Rozdział 7
Pomiary rektascensji i deklinacji
Streszczenie
Podstawowe tzw. absolutne obserwacje poło˙ze´n gwiazd wykonywane s ˛
a m.in. przy u˙zyciu koła południ-
kowego lub jego odmiany — instrumentu przej´sciowego. Obserwacje te polegaj ˛
a na odczycie momentu
czasu i wysoko´sci w momencie kulminacji górnej gwiazdy. Ze wzgl˛edu na nieuniknione bł˛edy instrumen-
talne surowe obserwacje s ˛
a korygowane z pomoc ˛
a szeregu poprawek jak: poprawka zegara, bł ˛
ad odczytu koła
deklinacyjnego, poprawka nieprostopadło´sci osi optycznej lunety do osi poziomej narz˛edzia, poprawki z racji
niedokładnej orientacji osi instrumentu w stosunku do układu horyzontalnego. Inne poprawki dotycz ˛
a prze-
j´scia topo-geo, a wi˛ec s ˛
a to poprawki na refrakcj˛e, aberracj˛e dobow ˛
a a je´sli trzeba uwzgl˛ednia si˛e poprawk˛e
z tytułu paralaksy geocentrycznej. Wreszcie, poniewa˙z narz˛edzie południkowe ustawiane jest wzgl˛edem
chwilowego bieguna ´swiata podczas redukcji rezultatów obserwacji uwzgl˛edniany jest tzw. ruch biegunów
poci ˛
agaj ˛
acy zmiany szeroko´sci i długo´sci miejsca ustawienia narz˛edzia. (Chodzi tu o efekt przemieszcza-
nia si˛e skorupy ziemskiej wzgl˛edem nieruchomej osi obrotu.) Ze wzgl˛edu na specyfik˛e obserwacji połud-
nikowych (zerowy k ˛
at godzinny obiektu) wyra˙zenia na redukcj˛e obserwowanych warto´sci
0
;
Æ
0
s ˛
a proste i
mog ˛
a ujmowa´c szereg wpływów jednocze´snie. Inaczej ma si˛e sprawa z kołem wewrtykalnym, gdzie rejestru-
jemy moment czasu i wysoko´s´c gwiazdy w chwili przej´scia przez pierwszy wertykał.
Inne narz˛edzia jak astrolabia Danjon’a i fotograficzny teleskop zenitalny równie˙z nadaj ˛
a si˛e do wyznaczenia
absolutnych poło˙ze´n ciał niebieskich. Instrumenty te cechuje wyj ˛
atkowo niewielki bł ˛
ad powodowany me-
chanicznym ugi˛eciem narz˛edzia. Ale umo˙zliwiaj ˛
a obserwowanie gwiazd poło˙zonych w ograniczonym ob-
szarze sfery. Fotograficzny teleskop zenitalny słu˙zy głównie do badania zmian szeroko´sci i czasu gwiaz-
dowego, zmian powodowanych ruchami biegunów i nieregularno´sci ˛
a wirowania bryły ziemskiej. Astrolabia
Danjon’a doskonale nadaje si˛e do powi ˛
azania poło˙ze´n gwiazd rozrzuconych po całej sferze i wykrywania
systematycznych bł˛edów w fundamentalnych katalogach gwiazd.
Słowa kluczowe: locus apparens, koło południkowe, astrolabia Danjon’a, fotograficzny teleskop zenitalny,
koło wertykalne, ruch biegunów.
86
Pomiary rektascensji i deklinacji
a)
b)
δ
h
φ
W
Z
A
B
δ
00
11
S
E
N
W
P
Z
φ
G
Rysunek 7.1: Koło południkowe: a) zasada ustawienia monta˙zu koła południkowego: o´s wysoko´s-
ciowa (pozioma) biegnie wzdłu˙z linii wschód-zachód, narz˛edzie nie posiada osi azymytalnej, b)
układ nitek w okularze typowego narz˛edzia południkowego; obraz gwiazdy po naprowadzeniu go
na nitk˛e poziom ˛
a (pomiar
Æ
); na skutek ruchu dobowego sfery, obraz gwiazdy przechodzi przez
kolejne nitki pionowe (pomiar
).
7.1
Wst˛ep
Omówimy sposoby wyznaczania współrz˛ednych równikowych
;
Æ
ciał niebieskich za pomoc ˛
a klasycznego
instrumentu astrometrycznego — koła południkowego. Nie podamy jego pełnej teorii, ograniczymy si˛e je-
dynie do przedstawienia zasady obserwacji i kilku podstawowych poprawek instrumentalnych tego narz˛edzia.
Bł˛edy instrumentalne ka˙zdego teleskopu astronomicznego dziel ˛
a si˛e na:
bł˛edy pochodz ˛
ace z niedoskonało´sci samego instrumentu,
bł˛edy wynikaj ˛
ace z niedoskonało´sci monta˙zu.
Te ostatnie maj ˛
a czysto geometryczny charakter i s ˛
a wyznaczane metodami astronomii sferycznej.
Poprawianie obserwacji na bł˛edy instrumentalne robione jest niemal zawsze razem z poprawkami na
refrakcj˛e, aberracj˛e dobow ˛
a i paralaks˛e geocentryczn ˛
a. Skorygowane w taki sposób współrz˛edne geocen-
tryczne ciała okre´slane s ˛
a mianem współrz˛ednych widomych (locus apparens). Ich formalna definicja jest
nast˛epuj ˛
aca: współrz˛edne widome (pozorne) ciała na dany moment czasu
T
0
s ˛
a to jego współrz˛edne na sferze
geocentrycznej, odniesione do prawdziwego równika i równonocy na ten sam moment czasu
T
0
. A zatem,
jako geocentryczne, s ˛
a to współrz˛edne niezale˙zne od konkretnego obserwatora, zmieniaj ˛
a si˛e jednak z czasem
i to do´s´c szybko, w szczególno´sci z powodu aberracji rocznej i precesji.
Współrz˛edne widome dla 1535 gwiazd s ˛
a publikowane w The Apparent Places of the Fundamental Stars
przez Astronomiczny Instytut Obliczeniowy w Heidelbergu, z przeznaczeniem dla obserwatorów połud-
nikowych. Warto´sci poło˙ze´n podane s ˛
a tam z dziesi˛eciodniowym krokiem.
7.2
Koło południkowe — zasada pomiaru rektascensji i dekli-
nacji
Koło południkowe nale˙zy do grupy instrumentów przej´sciowych. Jest to keplerowska luneta wyposa˙zona w
monta˙z pozwalaj ˛
acy na obrót lunety wokól jednej osi równoległej do horyzontu. Je˙zeli o´s obrotu umieszc-
zona jest wzdłu˙z linii wschód-zachód, instrument nosi nazw˛e koła południkowego (rysunek 7.1a). Nazwa
”instrument przej´sciowy”– w pewnym sensie mówi nam o zasadzie pomiaru jednej ze współrz˛ednych. W
okularze typowego instrumentu przej´sciowego mamy szereg pionowych nitek rozmieszczonych w pewnych
odst˛epach (rysunek 7.1b). Obserwacja polega na rejestrowaniu momentów przej´scia obrazu gwiazdy przez
poszczególne nitki. Warto´s´c ´srednia tych momentów czasu brana jest jako moment przej´scia gwiazdy przez
południk. Moment ´sredni odpowiada przej´sciu przez wirtualn ˛
a nitk˛e ´sredni ˛
a poło˙zon ˛
a bardzo blisko nitki
centralnej okularu koła południkowego.
