Astronawigacja

Wprowadzenie i podstawowe astro-zagadnienia

Autorem opracowania jest kpt. ż.w. Waldemar Sadłoń
Dziękuję za naukę i cierpliwość

1

Astro to teoria i praktyka. Owszem teorię można mieć w jednym palcu i tak się każdemu początkującemu wydaje. Mnie się w szkole morskiej też tak wydawało, ale zrobić pozycję na morzu to już piekielnie wyższa szkoła jazdy. Pewnie będzie mnóstwo pytań i pełnych chełpliwości zdań od początkujących, ale ja chciałbym ich widzieć na morzu, na fali, podczas "robienia astropozycji". To nie jest takie proste, samo liczenie to pestka.
I jeszcze jedno: astronawigacja to tysiące wzorów, jak je zapamiętać? Ano nijak. Trzeba zrobić sobie maleńką ściągę i na morze. Nikt się nie będzie śmiał z tego powodu - zapewniam, ja to przeszedłem.
WS

Astronawigacja (Astronomia żeglarska, Żegluga oceaniczna), to określanie pozycji statku na podstawie obserwacji i pomiarów ciał niebieskich. Tak najkrócej można zdefiniować pojęcie Astronawigacji.

Mianem ciał niebieskich określamy: Słońce, Księżyc, planety i gwiazdy. Dzienne c.n. to Słońce, może nim być i Księżyc, nocne c.n. to planety i gwiazdy, i tutaj może nim być Księżyc.

Bezchmurna noc. Brak wiatru. Morze ani drgnie, gładkie jak stół. Widzialność co najmniej 10Mm. Jacht daleko, bardzo daleko w morzu, lądu nie widać. Wachtowy zadziera głowę do góry i co widzi? Niebo usiane gwiazdami, tysiące gwiazd. Wyraźnie widzi je wszystkie jednakowo oddalone od niego, jakby przyklejone do czaszy w kształcie półkuli. To tak jakby ktoś nakrył jacht ciemnogranatową półkulą i na jej wewnętrznej powierzchni ponaklejał gwiazdy, jedne nisko, tuż nad widnokręgiem inne wysoko, a jeszcze inne bardzo wysoko, tuż nad samą głową.
Podobno gołym okiem człowiek widzi około 6000 gwiazd. Niestety jest to złudzenie. A jak jest naprawdę?

Rok świetlny - jest to odległość, jaką światło biegnące w próżni (v = 300 000 km/sek) przebywa w ciągu roku.
Rok świetlny wynosi 9,46 ∗ 10¹² km.

Proszę popatrzeć na odległości do wybranych ciał niebieskich. Jak widzimy, różnice odległości są kolosalne. Dla potrzeb astronawigacji ze środka ziemi poprowadzono linie proste, które połączono z ciałami niebieskimi i po tych liniach każde ciało niebieskie "przesunięto" na jednakową umowną odległość od środka kuli ziemskiej. Ta jednakowa odległość, to umowna, wewnętrzna powierzchnia kuli, którą nazywamy sferą albo kulą niebieską.

Na rysunku, na białym tle pokazano gwiazdę dzienną czyli Słońce, na szarym tle dzienno-nocną czyli Księżyc i na czarnym tle gwiazdy i ich rzuty na kulę niebieską.

Wiemy już co to jest kula niebieska, wiemy już co to jest kula ziemska a robiąc rzuty c.n. na kulę niebieską dowiedzieliśmy się, że i kula niebieska, i kula ziemska mają wspólny punkt, a jest nim środek kuli ziemskiej.
Biorąc pod uwagę wymiary wszechświata, oraz proporcje tych wymiarów, śmiało możemy w astronawigacji kulę ziemską przedstawiać na rysunkach jako punkt, a jako i my jesteśmy na kuli ziemskiej to i my będziemy na tym punkcie.
Więc mamy pierwszy punkt odniesienia - jest nim środek układu "astronawigacyjnego". Ale to jest za mało. Musimy mieć więcej takich punktów, linii, płaszczyzn odniesienia aby można było określić naszą pozycję na kuli ziemskiej.

