Астронет: В. Е. Жаров/ГАИШ Сферическая астрономия http://variable-stars.ru/db/msg/1190817/node4.html

<< Предисловие | Оглавление | 1.2. Краткий исторический обзор >>

1. Введение

Разделы

• 1.1. Основные задачи, решаемые сферической астрономией
• 1.2. Краткий исторический обзор

1.1. Основные задачи, решаемые сферической астрономией

За двадцать пять лет, прошедших после выхода прекрасного учебника профессора МГУ К.А.Куликова "Курс сферической астрономии", астрометрия изменилась коренным образом. Точность позиционных наблюдений возросла примерно в тысячу раз. Такой прогресс обусловлен вводом в строй и непрерывным совершенствованием радиоинтерферометров со сверхдлинными базами (РСДБ), инструментов для лазерной локации Луны и спутников, вводом в действие систем глобального определения местоположения (GPS и ГЛОНАСС), разработкой специальных спутников для проведения астрометрических наблюдений, а также разработкой новых методов обработки результатов. Успешное завершение космического проекта "HIPPARCOS" позволило создать высокоточный каталог звезд. Измерение параллаксов этих звезд дало ценнейшую информацию о пространственном распределении этих звезд около Солнца не только для астрометристов, но и для астрофизиков, специалистов по звездной динамике и небесной механике.

Увеличение точности наблюдений, создание разнообразных баз астрометрических данных, использование этих баз для решения задач в различных областях астрономии, широкое использование компьютеров диктуют необходимость переработки курса сферической астрономии.

Каковы основные задачи астрометрии и сферической астрономии, о которой далее пойдет речь? Астрометрия является частью астрономии. Главной задачей астрометрии является определение из наблюдений векторов положений и скоростей различных небесных тел, а также формы тел. Но положение или координаты тела могут быть определены лишь относительно другого тела или какой-то выбранной точки. В астрономии координаты измеряются в выбранной системе отсчета. Система отсчета (английский синоним "reference system") -- это теоретическое понятие; на основе официальных соглашений определяются основные плоскости и точки, а также координатные оси системы. Ни оси, ни основные точки системы на небе не выделены. Поэтому в виде практической реализации системы отсчета (по-английски "reference frame") принимается список координат и скоростей некоторого числа выбранных объектов (например, звезд или радиоисточников). Такой список называется каталогом. Отдельный каталог является одной из реализаций системы отсчета.

Таким образом, на основе наблюдений астрометрия определяет системы координат. Две таких системы имеют особую важность. Это -- небесная система координат, необходимая для определения движения небесных тел, и земная система координат, в которой измеряется положение наблюдателя. Желательно, чтобы небесная система координат была инерциальной. В этом случае уравнения движения небесных тел записываются самым простым образом; в уравнениях отсутствуют силы инерции, обусловленные вращением системы отсчета.

Другой задачей астрометрии является определение моментов астрономических событий и промежутка времени между ними, т.е. определение и хранение времени.

Сферическая астрономия является одним из разделов астрономии и тесно связана с математикой. Задачи, которые решает сферическая астрономия, связаны, главным образом, с математическими методами редукции^1.1 астрономических наблюдений.

Истоки сферической астрономии находятся в Древней Греции. Это связано с необычайным расцветом математики в IV-II в. до н.э., и использованием математических методов в астрономии древнегреческими учеными. Краткий исторический обзор развития сферической астрономии и астрометрии приводится ниже. Безусловно, этот обзор не является исчерпывающим, так как автор старался выделить лишь основные этапы в развитии этой науки.

Рассмотрим основные задачи, которые решаются сферической астрономией. Первой задачей, как уже говорилось, является определение систем сферических координат, тогда как задачей астрометрии является построение этих систем в виде каталогов звезд, радиоисточников и других небесных объектов. После того, как системы координат определены, второй задачей сферической астрономии является вывод формул преобразования координат небесных тел из одной системы в другую.

Положение небесных объектов непрерывно меняется с течением времени. Поэтому для изучения их движения необходимо определить шкалу и единицу времени для задания точного момента наблюдений и промежутка времени между наблюдениями. Определение различных шкал времени и установление связи между ними -- это третья важнейшая задача сферической астрономии.