Niech
T
b˛edzie czasem gwiazdowym przej´scia gwiazdy przez nitk˛e ´sredni ˛
a wyznaczonym za pomoc ˛
a
obserwatoryjnego zegara gwiazdowego. Je˙zeli poprawka zegara wynosi
T
to obserwowana rektascensja
7.2 Koło południkowe — zasada pomiaru rektascensji i deklinacji
87
P
Z
P
Z
Horyzont
Rownik
W
a
m
90-n
90-b
W’
a)
N
S
b)
90-m
90+a
W’
90-b
90−φ
90-n
Rysunek 7.2: Bł˛edy ustawienia koła południkowego: o´s instrumentu przebija sfer˛e w punkcie W’
zamiast W; poło˙zenie punktu W’ wzgl˛edem W okre´slone jest par ˛
a małych k ˛
atów
(a;
b)
lub
(m;
n)
.
równa si˛e
0
=
T
+
T
(7.1)
Poprawk˛e
T
mo˙zna wyznaczy´c porównuj ˛
ac zegar obserwatoryjny z radiowymi sygnałami czasu. Te za´s
emitowane s ˛
a w skali czasu słonecznego UT, st ˛
ad trzeba b˛edzie dokonywa´c zamiany czasu słonecznego na
gwiazdowy w Greenwich, np. korzystaj ˛
ac z odpowiednich tabel Rocznika Astronomicznego. Miejscowy
czas gwiazdowy otrzymamy ze wzoru
C
GM
=
C
G
+
(7.2)
gdzie
C
G
— czas gwiazdowy w Greenwich,
długo´s´c geograficzna instrumentu. Musimy zatem a priori
zna´c dokładn ˛
a długo´s´c geograficzn ˛
a, czego zasadniczo nie mo˙zna oczekiwa´c, gdy˙z współrz˛edne geograficzne
instrumentu nieustannie doznaj ˛
a drobnych zmian wskutek ruchów biegunów ziemskich.
Kiedy gwiazda przebiega w polu widzenia lunety (rysunek 7.1b) wysoko´s´c instrumentu nale˙zy nastawi´c
w taki sposób by nitka horyzontalna rozdwajała obraz gwiazdy. Gwarantuje to precyzyjny pomiar deklinacji
bowiem w momencie przej´scia przez południk wysoko´s´c gwiazdy jest sum ˛
a jej deklinacji i k ˛
ata
(90
Æ
)
(rysunek 7.1a). Dlatego bezpo´srednio z kół podziałowych narz˛edzia mo˙zna odczyta´c deklinacj˛e
D
gwiazdy.
Ostateczny rezultat dostajemy po uwzgl˛ednieniu poprawki
d
reprezentuj ˛
acej bł˛edy w ustawieniu koła podzi-
ałowego instrumentu
Æ
0
=
D
+
d
(7.3)
Podczas obrotu instrumentu przej´sciowego wokół jego osi, ka˙zdy punkt przeci˛ecia nitki poziomej z pio-
nowymi opisuje na sferze niebieskiej krzyw ˛
a. Krzywe te s ˛
a wzajemnie równoległymi małymi kołami o
płaszczyznach prostopadłych do osi rotacji instrumentu. Równoległe do nich koło wielkie definiuje tzw.
płaszczyzn˛e kolimacji instrumentu. Je´sli nitki byłyby uło˙zone idealnie, płaszczyzna ta pokrywałaby si˛e z
nitk ˛
a ´sredni ˛
a. W praktyce tak jednak nie jest i nitka ´srednia przemieszczona jest wzgl˛edem płaszczyzny
kolimacji o mały k ˛
at
, zwany stał ˛
a kolimacji. Jest on dodatni je´sli ´srednia nitka znajduje si˛e na wschód od
płaszczyzny kolimacji.
Przedłu˙zenie osi instrumentu przebija sfer˛e w dwóch wzajemnie przeciwległych punktach E’ i W’ (punkty
osiowe). W przypadku doskonałego instrumentu pokrywaj ˛
a si˛e one z kardynalnymi punktami wschodu i za-
chodu. Nieprawidłowo´s´c poło˙zenia punktów osiowych instrumentu opisana jest dwoma parametrami: w
azymucie tzw. stał ˛
a azymutaln ˛
a
a
, natomiast w kierunku wertykalnym stał ˛
a wysoko´sci
b
. Na rysunku 7.2,
obie stałe maj ˛
a warto´sci dodatnie. Zdefiniowane s ˛
a jako
a
=
W
Z
W
0
b
=
90
Æ
Z
W
0
(7.4)
Pi˛ecioma błedami
(T
;
d;
;
a;
b)
zajmiemy si˛e w dalszej dyskusji koła południkowego. Zakładamy o nich
jeszcze, ˙ze s ˛
a to małe wielko´sci, co dla dobrze zjustowanych narz˛edzi rzeczywi´scie ma miejsce.
88
Pomiary rektascensji i deklinacji
Bł˛edy ustawienia osi instrumentu cz˛esto wygodniej jest wyrazi´c we współrz˛ednych równikowych ani˙zeli
w horyzontalnych. W tym celu wprowadzadzono wielko´sci
m;
n
, poprawki w rektascensji i deklinacji,
okre´slaj ˛
ace odchylenie punktu W’ od punktu zachodu W.
m
=
W
P
W
0
n
=
90
Æ
P
W
0
(7.5)
Oba zestawy poprawek
(m;
n)
i
(a;
b)
daj ˛
a si˛e powi ˛
aza´c poprzez rozwi ˛
azanie trójk ˛
ata sferycznego PZW’.
Je´sli (patrz rysunek 7.2):
P
W
0
=
90
Æ
n
W
0
Z
=
90
Æ
b
P
Z
=
90
Æ
W
0
P
Z
=
90
Æ
m
W
0
Z
P
=
90
Æ
+
a
to za pomoc ˛
a cztero-elementowej formuły cotangensowej otrzymamy
os
(90
Æ
)
os
(90
Æ
+
a)
=
=
sin
(90
Æ
)
ot
(90
Æ
b)
sin
(90
Æ
+
a)
ot
(90
Æ
m)
czyli
sin
sin
a
=
os
tan
b
os
a
tan
m
co redukuje si˛e do
tan
m
=
tan
a
sin
+
tan
b
se
a
os
(7.6)
Wielko´s´c
n
wyznaczymy z trójk ˛
ata PZW’ z rysunku 7.2, ze wzoru cosinusów mamy
sin
n
=
sin
b
sin
sin
a
os
b
os
(7.7)
a przy zało˙zeniu, ˙ze poprawki
m;
n;
a;
b
s ˛
a małe, w równaniach (7.6), (7.7) mo˙zna skorzysta´c z przybli˙zenia
małych k ˛
atów i wówczas
m
=
a
sin
+
b
os
n
=
b
sin
a
os
(7.8)
Stałe instrumentalne
m;
n;
zwykle wyra˙zone s ˛
a w mierze czasowej bowiem potrzebne s ˛
a przy redukcji
obserwacji współrz˛ednej rektascensji. Jedynie stał ˛
a poprawk˛e deklinacyjn ˛
a
d
podaje si˛e w sekundach łuku.
