Небесные ориентиры, их координаты и видимые движения

Ориентирами в астронавигации являются небесные светила: звезды, Солнце, Луна и наиболее яркие планеты (Венера, Марс, Юпитер, Сатурн).
Навигационные звезды. Навигационными называют наиболее яркие звезды, которые наблюдают для ориентирования (основные перечислены в приложении 4, а). Звезды опознают по их расположению в созвездии - в характерной фигуре, образованной группой соседних звезд на небосводе, а также по их видимому блеску.
Блеск звезд сравнивают с помощью условных чисел - звездных величин, шкала которых имеет вид:

…- 5, - 4, - 3, - 2, - 1, 0 +1, +2, +3, +4, +5 …

Блеск m = 0 присвоен самой яркой звезде летнего неба Веге Лиры. Почти такой же яркости звезда Арктур ( Волопаса). Звезда Альтаир ( Орла) имеет m = 1, и она считается в 2,5 раза слабее по блеску чем Вега; звезда Дубхе ( Большой Медведицы) имеет блеск m = 2,0, и она видна слабее Веги в 2,5X2,5=6 раз. Буквой "альфа" обычно обозначается самая яркая звезда того созвездия, название которого указано. Приступая к самостоятельному изучению звездного неба, определяют по компасу направление на точку севера N (рис. 87). Над точкой N в угловом расстоянии h, равном географической широте места наблюдений , расположена звезда Полярная ( Малой Медведицы). Приближенно можно полагать, что с Полярной совпадает точка - Северный полюс мира. Угол между плоскостью горизонта и направлением на наблюдаемое светило называется высотой светила. Высота Полярной приближенно равна географической широте места яхты.

Рис. 87. Ориентирование по направлению на север, во времени и по широте места яхты по наблюдению за созвездиями северного неба.

Земная атмосфера наблюдается нами в форме приплюснутого над головой "небесного свода". Это искажает глазомерно измеряемые высоты: наблюдаемая невооруженным глазом высота светила обычно представляется на 15-20° больше истинной высоты.
Направление на наблюдаемое светило определяет его истинный пеленг ИП; в астронавигации эту координату часто называют круговым азимутом и обозначают . При вычислениях удобно измерять азимут "вполкруга": в северной широте - от точки севера N по горизонту, в направлении точек востока или запада, в пределах 0-180°. Полукруговой азимут обозначают и записывают в форме, например, . Если компас не имеет пеленгатора, то ИП светила можно найти, заметив в один и тот же момент курсовой угол светила и курс яхты: ИП=ИК±КУ (знак ставится в зависимости от наименования борта: (-) соответствует левому борту). ИП Полярной близок к 0°, поэтому ИК приближенно равен КУ Полярной. На рис. 87 звезда Кастор ( Близнецов) видна по направлению ИП* = 68° на высоте h* = 25°, если наблюдения ведутся на широте 44°N (Севастополь, Владивосток).

Высота и азимут (горизонтальные координаты) вполне определяют положение видимого места светила, поскольку их отсчитывают от горизонта (высота), либо измеряют по горизонту (азимут). Высоту можно измерить с помощью секстана или астролябии, круговой азимут - с помощью компаса и пеленгатора.
Опознав Полярную, легко найти созвездие Большой Медведицы (Большой Ковш) и "девичью грудь" Кассиопеи - оба эти созвездия расположены на небосводе в угловом удалении 30-40° по обе стороны от Полярной; при наблюдениях на наших морях они всегда расположены над горизонтом. Большую Медведицу легко запомнить и быстро отыскать на небе, относительно нее просто опознать другие созвездия и навигационные звезды:

• по направлению от на Большой Медведицы (и в удалении, равном пяти расстояниям - ) находится Полярная и "Малый Ковш" созвездия Малой Медведицы;
• по направлению Б.М.- Полярная и на таком же расстоянии от Полярной находится Кассиопея;
• по направлению - Б.М. видны созвездия Лиры и Лебедя, входящие вместе с созвездием Орла в "летний треугольник";
• по направлению - Б.М. виден Возничий.

Для изучения других созвездий служит карта звездного неба, прилагаемая к МАЕ.
На рис. 88 изображен земной шар и показано географическое место яхты М, имеющее координаты и . Затем произвольным радиусом из центра Земли описана вспомогательная небесная сфера, и на ней показано видимое место светила ' как точка пересечения поверхности сферы и пришедшего от очень удаленного светила луча света; аналогичная точка на поверхности Земли называется географическим местом светила (или ГМС).

Рис. 88. Географические и экваториальные координаты, определяющие положение географических и видимых мест светил.

Если через географическое место светила а провести меридиан , a через видимое место светила провести аналогичный небесный меридиан , то нетрудно определить положение географического и видимого места светила в географической системе координат:
- широте ГМС * на сфере соответствует дуга меридиана , в астронавигации ее называют склонением светила; склонение измеряют так же, как и географическую широту; при плавании в северном полушарии северное склонение считается положительной величиной, а южное - отрицательной;
- долготе ГМС * на сфере соответствует дуга экватора , в астронавигации ее называют гринвичским часовым углом светила и измеряют аналогично географической долготе или же в круговом счете - от небесного гринвичского меридиана по экватору всегда в сторону запада от 0 до 360°.
Положение меридиана видимого места светила на небесной сфере можно определить не только от гринвичского меридиана. Из рис. 88 видно, что дуга экватора от местного небесного меридиана до меридиана видимого места светила измеряет местный часовой угол (его отсчитывают аналогично гринвичскому, но за начало отсчета принята точка Е экватора на полуденной части местного меридиана). Местный часовой угол отличается от гринвичского на величину долготы места яхты:

(56)

где восточная долгота прибавляется к кругового счета, а западная - вычитается.
Часовой угол светила можно также отсчитать круговым счетом от той точки экватора, в которой Солнце расположено на небосводе в день наступления весны - 21 марта. Эта точка называетсяточкой весны (точкой Овна)и обозначается Y. Отсчитанный от точки Овна часовой угол называется звездным углом (в МАЕ он назван звездным дополнением) и обозначается .
Величина 360° - = называется прямым восхождением и отсчитывается противоположно звездному углу. Прямые восхождения получают из МАЕ для указания видимых мест планет, Луны и Солнца.
Координаты , , , , вполне определяют положение на небесной сфере и на звездной карте небесной параллели светила (склонение) и небесного меридиана светила (одна из величин: , , или , ). Эти координаты называют экваториальными, на яхте их вычисляют по МАЕ или другому пособию на момент наблюдений светила.

Из рис. 88 видно, что в любой момент:

= t Y + ,

(57)

Часовой угол точки Овна Y называют звездным временем. На звездной карте очень близко к меридиану точки Овна расположена звезда Кафф ( Кассиопеи), а на противолежащем меридиане расположена звезда Фекда ( Большой Медведицы). Значит, по часовому углу звезды Кафф непосредственно из наблюдений можно узнать звездное время, а часовой угол звезды Фекда отличается от звездного времени на 180° (тогда t Y= * -180°). Для оценки на небосводе часовых углов этих звезд полезно помнить, что угловое расстояние на реальном небосводе между звездами - Кассиопеи приближенно равно 15° = 1ч, а между звездами - Большой Медведицы оно равно 25° = 1,7ч. На рис. 87: t Y = 30°.
Если небесный экватор разделить на 24 части, то каждая часть будет равна 15°. Ее называют часом; поделив час на 60 частей, получают минуту (4м = 1° и 1м = 15 дуговых минут), поделив минуту на 60 частей, получают секунду (4с = 1' и 1с = 0,25'). В часовой мере измеряют время и, когда это удобно для практики, часовые углы.

Применительно к рис. 88 географические и экваториальные координаты записывают так:
Место яхты: = 44°N, = 65° Ost.
Географическое место светила: * = 50° N, * = 35° W.
Видимое место светила: = 50° N, tгр = 35°W или tм = tгр+ Ost = 35° + 65°= 100° W;
Звездное время: t Y = 28° или 1ч52м);
Звездный угол (звездное дополнение): = 72°;
Прямое восхождение: = 288°.

На рис. 87 t Y=30°=2ч, так как Кассиопеи наблюдается западнее полуденной части местного небесного меридиана, a Большой Медведицы - восточнее полуночной части местного меридиана. Звезда Лиры имеет ; tм = 110°W, a звезда Близнецов имеет часовой угол tм = 85°.
Экваториальные координаты навигационных звезд, наблюдения которых чаще всего встречаются в астронавигационных задачах, даны в приложении 4, а, воспроизводящем с небольшими дополнениями сведения из МАЕ на високосный, 1980г. Звездная карта МАЕ также основана на экваториальных координатах; в условиях яхтенного плавания она заменяет звездный глобус. В левой верхней части карты дана северная полярная часть звездного неба, а в правой верхней части - его южная полярная часть. В обоих случаях даны звезды со склонениями от 30 до 90°, меридианы имеют величины звездных углов через 30°. Экваториальная область между параллелями ±23,5° дана внизу; здесь по верхней рамке отсчитывают прямые восхождения и звездное время, а по нижней - звездные углы (звездные дополнения) . Правая стрелка показывает направление видимого суточного движения светил; слева внизу указаны широты, при которых данная параллель касается горизонта в точке юга.

