Astronawigacja

Ruchy ciał niebieskich - ruch dobowy ciał niebieskich

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

6

Zanim przejdziemy do następnego, bardzo ważnego tematu jakim jest czas w Astronawigacji, musimy przybliżyć sobie ruchy ciał niebieskich. To ważny temat, bo wiąże się z pojęciem czasu (kątów czasowych) w Astronawigacji. Popatrzmy na niebo i na to, co tam obserwator widzi. Widzi na niebie, ciągle zmieniające pozycję ciała niebieskie (słońce, księżyc - dniem, a gwiazdy, planety i księżyc - nocą), czyli ruch ciał niebieskich.

Ruchy ciał niebieskich dzielą się na ruch dobowy i na ruchy własne.

Ruchem dobowym nazywa się ruch pozorny, któremu ulegają wszystkie ciała niebieskie wskutek obrotu ziemi dookoła własnej osi. Obrót ziemi dookoła swej osi w kierunku z zachodu na wschód wywołuje złudzenie, jakoby cała kula niebieska obracała się dookoła osi świata w kierunku przeciwnym, czyli ze wschodu na zachód. Okres czasu, w którym ziemia wykonuje całkowity obrót dookoła swej osi nazywamy - dobą. Tor zatoczony przez ciało niebieskie w ciągu jednej doby jest równoległy do równika niebieskiego czyli jest równoleżnikiem deklinacyjnym. Ruchowi dobowemu ulegają wszystkie ciała niebieskie, przy czym (to ważne) ich wzajemne położenie z powodu tego ruchu nie zmienia się. Wszystkie inne ruchy, a przede wszystkim te, na skutek których ciała niebieskie zmieniają współrzędne równikowe (rektascensję i deklinację), mówiąc inaczej zmieniają położenie względem siebie - nazywamy ruchami własnymi ciał niebieskich. Ruch własny większości ciał niebieskich jest tak minimalny, że możemy je nazwać gwiazdami stałymi. Gwiazdy te podzielono w zamierzchłych czasach na konstelacje, które po dzisiejszy dzień nie zmieniły konfiguracji w sposób widoczny.

W rocznikach astronomicznych (Almanachach) podane są takie wartości jak: rektascensje (α) lub gwiazdowe kąty czasowe (SHA) i deklinacje (δ) wszystkich gwiazd stałych, nadających się do obserwacji na morzu. Natomiast dla Słońca, Księżyca, Planet oraz punktu wiosennego (punktu Barana) podane są obok deklinacji, kąty czasowe liczone od południka Greenwich (gryniczowski kąt czasowy - t₀), w angielskich rocznikach (GHA).

Ruch dobowy ciał niebieskich

Poniżej widzimy dwa rysunki (rys. 25 i 25a), na których przedstawiono ruch dobowy ciała niebieskiego. Oraz dodatkowo dwa rysunki (rys. 25b i 25c).

Rys.25, przedstawia ogólny szkic ruchu dobowego ciała niebieskiego, jego równoleżnik deklinacyjny na, którym pokazano bardzo ważne dla nawigatora cztery punkty: moment wschodu, moment górnej kulminacji, moment zachodu, moment dolnej kulminacji. Rys.25a, przedstawia szkic ruchu dobowego słońca. Jak widzimy dochodzą tutaj jeszcze dwa punkty: moment przejścia przez I-szy wertykał na wschodzie i moment przejścia przez I-szy wertykał na zachodzie. Jest to dogodny moment do obliczenia długości geograficznej (λ) i całkowitej poprawki kompasu magnetycznego a tym samym kontrola dewiacji kompasu magnetycznego.

Rys.25b, przedstawia to samo co na rys.25a, z tym, że bardziej realnie. Nie pokazano tego, co rzeczywiście jest dla obserwatora niewidoczne (to co pod horyzontem). Rys.25c, to nic innego jak rzut zenitalny rys.25b.

Co to jest ruch dobowy, już wiemy. Obserwator na morzu nie stoi w miejscu, ciągle zmienia pozycję, a więc szerokość i długość geograficzną. Jak z różnych pozycji (szerokości geograficznej) wygląda kula niebieska? Przyjrzyjmy się kuli niebieskiej z kilku szerokości. Przedstawiają to rysunki zamieszczone poniżej. Pod każdym rysunkiem kuli niebieskiej mamy przedstawione schematycznie położenie obserwatora na kuli ziemskiej.

