Видимое собственное движение Солнца
Эклиптика. Основные точки и линии на ней
Для нужд мореходной астрономии удобнее рассматривать движение всех светил на небесной сфере, а наблюдатель на земле принимается находящимся в центре небесной сферы. Данное удобство однако входит в противоречие с фактическим движением Земли относительно Солнца и звёзд. Мореходная астрономия это прикладная наука общей астрономии и она специально разработана астрономами для нужд моряков. Изучающим мореходную астрономию необходимо научиться ориентироваться на небесной сфере среди большого числа больших кругов, часовых углов, высот, склонений, полюсов и различных точек – точка Овна, точек равноденствий и солнцестояний, непривычных терминов и понятий и обозначений. Несомненно, что без заучивание определений и тщательного изучения и запоминания схем и рисунков не обойтись. Только усердное изучение теории поможет понять мореходную астрономию и успешно применять знания в процессе управления судном. Мореходная астрономия немыслима без знаний некоторых разделов математики, например, сферической тригонометрии, а изучение точной науки математики, всегда положительно сказывается на умственном развитии изучающего, а для специалиста, который практически постоянно должен находить и принимать решения, в ситуациях острого дефицита времени, это особенно необходимо. Так что изучение мореходной астрономии, хотя и кажется многим начинающим штурманам не нужным занятием, в действительности не утратило своей важности и актуальности.
Ежедневные наблюдения за Солнцем показывают, что азимут восхода и азимут захода ежедневно изменяются.
Изменяется время восхода и захода Солнца, изменяется меридиональная высота светила, всё это свидетельствует о том, что Солнце, помимо участия в видимом суточном движении имеет видимое кажущееся движение.
Если выбрать из Морского астрономического Ежегодника (МАЕ) на истинный полдень прямое восхождение и склонение Солнца за целый год с промежутком через 10 суток и нанести эти данные на небесную сферу, то получим большой круг, площадь которого не совпадает ни с площадью истинного горизонта, ни с плоскостью небесного экватора, а наклонена к последнему на угол ξ (кси). ξ = 23° 27′ .
Видимый кажущийся годовой путь Солнца по небесной сфере называется эклиптикой .
Эклиптика пересекается с плоскостью небесного экватора в точках равноденствия.
Точка, в которой Солнце имеет склонение равное 0° и наименование меняется с Южного ( Зюйдовое – S ) на Северное ( Нордовое – N ), называется точкой весеннего равноденствия 
, это происходит 21 марта, в День весеннего равноденствия .
Точка, в которой Солнце имеет склонение равное 0° и наименование меняется с Северного ( Нордового – N ) на Южное ( Зюйдовое – S ), называется точкой осеннего равноденствия 
, и Солнце приходит в эту точку 23 сентября, в День осеннего равноденствия .
Линия на небесной сфере, соединяющая точки равноденствия есть линия равноденствия .
Эклиптика пересекает меридиан наблюдателя в двух точках, точках солнцестояния, обозначенных на небесной сфере В и В1.
Точка, в которой склонение Солнца достигает наибольшего значения δ = 23° 27′ N является точкой летнего Солнцестояния и Солнце приходит в неё 22 июня, в День летнего Солнцестояния .
Точка, в которой склонение Солнца достигает наибольшего значения δ = 23° 27′ S является точкой зимнего Солнцестояния и Солнце приходит в неё 22 декабря, в День зимнего Солнцестояния .
Линия на небесной сфере, соединяющая точки солнцестояний называется линией солнцестояний .
Прямая на небесной сфере TN TS перпендикулярная плоскости эклиптики и проходящая через её центр, есть ось эклиптики .
Ось эклиптики пересекает небесную сферу в полюсах TS – северном полюсе эклиптики и TS – южном полюсе эклиптики.
Большой круг проходящий через полюса эклиптики есть колюр .