Linia pionu i płaszczyzna horyzontu

Zacznijmy od kuli niebieskiej. Zakładamy, że i my tam jesteśmy, na samym jej wierzchołku. Co to jest siła ciężkości wszyscy wiemy. Więc odrywamy się od kuli niebieskiej i spadamy prosto w dół. Najpierw trafiamy na powierzchnię kuli ziemskiej, przebijamy ją, docieramy do środka kuli ziemskiej. To nie koniec, lecimy dalej, ponownie przebijamy powierzchnię kuli ziemskiej i lecimy dalej aż docieramy ponownie na wewnętrzną powierzchnię kuli niebieskiej, tyle tylko, że po przeciwnej stronie. Nasz lot to była linia prosta czyli linia pionu.

Co dała nam linia pionu:

• Miejsce, z którego się oderwaliśmy (punktu na kuli niebieskiej) to zenit.
• Miejsce, w którym pierwszy raz zetknęliśmy się z kulą ziemską to nasze miejsce na ziemi czyli pozycja obserwatora [PO].
• Miejsce ponownego wylądowania na wewnętrznej powierzchni kuli niebieskiej to nadir, punkt przeciwległy zenitowi.

Mamy linię pionu. Obserwator rozglądając się wokół siebie widzi płaską płaszczyznę (powierzchnię morza). Ta płaszczyzna przechodząca przez oko obserwatora jest prostopadła do linii pionu to horyzont pozorny. Jest jeszcze jedna płaszczyzna prostopadła do pionu ale przechodząca przez środek ziemi to horyzont prawdziwy albo astronomiczny.

Horyzont pozorny ma zastosowanie w nawigacji i dlatego jest nazywany nawigacyjnym. Natomiast prawdziwy w astronomii.

Płaszczyzna horyzontu astronomicznego przecina się z kulą niebieska po kole wielkim, które również nazywa się horyzontem. Proszę to zapamiętać, aby później nie mylić pewnych pojęć.
Koło wielkie - jest to koło, którego płaszczyzna przechodzi przez środek danej kuli.

Jak wiemy c.n. są bardzo odległe, tak bardzo odległe, że promień ziemi jest w stosunku do tych odległości znikomo mały (można powiedzieć mikroskopijny). Wówczas nie ma praktycznie różnicy pomiędzy horyzontami; pozornym a rzeczywistym. Po prostu "zlewają się" i tym samym, środkiem kuli niebieskiej może być zarówno pozycja obserwatora, jak i środek ziemi.

Płaszczyzna horyzontu astronomicznego dzieli kulę niebieską na dwie części, dwie półkule. Półkulę widoczną z zenitem, czyli rzutem pozycji obserwatora na kulę niebieską, oraz półkulę niewidoczną z nadirem.
Powierzchnię morza praktycznie uważamy za równoległą do płaszczyzny horyzontu.

Układ przedstawiony powyżej (pion + horyzont), jest układem "ruchomym". Co to znaczy? Otóż obserwator stale się przemieszcza (czyli statek) i zmienia pozycję. Siłą rzeczy, automatycznie robi to zenit (pamiętamy, że zenit to rzut pozycji obserwatora na kulę niebieską po linii pionu), a jeśli pozycję zmienia zenit to horyzont również.

Omówiliśmy już trzy składowe (zenit, linię pionu i płaszczyznę horyzontu), które łączą kulę niebieską z kulą ziemską. To jeszcze za mało, aby obliczyć pozycję z c.n. Przejdźmy do następnych punktów odniesienia.

