<< Predislovie | Oglavlenie | 1.2. Kratkii istoricheskii obzor >>

1. Vvedenie

Razdely

• 1.1. Osnovnye zadachi, reshaemye sfericheskoi astronomiei
• 1.2. Kratkii istoricheskii obzor

1.1. Osnovnye zadachi, reshaemye sfericheskoi astronomiei

Za dvadcat' pyat' let, proshedshih posle vyhoda prekrasnogo uchebnika professora MGU K.A.Kulikova "Kurs sfericheskoi astronomii", astrometriya izmenilas' korennym obrazom. Tochnost' pozicionnyh nablyudenii vozrosla primerno v tysyachu raz. Takoi progress obuslovlen vvodom v stroi i nepreryvnym sovershenstvovaniem radiointerferometrov so sverhdlinnymi bazami (RSDB), instrumentov dlya lazernoi lokacii Luny i sputnikov, vvodom v deistvie sistem global'nogo opredeleniya mestopolozheniya (GPS i GLONASS), razrabotkoi special'nyh sputnikov dlya provedeniya astrometricheskih nablyudenii, a takzhe razrabotkoi novyh metodov obrabotki rezul'tatov. Uspeshnoe zavershenie kosmicheskogo proekta "HIPPARCOS" pozvolilo sozdat' vysokotochnyi katalog zvezd. Izmerenie parallaksov etih zvezd dalo cenneishuyu informaciyu o prostranstvennom raspredelenii etih zvezd okolo Solnca ne tol'ko dlya astrometristov, no i dlya astrofizikov, specialistov po zvezdnoi dinamike i nebesnoi mehanike.

Uvelichenie tochnosti nablyudenii, sozdanie raznoobraznyh baz astrometricheskih dannyh, ispol'zovanie etih baz dlya resheniya zadach v razlichnyh oblastyah astronomii, shirokoe ispol'zovanie komp'yuterov diktuyut neobhodimost' pererabotki kursa sfericheskoi astronomii.

Kakovy osnovnye zadachi astrometrii i sfericheskoi astronomii, o kotoroi dalee poidet rech'? Astrometriya yavlyaetsya chast'yu astronomii. Glavnoi zadachei astrometrii yavlyaetsya opredelenie iz nablyudenii vektorov polozhenii i skorostei razlichnyh nebesnyh tel, a takzhe formy tel. No polozhenie ili koordinaty tela mogut byt' opredeleny lish' otnositel'no drugogo tela ili kakoi-to vybrannoi tochki. V astronomii koordinaty izmeryayutsya v vybrannoi sisteme otscheta. Sistema otscheta (angliiskii sinonim "reference system") -- eto teoreticheskoe ponyatie; na osnove oficial'nyh soglashenii opredelyayutsya osnovnye ploskosti i tochki, a takzhe koordinatnye osi sistemy. Ni osi, ni osnovnye tochki sistemy na nebe ne vydeleny. Poetomu v vide prakticheskoi realizacii sistemy otscheta (po-angliiski "reference frame") prinimaetsya spisok koordinat i skorostei nekotorogo chisla vybrannyh ob'ektov (naprimer, zvezd ili radioistochnikov). Takoi spisok nazyvaetsya katalogom. Otdel'nyi katalog yavlyaetsya odnoi iz realizacii sistemy otscheta.

Takim obrazom, na osnove nablyudenii astrometriya opredelyaet sistemy koordinat. Dve takih sistemy imeyut osobuyu vazhnost'. Eto -- nebesnaya sistema koordinat, neobhodimaya dlya opredeleniya dvizheniya nebesnyh tel, i zemnaya sistema koordinat, v kotoroi izmeryaetsya polozhenie nablyudatelya. Zhelatel'no, chtoby nebesnaya sistema koordinat byla inercial'noi. V etom sluchae uravneniya dvizheniya nebesnyh tel zapisyvayutsya samym prostym obrazom; v uravneniyah otsutstvuyut sily inercii, obuslovlennye vrasheniem sistemy otscheta.