Если наблюдения проводятся с поверхности Земли, то координаты небесных объектов искажаются из-за а) рефракции, б) аберрации, в) параллактического смещения, г) собственного движения в пространстве. Рефракцией называется искривление луча света от объекта из-за преломления при прохождении земной атмосферы. Аберрация -- это смещение положения объекта в результате движения наблюдателя и конечности скорости света. Параллактическое смещение (изменение направления на объект) возникает из-за перемещения наблюдателя в другую точку пространства. Собственным движением называется реальное движение небесного тела в пространстве. В результате этих причин наблюдатель регистрирует изменение координат небесных тел.

Учет рефракции, аберрации, параллактического смещения и собственного движения является классической задачей сферической астрономии и частью редукции наблюдений.

Координаты объекта после учета рефракции, аберрации и параллактического смещения относятся к системе координат, заданной на момент наблюдения и связанной с наблюдателем и называемой топоцентрической. Положение осей этой системы будет меняться при перемещении наблюдателя по поверхности Земли, т.е. будет различным относительно земной системы координат. В свою очередь положение земной системы координат относительно инерциальной системы координат изменяется из-за собственного вращения Земли, прецессии и нутации. Поэтому для преобразования координат объекта из системы, связанной с наблюдателем, сначала в земную систему координат, а затем в инерциальную систему, необходимо знать фигуру Земли и параметры вращения Земли.

Изучение вращения Земли -- одна из важнейших задач астрометрии. В курсе "Сферической астрономии" мы лишь кратко коснемся этой проблемы, поскольку вращение Земли связано с определением шкал времени. В свою очередь изучение фигуры Земли -- это задача геодезии и гравиметрии. Заметим, что на современном этапе четкие границы между этими науками практически стерлись. Измерение координат пункта с миллиметровой точностью невозможно без проведения гравиметрических измерений, без точного измерения и хранения времени в данном пункте.

Вращение Земли вокруг оси издавна принималось за основу счета времени. Сутки -- одна из основных единиц счета времени и в природе, и в человеческой жизни. Лишь в середине XX века было доказано, что продолжительность суток (или угловая скорость вращения Земли вокруг оси) не остается постоянной. Значительно раньше (в конце XIX века) было обнаружено движение полюса, т.е. изменение положения мгновенной оси вращения относительно главной оси инерции Земли.

Таким образом, вектор мгновенной угловой скорости вращения Земли, две компоненты и которого определяют положение полюса (или мгновенной оси вращения в теле Земли), а третья -- продолжительность суток, не остается постоянным ни по величине, ни по направлению^1.2. Изменения компонент довольно малы, но спектр очень сложен^1.3. К настоящему времени в спектре продолжительности суток обнаружены колебания с периодами от нескольких часов до полутора тысяч лет с амплитудами от 2-3 мкс (1 мкс = 1 микросекунда = с) до мс (1 мс = 1 миллисекунда = с). Так как продолжительность суток примерно равна 86400 с, то максимальное относительное изменение скорости вращения Земли не превышает . В спектре движения полюса также найдены внутрисуточные и сезонные колебания с амплитудами от 10 до 50 мкс дуги (1 сек дуги =    радиан). Наибольшую амплитуду ( ) имеет чандлеровское колебание с периодом года и годовое колебание с амплитудой . Полюс не отклоняется от главной оси инерции Земли более чем на 15 м.

Кроме периодических вариаций в скорости вращения Земли и движении полюса обнаружены вековые изменения: скорость вращения замедляется (продолжительность суток увеличивается), а полюс смещается относительно условного начала в направлении западной долготы.

Причинами неравномерности вращения Земли и движения полюса являются внешние и внутренние процессы. К внешним процессам обычно относят приливное действие Луны и Солнца, а к внутренним -- движения в атмосфере, в Мировом океане и в жидком ядрe, а также перераспределение масс в коре и мантии.

Приливное воздействие Луны и Солнца приводит не только к изменению компонент вектора мгновенной угловой скорости в теле Земли, но и к изменению его положения в пространстве. Это явление называется лунно-солнечной прецессией. Причиной прецессионно-нутационного движения оси вращения является переменный момент сил, возникающий из-за действия Луны, Солнца и планет на экваториальное утолщение Земли.