Oś świata i równik niebieski

Każdy w szkole widział globus, czyli zmniejszone wyobrażenie o kuli ziemskiej. Przypomnijmy jego wygląd:

• Są tam narysowane koła, które przecinają się w jednym punkcie na górze globusa i w jednym punkcie na dole globusa - to południki.
• Górny punkt to biegun północny, a dolny punkt to biegun południowy.
• Koło wielkie w samym środku globusa - to równik, a w górę i w dół koła coraz mniejsze - to równoleżniki. Wszystkie te koła są równoległe do siebie. Najmniejsze koło to punkt i to jest biegun.
• Globus osadzony jest na osi, wokół, której się obraca. Oś od góry i od dołu "wychodzi" z bieguna. Oś ta jest pochylona pod pewnym kątem w stosunku do pionu. To odchylenie od pionu = ok. 23,5°, a w stosunku do płaszczyzny (w tym wypadku blatu stołu na, którym stoi) = ok. 66,5°

W/w punkty, mimo, że są każdemu znane, bardzo ułatwią nam zrozumienie następnego problemu astronawigacyjnego.

Przechodzimy do drugiego punktu odniesienia - jest nim oś świata i równik niebieski. Wiemy, że oba bieguny ziemskie łączy oś kuli ziemskiej, która przechodzi przez środek ziemi. Przedłużmy tę oś, aż do przecięcia się z wewnętrzną powierzchnią kuli niebieskiej. Otrzymamy dwa punkty:

Północny biegun niebieski (po stronie bieguna północnego) oraz
Południowy biegun niebieski (po stronie bieguna południowego).

Jeżeli mogliśmy wyekspediować bieguny ziemskie na kulę niebieską, możemy to zrobić i z równikiem. Płaszczyzna równika ziemskiego jest prostopadła do osi ziemskiej. Jeżeli jego płaszczyznę powiększymy aż do kuli niebieskiej, "odrysuje" się na niej jako koło wielkie - równik niebieski.
Równik niebieski dzieli kulę niebieską na półkulę północną z biegunem północnym i półkulę południową z biegunem południowym.
Włóżmy do środka ziemi bardzo silny punkt świetlny. Wówczas cień równika ziemskiego padałby na równik niebieski, cień bieguna ziemskiego padałby na biegun niebieski, a cień miejsca obserwatora na zenit.
Więc śmiało możemy powiedzieć, że równik niebieski, bieguny niebieskie, zenit to rzuty odpowiadające tym punktom odniesienia na ziemi.
Bieguny, równik, równoleżniki, południki na kuli ziemskiej są zawsze na tym samym miejscu, nie przesuwają się. Ich odpowiedniki (rzuty) na kuli niebieskiej również są nieruchome. Wobec tego powyższy układ jest "układem nieruchomym", oprócz oczywiście zenitu, który jest rzutem obserwatora na kulę niebieską.

Miejscowy południk niebieski

W poprzedniej części (Oś świata i równik) włożyliśmy do środka ziemi bardzo silny punkt świetlny, który "rzucił" nam cień biegunów ziemskich i równika ziemskiego na kulę niebieską. Pamiętamy, że na globusie były również południki i równoleżniki, a więc i one też "wywędrowały" jako cień na kulę niebieską.

Ale w tej chwili interesuje nas tylko jeden południk. Z nawigacji wiemy, że przez pozycję obserwatora przechodzi tylko jeden południk i jeden równoleżnik - (to na ziemi).
Wróćmy na kulę niebieską. Jeżeli na ziemi przez pozycję obserwatora przechodzi południk, to przez zenit przechodzi ten sam południk (jako "cień" ziemskiego). Tak jak na ziemi każdy południk przechodzi przez biegun, tak i na kuli niebieskiej każdy południk przechodzi przez biegun niebieski.
I dochodzimy do sedna sprawy. Koło wielkie przechodzące przez bieguny niebieskie oraz przez zenit i nadir nazywa się miejscowym południkiem niebieskim albo krócej - południkiem niebieskim.
Wyjaśnijmy dlaczego "miejscowy". Po prostu, południk miejscowy jest rzutem południka obserwatora, czyli południka ziemskiego przechodzącego przez pozycję (miejsce) obserwatora.

