила: служит для решения различных астрометрических задач. За центр небесной сферы, как правило, принимают глаз наблюдателя. Для находящегося на поверхности Земли наблюдателя вращение небесной сферы воспроизводит суточное движение светил на небе.

Вавилоняне знали 7 "планет" - Солнце, Луну, Меркурий, Венеру, Марс, Юпитер и Сатурн. Вероятно, именно они ввели семидневную неделю - каждый день такой недели был посвящён определённому небесному светилу. Также вавилоняне научились предсказывать затмения, чем замечательно пользовались жрецы, увеличивая веру простого люда в свои якобы сверхестественные способности.

Что есть на небе?

Прежде всего, давайте определим наш "Вселенский адрес" (действует для россиян):

• государство: Россия
• планета: Земля
• система: Солнечная
• галактика: Млечный путь
• группа: Местная группа
• скопление: сверхскопление Девы
• Метагалатика
• Наша Вселенная

Что означают все эти красивые слова?

Солнечная система

Мы с вами живём на одной из восьми больших планет, вращающихся вокруг Солнца. Солнце - это звезда, то есть, достаточно большое небесное тело, в котором идут термоядерные реакции (где получается оооочень много энергии).

Планета - это небесное тело сферической формы (достаточно массивное, чтобы под действием силы тяжести принимать такую форму), на котором этих самых реакций не происходит. Больших планет всего восемь:

1. Меркурий
2. Венера
3. Земля
4. Юпитер
5. Сатурн
6. Нептун

У некоторых планет (точнее, у всех, кроме Меркурия и Венеры) есть спутники - маленькие "планетки", двигающиеся вокруг большой планеты. У Земли таким спутником является Луна, чья красивая поверхность изображена на первом рисунке.

Ещё в Солнечной системе есть карликовые планеты - небольшое тело практически сферической формы, не являющееся спутником большой планеты и не умеющее "расчищать" свой путь в Солнечной Системе (из-за недостатка массы). На данный момент известно 5 карликовых планет, одна из которых, Плутон , более 70 лет считалась большой планетой:

1. Плутон
2. Церера
3. Хаумеа
4. Макемаке
5. Эрида

Также в Солнечной системе есть совсем небольшие небесные тела, по составу похожие на планеты, - астероиды . Главным образом они распределены в главном поясе астероидов, между Марсом и Юпитером.

И, конечно, есть кометы - "хвостатые звёзды", предвестники неудачи, как считали древние. Они состоят, в основном, изо льда и имеют большой и красивый хвост. Одна из таких комет, комета Хейла-Боппа (в честь Хейла и Боппа названная), которую многие жители Земли могли наблюдать в 1997 году на небе.

Млечный путь

Но наша Солнечная система - одна из многих других планетных систем в галактике Млечный Путь (или Milky Way). Галактика - это большое число звёзд и других тел, вращающихся вокруг общего центра масс под действием гравитации (компьютерная модель Галактики представлена на рисунке слева). Размер галактики по сравнению с нашей Солнечной Системой поистине огромен - порядка 100 000 световых лет. То есть, обычному свету, двигающемуся с самой большой скоростью во Вселенной, понадобится сто тысяч (!!!) лет, чтобы пролететь с одного края Галактики на другой. Это зачаровывает - смотря на небо, на звёзды, мы смотрим глубоко в прошлое - ведь доходящий сейчас до нас свет зародился задолго до появления человечества, а от ряда звёзд - и задолго до появления Земли.

Сам Млечный Путь напоминает спираль с "тарелкой" по центру. Роль "рукавов" спирали выполняют скопления звёзд. Всего в Галактике от 200 до 400 миллиардов (!) звёзд. Естественно, наша Галактика также не одинока во Вселенной. Она входит в состав так называемой Местной группы, но об этом - в следующий раз!

Полезные задачи по астрономии

1. Оцените, чего больше - звёзд в Галактике или комаров на Земле?
2. Оцените, сколько звёзд в Галактике приходится на одного человека?
3. Почему ночью темно?