Если изменение положения оси вращения в теле Земли приводит к изменению астрономических координат (широт и долгот) пунктов, то изменение положения оси вращения в пространстве приводит к изменению координат звезд. Прецессия изменяет со временем вид звездного неба. Амплитуда прецессии равна , а период -- примерно 26000 лет. Кроме прецессионного смещения в пространстве, которое называют вековым из-за большого периода по сравнению с другими гармониками, ось вращения испытывает и периодические колебания (нутацию) с гармониками, основные из которых имеют периоды 13,7 суток, 27,6 суток, 6 месяцев, 1 год, 18,6 лет. Гармоника с периодом 18,6 лет имеет максимальную амплитуду ( ). Остальные нутационные гармоники имеют меньшие амплитуды. В результате нутационного движения ось вращения описывает сложные петли в пространстве (рис. 1.1).

Разработка теории нутации Земли является одной из самых сложных задач астрометрии, геофизики и небесной механики. Учет влияния прецессии и нутации на координаты небесных тел является одной из задач сферической астрономии.

Необходимость рассмотрения теории вращения Земли в данном курсе связана также с определением небесного эфемеридного полюса, изучением суточных движений полюса и их связи с нутационным движением оси вращения Земли. Движение полюса согласно определению, принятому на Генеральной Ассамблее Международного астрономического союза (МАС), представляет движение небесного эфемеридного полюса, определенного с помощью принятой теории прецессии и нутации, по отношению к связанной с Землей координатной системе.

Теория нутации МАС1980 использовалась до 1 января 2003 г. С этого момента, согласно резолюции XXIV Генеральной Ассамблеи МАС (Бирмингем, 2000 г.), при редукции наблюдений должна использоваться новая теория нутации МАС2000. Эта теория включает примерно 1500 нутационных гармоник, и ошибка теории не превышает 0,2 мс дуги. В связи с переходом к новой теории нутации был определен небесный промежуточный полюс. Это было вызвано необходимостью разделения высокочастотных нутационных гармоник, которые вычисляются на основе теории, и высокочастотных гармоник в движении полюса, которые определяются на основе наблюдений.

Знание положения оси вращения Земли в пространстве и в теле планеты необходимо для определения ориентации земной системы координат относительно небесной системы, которая с 1998 г. задается координатами внегалактических радиоисточников. Начало этой системы помещается в центр масс (барицентр) солнечной системы. Из-за большого расстояния до радиоисточников их собственное движение относительно земного наблюдателя очень мало. Поэтому небесная система близка к инерциальной системе координат^1.4. Реализацией земной системы координат являются геоцентрические прямоугольные координаты более чем 500 станций, расположенных в 290 пунктах наблюдения.

Земная и небесная системы координат являются основой для построения теории прецессии и нутации, изучения тектоники, деформаций земной коры, а также для решения задач космической геодезии и навигации. В связи с ростом точности решаемых в этих областях задач требуется создание инерциальной системы координат с погрешностями не более мс дуги и земной системы координат с погрешностями взаимных положений пунктов не более 2-3 мм. Небесная и земная системы координат должны связываться новой теорией нутации и прецессии неупругой Земли, согласующейся с наблюдениями в пределах мс дуги.

Накопление наших знаний о Земле отразилось в повышении точности определения астрономических постоянных, характеризующих Землю, ее вращение вокруг оси и обращение вокруг Солнца. Измерения координат космических аппаратов, запущенных для исследования тел солнечной системы, привели к уточнению масс планет. Радиолокация планет позволила с высокой точностью определить величину астрономической единицы, которая является основной единицей расстояния в солнечной системе. Разработка новых средств для проведения астрометрических наблюдений привела к резкому повышению точности определения координат небесных объектов. Знание точных координат этих объектов (спутников Земли, звезд или радиоисточников) позволяет использовать их как реперные точки для изучения движения объектов на Земле и в космосе.

Это очень сложная задача, решение которой требует колоссальных затрат. Но мировое сообщество идет на эти расходы, так как это нужно для решения хозяйственных, политических, военных и научных потребностей. Причиной этого является необходимость решения основной задачи астрометрии, которая не изменилась за прошедшие несколько тысяч лет и заключается в определении положения наблюдателя в пространстве и во времени.

---

<< Предисловие | Оглавление | 1.2. Краткий исторический обзор >>