Drugoi zadachei astrometrii yavlyaetsya opredelenie momentov astronomicheskih sobytii i promezhutka vremeni mezhdu nimi, t.e. opredelenie i hranenie vremeni.

Sfericheskaya astronomiya yavlyaetsya odnim iz razdelov astronomii i tesno svyazana s matematikoi. Zadachi, kotorye reshaet sfericheskaya astronomiya, svyazany, glavnym obrazom, s matematicheskimi metodami redukcii^1.1 astronomicheskih nablyudenii.

Istoki sfericheskoi astronomii nahodyatsya v Drevnei Grecii. Eto svyazano s neobychainym rascvetom matematiki v IV-II v. do n.e., i ispol'zovaniem matematicheskih metodov v astronomii drevnegrecheskimi uchenymi. Kratkii istoricheskii obzor razvitiya sfericheskoi astronomii i astrometrii privoditsya nizhe. Bezuslovno, etot obzor ne yavlyaetsya ischerpyvayushim, tak kak avtor staralsya vydelit' lish' osnovnye etapy v razvitii etoi nauki.

Rassmotrim osnovnye zadachi, kotorye reshayutsya sfericheskoi astronomiei. Pervoi zadachei, kak uzhe govorilos', yavlyaetsya opredelenie sistem sfericheskih koordinat, togda kak zadachei astrometrii yavlyaetsya postroenie etih sistem v vide katalogov zvezd, radioistochnikov i drugih nebesnyh ob'ektov. Posle togo, kak sistemy koordinat opredeleny, vtoroi zadachei sfericheskoi astronomii yavlyaetsya vyvod formul preobrazovaniya koordinat nebesnyh tel iz odnoi sistemy v druguyu.

Polozhenie nebesnyh ob'ektov nepreryvno menyaetsya s techeniem vremeni. Poetomu dlya izucheniya ih dvizheniya neobhodimo opredelit' shkalu i edinicu vremeni dlya zadaniya tochnogo momenta nablyudenii i promezhutka vremeni mezhdu nablyudeniyami. Opredelenie razlichnyh shkal vremeni i ustanovlenie svyazi mezhdu nimi -- eto tret'ya vazhneishaya zadacha sfericheskoi astronomii.

Esli nablyudeniya provodyatsya s poverhnosti Zemli, to koordinaty nebesnyh ob'ektov iskazhayutsya iz-za a) refrakcii, b) aberracii, v) parallakticheskogo smesheniya, g) sobstvennogo dvizheniya v prostranstve. Refrakciei nazyvaetsya iskrivlenie lucha sveta ot ob'ekta iz-za prelomleniya pri prohozhdenii zemnoi atmosfery. Aberraciya -- eto smeshenie polozheniya ob'ekta v rezul'tate dvizheniya nablyudatelya i konechnosti skorosti sveta. Parallakticheskoe smeshenie (izmenenie napravleniya na ob'ekt) voznikaet iz-za peremesheniya nablyudatelya v druguyu tochku prostranstva. Sobstvennym dvizheniem nazyvaetsya real'noe dvizhenie nebesnogo tela v prostranstve. V rezul'tate etih prichin nablyudatel' registriruet izmenenie koordinat nebesnyh tel.

Uchet refrakcii, aberracii, parallakticheskogo smesheniya i sobstvennogo dvizheniya yavlyaetsya klassicheskoi zadachei sfericheskoi astronomii i chast'yu redukcii nablyudenii.

Koordinaty ob'ekta posle ucheta refrakcii, aberracii i parallakticheskogo smesheniya otnosyatsya k sisteme koordinat, zadannoi na moment nablyudeniya i svyazannoi s nablyudatelem i nazyvaemoi topocentricheskoi. Polozhenie osei etoi sistemy budet menyat'sya pri peremeshenii nablyudatelya po poverhnosti Zemli, t.e. budet razlichnym otnositel'no zemnoi sistemy koordinat. V svoyu ochered' polozhenie zemnoi sistemy koordinat otnositel'no inercial'noi sistemy koordinat izmenyaetsya iz-za sobstvennogo vrasheniya Zemli, precessii i nutacii. Poetomu dlya preobrazovaniya koordinat ob'ekta iz sistemy, svyazannoi s nablyudatelem, snachala v zemnuyu sistemu koordinat, a zatem v inercial'nuyu sistemu, neobhodimo znat' figuru Zemli i parametry vrasheniya Zemli.