Солнце в своём движении по эклиптике 21 марта приходит в точку весеннего равноденствия, которая участвует в видимом суточном движении светил. Эта точка вместе с Солнцем начнёт движение. Через сутки точка весеннего равноденствия возвратится на своё место, то есть произойдёт её кульминация, а Солнце опоздает к моменту кульминации на 4 минуты, так как имеет видимое собственное движение, направленное в противоположную сторону видимого суточного движения светил и движется со скоростью 1° в сутки.
С 21 марта Солнце начнёт удаляться от небесного экватора по спиралеобразной кривой и 22 июня придёт в точку В. Солнце будет иметь склонение δ = 23° 27′ N , прямое восхождение α = 90° и в своём видимом суточном движении опишет на небесной сфере наиболее удалённую от экватора небесную параллель – тропик Рака .
С 22 июня Солнце по спиралеобразной кривой начнёт приближаться к плоскости небесного экватора и 23 сентября придёт в точку осеннего равноденствия . Солнце будет иметь склонение δ = 0, прямое восхождение α = 180°.
С 23 сентября Солнце по спиралеобразной кривой начнёт удаляться от небесного экватора к Южному полюсу и 22 декабря придёт в точку В1. Солнце будет иметь склонение δ = 23° 27′ S , прямое восхождение α = 270° и в своём видимом суточном движении опишет на небесной сфере наиболее удалённую от экватора небесную параллель – тропик Козерога .
С 22 декабря Солнце по спиралеобразной кривой вновь начнёт движение в сторону точки весеннего равноденствия .
Промежуток времени между двумя последовательными прохождениями Солнца через точку весеннего равноденствия есть тропический год . Его продолжительность 365,2422 суток.
Промежуток времени, в течение которого Солнце сделает полный оборот относительно звёзд есть звёздный год . Его продолжительность 365,2564 суток.
Очевидно, что фактически не Солнце движется вокруг Земли, а Земля движется вокруг Солнца, в ту же самую сторону, в которую она вращается вокруг своей оси.
Путь, по которому движется Земля вокруг Солнца, называется земной орбитой, которая представляет собой эллипс, в одном из фокусов которого находится Солнце и плоскость эллипса наклонена на 23° 27′. Точка на орбите, ближайшая к Солнцу, называется перигелий , а точка, наиболее удалённая от Солнца, называется афелий .
Источник
Положение Солнца — Position of the Sun
Положение Солнца в небе является функцией как времени и географического расположения наблюдений на земной поверхности «s. Как околоземные орбиты на Солнце на протяжении более года , Солнце , кажется, двигаться по отношению к неподвижным звездам на небесной сфере , по круговой траектории , называемой эклиптикой .
Вращение Земли вокруг своей оси вызывает суточное движение , так что кажется, что Солнце движется по небу по пути Солнца, который зависит от географической широты наблюдателя . Время, когда Солнце проходит через меридиан наблюдателя, зависит от географической долготы .
Таким образом, чтобы найти положение Солнца в данном месте в данный момент времени, можно проделать следующие три шага:
- вычислить положение Солнца в эклиптической системе координат ,
- преобразовать в экваториальную систему координат , и
- преобразовать в горизонтальную систему координат для местного времени и местоположения наблюдателя.
СОДЕРЖАНИЕ
Примерное положение
Эклиптические координаты
Эти уравнения из Астрономического альманаха можно использовать для расчета видимых координат Солнца , среднего равноденствия и эклиптики даты с точностью около 0 ° 0,01 (36 дюймов) для дат между 1950 и 2050 годами. закодированы в подпрограмму Fortran 90 в Ref. и используются для расчета зенитного угла Солнца и солнечного азимута в наблюдаемом с поверхности Земли.