Obserwator na północnym biegunie ziemskim, czyli φ=90°N

Biegun niebieski znajduje się w zenicie; równik niebieski pokrywa się z horyzontem. Wszystkie ciała niebieskie w ruchu dobowym poruszają się równolegle do horyzontu zgodnie z kierunkiem ruchu wskazówek zegara. Nie ma więc wschodów ani zachodów ciał niebieskich. Południk niebieski będący z definicji wielkim kołem przechodzącym przez zenit i biegun nie da się na biegunie jednoznacznie określić, gdyż biegun pokrywa się z zenitem i można przez nie przeprowadzić nieskończenie wiele takich kół. Tym samym nie można tam określić punktu północy i południa, ani wschodu i zachodu. Na biegunie schodzą się wszystkie południki i każdy tam kierunek można uważać za południowy. Na biegunie nie określimy azymutu.

Ruch dobowy odbywa się tam po równoleżnikach deklinacyjnych, które są równocześnie równoleżnikami wysokości. Wszystkie ciała niebieskie mają deklinację równoimienną z widocznym biegunem. Ponieważ po biegunie nikt nie żegluje, potraktujmy ten temat jako informacyjno-poglądowy.

Obserwator na dowolnej szerokości geograficznej między biegunem a równikiem, czyli φ=45°N (przykładowo)

Jest to typowa, nagminna sytuacja obserwatora na morzu. Patrząc na rysunki, widzimy, że wszystkie ciała niebieskie wykonują w ciągu jednej doby całkowity obrót po równoleżnikach deklinacyjnych. Przedstawiliśmy tutaj cztery równoleżniki deklinacyjne, które są torami pozornego ruchu dobowego czterech gwiazd o różnych wartościach deklinacji (G-1 ; G-2 ; G-3 i G-4).

Co możemy wywnioskować z rysunków.

• Każda gwiazda przechodzi przez południk niebieski dwa razy. Raz przez górny, ten moment nazywamy górną kulminacją albo górowaniem. Drugi raz przez dolny południk niebieski, ten moment nazywamy dolną kulminacją albo dołowaniem.
• W czasie górnej kulminacji miejscowy kąt godzinny gwiazdy wynosi 00^h, a w czasie dolnej kulminacji 12^h.
• W czasie górnej kulminacji wysokość (h) gwiazdy jest największa, a w momencie dolnej kulminacji (h) jest najmniejsza.
• W momencie kulminacji azymut jest albo North (N), albo South (S).
• Od dolnej kulminacji do górnej azymut, kąt godzinny ciał niebieskich jest East (E). Od górnej kulminacji do dolnej azymut, kąt godzinny jest West (W).

Omówmy teraz wszystkie gwiazdy po kolei, z rys.27 i rys.27a.

G–1 Jest to gwiazda kołobiegunowa. Co to oznacza? To znaczy, że gwiazda jest widoczna całą dobę nad horyzontem. Jej cały równoleżnik deklinacyjny jest nad horyzontem, oraz jest jednoimienny z widocznym biegunem niebieskim. Gwiazda nie wschodzi i nie zachodzi, a więc nie przechodzi przez I-szy wertykał. Natomiast obserwator widzi, że gwiazda dwa razy kulminuje, raz widzi górną a drugi raz dolną kulminację, czyli dwa razy może określić swoją szerokość geograficzną z tej samej gwiazdy. Taka gwiazda zawsze kulminuje w azymucie widocznego bieguna niebieskiego, w tym wypadku "North" (N). Jest tutaj spełniony warunek (φ < δ)

G–2 Z rysunku widać, że gwiazda G-2 kulminuje między równikiem a zenitem. Deklinacja takiej gwiazdy jest jednoimienna (tego samego znaku) z szerokością geograficzną (φ). Równoleżnik deklinacyjny gwiazdy częściowo znajduje się pod horyzontem, wskutek tego gwiazda widoczna dla obserwatora ma tylko górną kulminację, dolnej nie widzimy. Gwiazda wschodzi (w punkcie W_S2) i zachodzi (w punkcie Z_A2).
Łuk (W_S2 – G-2 – Z_A2) nazywamy łukiem dziennym. Łuk pod horyzontem to łuk nocny, gwiazda wówczas jest niewidoczna. Łuk dzienny jest dłuższy od nocnego, a więc gwiazda dłużej jest widoczna w ciągu doby na kuli niebieskiej (patrz rys.27a). Równoleżnik deklinacyjny gwiazdy (co jest bardzo ważne) przecina I-szy wertykał w dwóch miejscach, na wschodzie i na zachodzie. Jest tutaj spełniony warunek (φ > δ)

G–3 Patrząc w dalszym ciągu na rys.27a, łatwo wywnioskujemy, że gwiazda ta kulminuje między równikiem a horyzontem. Deklinacja takiej gwiazdy jest różnoimienna (przeciwnego znaku) z szerokością geograficzną (φ). Łuk dzienny takiej gwiazdy jest krótszy od łuku nocnego, a więc krócej ją widać w ciągu doby na kuli niebieskiej. Równoleżnik deklinacyjny tej gwiazdy nie przecina I-szego wertykału.