Izuchenie vrasheniya Zemli -- odna iz vazhneishih zadach astrometrii. V kurse "Sfericheskoi astronomii" my lish' kratko kosnemsya etoi problemy, poskol'ku vrashenie Zemli svyazano s opredeleniem shkal vremeni. V svoyu ochered' izuchenie figury Zemli -- eto zadacha geodezii i gravimetrii. Zametim, chto na sovremennom etape chetkie granicy mezhdu etimi naukami prakticheski sterlis'. Izmerenie koordinat punkta s millimetrovoi tochnost'yu nevozmozhno bez provedeniya gravimetricheskih izmerenii, bez tochnogo izmereniya i hraneniya vremeni v dannom punkte.

Vrashenie Zemli vokrug osi izdavna prinimalos' za osnovu scheta vremeni. Sutki -- odna iz osnovnyh edinic scheta vremeni i v prirode, i v chelovecheskoi zhizni. Lish' v seredine XX veka bylo dokazano, chto prodolzhitel'nost' sutok (ili uglovaya skorost' vrasheniya Zemli vokrug osi) ne ostaetsya postoyannoi. Znachitel'no ran'she (v konce XIX veka) bylo obnaruzheno dvizhenie polyusa, t.e. izmenenie polozheniya mgnovennoi osi vrasheniya otnositel'no glavnoi osi inercii Zemli.

Takim obrazom, vektor mgnovennoi uglovoi skorosti vrasheniya Zemli, dve komponenty i kotorogo opredelyayut polozhenie polyusa (ili mgnovennoi osi vrasheniya v tele Zemli), a tret'ya -- prodolzhitel'nost' sutok, ne ostaetsya postoyannym ni po velichine, ni po napravleniyu^1.2. Izmeneniya komponent dovol'no maly, no spektr ochen' slozhen^1.3. K nastoyashemu vremeni v spektre prodolzhitel'nosti sutok obnaruzheny kolebaniya s periodami ot neskol'kih chasov do polutora tysyach let s amplitudami ot 2-3 mks (1 mks = 1 mikrosekunda = s) do ms (1 ms = 1 millisekunda = s). Tak kak prodolzhitel'nost' sutok primerno ravna 86400 s, to maksimal'noe otnositel'noe izmenenie skorosti vrasheniya Zemli ne prevyshaet . V spektre dvizheniya polyusa takzhe naideny vnutrisutochnye i sezonnye kolebaniya s amplitudami ot 10 do 50 mks dugi (1 sek dugi =    radian). Naibol'shuyu amplitudu ( ) imeet chandlerovskoe kolebanie s periodom goda i godovoe kolebanie s amplitudoi . Polyus ne otklonyaetsya ot glavnoi osi inercii Zemli bolee chem na 15 m.

Krome periodicheskih variacii v skorosti vrasheniya Zemli i dvizhenii polyusa obnaruzheny vekovye izmeneniya: skorost' vrasheniya zamedlyaetsya (prodolzhitel'nost' sutok uvelichivaetsya), a polyus smeshaetsya otnositel'no uslovnogo nachala v napravlenii zapadnoi dolgoty.

Prichinami neravnomernosti vrasheniya Zemli i dvizheniya polyusa yavlyayutsya vneshnie i vnutrennie processy. K vneshnim processam obychno otnosyat prilivnoe deistvie Luny i Solnca, a k vnutrennim -- dvizheniya v atmosfere, v Mirovom okeane i v zhidkom yadre, a takzhe pereraspredelenie mass v kore i mantii.