Начните с вычисления n — количества дней (положительных или отрицательных, включая дробные дни) с полудня по Гринвичу по земному времени 1 января 2000 года ( J2000.0 ). Если известна юлианская дата нужного времени, то
п знак равно J D — 2451545,0 <\ displaystyle n = \ mathrm 
Средняя долгота Солнца, с поправкой на аберрации света , является:
L знак равно 280 460 ∘ + 0,9856474 ∘ п <\ displaystyle L = 280,460 ^ <\ circ>+0.9856474 ^ <\ circ>n>
Средняя аномалия Солнца ( на самом деле, Земли по своей орбите вокруг Солнца, но это удобно делать вид Солнца вокруг Земли), является:
грамм знак равно 357 528 ∘ + 0,9856003 ∘ п <\ displaystyle g = 357,528 ^ <\ circ>+0,9856003 ^ <\ circ>n>
Задайте и в диапазоне от 0 ° до 360 °, добавляя или вычитая кратные 360 ° по мере необходимости. L <\ displaystyle L> грамм <\ displaystyle g>
λ знак равно L + 1,915 ∘ грех грамм + 0,020 ∘ грех 2 грамм <\ displaystyle \ lambda = L + 1,915 ^ <\ circ>\ sin g + 0,020 ^ <\ circ>\ sin 2g>
β знак равно 0 <\ displaystyle \ beta = 0> ,
поскольку эклиптическая широта Солнца никогда не превышает 0,00033 °,
а расстояние от Солнца до Земли в астрономических единицах равно:
р знак равно 1.00014 — 0,01671 потому что грамм — 0,00014 потому что 2 грамм <\ Displaystyle R = 1.00014-0.01671 \ cos g-0.00014 \ cos 2g> .
Наклон эклиптики
Если угол наклона эклиптики нигде не получен, его можно приблизительно определить:
ϵ знак равно 23 439 ∘ — 0,0000004 ∘ п <\ displaystyle \ epsilon = 23,439 ^ <\ circ>-0,0000004 ^ <\ circ>n>
Экваториальные координаты
λ <\ displaystyle \ lambda> , и образуют полное положение Солнца в эклиптической системе координат . Это может быть превращено в экваториальной системе координат пути вычисления наклонения эклиптики , и продолжает: β <\ displaystyle \ beta> р <\ displaystyle R> ϵ <\ displaystyle \ epsilon>
α знак равно арктан ( потому что ϵ загар λ ) <\ Displaystyle \ альфа = \ arctan (\ соз \ эпсилон \ загар \ лямбда)> , где находится в том же квадранте, что и , α <\ displaystyle \ alpha> λ <\ displaystyle \ lambda>
Чтобы получить RA в правом квадранте в компьютерных программах, используйте функцию Arctan с двойным аргументом, такую как ATAN2 (y, x)
α знак равно арктан 2 ( потому что ϵ грех λ , потому что λ ) <\ Displaystyle \ альфа = \ arctan 2 (\ соз \ эпсилон \ грех \ лямбда, \ соз \ лямбда)>
δ знак равно Arcsin ( грех ϵ грех λ ) <\ Displaystyle \ дельта = \ arcsin (\ грех \ эпсилон \ грех \ лямбда)> .
Прямоугольные экваториальные координаты
Правые прямоугольные экваториальные координаты в астрономических единицах равны:
Икс знак равно р потому что λ <\ displaystyle X = R \ cos \ lambda> Y знак равно р потому что ϵ грех λ <\ Displaystyle Y = R \ соз \ эпсилон \ грех \ лямбда> Z знак равно р грех ϵ грех λ <\ Displaystyle Z = р \ грех \ эпсилон \ грех \ лямбда> Где ось находится в направлении мартовского равноденствия , ось — в сторону июньского солнцестояния , а ось — в направлении северного полюса мира . Икс <\ displaystyle X> Y <\ displaystyle Y> Z <\ displaystyle Z>
Горизонтальные координаты
Склонение Солнца с Земли
Обзор
Солнце, кажется, движется на север во время северной весны , пересекая небесный экватор в мартовское равноденствие . Его склонение достигает максимума, равного углу наклона оси Земли (23,44 °) во время июньского солнцестояния , затем уменьшается до минимума (-23,44 °) во время декабрьского солнцестояния , когда его значение является отрицательным для наклона оси. Эта вариация порождает времена года .
Линейный график склонения Солнца в течение года напоминает синусоиду с амплитудой от 23,44 °, а одна лопасти волны на несколько дней дольше , чем другие, среди других отличий.