Пользование звездной картой.Для опознания звезд карту необходимо сориентировать по широте места, направлению местного меридиана наблюдателя и времени наблюдений.
Наметив по часам момент Тс начала предстоящих наблюдений звезд (о системе счета времени на яхте см § 7.2 и рис. 90) по схеме, данной в примере 1, прежде всего заблаговременно вычисляют звездное время в момент Тс. Точность вычислений с погрешностью до получаса достаточна для работы с картой.

Пример 1. Намечены наблюдения звездного неба в Ленинграде (широта места = 60°N) 12 февраля около Тс = 20ч20м.
Вычислить звездное время на начало наблюдений для работы с картой звездного неба (все последующие примеры даны по такой же схеме).

Величина, действие	Условные обозначения	Решение
1. Cтандартное время срока наблюдений	Tc	12 февраля 20,5ч
2. Разница между стандартным и теоретическим поясным временем по рис. 90	Tc	-1 ч
3. Поясное время (приближенное меридианное время)	Tn Tм	12 февраля 19,5ч
4. Вспомогательная величина из прилож. 4,в на 12 февраля	R	- 14,5 ч
5. Звездное время на местном меридиане	tY	5 ч

Пояснения:
1. Если при выполнении пп. 1-3 получается отрицательная величина, то надо увеличить Тс на 24ч; после вычитания Тс получится T№ на предыдущую календарную дату.
2. В нашей стране: с 1 октября по 1 апреля Тс равна - 1ч, а с 1 апреля по 1 октября Тс = -2ч. В других случаях Тс есть разница между стандартным и поясным временем (рис. 90).
3. Разница между меридианным Тм я поясным Т№ не превышает 30м.
4. Вспомогательная величина R выбирается по заданной дате наблюдений из прилож. 4,в с округлением до получаса.
5. Получается всегда действием вычитания: п. 5 = п. 3 - п. 4; при необходимости Увеличить T№ на 24ч.

Для работы на карте звездное время tY переводят в градусную меру по табл. приложения 4, б либо в уме умножением на 15°: tY = 5X15=75°.
Далее на карте по шкале прямых восхождений следует найти меридиан и точку его пересечения с экватором Е - она называется полуденной точкой. По широте места =60°N находят ту параллель, которая касается горизонта в точке юга - при этом пользуются шкалой слева внизу карты. Звезды, расположенные южнее этой параллели, в данной северной широте никогда не видны.
Выйдя на наблюдения, прежде всего находят основные направления (ориентируясь по Полярной или по компасу): на север N, на восток Оst, на юг S, и на запад W. Затем определяют положение небесного местного меридиана: он проходит от N через Северный полюс мира , далее через точку над головой наблюдателя Z (зенит) и через точку S. Карту размещают так чтобы полуденная точка Е была над точкой юга S и вычисленный меридиан 75° совпал с направлением местного меридиана; при этом высота точки Е должна быть равна 90° - = 30°S.
Вблизи местного меридиана, несколько восточнее точки юга, на высоте от 20 до 40° (по условию примера 1) опознают созвездие Ориона; на продолжении трехзвездной дуги "пояса Ориона" вправо и вверх располагаем Альдебаран ( Тельца). Продолжив эту же дугу влево и вниз, найдем самую яркую звезду зимнего неба Сириус ( Большого Пса). Непосредственно над головой наблюдателя проходят те светила, у которых склонение равно широте места наблюдений; близко к зениту разместилось созвездие Возничего.

На карте звездного неба северная полусфера дана с оцифровкой меридианов величинами . Вычислив звездный угол точки Е ( = 360° - tv = 360° - 75° = 285°), найдем меридиан, проходящий через Полярную и зенит. Теперь над точкой севера опознаем звезды созвездия Геркулеса. На высоте 60° располагается Полярная, Кассиопея видна левее и выше Полярной (часовой угол звезды Кафф равен tм = 75° = 5чOst. Большая Медведица видна правее и ниже Полярной, часовой угол звезды Фекда tм = 255W = 105°Ost.
В результате вращения Земли вокруг своей оси наблюдается видимое вращение небосвода с востока на запад: если смотреть на север, то видимое движение светил происходит вокруг Полярной против хода часовой стрелки (см. рис. 87). Если же смотреть на юг, то видимое движение светил происходит по ходу часовой стрелки. В нашем примере созвездие Ориона перемещается слева направо - в сторону запада. Скорость видимого суточного движения светил составляет около 15°/час, поэтому экваториальное созвездие Ориона зайдет примерно спустя 6ч после его прохождения через меридиан места наблюдений (после кульминации). Это произойдет в Тс = 20ч + 6ч = 26ч - 24ч = 2ч 13 февраля.
Перед плаванием полезно потренироваться в опознании звезд на местности или с помощью карты звездного неба.