Prilivnoe vozdeistvie Luny i Solnca privodit ne tol'ko k izmeneniyu komponent vektora mgnovennoi uglovoi skorosti v tele Zemli, no i k izmeneniyu ego polozheniya v prostranstve. Eto yavlenie nazyvaetsya lunno-solnechnoi precessiei. Prichinoi precessionno-nutacionnogo dvizheniya osi vrasheniya yavlyaetsya peremennyi moment sil, voznikayushii iz-za deistviya Luny, Solnca i planet na ekvatorial'noe utolshenie Zemli.

Esli izmenenie polozheniya osi vrasheniya v tele Zemli privodit k izmeneniyu astronomicheskih koordinat (shirot i dolgot) punktov, to izmenenie polozheniya osi vrasheniya v prostranstve privodit k izmeneniyu koordinat zvezd. Precessiya izmenyaet so vremenem vid zvezdnogo neba. Amplituda precessii ravna , a period -- primerno 26000 let. Krome precessionnogo smesheniya v prostranstve, kotoroe nazyvayut vekovym iz-za bol'shogo perioda po sravneniyu s drugimi garmonikami, os' vrasheniya ispytyvaet i periodicheskie kolebaniya (nutaciyu) s garmonikami, osnovnye iz kotoryh imeyut periody 13,7 sutok, 27,6 sutok, 6 mesyacev, 1 god, 18,6 let. Garmonika s periodom 18,6 let imeet maksimal'nuyu amplitudu ( ). Ostal'nye nutacionnye garmoniki imeyut men'shie amplitudy. V rezul'tate nutacionnogo dvizheniya os' vrasheniya opisyvaet slozhnye petli v prostranstve (ris. 1.1).

Razrabotka teorii nutacii Zemli yavlyaetsya odnoi iz samyh slozhnyh zadach astrometrii, geofiziki i nebesnoi mehaniki. Uchet vliyaniya precessii i nutacii na koordinaty nebesnyh tel yavlyaetsya odnoi iz zadach sfericheskoi astronomii.

Neobhodimost' rassmotreniya teorii vrasheniya Zemli v dannom kurse svyazana takzhe s opredeleniem nebesnogo efemeridnogo polyusa, izucheniem sutochnyh dvizhenii polyusa i ih svyazi s nutacionnym dvizheniem osi vrasheniya Zemli. Dvizhenie polyusa soglasno opredeleniyu, prinyatomu na General'noi Assamblee Mezhdunarodnogo astronomicheskogo soyuza (MAS), predstavlyaet dvizhenie nebesnogo efemeridnogo polyusa, opredelennogo s pomosh'yu prinyatoi teorii precessii i nutacii, po otnosheniyu k svyazannoi s Zemlei koordinatnoi sisteme.

Teoriya nutacii MAS1980 ispol'zovalas' do 1 yanvarya 2003 g. S etogo momenta, soglasno rezolyucii XXIV General'noi Assamblei MAS (Birmingem, 2000 g.), pri redukcii nablyudenii dolzhna ispol'zovat'sya novaya teoriya nutacii MAS2000. Eta teoriya vklyuchaet primerno 1500 nutacionnyh garmonik, i oshibka teorii ne prevyshaet 0,2 ms dugi. V svyazi s perehodom k novoi teorii nutacii byl opredelen nebesnyi promezhutochnyi polyus. Eto bylo vyzvano neobhodimost'yu razdeleniya vysokochastotnyh nutacionnyh garmonik, kotorye vychislyayutsya na osnove teorii, i vysokochastotnyh garmonik v dvizhenii polyusa, kotorye opredelyayutsya na osnove nablyudenii.