7.3
Usuwanie wpływów instrumentalnych w kole południkowym
Niech
0
;
Æ
0
b˛ed ˛
a współrz˛ednymi uzyskanymi z obserwowanej rektascensji i deklinacji po uwzgl˛ednieniu
jedynie bł˛edów pomiaru czasu oraz odczytu koła podziałowego,
T
i
d
odpowiednio.
Niech
;
Æ
b˛ed ˛
a dokładnymi warto´sciami współrz˛ednych obserwowanej gwiazdy, takimi, które zmier-
zono instrumentem idealnym. W przypadku braku refrakcji byłyby one od razu współrz˛ednymi topocen-
trycznymi. Na rysunku 7.3 przyjmijmy, ˙ze X oznacza poło˙zenie gwiazdy na sferze w momencie jej przej´scia
przez ´sredni ˛
a nitk˛e (południk instrumentu). Jak wida´c, nast ˛
apiło to nieco wcze´sniej ani˙zeli przej´scie przez
południk prawdziwy, mianowicie, o interwał czasu
=
0
(7.9)
Wyrazimy
poprzez poprawki
m;
n
, w tym celu rozwa˙zmy trójk ˛
at sferyczny PXW’. Z definicji stałych
instrumentalnych wynika, ˙ze
P
W
0
=
90
Æ
n
W
0
X
=
90
Æ
+
W
0
P
X
=
90
Æ
m
+
7.3 Usuwanie wpływów instrumentalnych w kole południkowym
89
90−
δ
’
90−
δ
90−
δ
’
90−
δ
b)
W’
P
90−n
O
X
90
c
W
E
P
Z
W’
X
90+c
τ
S
horyzont
rownik
a)
m
90−n
τ
90−m+
Rysunek 7.3: Z powodu niedokładnego ustawienia koła południkowego jak i bł˛edu kolimacji
lunety, gwiazda
X
góruje wzgl˛edem południka instrumentalnego o interwał
za wcze´snie.
Dalej mamy
P
X
=
90
Æ
Æ
, a po zastosowaniu wzoru cosinusów do boku
90
Æ
+
sin
=
sin
n
sin
Æ
+
os
n
os
Æ
sin
(m
)
co w przybli˙zeniu małych k ˛
atów redukuje si˛e do
=
0
=
m
+
n
tan
Æ
+
se
Æ
(7.10)
Jest to formuła Bessel’a, pozwalaj ˛
aca na obliczenie rektascensji wolnej od bł˛edów instrumentalnych.
Poszukajmy teraz analogicznego zwi ˛
azku na ró˙znic˛e
(Æ
Æ
0
)
. K ˛
at sferyczny PW’X jest w prosty sposób
zwi ˛
azany z odczytem koła deklinacyjnego. Przy odpowiednim wyborze punktu zerowego mo˙zna napisa´c
P
W
0
X
=
90
Æ
Æ
0
(7.11)
Wówczas, rzeczywista deklinacja (korzystamy ze wzoru cosinusów) wynosi
sin
Æ
=
sin
n
sin
+
os
n
os
sin
Æ
0
(7.12)
Poniewa˙z, jak si˛e za chwil˛e przekonamy,
Æ
ró˙zni si˛e od
Æ
0
jedynie wyrazami drugiego rz˛edu, w praktyce jest
wi˛ec oboj˛etne, która z tych deklinacji zostanie podstawiona do wzoru (7.10) na poprawk˛e
.
Ale podczas wyznaczenia warto´sci samego
Æ
mo˙ze by´c koniecznym wprowadzenie wyrazów drugiego
rz˛edu. Dlatego wyznaczymy te wyrazy, i w tym celu w równaniu (7.12) połó˙zymy
Æ
=
Æ
0
+
,
sin(Æ
0
+
)
=
sin
Æ
0
os
+
os
Æ
0
sin
=
sin
n
sin
+
os
n
os
sin
Æ
0
rozwijaj ˛
ac funkcje trygonometryczne z k ˛
atami
n
i
w szeregi pot˛egowe, bior ˛
ac jedynie po dwa pierwsze
wyrazy
sin
Æ
0
os
+
os
Æ
0
sin
=
=
n
1
6
n
3
1
6
3
+
1
1
2
n
2
1
1
2
2
sin
Æ
0
odrzucaj ˛
ac wyrazy rz˛edu wy˙zszego ni˙z drugi ze wzgl˛edu na
n
i
, otrzymamy
sin
Æ
0
os
+
os
Æ
0
sin
=
n
+
sin
Æ
0
1
2
(n
2
+
2
)
sin
Æ
0
a po podzieleniu stronami przez
sin
Æ
0
b˛edzie
os
+
ot
Æ
0
sin
=
n
sin
Æ
0
+
1
1
2
(n
2
+
2
)
90
Pomiary rektascensji i deklinacji
A je˙zeli
jest dostatecznie małe to
1
+
ot
Æ
0
=
n
sin
Æ
0
+
1
1
2
(n
2
+
2
)
=
n
os
Æ
0
1
2
(n
2
+
2
)
tan
Æ
0
Æ
0
Æ
=
0:5
(n
2
+
2
)
tan
Æ
0
+
n
se
Æ
0
Poniewa˙z w rozwini˛eciu u˙zywano radianów, przej´scie do jednostek praktycznych wymaga wprowadzenia
dodatkowych czynników
Æ
0
Æ
=
225
00
sin
1
00
[0:5
(n
2
+
2
)
tan
Æ
0
+
n
se
Æ
0
℄
(7.13)
Równania (7.10), (7.13) wyprowadzono dla normalnych przej´s´c gwiazd przez południk. S ˛
a one wa˙zne tak˙ze
dla górnych kulminacji gwiazd okołopolarnych, ale dla kulminacji dolnych trzeba wprowadzi´c drobne mody-
fikacje. Odpowiedni wzór Bessel’a ma wtedy posta´c
=
0
=
m
n
tan
Æ
se
Æ
(7.14)
gdzie
ponownie oznacza czas prawdziwego przej´scia minus czas przej´scia rejestrowanego, ale
0
musi by´c
teraz rozumiana jako miejscowy czas gwiazdowy plus 12 godzin.
Teoria zawarta w równaniach (7.10) do (7.14) pozwala na uwolnienie obserwowanych warto´sci rektas-
censji i deklinacji z głównych bł˛edów instrumentalnych, oczywi´scie pod warunkiem, ˙ze stałe instrumentalne
s ˛
a wcze´sniej znane. Wyznaczenie niektórych z tych stałych wymaga obserwacji gwiazd. Poniewa˙z bardzo
po˙z ˛
adanym jest ci ˛
agłe kalibrowanie instrumentu astrometrycznego, dlatego wyznaczanie tych stałych, zaleca
si˛e wprowadzi´c jako integraln ˛
a cz˛e´s´c programu obserwacji gwiazd.
7.4
Redukcja obserwacji na miejsce widome
Warto´sci obserwowane współrz˛ednych równikowych ciał niebieskich, poprawione na bł˛edy instrumentalne
stanowi ˛
a fundamentalne warto´sci rektascensji i deklinacji. Jest jednak normaln ˛
a praktyk ˛
a dalsza redukcja
obserwacji do poło˙ze´n widomych. Wymaga to wprowadzenia poprawek na refrakcj˛e, aberracj˛e dobow ˛
a i
paralaks˛e geocentryczn ˛
a.