Płaszczyzna południka niebieskiego jest wyznaczona osią świata i linią pionu, oraz jest powiększeniem ("przedłużeniem") płaszczyzny miejscowego południka ziemskiego.
Linia pionu dzieli południk niebieski na dwie części: północną i południową. Biegun północny znajduje się zatem na jego północnej części, a biegun południowy na jego południowej części.
Oś świata również dzieli południk niebieski na dwie równe części: górną i dolną. Górna część zawiera zenit, a dolna nadir.

Na podstawie powyższego rysunku i utrwalenia tego, co dotychczas przeczytaliśmy, możemy stwierdzić.

• Zenit jest najwyżej umieszczonym punktem na wewnętrznej płaszczyźnie kuli niebieskiej. Każdy obserwator ma "swój" zenit, a jeżeli tym obserwatorem jesteśmy my, więc jest tylko jeden, "nasz" zenit.
• Dlatego w stosunku do zenitu rozmieszczamy (rysujemy) pozostałe dane.

Połączmy pierwszy punkt odniesienia (Linia pionu i płaszczyzna horyzontu) z drugim punktem odniesienia (Oś świata i równik niebieski).

Najlepiej ująć powyższy rysunek w formie tabeli.

Płaszczyzna horyzontu (Horyzont) i miejscowy południk niebieski (Południk niebieski) - to dwa bardzo ważne elementy w Astronawigacji. Jest rzeczą bardzo ważną aby bardzo dobrze zrozumieć przede wszystkim podział południka niebieskiego. Powtórzmy zatem jeszcze raz "podział południka niebieskiego" pod postacią różnych rysunków, które w późniejszym tekście będą nagminnie stosowane. To nam ugruntuje wiedzę do zrozumienia dalszych wiadomości z Astronawigacji.

Na rys.7 mamy dwie kolumny rysunków. Z lewej pokazane są: horyzont, linia pionu, oś świata, południk niebieski i linia północ-południe (N-S). Linia N-S zostanie opisana w dalszej części. Z prawej ten sam rysunek pokazano jako rzut południka niebieskiego na płaszczyznę horyzontu. W tym przypadku zenit zajmuje centralną część, jest to rzut "zenitalny".

Rys.7a - Płaszczyzna horyzontu dzieli południk na dwie części: widoczną i niewidoczną. Widoczna, bo każde ciało niebieskie kiedy wzejdzie nad horyzont będzie widoczne aż do momentu zajścia za horyzont. A kiedy znajdzie się na południku niebieskim będzie miało największą wysokość, będzie w kulminacji. Niewidoczna, bo pod horyzontem nic nie widzimy i basta. Po prawej stronie rysunek pokazuje nam jako grubą czarną, ciągłą linię - południk widoczny.

Rys.7b - Linia pionu dzieli nam południk niebieski na część północną [North] (N) i południową [South] (S). To oznacza, że wszystkie c.n., które będą widoczne w stronę bieguna północnego będą w namiarze (azymucie) północnym (North) i przeciwnie, widoczne w stronę bieguna południowego będą w namiarze południowym (South). Po prawej stronie rysunek pokazuje nam dwie grube czarne linie, przerywana to północna część południka niebieskiego, a ciągła to południowa część południka niebieskiego.

Rys.7c - Oś świata dzieli nam południk niebieski na górny i dolny. Górny zawiera zenit, a nazwa pochodzi stąd, że na tej części południka c.n. górują czyli kulminują. Mamy tutaj do czynienia z górną kulminacją c.n. Natomiast dolny zawiera nadir (niewidoczny, więc na rysunku go nie ma), a nazwa pochodzi stąd, że na tej części c.n. dołują. Tutaj mamy do czynienia z dolną kulminacją. W dalszej części dokładniej rozszerzymy temat kulminacji. Po prawej stronie rysunek pokazuje nam grubą czarną ciągłą linię, od bieguna północnego do horyzontu - to górny południk niebieski, a przerywana linia - to dolny południk niebieski.