Видимые движения светил Солнечной системы. Кроме видимого суточного движения, в котором участвуют все светила, существует собственное перемещение по небесной сфере светил Солнечной системы (Солнца, планет, Луны) с разными периодами. В результате этого перемещения они по-разному видны на небосводе в различные календарные даты и периодически появляются в различных участках звездного неба.
В течение года Земля совершает один оборот по орбите вокруг Солнца поэтому Солнце имеет собственное годовое движение на фоне созвездий. Путь Солнца среди звезд, показанный пунктиром на карте звездного неба, называется эклиптикой: Солнце перемещается среди созвездий зодиакального пояса ("круга животных"), проходя последовательно с марта по февраль созвездия Рыбы, Овна, Тельца, Близнецов, Льва, Девы, Весов, Скорпиона, Стрельца, Козерога, Водолея. Скорость этого перемещения составляет около 1° за сутки или 30°=2ч за месяц, поэтому картина звездного неба в данном месте и в данный час суток спустя месяц будет наблюдаться на 2 часа раньше, спустя 15 суток - на 1 час раньше и т. п. В полночь на юге располагаются созвездия, отстоящие от Солнца по экватору на 180° = 12ч. Например, 22 июня прямое восхождение Солнца = 90°=6ч и в местную полночь на юге будут видны созвездия Змееносца и Лиры (см. приложение 4, б).

Из девяти планет Солнечной системы для целей навигации наблюдают только Венеру, Марс, Юпитер и Сатурн. Блеск планет бывает очень большим (иногда Венера видна днем невооруженным глазом), но изменяется в зависимости от взаимного расположения планеты, Земли и Солнца (конфигурации), смена которых происходит с периодом от 1 до 2 лет. Планеты всегда наблюдаются в пределах зодиакального пояса, недалеко от эклиптики. Сведения об их положении на небосводе на каждый день и характеристику их видимости можно получить из МАЕ или из Астрономического календаря, который ежегодно выпускает издательство "Наука".
Появление планеты может значительно исказить вид созвездия и затруднить его опознание, планета может быть перепутана с навигационной звездой. Поэтому необходимо нанести видимые места планет на звездную карту для намеченного срока плавания (по указанным в МАЕ или Астрономическом календаре величинам и ).

Рис. 89. Условия наблюдений Луны и лунная освещенность зависят от возраста Луны и широты места яхты.

Венеру следует наносить не реже чем каждую неделю, Марс - через две недели, Юпитер и Сатурн - через месяц.
Луна также перемещается среди созвездий зодиакального пояса и имеет собственное движение с запада на восток примерно на величину своего видимого диска за каждый час. За сутки это смещение составляет около 13° = 50м. Вид Луны на небе называется фазой, которая зависит от ее возраста.
Возраст Луны выражается в сутках и указывает количество суток, прошедших после того дня, когда Луна и Солнце были на одном небесном меридиане (рис. 89). При соединении Луны и Солнца возраст В = 0, Луна обращена к нам неосвещенной стороной и не наблюдается на небе: эта фаза называется новолунием. В новолуние Луна проходит над точкой юга одновременно с Солнцем, возраст Луны на любую дату подсчитывают по формуле:

В = Д + М + Л,

(58)

где Д - календарная дата;
М - номер месяца в году;
Л - лунное число (в 1982 г. оно равно 2 и затем каждый год увеличивается на 11).

Например, 8 мая 1984 г.
Л = 2 + 11 + 11 = 24; Д = 8; М = 5.
В = 37 - 30 = 7Д

Период смены фаз равен 29,5д = 30д поэтому его величину после расчета при необходимости отбрасывают.
При В = 7д Луна расположена к востоку от Солнца и видна в первой четверти (молодая Луна); она восходит около полудня, во вторую половину дня видна вместе с Солнцем над горизонтом, вечером освещает юго-западную сторону горизонта и заходит около полуночи.
При В = 15д Луна и Солнце расположены на противоположных меридианах (в противостоянии, сизигии) наблюдается полнолуние. Луна восходит вечером и до утра освещает ночной горизонт; здесь лунная освещенность максимальна.
При В = 22д Луна расположена западу от Солнца и видна в последней четверти (старая Луна), она восходит около полуночи, в первую половину дня вместе с Солнцем видна над горизонтом и заходит около полудня. Спустя неделю начнется новый период смены фаз Луны.
В плавании Луну наблюдают и днем, и ночью. Ее место на звездной карте отмечают непосредственно на намеченный срок наблюдений (по и , указанным в Астрономическом календаре или МАЕ, при этом в МАЕ приходится находить (луны) = tгрY - tгр(луны)). Лунная освещенность в значительной степени зависит от фазы Луны и ее высоты над горизонтом; последняя же в течение месяца изменяется вследствие быстрого и большого изменения склонения Луны.
Описанная картина верна для наблюдений в > 23,5°N .