W przypadku obserwacji południkowych wyra˙zenia na te poprawki daj ˛
a si˛e wyra´znie upro´sci´c. Np.
kład ˛
ac w formułach (6.25) na aberracj˛e dobow ˛
a k ˛
at godzinny
t
=
0
, wpływ aberracji na współrz˛edne równi-
kowe wyrazi si˛e nast˛epuj ˛
aco
d
=
0:
s
0213
os
se
Æ
dÆ
=
0:
(7.15)
Jak wida´c, wpływ w rektascensji jest podobny do poprawki kolimacji instrumentu w formule Bessel’a — oba
efekty s ˛
a proporcjonalne do
se
Æ
. Mo˙zna zatem poł ˛
aczy´c obie poprawki w jedn ˛
a poprzez podstawienie
=
0:
s
0213
os
(7.16)
Wpływ refrakcji atmosferycznej jest bardziej powa˙zny, bowiem poprawka refrakcyjna ma zwykle najwi˛eksz ˛
a
warto´s´c. Refrakcja zmniejsza odległo´s´c zenitaln ˛
a pozostawiaj ˛
ac bez zmian azymut. Oznacza to, ˙ze skoro
południk obserwatora jest jednocze´snie kołem wertykalnym, refrakcja zmieniaj ˛
ac deklinacj˛e nie zmienia
momentu czasu przej´scia przez południk.
Wyznaczony np. z tablic refrakcji, k ˛
at refrakcji
R
trzeba zatem odj ˛
a´c od zmierzonej warto´sci dekli-
nacji, chyba, ˙ze mamy przypadek kulminacji pomi˛edzy biegunem i zenitem, wówczas nale˙zy zmieni´c znak
poprawki.
Poprawka z tytułu paralaksy geocentrycznej, jest w przypadku obserwacji gwiazd zawsze do pomini˛ecia.
Pozostałe poprawki (na refrakcj˛e i aberacj˛e dobow ˛
a) mo˙zna wł ˛
aczy´c do równa´n obserwacyjnych koła po-
łudnikowego. Niech
(
0
;
Æ
0
)
b˛ed ˛
a współrz˛ednymi obserwowanymi poprawionymi na bł˛edy czasu i odczytu
koła podziałowego, dalej, niech
(;
Æ
)
oznaczaj ˛
a współrz˛edne widome gwiazdy, wówczas z dokładno´sci ˛
a do
małych rz˛edu drugiego
=
0
+
m
+
n
tan
Æ
0
+
se
Æ
0
Æ
=
Æ
0
R
(7.17)
7.5 Ruch biegunów
91
Równania te mo˙zna udokładni´c wł ˛
aczaj ˛
ac człony drugiego rz˛edu np. dla deklinacji wyraz taki dany jest
równaniem (7.13).
Dla obiektów z Układu Słonecznego mo˙ze si˛e okaza´c koniecznym wł ˛
aczenie do równa´n obserwacyjnych
paralaksy geocentrycznej. Podstawiaj ˛
ac w równaniach (6.18) za k ˛
at godzinny warto´s´c
t
=
0
, przekonamy
si˛e, ˙ze poprawka paralaktyczna w rektascensji wynosi zero, natomiast obserwowan ˛
a deklinacj˛e trzeba pow-
i˛ekszy´c o
Æ
=
r
sin
(
0
Æ
)
gdzie
— geocentryczna odległo´s´c obserwatora,
r
— geocentryczna odległo´s´c obiektu,
0
— geocentryczna
szeroko´s´c obserwatora. Znak poprawki zmieniamy je´sli obserwowana kulminacja gwiazdy wypadła mi˛edzy
biegunem i zenitem.
Podej´scie to jest jednak niewystarczaj ˛
ace dla Ksi˛e˙zyca i sztucznych satelitów Ziemi, dla których nie
mo˙zna paralaksy traktowa´c jako wielko´sci małej. Trzeba wówczas post ˛
api´c nast˛epuj ˛
aco:
warto´sci obserwowane poprawiamy za pomoc ˛
a równa´n (7.17) otrzymuj ˛
ac geometryczny kierunek
´zródła wzgl˛edem topocentrycznego obserwatora,
po czym dokonujemy translacji do miejsca geocentrycznego za pomoc ˛
a metody wektorowej podanej
w poprzednim wykładzie.
7.5
Ruch biegunów
Przez poj˛ecie ruch biegunów rozumiemy powolne i niewielkie przemieszczanie si˛e geograficznych biegunów
po powierzchni Ziemi (nie wzgl˛edem gwiazd!). Chwilowy kierunek osi ruchu wirowego definiuje bieguny ro-
tacji na powierzchni Ziemi i prawdziwe bieguny ´swiata na sferze niebieskiej. Bieguny ´swiata przemieszczaj ˛
a
si˛e na sferze wskutek precesji luni-solarnej i nutacji. Obecnie tego typu ruchem biegunów si˛e nie interesu-
jemy. W dalszych rozwa˙zaniach b˛edziemy traktowa´c o´s rotacji Ziemi jako posiadaj ˛
ac ˛
a niezmienne poło˙ze-
nie wzgl˛edem gwiazd. Interesuje nas pozorny ruch tej osi wzgl˛edem powierzchni Ziemi. Oczywi´scie w
rzeczwisto´sci to bryła ziemska jest w ruchu a nie bieguny rotacyjne.
Wobec tego co powiedziano wy˙zej, skoro ruch biegunów po powierzchni Ziemi nie wpływa na poło˙zenie
biegunów ´swiata, to nie przyczynia si˛e do zmian rektascensji i deklinacji gwiazd. Wpływa jednak na proces
redukcji obserwacji tych współrz˛ednych wykonanych z pomoc ˛
a instrumentów przej´sciowych. Jest tak gdy˙z
monta˙z teleskopu ustawiony jest wzgl˛edem powierzchni Ziemi, a to oznacza, ˙ze na skutek ruchu skorupy
ziemkiej cały zbiór gwiazd jest przesuwany wzgl˛edem instrumentu. W efekcie z powodu ruchu biegunów
zmieniaj ˛
a si˛e stałe instrumentalne narz˛edzia.
Na rysunku 7.4a, naszkicowano obszary polarne widziane ”z lotu ptaka”. Punkt
P
oznacza chwilowy
biegun rotacji,
P
0
jest jego ´srednim poło˙zeniem nazywanym niezbyt trafnie biegunem figury ziemskiej. W
przeciwie´nstwie do chwilowego, biegun figury jest stałym punktem na powierzchni Ziemi. Przemieszczenie
punktu
P
wzgl˛edem
P
0
wynosi około 0
:
00
3, co na powierzchni Ziemi odpowiada odległo´sci bliskiej 10
m (patrz rysunek 7.4b). Wschodnia długo´s´c
tego przesuni˛ecia najcz˛e´sciej zwi˛eksza si˛e, a zatem biegun
chwilowy obiega
P
0
w kierunku przeciwnym do wskazówek zegara. Jest to ruch skomplikowany, nie daj ˛
acy
si˛e opisa´c dokładnie, ale jego główne składowe s ˛
a znane. S ˛
a to okres 428 dniowy i okres roczny. Przyczyny
ruchów bieguna s ˛
a niemal w cało´sci natury geofizycznej. Gdyby Ziemia była swobodnie wiruj ˛
ac ˛
a brył ˛
a
sztywn ˛
a, odchylenie bieguna rotacji od osi symetrii Ziemi spowodowałoby jednostajny ruch kołowy bieguna
chwilowego wokół bieguna figury z okresem 305 dniowym. Ze wzgl˛edu na plastyczno´s´c Ziemi okres ten
uległ silnemu wydłu˙zeniu (okres 428 dniowy jest zmodyfikowanym okresem swobodnego ruchu wirowego
Ziemi). Składowa roczna ruchu biegunów, jest składow ˛
a wymuszon ˛
a narzucon ˛
a przez ulegaj ˛
ace ci ˛
agłej
zmianie warunki geofizyczne.