Следующие явления произошли бы, если бы Земля была идеальной сферой , вращающейся по круговой орбите вокруг Солнца, и если бы ее ось была наклонена на 90 °, так что сама ось находилась в плоскости орбиты (аналогично Урану ). На одну дату в год, Солнце будет прямо над головой на Северный полюс , поэтому его склонение будет + 90 °. В течение следующих нескольких месяцев подсолнечная точка будет двигаться к Южному полюсу с постоянной скоростью, пересекая круги широты с постоянной скоростью, так что склонение Солнца будет линейно уменьшаться со временем. В конце концов, Солнце окажется прямо над Южным полюсом со склонением -90 °; тогда он начнёт двигаться на север с постоянной скоростью. Таким образом, график солнечного склонения, если смотреть с этой сильно наклоненной Земли, будет напоминать треугольную волну, а не синусоидальную волну, зигзагообразную между плюсами и минусами 90 °, с линейными сегментами между максимумами и минимумами.
Если осевой наклон на 90 ° уменьшается, то абсолютные максимальное и минимальное значения наклона уменьшатся, чтобы равняться осевому наклону. Кроме того, формы максимумов и минимумов на графике станут менее острыми, изогнувшись, чтобы напоминать максимумы и минимумы синусоидальной волны. Однако даже когда осевой наклон равен наклону реальной Земли, максимумы и минимумы остаются более острыми, чем у синусоидальной волны.
На самом деле, орбита Земли является эллиптической . Земля движется вокруг Солнца около перигелия в начале января быстрее , чем около афелия в начале июля. Это заставляет процессы, подобные изменению солнечного склонения, происходить в январе быстрее, чем в июле. На графике это делает минимумы более острыми, чем максимумы. Кроме того, поскольку перигелий и афелий не происходят в точные даты солнцестояний, максимумы и минимумы слегка асимметричны. Темпы изменений до и после не совсем равны.
Поэтому график видимого склонения Солнца по-разному отличается от синусоидальной волны. Как показано ниже, его точное вычисление связано с некоторыми трудностями.
Расчеты
Наклонение Солнца , δ ☉ , — это угол между лучами Солнца и плоскостью экватора Земли. Наклон оси Земли ( астрономы называют ее наклоном эклиптики ) — это угол между осью Земли и линией, перпендикулярной орбите Земли. Наклон оси Земли медленно меняется в течение тысяч лет, но его текущее значение ε = 23 ° 26 ‘почти постоянно, поэтому изменение солнечного склонения в течение одного года почти такое же, как и в течение следующего года.
Во время солнцестояний угол между лучами Солнца и плоскостью экватора Земли достигает максимального значения 23 ° 26 ‘. Следовательно, δ ☉ = + 23 ° 26 ‘в день северного летнего солнцестояния и δ ☉ = -23 ° 26′ в период южного летнего солнцестояния.
В момент каждого равноденствия центр Солнца, кажется, проходит через небесный экватор , а δ ☉ равно 0 °.
Склонение Солнца в любой момент рассчитывается по формуле:
δ ⊙ знак равно Arcsin [ грех ( — 23,44 ∘ ) ⋅ грех ( E L ) ] <\ displaystyle \ delta _ <\ odot>= \ arcsin \ left [\ sin \ left (-23,44 ^ <\ circ>\ right) \ cdot \ sin \ left (EL \ right) \ right]>
где EL — долгота эклиптики (по сути, положение Земли на ее орбите). Поскольку эксцентриситет земной орбиты невелик, ее орбиту можно аппроксимировать как круг, что вызывает ошибку до 1 °. Приближение круга означает, что EL будет на 90 ° впереди солнцестояний на орбите Земли (в дни равноденствия), так что sin (EL) можно записать как sin (90 + NDS) = cos (NDS), где NDS — количество дни после декабрьского солнцестояния. Также используя приближение, что arcsin [sin (d) · cos (NDS)] близко к d · cos (NDS), получается следующая часто используемая формула:
δ ⊙ знак равно — 23,44 ∘ ⋅ потому что [ 360 ∘ 365 ⋅ ( N + 10 ) ] <\ displaystyle \ delta _ <\ odot>= — 23,44 ^ <\ circ>\ cdot \ cos \ left [<\ frac <360 ^ <\ circ>> <365>> \ cdot \ left (N + 10 \ right )\верно]>
где N — день года, начинающийся с N = 0 в полночь по всемирному времени (UT), когда начинается 1 января (т.е. часть дней в порядковой дате -1). Число 10 в (N + 10) — это приблизительное количество дней после декабрьского солнцестояния до 1 января. Это уравнение переоценивает склонение около сентябрьского равноденствия до + 1,5 °. Аппроксимация синусоидальной функции сама по себе приводит к ошибке до 0,26 ° и не рекомендуется для использования в приложениях солнечной энергии. Формула Спенсера 1971 года (основанная на ряде Фурье ) также не рекомендуется из-за ошибки до 0,28 °. Дополнительная ошибка до 0,5 ° может возникнуть во всех уравнениях для равноденствий, если не использовать десятичный разряд при выборе N для корректировки времени после полуночи UT для начала этого дня. Таким образом, приведенное выше уравнение может иметь погрешность до 2,0 °, что примерно в четыре раза больше угловой ширины Солнца, в зависимости от того, как оно используется.
Склонение можно более точно рассчитать, если не делать двух приближений, используя параметры орбиты Земли для более точной оценки EL:
δ ⊙ знак равно Arcsin [ грех ( — 23,44 ∘ ) ⋅ потому что ( 360 ∘ 365,24 ( N + 10 ) + 360 ∘ π ⋅ 0,0167 грех ( 360 ∘ 365,24 ( N — 2 ) ) ) ] <\ displaystyle \ delta _ <\ odot>= \ arcsin \ left [\ sin \ left (-23,44 ^ <\ circ>\ right) \ cdot \ cos \ left (<\ frac <360 ^ <\ circ>> < 365,24>> \ left (N + 10 \ right) + <\ frac <360 ^ <\ circ>> <\ pi>> \ cdot 0,0167 \ sin \ left (<\ frac <360 ^ <\ circ>> <365,24 >> \ left (N-2 \ right) \ right) \ right) \ right]>
который можно упростить, оценив константы до:
δ ⊙ знак равно — Arcsin [ 0,39779 потому что ( 0,98565 ∘ ( N + 10 ) + 1,914 ∘ грех ( 0,98565 ∘ ( N — 2 ) ) ) ] <\ displaystyle \ delta _ <\ odot>= — \ arcsin \ left [0,39779 \ cos \ left (0,98565 ^ <\ circ>\ left (N + 10 \ right) +1,914 ^ <\ circ>\ sin \ left ( 0,98565 ^ <\ circ>\ left (N-2 \ right) \ right) \ right) \ right]>
N — количество дней с полуночи UT, когда начинается 1 января (т. Е. Часть дней в порядковой дате -1), и может включать десятичные дроби для корректировки на местное время позже или раньше в течение дня. Число 2 в (N-2) — это приблизительное количество дней до перигелия Земли после 1 января . Число 0,0167 — текущее значение эксцентриситета орбиты Земли. Эксцентриситет очень медленно меняется во времени, но для дат, довольно близких к настоящему, его можно считать постоянным. Наибольшие ошибки в этом уравнении составляют менее ± 0,2 °, но менее ± 0,03 ° для данного года, если число 10 корректируется в большую или меньшую сторону в дробных днях, в зависимости от того, насколько далеко декабрьское солнцестояние предыдущего года произошло до или после. полдень 22 декабря. Эти точности сравниваются с продвинутыми расчетами NOAA, которые основаны на алгоритме Жана Миуса 1999 года с точностью до 0,01 °.
(Приведенная выше формула связана с достаточно простым и точным вычислением уравнения времени , которое описано здесь .)
Более сложные алгоритмы корректируют изменения эклиптической долготы, используя термины в дополнение к поправке на эксцентриситет 1-го порядка, описанной выше. Они также исправляют наклон 23,44 °, который очень незначительно меняется со временем. Поправки также могут включать влияние Луны на смещение положения Земли от центра орбиты пары вокруг Солнца. После определения склонения относительно центра Земли применяется дополнительная поправка на параллакс , которая зависит от расстояния наблюдателя от центра Земли. Эта поправка меньше 0,0025 °. Погрешность вычисления положения центра Солнца может быть менее 0,00015 °. Для сравнения, ширина Солнца около 0,5 °.
Атмосферная рефракция
Вышеописанные расчеты склонения не включают эффекты преломления света в атмосфере, из-за которых видимый угол возвышения Солнца, видимый наблюдателем, оказывается выше фактического угла возвышения, особенно при малых возвышениях Солнца. Например, когда Солнце находится на высоте 10 °, кажется, что оно находится под углом 10,1 °. Наклонение Солнца может использоваться вместе с его прямым восхождением для расчета его азимута, а также его истинного возвышения, которое затем может быть скорректировано на преломление, чтобы определить его видимое положение.
Уравнение времени
В дополнение к ежегодному колебанию видимого положения Солнца с севера на юг, соответствующему описанному выше изменению его склонения, существует также меньшее, но более сложное колебание в направлении восток-запад. Это вызвано наклоном оси Земли, а также изменениями скорости ее орбитального движения вокруг Солнца, вызванными эллиптической формой орбиты. Основными эффектами этого колебания с востока на запад являются изменения во времени таких событий, как восход и закат, а также в чтении солнечных часов по сравнению с часами, показывающими местное среднее время . Как показано на графике, солнечные часы могут быть быстрее или медленнее примерно на 16 минут по сравнению с часами. Поскольку Земля вращается со средней скоростью в один градус каждые четыре минуты относительно Солнца, это 16-минутное смещение соответствует сдвигу на восток или запад примерно на четыре градуса видимого положения Солнца по сравнению с его средним положением. Смещение на запад заставляет солнечные часы опережать время.
Поскольку основной эффект этого колебания касается времени, его называют уравнением времени , используя слово «уравнение» в несколько архаичном смысле, означающем «исправление». Колебания измеряются в единицах времени, минутах и секундах, что соответствует количеству, на которое солнечные часы опережают часы. Уравнение времени может быть положительным или отрицательным.
Аналемма
Аналемма представляет собой диаграмма , которая показывает годовые изменения положения Солнца на небесной сфере , относительно среднего положения, как видно из фиксированного места на Земле. (Слово аналемма также иногда, но редко, используется в других контекстах.) Его можно рассматривать как изображение видимого движения Солнца в течение года , которое напоминает восьмерку. Аналемму можно изобразить, наложив фотографии, сделанные в одно и то же время дня с разницей в несколько дней в течение года .
Аналемму также можно рассматривать как график склонения Солнца , обычно отображаемый вертикально, против уравнения времени , нанесенного горизонтально. Обычно масштабы выбираются так, чтобы равные расстояния на диаграмме представляли равные углы в обоих направлениях на небесной сфере. Таким образом, 4 минуты (точнее 3 минуты 56 секунд) в уравнении времени представлены таким же расстоянием, как 1 ° в склонении , поскольку Земля вращается со средней скоростью 1 ° каждые 4 минуты относительно Солнца. .
Аналемма нарисована так, как если бы наблюдатель смотрел вверх на небе. Если вверху показан север , то справа — запад . Обычно это делается даже тогда, когда аналемма отмечена на географическом глобусе , на котором континенты и т. Д. Показаны с запада влево.
Некоторые аналеммы отмечены, чтобы показать положение Солнца на графике в разные даты с интервалом в несколько дней в течение года. Это позволяет аналемме , которые будут использоваться , чтобы сделать простые аналоговые вычисления величин , такими как время и азимуты от восхода и захода солнца . Аналеммы без даты используются для корректировки времени, показываемого солнечными часами .
Источник