Dodatkowo możemy zaobserwować, że obie gwiazdy (G-2 i G-3) kulminują w azymucie "South" (S).

W wypadku gwiazd: G-2 i G-3 mamy do czynienia z takim zagadnieniem jak Amplituda.
Otóż, punkty przecięcia się równoleżnika deklinacyjnego z horyzontem nazywają się punktami wschodu i zachodu. Łuk na horyzoncie zawarty między punktem wschodu (W_S2)a punktem (E) nazywa się Amplitudą wschodnią, a pomiędzy punktem zachodu (Z_A2) a punktem (W) - Amplitudą zachodnią. Amplituda wschodnia równa się amplitudzie zachodniej i jest dopełnieniem azymutu w czasie wschodu lub zachodu.
Więc mamy tutaj dwa zagadnienia:

Amplituda (wschodnia i zachodnia)
Kulminacja (górna i dolna)

Dlaczego tak drobiazgowo zajęliśmy się Amplitudą i Kulminacją (patrz następne rozdziały).

G–4 Jest to gwiazda przeciwkołobiegunowa. Gwiazda jest niewidoczna dla obserwatora, więc nie będziemy się nią zajmować.

Obserwator na równiku ziemskim, czyli φ=00°

Otóż żegluga odbywa się na dwóch półkulach, północnej i południowej. Zmieniając półkulę, zmienia nam się widok kuli niebieskiej i wówczas w obliczeniach pozycji można popełnić poważny błąd. Dotyczy to przede wszystkim azymutu w wypadku gdy bierzemy pod uwagę ciała niebieskie na dużej wysokości.

Na rysunkach mamy następującą sytuację. Oś świata leży na horyzoncie. Biegun północny (Pn) pokrywa się z punktem północnym (N), a biegun południowy (Ps) z punktem południowym (S). Równik niebieski przechodzi przez zenit i nadir i jest prostopadły do horyzontu oraz zlewa się z pierwszym wertykałem. Wszystkie ciała niebieskie mają swój wschód i zachód. Amplitudy wschodu i zachodu są równe deklinacji ciał niebieskich. Łuk dzienny jest równy nocnemu. Każde ciało niebieskie tylko góruje (ma górną kulminację), brak dolnej kulminacji. Nie ma ciał niebieskich okołobiegunowych i przeciwkołobiegunowych.

Obserwator na południu od równika, φ=10°S (przykładowo)

Proszę uważnie przyjrzeć się rysunkowi. Północny biegun niebieski jest pod horyzontem (φ = 10° S, czyli φ = –10°). Co się dzieje? To bardzo dobrze obrazuje następny rysunek.

Obserwator na półkuli południowej, φ=45°S

Kula niebieska ma wygląd podobny, jak w φ = 45° N. proszę zwrócić uwagę na następujące różnice. Nie widzimy bieguna północnego, ani bliskich mu gwiazdozbiorów, które stale znajdują się nad horyzontem. Widać natomiast biegun południowy i otaczające go gwiazdozbiory. Ciała niebieskie wschodzą po wschodniej stronie kuli niebieskiej (tak jak na północnej) przesuwają się na zachodnią stronę, jednak nie w stronę południa, ale ku północy. Dotyczy to również ruchu słońca, które w południe kulminuje w namiarze północnym. Jak widać słońce przesuwa się z prawa na lewo. To może robić silne wrażenie na żeglarzach, którzy cały czas uprawiali żeglugę na północnej półkuli. Proszę o tym pamiętać, gdy ktokolwiek zawita na półkulę południową, aby nie pomylić się w obliczeniach.

Obserwator na południowym biegunie ziemskim, φ=90°S

Ruch kuli niebieskiej na południowym biegunie ziemskim jest taki sam jak na biegunie północnym. Tyle tylko, że zenit zlewa się z biegunem południowym, a obrót kuli niebieskiej odbywa się w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara.