"Астрономия (базовый уровень)", Левитан Е.П.
Географическая широта показывает, насколько далеко к северу или югу от экватора находится место наблюдения. Её можно определить по высоте Северного полюса мира над горизонтом или по положению светила в момент кульминации. Для приблизительной оценки в Северном полушарии подходит Полярная звезда, а для расчёта по Солнцу или звезде нужно знать их склонение. Точность зависит от измерений и учёта атмосферной рефракции.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Географическая широта — угловое расстояние точки от экватора к северу или югу, измеряемое от 0° до 90°. Северная широта обозначается положительным знаком, южная — отрицательным, если используют знаковую запись. Широта нужна, чтобы задать положение места на Земле и связать его с видимым расположением небесных объектов.
Высота полюса мира — угол между северной точкой горизонта и Северным полюсом мира. В Северном полушарии этот угол равен географической широте места: чем дальше наблюдатель от экватора на север, тем выше над горизонтом виден полюс. По этой зависимости широту можно определить непосредственно по небесной сфере.
Кульминация светила — прохождение светила через небесный меридиан, большой круг от небесного полюса через зенит к противоположному полюсу. При верхней кульминации светило обычно достигает наибольшей высоты за сутки, а при нижней — наименьшей. Для вычисления широты используют высоту, измеренную именно в нужный момент прохождения меридиана.
Склонение светила — угловое расстояние светила от небесного экватора к северу или югу. Его обозначают δ: северное склонение считают положительным, южное — отрицательным. Зная склонение и высоту светила в кульминации, можно связать его положение на небе с широтой наблюдателя.
Земная ось направлена почти на Северный полюс мира, поэтому продолжение земной широты на небесную сферу задаёт угол между горизонтом и этим полюсом. На экваторе Северный полюс мира лежит у горизонта, а при движении на север поднимается на столько же градусов, на сколько увеличивается широта. Поэтому в Северном полушарии высота полюса над северной точкой горизонта равна широте места. В Южном полушарии Северный полюс мира находится под горизонтом, а высоту над южным горизонтом имеет Южный полюс мира.
Полярная звезда расположена рядом с Северным полюсом мира, и это позволяет оценить широту без сложных расчётов. Её высота над северным горизонтом приблизительно равна широте наблюдателя в Северном полушарии. Равенство не точное: звезда описывает небольшой круг вокруг полюса, поскольку не находится точно на его месте. Этот способ удобен ночью и в северных широтах, где Полярную звезду можно найти над северной частью горизонта.
Когда светило проходит небесный меридиан, его высота задаётся разницей между широтой наблюдателя и склонением светила. Склонение показывает удаление светила от небесного экватора, а широта определяет, как небесный экватор расположен относительно горизонта. Поэтому измерение высоты в кульминации позволяет найти широту, если склонение известно. Для расчёта важно отличать верхнюю кульминацию от нижней и отмечать, с юга или с севера от зенита проходит светило.
Если светило в верхней кульминации находится к югу от наблюдателя в Северном полушарии, его зенитное расстояние равно φ − δ. Высота и зенитное расстояние дополняют друг друга до 90°, поэтому h = 90° − φ + δ, откуда φ = 90° − h + δ. Здесь северное склонение подставляют со знаком «плюс», южное — со знаком «минус». В общем случае удобно начинать с h = 90° − |φ − δ| и выбирать решение по полушарию и направлению на светило.
Точный расчёт требует знать момент кульминации, высоту светила и его склонение для даты наблюдения. Если измерить высоту раньше или позже кульминации, она будет другой и даст ошибку в широте. Атмосферная рефракция — преломление света в атмосфере — меняет видимое положение светила, особенно низко над горизонтом. Кроме того, наблюдатель должен учитывать высоту места над уровнем моря, если требуется высокая точность.
| Способ | Что наблюдают | Основная зависимость или формула | Условия и точность |
|---|---|---|---|
| По высоте Северного полюса мира | Высоту полюса над северным горизонтом | φ = hполюса | Прямой геометрический способ; учитывают полушарие и точность визирования |
| По высоте Полярной звезды | Высоту звезды над северным горизонтом | φ ≈ hПолярной звезды | Только приближённо; удобен в Северном полушарии |
| По высоте Солнца в верхней кульминации | Высоту Солнца и его склонение | φ = 90° − h + δ, если Солнце кульминирует на юге | Нужно знать дату и склонение Солнца; учесть рефракцию |
| По высоте звезды с известным склонением в кульминации | Высоту звезды и направление её кульминации | h = 90° − |φ − δ| | Нужно знать склонение и полушарие; направление помогает выбрать решение |
Сначала выберите способ, для которого доступны нужные наблюдения: например, видна ли Полярная звезда или известно ли склонение выбранного светила. Затем проверьте, в каком полушарии вы находитесь и с какой стороны от зенита светило кульминирует. В таблице формулы записаны для указанных условий, поэтому нельзя применять их, не проверив направление и знаки.
Высота Северного полюса мира над горизонтом равна 55°. Требуется определить географическую широту места наблюдения. Здесь не нужно искать склонение светила: измеряется сам полюс мира. Применим равенство его высоты и широты в Северном полушарии.
Ответ: географическая широта места равна 55° с. ш.
Склонение Солнца равно +20°, а высота в верхней кульминации на юге — 40°. Нужно найти широту. Южное направление показывает, что в рассматриваемой ситуации Солнце находится южнее зенита, поэтому используем φ = 90° − h + δ. Знак склонения положительный, так как Солнце расположено севернее небесного экватора.
Ответ: широта равна 70° с. ш.
Звезда со склонением −18° кульминирует на юге на высоте 32°. Требуется найти широту и назвать данные для проверки результата. Поскольку склонение южное, в формулу его подставляют со знаком минус. Направление на юг позволяет проверить, что выбранная конфигурация соответствует наблюдению в Северном полушарии.
Ответ: 40° с. ш. при указанном южном направлении кульминации.
Считать высоту Полярной звезды точно равной широте. Так поступают, потому что звезда находится близко к Северному полюсу мира. Но она не совпадает с полюсом и меняет положение вокруг него, поэтому результат будет приблизительным. Проверьте себя: если нужна точность, уточните положение полюса или внесите поправку на положение звезды.
Путать высоту и зенитное расстояние. Оба угла относятся к положению светила, поэтому их легко принять за одну величину. Высоту измеряют от горизонта, а зенитное расстояние — от зенита; их сумма всегда равна 90°. Проверка: если известна высота h, вычислите z = 90° − h.
Не учитывать знак склонения и направление кульминации. Южное склонение отрицательно, а формула зависит от того, к югу или к северу от зенита проходит светило. Ошибка в знаке меняет результат на несколько градусов и может дать неверное полушарие. Перед вычислением запишите δ со знаком и словами укажите сторону кульминации.
Измерять высоту не в момент кульминации или забывать рефракцию. Вне прохождения меридиана высота светила отличается от той, которая нужна для формулы, а атмосфера слегка поднимает видимое изображение. Это особенно заметно при малой высоте над горизонтом. Проверьте время наблюдения и при необходимости внесите поправку на рефракцию.
Для этой темы нужны знания о небесной сфере, горизонтальной системе координат, небесном экваторе, полюсах мира и угловых измерениях. Они объясняют, как связаны направление на небесный объект и положение наблюдателя на Земле. Определение широты используется при ориентировании по звёздам, навигации, геодезии и нахождении координат места. Оно также помогает изучать суточное движение светил, видимое движение Солнца и способы определения времени по астрономическим наблюдениям.
Почему высота Полярной звезды примерно равна географической широте?
Северный полюс мира расположен над горизонтом на высоте, равной широте места. Полярная звезда находится близко к полюсу мира, поэтому её высота близка к этой величине, но не совпадает с ней точно.
Можно ли определить широту по любой звезде?
Можно, если известно склонение звезды и измерена её высота точно в момент кульминации. Также нужно знать, с какой стороны от зенита она проходит, и учесть возможные поправки измерения.
Что делать, если Полярная звезда не видна?
Можно измерить высоту Солнца или звезды с известным склонением во время кульминации. Для Солнца необходимо знать его склонение на дату наблюдения, а для точности учитывать рефракцию.
Чем высота светила отличается от зенитного расстояния?
Высота отсчитывается от горизонта вверх до светила, а зенитное расстояние — от зенита до светила. Эти углы дополняют друг друга до 90°: z = 90° − h.
Почему при определении широты важно знать склонение Солнца или звезды?
Склонение показывает, где светило находится относительно небесного экватора. Вместе с высотой в кульминации оно позволяет вычислить широту; без склонения одинаковая высота может соответствовать разным положениям наблюдателя.
§ 5. Способы определения географической широты
