ПРИМЕРНАЯ ПРОГРАММА
ДИСЦИПЛИНЫ
«СФЕРИЧЕСКАЯ АСТРОНОМИЯ»
Для специальности:
010900 Астрономия
Организационно-методический раздел.
Цель программы.
Данная программа по дисциплине «Сферическая астрономия» предназначена для подготовки бакалавров, специалистов и магистров по специальности 010900 – «Астрономия». Ее назначение – способствовать формированию у студентов фундаментальных представлений о координатно-временных измерениях в астрономии. Особенностью программы является исчерпывающее изложение современных методов редукции наблюдений.
Задачи курса.
Курс «Сферическая астрономия» является одним из базовых общеобразовательных курсов астрономической специальности. В нем формулируется главная задача сферической астрономии как одного из разделов астрометрии - определение положения наблюдателя в пространстве и во времени, а также изучаются вопросы, связанные с взаимным расположением различных объектов на небесной сфере.
Курс делится на шесть частей. Первая часть курса посвящена определению систем координат на небесной сфере и преобразованию координат вектора из одной системы в другую с использованием как формул сферической тригонометрии, так и с помощью матриц вращения. Вопросы определения систем координат и вывод формул преобразования составляют основу сферической астрономии.
Во второй части рассматриваются различные шкалы времени, используемые в современной астрометрии. Так как сферические координаты объектов наблюдения меняются со временем, необходимо задать единицы измерения времени, и, кроме того, определить промежуток времени между какими-либо явлениями. Принципы исчисления времени также рассматриваются во второй части. Определяются понятия: юлианская дата, юлианский год, эпоха каталога, эпоха равноденствия, стандартная эпоха, даются основы построения календаря. Здесь же рассматриваются причины неравномерности шкалы всемирного времени, связанные с неравномерностью вращения Земли.
Третья часть курса посвящена определению топоцентрической, геоцентрической, гелиоцентрической и барицентрической систем координат. Особое внимание уделяется вопросу определения земной системы координат на основе современных наблюдений на радиоинтерферометрах со сверхдлинными базами (РСДБ). Определяются геодезические, геоцентрические и астрономические координаты и устанавливается связь между ними.
Четвертая часть курса посвящена вопросам исправления наблюдаемых координат и приведению их к барицентрической системе. Подробно рассматриваются явления рефракции, аберрации и параллакса. Так как основную астрометрическую информацию дают радиометоды, то большое внимание уделено учету радиорефракции. В отличие от прежних курсов по сферической астрономии в данной части приводятся формулы точного учета аберрации и параллактического смещения.
После исправления координат источника от влияния рефракции, аберрации и параллакса получают его истинные, относящиеся к моменту наблюдения, координаты. Для приведения координат источника к стандартной эпохи необходимо учесть прецессию и нутацию земной оси в пространстве. Основы теории прецессии и нутации, учет влияния этих явлений при координатных измерениях (т.е. приведение координат от одного равноденствия к другому) даются в пятой части курса.
В шестой части курса рассматриваются основы метода РСДБ, дается характеристика небесной и земной систем координат, которые задаются координатами радиоисточников и радиотелескопов, соответственно. Рассматриваются также особенности редукции наблюдений на радиоинтерферометрах со сверхдлинными базами. Обсуждаются проблемы, связанные со стабильностью реализованной и будущей небесной системы координат.
Место курса в системе социогуманитарного образования.
Курс имеет мировоззренческую, а также прикладную направленность и дает наиболее общие представления о методах и способах определения положения наблюдателя во времени и пространстве. Быстрый рост точности наблюдений требует все более сложных методов редукции, а также учета все более слабых эффектов, которые искажают положение источника на небе. Обсуждение имеющихся данных, а также перспективных астрометрических проектов помогает сформировать у студентов способность оценивать достоверность выводов, применить астрометрические данные в других областях астрономии.
Требования к уровню освоения содержания курса.
После прослушивания курса студент должен знать:
основные системы сферических координат и уметь преобразовывать координаты вектора из одной системы в другую;
определение основных шкал времени, которые используются в астрономии и повседневной жизни: звездной шкалы, всемирной, всемирной координированной, атомной и динамической; уметь преобразовывать момент наблюдения из одной шкалы в другую;
основные причины неравномерности шкалы всемирного времени;
основы построения земной и небесной систем координат; уметь преобразовывать геодезические координаты в геоцентрические и обратно;
методы учета рефракции в оптическом и радиодиапазоне;
причины параллактического и аберрационного смещений координат источника; уметь исправить координаты от влияния параллакса и аберрации;
основные методы определения параллаксов;
основы теории прецессии и нутации, уметь приводить координаты источника от одного равноденствия к другому;
основы построения Астрономического Ежегодника и уметь использовать его при редукции наблюдений.
II. Содержание курса.
1. Основы сферической астрономии.
Введение.
Предмет сферической астрономии и межпредметные связи курса. Краткий исторический обзор развития сферической астрономии как раздела астрометрии.
Структура курса. Основные задачи, решаемые сферической астрономией: определение сферических систем координат, определение шкал времени и единиц времени, преобразование между системами координат и между шкалами времени, учет эффектов, искажающих положение небесных объектов. Рост точности наблюдений и точность редукционных вычислений.
Основы сферической тригонометрии.
Основные понятия: небесная сфера, основные круги и точки на небесной сфере, двугранный угол, сферический треугольник. Основные свойства сферического треугольника. Вывод основных формул сферической тригонометрии: формул синусов, косинусов и подобия. Сферические и прямоугольные координаты точки на небесной сфере.
2. Определение шкал времени.
Шкалы времени.
Кульминация звезды. Определение момента прохождения источника через меридиан. Солнечное истинное и среднее время. Уравнение времени. Всемирное время. Системы Всемирного времени: UT0, UT1, UT2, Всемирное координированное UTC. Атомное время. Принцип формирования шкалы атомного времени. Стабильность шкалы атомного времени. Атомная секунда (секунда СИ).
Местное, поясное и декретное время. Часовые пояса.
Звездное время: истинное и среднее. Связь Всемирного и звездного времени. Вычисление истинного или среднего звездного времени по местному времени и обратно.
Динамические шкалы времени. Эфемеридное время. Эфемеридная секунда. Барицентрическое и земное динамическое время. Преобразование от шкалы Всемирного времени к барицентрическому динамическому времени.
Пульсарная шкала времени. Стабильность пульсарной шкалы времени.
Летосчисление. Юлианская дата. Юлианский год. Тропический и звездный год.
Неравномерность вращения Земли.
Причины изменения угловой скорости вращения Земли. Вековые, декадные, периодические изменения продолжительности суток. Движение полюса. Редукция за движение полюса.
3. Определение координатных систем на небе и Земле.
Позиционная астрономия.
Горизонтальная, экваториальная, эклиптическая и галактическая системы координат. Определение основных кругов и точек. Выделенные направления: отвесная линия и ось вращения Земли. Определение координат: азимута и высоты источника над горизонтом, прямого восхождения и склонения, эклиптической долготы и широты, галактической долготы и широты. Определение начала отсчета прямых восхождений. Определение эклиптики.
Преобразование координат из одной системы в другую. Углы Эйлера. Матрицы преобразования координат.
Топоцентрическая, геоцентрическая, гелиоцентрическая и барицентрическая системы координат. Понятие о небесной (ICRS) и земной (ITRS) системах координат. Изменение координат наземных пунктов. Модели тектонического движения плит.
Основные параметры фигуры Земли. Геоид и референц-эллипсоид. Определение геодезических координат. Связь геодезических координат с геоцентрическими. Астрономические координаты и локальное отклонение отвесной линии.
Определение барицентрической системы. Основные сведения о эфемеридах DE200/LE200, DE403/LE403.
Структура Астрономического Ежегодника.
Суточное вращение небесной сферы. Восход и заход звезд.