Przemieszczenie
P
wzgl˛edem
P
0
wyra˙zone jest zwykle za pomoc ˛
a współrz˛ednych prostok ˛
atnych
(x;
y
)
,
przy czym o´s
x
skierowana jest wzdłu˙z południka zerowego, o´s
y
wzdłu˙z południka o
=
270
Æ
, (patrz
rysunek 7.4a),
x
=
os
y
=
sin
(7.18)
Warto´sci
x;
y
s ˛
a publikowane z pewnym opó´znieniem, przez Mi˛edzynarodow ˛
a Słu˙zb˛e Rotacji Ziemi na min-
ione momenty czasu.
92
Pomiary rektascensji i deklinacji
E
γ
λ=0
P
180+Γ
S
x
Γ
N
λ
0
=0
P
0
W
y
1961.0
1962.0
1961.5
1960.5
1959.0
1958.0
1958.5
1962.5
1960.0
1959.5
1963.0
+x
-0.2’’
-0.1’’
0.1’’
0.2’’
0.3’’
0.4’’
0.3’’
0.2’’
0.1’’
+y
-0.1’’
-0.2’’
Rysunek 7.4: Ruch biegunów ziemskich: a) poło˙zenie na powierzchni Ziemi chwilowego bieguna
P
wzgl˛edem bieguna
P
0
, opis w trek´scie, b) trajektoria chwilowego bieguna ziemskiego wzgl˛e-
dem bieguna ´sredniego w latach 1958.0 – 1963.0.
W
0
P
0
90−
φ
0
90−φ
d
φ
P
0
λ
0
90−
φ
0
90−
φ
180-(
λ−Γ)
λ
0
λ
0
-
Γ
Γ
180+
Z
W’
a)
b)
N
0
W
Q
N
S
0
P
P
Z
λ
Γ
γ
λ
Γ
da
rownolegle do siebie
Do Greenwich
Rysunek 7.5: Szeroko´s´c i długo´s´c obserwatora wzgl˛edem bieguna figury
P
0
i bieguna chwilowego
W rezultacie ruchu biegunów zmienia si˛e szeroko´s´c i długo´s´c danego miejsca obserwacji. Niech
(
0
;
0
)
s ˛
a geograficznymi współrz˛ednymi obserwatora wzgl˛edem bieguna figury, natomiast
(;
)
wzgl˛edem bieguna
chwilowego. Definicja szeroko´sci wzgl˛edem
P
jest bardzo prosta, ale nieco uwagi wymaga okre´slenie ze-
rowego południka dla bieguna
P
. Na rysunku 7.4a pokazano, ˙ze południk zerowy dla
P
jest wybrany tak, by
styczna w
P
le˙z ˛
aca w jego płaszczy´znie biegła równolegle do stycznej w
P
0
do głównego południka figury
Ziemi. Obydwa południki przecinaj ˛
a si˛e gdzie´s na równiku, a wi˛ec południk zerowy bieguna rotuj ˛
acego nie
musi przechodzi´c przez punkt odniesienia w Greenwich. Taka definicja oznacza tak˙ze, ˙ze południk o długo´sci
, jest wspólny dla obu systemów. Spójrzmy teraz na rysunek 7.5a. Obserwator znajduje si˛e w ´srodku sfery,
jego zenit b˛edziemy traktowali jako punkt stały, co miałoby miejsce naprawd˛e gdyby punkt
Z
oznaczał zenit
geocentryczny. Stałe instrumentalne s ˛
a jednak wyznaczane w oparciu o zenit astronomiczny, a ten równie˙z
wykazuje drobne ruchy; zenit astronomiczny okre´slony jest kierunkiem lokalnej grawitacji, a m.in. siły pły-
wowe precesji luni-solarnej wnosz ˛
a tu niewielkie zmiany. Wi˛ecej, siły te indukuj ˛
a pewne efekty geofizyczne,
które ponownie zmieniaj ˛
a kierunek widomej grawitacji. Jest to efekt czysto geometryczny i nie zniekształca-
j ˛
acy procesu redukcji obserwacji gwiazd, pod warunkiem, ˙ze stałe instrumentalne b˛ed ˛
a wyznaczane wzgl˛e-
dem stałego kierunku zenitalnego. Dlatego zmiany astronomicznego zenitu zostan ˛
a tu pomini˛ete, i jedynie
b˛ed ˛
a wzi˛ete pod uwag˛e zmiany astronomicznej szeroko´sci i długo´sci
d;
d
wywołane ruchami bieguna.
Mo˙zemy zatem przej´s´c do wyprowadzenia formuł wi ˛
a˙z ˛
acych współrz˛edne obserwatora podane wzgl˛e-
dem bieguna figury
P
0
i bieguna chwilowego. Niech na rysunku 7.5ab,
P
i
P
0
oznaczaj ˛
a poło˙zenia bieguna
chwiloweg i bieguna figury odpowiednio. Mamy wówczas
P
0
Z
=
90
Æ
0
, oraz
P
Z
=
90
Æ
. Dalej
N
0
;
W
0
;
S
0
s ˛
a punktami kardynalnymi horyzontu wyznaczonymi w oparciu o
P
0
, natomiast
N
i
W
w opar-
ciu o punkt
P
.
7.5 Ruch biegunów
93
Małe koło przechodz ˛
ace przez
P
przecina łuk
P
0
Z
w punkcie
Q
, przy czym
P
0
Q
=
d
=
0
.
Traktuj ˛
ac trójk ˛
at
P
0
P
Q
jako płaski i prostok ˛
atny w wierzchołku
Q
, mamy
d
=
P
0
P
os(QP
0
P
)
=
P
0
P
os
Z
P
0
P
Mamy te˙z
P
0
P
=
,
P
0
Z
jest południkiem o długo´sci
0
,
P
0
P
jest południkiem o długo´sci
. Zatem
Z
P
0
P
=
0
, oraz
d
=
os
(
0
)
(7.19)
Z drugiej strony,
P
Z
jest południkiem o dłudo´sci
,
P
P
0
południkiem o długo´sci
(180
Æ
+
)
, oba wzgl˛edem
bieguna P.
St ˛
ad k ˛
at sferyczny
P
0
P
Z
=
180
Æ
(
)
, a formuła czterocz˛e´sciowa zastosowana do trójk ˛
ata sfer-
ycznego
P
0
Z
P
daje
os
os
(180
Æ
(
))
=
sin
ot
(90
Æ
)
sin
(
)
ot
(
0
)
Ze wzgl˛edu na małe warto´sci k ˛
ata
, w przybli˙zeniu mo˙zna napisa´c
tan
sin
(
0
)
=
sin
(
)
os
(
0
)
os
(
)
sin
(
0
)
a korzystaj ˛
ac ze znanych to˙zsamo´sci trygonometrycznych mamy
d
=
0
=
tan
sin
(
0
)
(7.20)
Je˙zeli w równaniach (7.19) i (7.20) zastosujemy wzory na sum˛e, ró˙znic˛e sinusa i cosinusa po czym wyko-
rzystamy równanie (7.18), wówczas dostaniemy wyra˙zenia na chwilow ˛
a długo´s´c i szeroko´s´c geograficzn ˛
a w
postaci
=
0
+
x
os
0
y
sin
0
=
0
+
(x
sin
0
+
y
os
0
)
tan
(7.21)
Mo˙zemy teraz pokaza´c jak ruchy bieguna wpływaj ˛
a na poprawki instrumentalne koła południkowego. Punkt
W
0
(rysunek 7.5a), zachodni koniec osi poziomej instrumentu z powodu ruchu bieguna nie zmienia swego
poło˙zenia na sferze. Podobnie nie zmieni si˛e stała kolimacji narz˛edzia. A poniewa˙z zało˙zyli´smy, ˙ze zenit ob-
serwatora jest nieruchomy, warto´s´c stałej wysoko´sci instrumentu równie˙z pozostanie taka sama. Przemieszcze-
nie bieguna zmniejszy jednak wszystkie zachodnie azymuty, w tym stał ˛
a azymutaln ˛
a narz˛edzia o k ˛
at
N
0
N
,
a wi˛ec
da
=
P
0
Z
P
K ˛
at ten łatwo otrzyma´c z trójk ˛
ata sferycznego
P
0
Z
P
(rysunek 7.5b), mianowicie, stosuj ˛
ac wzór sinusów i
przybli˙zenie małych k ˛
atów dostaniemy
da
=
sin
(
0
)
se
(7.22)
A za pomoc ˛
a wzoru (7.20)
da
=
d
s
(7.23)
Zmiana w długo´sci
d
musi jeszcze zosta´c uwzgl˛edniona w poprawce zegara, z którego pomoc ˛
a mierzono
moment przej´scia gwiazdy przez południk instrumentalny. Oczywistym jest, ˙ze
d(T
)
=
d
(7.24)
Wprowadzaj ˛
ac do równania (7.10) wielko´sci dane wzorami (7.1) i (7.8), otrzyma´c mo˙zna alternatyw˛e wzoru
Bessel’a na poprawion ˛
a rektascensj˛e gwiazdy, mianowicie
T
=
T
+
a
sin
(
Æ
)
se
Æ
+
b
os
(
Æ
)
se
Æ
+
se
Æ
a po zró˙zniczkowaniu, z wystarczaj ˛
ac ˛
a dokładno´sci ˛
a b˛edzie
d(
T
)
=
d
+
da
sin
(
Æ
)
se
Æ
94
Pomiary rektascensji i deklinacji
horyzont
X
rownik
H
W
z
Z
90−φ
δ
90-
S
N
δ=φ
P
Rysunek 7.6: Przej´scie obiektu
X
przez pierwszy wertykał, opis w tek´scie.
Zauwa˙zaj ˛
ac, ˙ze prawdziwe
;
Æ
nie ulegaj ˛
a zmianie z powodu ruchów bieguna, po podstawieniu wzoru (7.23)
b˛edziemy mieli
dT
=
d
ot
tan
Æ
(7.25)
Jest to zmiana momentu czasu obserwowacji przej´scia gwiazdy przez południk spowodowana ruchami bie-
gunów ziemskich. Zmiana szeroko´sci obserwatora, powoduje odpowiedni ˛
a zmian˛e w odczycie deklinacji z
koła podziałowego.
7.6
Koło wertykalne
Koło południkowe ma sporo zalet, np. pozwala na wyznaczenie
(;
Æ
)
wszystkich gwiazd widocznych na
horyzoncie obserwatora gdy tymczasem inne instrumenty maj ˛
a pewne ograniczenia ze wzgl˛edu na dekli-
nacj˛e. Ponadto, obserwacje południkowe w zasadzie bezpo´srednio daj ˛
a rektascensj˛e i deklinacj˛e, t˛e własno´s´c
okre´slamy mianem pomiarów absolutnych. Dlatego jeszcze w pocz ˛
atkowych latach XX stulecia koło połud-
nikowe było podstawowym narz˛edziem słu˙z ˛
acym do wyznaczania absolutnych pozycji gwiazd. Obserwacje
te stanowiły baz˛e do tworzenia fundamentalnych katalogów gwiazd.
Koło południkowe mo˙ze by´c wykorzystywane nie tylko do pracy w południku miejscowym. Rozwa˙zmy
nieco inny wariant, identyczny instrument, ale zorientowany sw ˛
a osi ˛
a poziom ˛
a wzdłu˙z lini północ-południe.
Jak wida´c na rysunku 7.6, taki wertykalny instrument przej´sciowy pozwala na obserwacje gwiazd o deklinac-
jach wył ˛
acznie z przedziału
[0;
℄
. Wszystkie takie gwiazdy maj ˛
a po dwa przej´scia przez pierwszy wertykał,
w momencie których rejestrowany jest miejscowy czas gwiazdowy. ´Srednia z dwóch przej´s´c jest równa
rektascensji gwiazdy. Koła podziałowe pionowe pozwalaj ˛
a na pomiar odległo´sci zenitalnej
z
przej´scia, a
połowa interwału czasu mi˛edzy dwoma przej´sciami równa jest k ˛
atowi godzinnemu
H
w chwili przej´scia
przez pierwszy wertykał.
Niech punkt
X
na rysunku 7.6 b˛edzie poło˙zeniem gwiazdy w momencie zachodniego przej´scia, wówczas
z trójk ˛
ata sferycznego
P
Z
X
i wzoru sinusów mamy
os
Æ
=
sin
z
s
H
(7.26)
Z wzoru cotangensowego zastosowanego do tego trójk ˛
ata (rysunek 7.6) mo˙zemy wyznaczy´c szeroko´s´c ob-
serwatora
os
=
tan
z
ot
H
(7.27)
Podczas obserwacji w pierwszym wertykale bł˛edy instrumentalne s ˛
a naturalnie takie same jak dla koła połud-
nikowego, ale poprawki jakie trzeba wprowadzi´c do obserwacji s ˛
a znacznie bardziej skomplikowane. Jedyn ˛
a
przewag ˛
a koła wertykalnego jest mo˙zliwo´s´c niezale˙znych pomiarów szeroko´sci obserwatora.
7.7 Astrolabia Danjon’a
95
S’
S
Zenit
Horyzont rteciowy
Ekran
Promienie od gwiazdy
120
S’
S
30
z>30
z=30
z<30
S
S’
S’
S
Rysunek 7.7: Bieg promieni ´swietlnych w astrolabii Danjon’a. Biegn ˛
ace równolegle promienie
S
i
S
0
z wi ˛
azki promieni od pewnej gwiazdy wpadaj ˛
a w ró˙zne miiejsca układu optycznnego as-
trollabii. Promie´n
S
pada bezpo´srednio na pryzmat„ promie´n
S
0
dopiero po odbiciu od lustra
rt˛eciowego. Po przej´sciu ró˙znych cz˛e´sci pryzmatu oba promienie zostaj ˛
a skupione np. na ekranie.
W momencie gdy gwiazda znajdowała si˛e na almukantaracie
30
Æ
jej obrazy utworzone przez oba
promienie pokrywaj ˛
a si˛e.
7.7
Astrolabia Danjon’a
Poza niaw ˛
atpliwymi zaletami, koło południkowe ma jednak pewne wady, jedn ˛
a z nich jest problem mechan-
icznego ugi˛ecia lunety, co wi ˛
a˙ze si˛e z niestało´sci ˛
a poprawek instrumentalnych. Zmiany poprawek mog ˛
a
by´c nieistotne dla małych odległo´sci zenitalnych ale dla du˙zych ju˙z niestety nie. Z powodu elastyczno´sci
monta˙zu narz˛edzia pojawiaj ˛
a si˛e wówczas bł˛edy systematyczne, a zwi ˛
azane z nimi poprawki s ˛
a trudne do
wyznaczenia.
Dlatego zaprojektowano narz˛edzia innego typu, pozwalaj ˛
ace na absolutne pomiary poło˙ze´n ciał niebies-
kich z wi˛eksz ˛
a precyzj ˛
a, s ˛
a to bezosobowa astrolabia Danjon’a i fotograficzny teleskop zenitalny (w skrócie
okre´slany jako FTZ). W przypadku FTZ mo˙zliwe jest obserwowanie gwiazd jedynie na niedu˙zych odległo´s-
ciach zenitalnych. Astrolabi˛e Danjon’a mo˙zna obraca´c wokół osi azumutalnej, ale obserwacje wykonuje si˛e
zawsze na tym samym almukantaracie o odległo´sci zenitalnej równej np.
30
Æ
, co skutecznie oddala niebez-
piecze´nstwo zmiennego bł˛edu ugi˛ecia teleskopu.
Zasad˛e pracy astrolabii Danjona zilustrowano na rysunku 7.7. Astrolabia składa si˛e z równobocznego
szklanego pryzmatu ustawionego jednym bokiem prostopadle do horyzontu. W okularze narz˛edzia obser-
wowane s ˛
a dwa obrazy tej samej gwiazdy, jeden bezpo´sredni po odbiciu od wewn˛etrznej dolnej płaszczyzny
pryzmatu, drugi odbity od zwierciadła rt˛eciowego i górnej płaszczyzny pryzmatu. Gdy odległo´s´c zenitalna
gwiazdy wynosi
30
Æ
, w okularze obserwujemy koincydencj˛e obu obrazów. A zatem gwiazda mo˙ze by´c
obserwowana za pomoc ˛
a tego instrumentu tylko wtedy gdy w wyniku ruchu dobowego przechodzi przez
almukantarat
60
Æ
. Nakłada to na gwiazdy mo˙zliwe do obserwacji warunek
+
30
Æ
>
Æ
>
30
Æ
.
Ka˙zda gwiazda musi dokona´c dwóch przej´s´c przez almukantarat, jedno wschodnie drugie zachodnie wzgl˛e-
dem południka obserwatora. ´Sredni moment czasu z dwóch momentów przej´scia daje rektascensj˛e gwiazdy;
połowa interwału czasu pomi˛edzy przej´sciami daje k ˛
at godzinny
H
odpowiadaj ˛
acy odległo´sci zenitalnej
30
Æ
.
Niech na rysunku 7.8 punkt
X
oznacza poło˙zenie gwiazdy obserwowanej astrolabi ˛
a Danjona. Z trójk ˛
ata
P
Z
X
, ze wzoru cosinusów mamy
os
z
=
p
3=2
=
sin
sin
Æ
+
os
os
Æ
os
H
(7.28)
Równanie to umo˙zliwia obliczenie zarówno deklinacji gwiazdy jak i szeroko´sci zakładaj ˛
ac, ˙ze druga z wiel-
ko´sci jest dost˛epna. Je´sli znana jest szeroko´s´c, podstawiamy wówczas
tan
F
=
ot
os
H
(7.29)
co w równaniu (7.28) pozwala wyeliminowa´c
os
H
p
3=2
=
sin
se
F
sin(Æ
+
F
)
96
Pomiary rektascensji i deklinacji
90−φ
X
S
30
P
Z
horyzont
N
H
X’
90−δ
Rysunek 7.8: Gwiazda
X
znajduje si˛e na almukantaracie o
Z
=
30
Æ
. Z rozwi ˛
azania trójk ˛
ata
sferycznego
P
X
Z
mo˙zemy wyznaczy´c warto´s´c jej deklinacji. Istniej ˛
a jednak dwa rozwi ˛
azania,
jedno odpowiada gwie´zdzie poło˙zonej na tym almukantaracie w miejscu
X
, drugie gwie´zdzie
znajduj ˛
acej si˛e w punkcie
X
0
.
Wobec tego, deklinacj˛e obliczymy jako
Æ
=
ar sin
p
3 =2
os
F
s
F
(7.30)
Ze wzgl˛edu na niejednoznaczno´s´c funkcji arcsin, równanie (7.30) ma dwa rozwi ˛
azania. Na rysunku 7.8
odpowiadaj ˛
a one poło˙zeniom oznaczonym przez
X
i
X
0
. Zwykle nietrudno jest wybra´c rozwi ˛
azanie wła´s-
ciwe.
7.8
Fotograficzny teleskop zenitalny
Rysunek 7.9a, schematycznie przedstawia powstawanie obrazu gwiazdy w FTZ. Instrument ten składa si˛e z
horyzontalnej soczewki objektywowej, z oprawy na klisze fotograficzne (umieszczona tu˙z pod soczewk ˛
a),
oraz z ciekłego lustra rt˛eciowego. Obraz gwiazdy po odbiciu od lustra rt˛eciowego rejestrowany jest na kliszy
fotograficznej.
Wa˙zn ˛
a cech ˛
a tego narz˛edzia jest to, ˙ze na emulsji fotograficznej le˙zy punkt w˛ezłowy soczewki objektywu,
wówczas dobieraj ˛
ac odpowiednio odległo´s´c powierzchni rt˛eci otrzymujemu na kliszy zogniskowane obrazy
gwiazd. Takie rozwi ˛
azanie doskonale eliminuje bł˛edy wysoko´sci i kolimacji narz˛edzia.
Podczas ekspozycji oprawa z klisz ˛
a jest z odpowiedni ˛
a szybko´sci ˛
a przesuwana prostopadle do osi op-
tycznej teleskopu. Przy czasach na´swietlania kliszy od 10-20 sekund, technika ta pozwala na uzyskanie
punktowych obrazów gwiazd a wi˛ec na fotografowanie gwiazd nawet stosunkowo slabych. W czasie ob-
serwacji rejestrowany jest automatycznie moment czasu odpowiadaj ˛
acy ´srodkowi interwału eksponowania
kliszy. Jednak˙ze kompletna obserwacja za pomoc ˛
a FTZ wymaga czterech ekspozycji. Po ka˙zdej ekspozycji,
soczewka wraz z klisz ˛
a s ˛
a obracane o
180
Æ
i w rezultacie cztery obrazy danej gwiazdy tworz ˛
a na kliszy
równoległobok, przykładowo pokazany na rysunku 7.9b. Niech
t
1
;
t
2
;
t
3
;
t
4
b˛ed ˛
a momentami czterech ob-
serwacji danej gwiazdy. Gdyby kamery FTZ w czasie obserwacji nie obracano o
180
Æ
, pomijaj ˛
ac niewielkie
zakrzywienie, cztery obrazy le˙załyby na liniach prostych. Ze wzgl˛edu na obroty, jjedynie odcinki
X
1
X
3
i
X
2
X
4
odzwierciedlaj ˛
a ruch dobowy sfery. Przy obrocie kliszy dokładnie o k ˛
at
180
Æ
, odcinki s ˛
a do siebie
równoległe. W czasie obracania FTZ, punkt zenitu na kliszy pozostaje nieruchomy. Jest on jednakowo
odległy od odcinków
X
1
X
3
i
X
2
X
4
.
Okre´slmy w dowolnym mmiejscu kliszy układ współrz˛ednych
(x;
y
)
, o osi
O
X
równoległej do tych
odcinków. Niech
(x
i
;
y
i
)
s ˛
a współrz˛ednymi punktów
X
i
, i=1,2,3,4. Mo˙zna je oczywi´scie zmierzy´c za po-
moc ˛
a precyzyjnych płytomierzy. Znaj ˛
ac skal˛e kliszy (co ma miejsce, bowiem przykładowo, znamy odległo´s´c
X
1
X
3
na kliszy oraz interwał
(t
3
t
1
)
odpowiadaj ˛
acy ruchowi dobowemu od
X
1
do
X
3
), mo˙zemy współ-
rz˛edne w jednostkach liniowych łatwo zamieni´c w k ˛
atowe. Zauwa˙zmy te˙z, ˙ze
y
1
=
y
3
;
y
2
=
y
4
.
7.8 Fotograficzny teleskop zenitalny
97
x
1
x
3
x
3
x
1
Klisza
Lustro rteciowe
y
x
x
x
4
2
φ−δ
c)
b)
a)
Z
Rysunek 7.9: Fotograficzny teleskop zenitalny: a) powstawanie obrazu gwiazdy w układzie
optycznym, b) obrazy gwiazd zarejestrowane na kliszy w trakcie obserwacji fotograficznym
teleskopem zenitalnym, c) odległo´s´c zenitalna odcinka
x
3
x
1
wynosi
Æ
. Szczegóły w tek´s-
cie.
Niech
(x
0
;
y
0
)
b˛ed ˛
a współrz˛ednymi obrazu zenitu miejsca obserwacji. Współrz˛edna
x
0
jest nieznana ale
y
0
mo˙zemy wyznaczy´c z formuły
y
0
=
0:5
(y
1
+
y
4
)
=
0:5
(y
2
+
y
3
)
Łatwo zauwa˙zy´c, ˙ze odległo´s´c pomi˛edzy równoległymi odcinkami
X
1
X
3
i
X
2
X
4
równa jest dwukrotnej
odległo´sci zenitalnej gwiazdy w momencie przej´scia przez południk obserwatora (patrz rysunek ??c), st ˛
ad
Æ
=
0:5
(y
1
y
4
)
=
0:5
(y
2
y
3
)
(7.31)
Zatem znaj ˛
ac szeroko´s´c miejsca obserwacji mo˙zemy obliczy´c deklinacj˛e gwiazdy.
K ˛
at godzinny gwiazdy w momencie
t
1
eksponowania kliszy, wynosi
(x
0
x
1
)
(pomijamy zakrzywienie
´sladu gwiazdy na kliszy), a w momencie
t
4
, ze wzgl˛edu na odwrócenie kliszy wynosi
(x
4
x
0
)
. A zatem
w momencie
0:5(t
1
+
t
4
)
k ˛
at godzinny jest równy
0:5(x
4
x
1
)
. Wykorzystuj ˛
ac wszystkie cztery obrazy
gwiazdy, ´sredni moment obserwacji wyliczamy jako
t
0
=
0:25
(t
1
+
t
2
+
t
3
+
t
4
)
(7.32)
przy czym warto wyrazi´c go w czasie gwiazdowym. Odpowiadaj ˛
acy mu ´sredni k ˛
at godzinny wynosi
H
0
=
0:25(x
4
x
1
+
x
3
x
2
)
(7.33)
a rektascensj˛e obserwowanej gwiazdy wyliczamy ze znanej formuły
=
t
0
H
0
(7.34)
Najwi˛eksz ˛
a zalet ˛
a FTZ jest — ze wzgl˛edu na niewielkie odległo´sci zenitalne — zredukowanie do minimum
wpływu refrakcji na rezultaty obserwacji. Wad ˛
a natomiast jest niewielki zakres deklinacji gwiazd (mniej ni˙z
1
Æ
), jakie mo˙zna tym narz˛edziem w danym miejscu obserwowa´c.
Mimo, ˙ze s ˛
a to narz˛edzia precyzyjniejsze, ani astrolabium Danjon’a, ani FTZ nie nadaj ˛
a si˛e do wyz-
naczenia rektascensji i deklinacji w sposób fundamentalny. Mog ˛
a one natomiast dokładnie powi ˛
aza´c poło˙ze-
nia rozrzucone po całej sferze i wykry´c bł˛edy w katalogach fundamentalnych opracowanych w oparciu o
obserwacje południkowe.
Doskonale nadaj ˛
a si˛e do wyznaczania zmian szeroko´sci i czasu w miejscu obserwacji, nie tylko wynika-
j ˛
acych z ruchów bieguna ale tak˙ze powodowanych nieregularno´sci ˛
a ruchu wirowego Ziemi.
98
Pomiary rektascensji i deklinacji
7.9
Zadanka na ´cwiczenia
1. Poka˙z, ˙ze bł ˛
ad momentu przej´scia gwiazdy przez południk, obserwowanej kołem południkowym,
obok wzoru Bessel’a dany jest tak˙ze wzorem Mayer’a
=
[a
sin
(
Æ
)
+
b
os
(
Æ
)
+
℄
se
Æ
2. Gwiazd˛e o
Æ
=
79
Æ
35
0
obserwowano instrumentem przej´sciowym w miejscu o szeroko´sci
51
Æ
16
0
38
00
.
W nast˛epstwie poprawek instrumentalnych bł˛edów w wysoko´sci i kolimacji, czasy uniwersalne górnej
i dolnej kulminacji okazały si˛e równe
18
h
03
m
18:
s
4
i
6
h
00
m
45:
s
1
. Oblicz bł ˛
ad azymutu tego narz˛edzia.
3. Wyja´snij zasad˛e obserwacji gwiazd za pomoc ˛
a astrolabii Danjon’a. Poka˙z, ˙ze mo˙zna j ˛
a zastosowa´c
do pomiaru deklinacji gwiazd, dla których
30
Æ
<
Æ
<
+
30
Æ
Udowodnij, ˙ze precyzja wyznaczenia
Æ
jest najwi˛eksza na ko´ncach tego przedziału, oraz, ˙ze osi ˛
aga
zero gdy
Æ
=
ar sin
2
sin
p
3
Poka˙z, ˙ze precyzja wyznaczenia rektascensji jest najwi˛eksza gdy
Æ
=
ar sin
h
p
3 =2
sin
i