Znanie polozheniya osi vrasheniya Zemli v prostranstve i v tele planety neobhodimo dlya opredeleniya orientacii zemnoi sistemy koordinat otnositel'no nebesnoi sistemy, kotoraya s 1998 g. zadaetsya koordinatami vnegalakticheskih radioistochnikov. Nachalo etoi sistemy pomeshaetsya v centr mass (baricentr) solnechnoi sistemy. Iz-za bol'shogo rasstoyaniya do radioistochnikov ih sobstvennoe dvizhenie otnositel'no zemnogo nablyudatelya ochen' malo. Poetomu nebesnaya sistema blizka k inercial'noi sisteme koordinat^1.4. Realizaciei zemnoi sistemy koordinat yavlyayutsya geocentricheskie pryamougol'nye koordinaty bolee chem 500 stancii, raspolozhennyh v 290 punktah nablyudeniya.

Zemnaya i nebesnaya sistemy koordinat yavlyayutsya osnovoi dlya postroeniya teorii precessii i nutacii, izucheniya tektoniki, deformacii zemnoi kory, a takzhe dlya resheniya zadach kosmicheskoi geodezii i navigacii. V svyazi s rostom tochnosti reshaemyh v etih oblastyah zadach trebuetsya sozdanie inercial'noi sistemy koordinat s pogreshnostyami ne bolee ms dugi i zemnoi sistemy koordinat s pogreshnostyami vzaimnyh polozhenii punktov ne bolee 2-3 mm. Nebesnaya i zemnaya sistemy koordinat dolzhny svyazyvat'sya novoi teoriei nutacii i precessii neuprugoi Zemli, soglasuyusheisya s nablyudeniyami v predelah ms dugi.

Nakoplenie nashih znanii o Zemle otrazilos' v povyshenii tochnosti opredeleniya astronomicheskih postoyannyh, harakterizuyushih Zemlyu, ee vrashenie vokrug osi i obrashenie vokrug Solnca. Izmereniya koordinat kosmicheskih apparatov, zapushennyh dlya issledovaniya tel solnechnoi sistemy, priveli k utochneniyu mass planet. Radiolokaciya planet pozvolila s vysokoi tochnost'yu opredelit' velichinu astronomicheskoi edinicy, kotoraya yavlyaetsya osnovnoi edinicei rasstoyaniya v solnechnoi sisteme. Razrabotka novyh sredstv dlya provedeniya astrometricheskih nablyudenii privela k rezkomu povysheniyu tochnosti opredeleniya koordinat nebesnyh ob'ektov. Znanie tochnyh koordinat etih ob'ektov (sputnikov Zemli, zvezd ili radioistochnikov) pozvolyaet ispol'zovat' ih kak repernye tochki dlya izucheniya dvizheniya ob'ektov na Zemle i v kosmose.

Eto ochen' slozhnaya zadacha, reshenie kotoroi trebuet kolossal'nyh zatrat. No mirovoe soobshestvo idet na eti rashody, tak kak eto nuzhno dlya resheniya hozyaistvennyh, politicheskih, voennyh i nauchnyh potrebnostei. Prichinoi etogo yavlyaetsya neobhodimost' resheniya osnovnoi zadachi astrometrii, kotoraya ne izmenilas' za proshedshie neskol'ko tysyach let i zaklyuchaetsya v opredelenii polozheniya nablyudatelya v prostranstve i vo vremeni.

---

<< Predislovie | Oglavlenie | 1.2. Kratkii istoricheskii obzor >>

Publikacii s klyuchevymi slovami: astrometriya - sfericheskaya astronomiya - sistemy koordinat - shkaly vremeni Publikacii so slovami: astrometriya - sfericheskaya astronomiya - sistemy koordinat - shkaly vremeni
Sm. takzhe: Dostizheniya kosmicheskoi astrometrii Skonchalsya Konstantin Vladislavovich Kuimov Konstantinu Vladislavovichu Kuimovu – 75 let Saimon N'yukom (1835 -1909) k 175-letiyu so dnya rozhdeniya. Vrashenie Zemli i prodolzhitel'nost' sutok 80 let so dnya rozhdeniya Al'berta Petrovicha Gulyaeva Rukovodstvo po prakticheskoi rabote s katalogom Hipparcos Vse publikacii na tu zhe temu >>