• Układ horyzontalny
• Układ równikowy
• Wschody i zachody ciał niebieskich
• Szerokość miejsca obserwacji
• Zadania

Układ horyzontalny

Podstawowym kierunkiem w tym układzie jest linia pionu miejsca obserwacji. Linia ta przecina sferę niebieską w punkcie zenitu (Z) i nadiru (Nd). Płaszczyzna prostopadła do linii ZNd nazywana jest horyzontem. Początkiem układu horyzontalnego jest więc punkt, w którym znajduje się obserwator. Stąd nazywamy go układem lokalnym. Współrzędne horyzontalne danego obiektu mierzone w tym samym czasie w różnych miejscach na powierzchni Ziemi, są różne. Układ horyzontalny jest układem nieinercjalnym, obraca się wraz z Ziemią.

Przecięcie się przedłużenia osi obrotu Ziemi (oś świata) ze sferą niebieską wytycza północny (Bn) i południowy (Bs) biegun świata. Duże koło przechodzące przez bieguny świata oraz zenit i nadir nazywane jest południkiem astronomicznym, a ściślej: południkiem miejscowym. Prostopadłe do niego koło, przechodzące przez zenit i nadir, nazywane jest pierwszym wertykałem. Południk przecina koło horyzontu w punktach północy (N) i południa (S), natomiast pierwszy wertykał w punktach wschodu (E) i zachodu (W). Punkty te nazywane są punktami kardynalnymi horyzontu.
Południk lokalny, wertykał i horyzont to koła wielkie. Tak nazywamy koła przechodzące przez środek układu współrzędnych. Równoleżniki to koła małe.
Współrzędnymi w układzie horyzontalnym są azymut A i wysokość h.
Azymut jest kątem dwuściennym utworzonym przez południk przechodzący przez punkt północy N oraz płaszczyznę koła przechodzącego przez dany obiekt (patrz rys.1)

Mierzony jest wzdłuż horyzontu w kierunku wschodnim. Ta konwencja stosowana jest w geodezji. W astronomii, ze względu na to, że obserwacje prowadzone są w większości po południowej stronie lokalnego południka azymut mierzony jest wzdłuż horyzontu od punktu południa S, w kierunku zachodnim. W dalszym ciągu, dla naszych celów stosować będziemy konwencję przyjętą w geodezji.
Wysokość h jest kątem środkowym zawartym pomiędzy kierunkiem na dany obiekt, a rzutem tego kierunku na płaszczyznę horyzontu. Czasami zamiast wysokości używa się odległości zenitalnej z = 90° – h.
Zwykle wysokość mierzy się od –90° do +90°, natomiast azymut od 0° do 360°.
Obie współrzędne zmieniają się na skutek ruchu obrotowego Ziemi.
Kąt środkowy φ między osią świata a jej prostokątnym rzutem na płaszczyznę horyzontu, jest szerokością astronomiczną miejsca obserwacji. Inaczej mówimy, że szerokość miejsca obserwacji (rys. 2) to wysokość bieguna ponad horyzontem. Ten sam kąt φ zawarty jest między kierunkiem na zenit a rzutem tego kierunku na płaszczyznę równika.

Układ równikowy

Płaszczyzną podstawową układu równikowego jest płaszczyzna równika świata. Oś x skierowana jest ku punktowi przecięcia się równika z ekliptyką . Punkt ten nazywany jest punktem równonocy wiosennej lub punktem Barana ().
Oś y skierowana jest prawoskrętnie, a oś z pokrywa się z osią świata i skierowana jest do bieguna północnego (rys.3).
Współrzędne równikowe to rektascensja α i deklinacja δ.
Rektascensja jest kątem dwuściennym pomiędzy południkiem przechodzącym przez punkt Barana, a południkiem przechodzącym przez dany obiekt. Mierzy się ją od punktu równonocy wzdłuż równika i liczy w zakresie od 0° do 360° ale częściej podaje się jej wartość w mierze godzinnej (od 0h do 24h).
Deklinacja δ jest kątem środkowym między kierunkiem na dany obiekt a jego rzutem na płaszczyznę równika. Liczona jest od 0° do 90° dla punktów na półkuli północnej i od 0° do –90° dla punktów na półkuli południowej.
Układ godzinny jest również układem równikowym. Różni się tym, że zamiast rekstascensji używana jest współrzędna zwana kątem godzinnym. Kąt godzinny (patrz rys. 3) jest kątem dwuściennym pomiędzy płaszczyzną przechodzącą przez południk miejscowy, a płaszczyzną przechodzącą przez dany obiekt. Mierzy się go w kierunku zachodnim. Drugą współrzędną tego układu jest omówiona wyżej deklinacja.
Rektascensja danego obiektu plus jego kąt godzinny dają kąt godzinny punktu Barana

Łatwo zauważyć, że gdy obiekt znajduje się w południku, jego rektascensja równa jest kątowi godzinnemu punktu Barana.
Współrzędne układu równikowego nie zmieniają się na skutek ruchu obrotowego Ziemi.

Wschody i zachody ciał niebieskich

Widomym rezultatem ruchu obrotowego Ziemi, z zachodu na wschód, jest dobowy ruch sfery niebieskiej. Wciągu doby ciała niebieskie zataczają koła równoległe do płaszczyzny równika ziemskiego. Ruch sfery niebieskiej odbywa się w kierunku przeciwnym niż obrót Ziemi dookoła swojej osi, tzn. ze wschodu na zachód.

Gdy gwiazda w swoim ruchu dobowym przecina południk astronomiczny po stronie zenitu, mówimy o jej górowaniu (górnej kulminacji) nad horyzontem. Gdy przecina południk po stronie przeciwnej to mówimy o dołowaniu (kulminacji dolnej) gwiazdy.
Określając wysokości gwiazd podczas kulminacji wyróżniamy trzy sytuacje:
a) górowanie na południe od zenitu, wysokość h = 90° – φ + δ
b) górowanie na północ od zenitu, wysokość h = 90° + φ – δ
c) dołowanie między biegunem północnym P a punktem N, wysokość h = φ + δ – 90°

O gwiazdach, których górna i dolna kulminacja wypadają ponad horyzontem mówimy, że są one gwiazdami okołobiegunowymi lub nigdy nie zachodzącymi. Dla takich gwiazd wysokość dołowania h_do ≥ 0, co oznacza, że φ + δ – 90° ≥ 0 czyli  δ ≥ 90° – φ.

A więc w strefie okołobiegunowej będą znajdowały się tylko takie gwiazdy, których deklinacja będzie większa lub równa 90° – φ.

Gwiazdy, których górowanie jak i dołowanie zachodzą poniżej koła horyzontu, nazywane są gwiazdami nigdy nie wschodzącymi. Zachodzi to, gdy wysokość górowania takiej gwiazdy ma wartość ujemną lub jest zerem h_g ≤ 0. Ponieważ taka sytuacja dotyczy gwiazd górujących na południe od zenitu, więc  90° – φ + δ ≤ 0,   skąd  δ ≤ φ – 90°

Gwiazdy nigdy nie wschodzące w miejscu o danej szerokości φ to gwiazdy, których deklinacja jest mniejsza (lub w skrajnym przypadku równa)
φ – 90°.

Gwiazdy, których górowanie zachodzi ponad horyzontem a dołowanie poniżej horyzontu są nazywane gwiazdami wschodzącymi i zachodzącymi. Deklinacja takich gwiazd zawiera się w przedziale:
90° – φ > δ > φ – 90°.

O zaliczeniu do odpowiedniej grupy gwiazd w danym miejscu decyduje szerokość geograficzna tego miejsca.

Objaśnienie dla rysunku 4 - Gwiazdy nigdy nie zachodzace (obszar I), wschodzące i zachodzące (II) oraz nigdy nie wschodzące (III) dla danej szerokości.

Szerokość miejsca obserwacji

Z powyższych rozważań wynika, że szerokość danego miejsca obserwacji wyznaczyć można mierząc np. wysokość gwiazdy polarnej nad horyzontem (rys. 5).

Popełniamy co prawda pewnien błąd, gdyż gwiazda polarna nie znajduje się dokładnie w biegunie, lecz jej deklinacja wynosi 89°15'59", a rektascensja 2h32m22s, co należy uwzględnić w wyliczaniu szerokości. Odpowiednie poprawki podawane są w rocznikach astronomicznych.

W zależności od tego jaką figurą przybliżamy powierzchnię Ziemi, wyróżniamy: trzy typy szerokości geograficznej:
1. szerokość astronomiczną (geoida ),
2. szerokość geodezyjną (elipsoida obrotowa ),
3. szerokość geocentryczną (kula).

Astronomiczną szerokością geograficzną (na rys.6 kąt φ₃) nazywamy kąt jaki tworzy kierunek pionu (linia zenit-nadir) z jego rzutem prostym na płaszczyznę równika. Szerokość astronomiczna dla półkuli północnej mierzona jest od 0° do 90°, a na południowej od 0° do –90°.

Geodezyjna szerokość geograficzna (kąt φ₂) to kąt pomiędzy linią prostopadłą do powierzchni elipsody obrotowej, a jej rzutem na płaszczyznę równika.

Geocentryczna szerokość geograficzna (kąt φ₁) to kąt pomiędzy prostą łaczącą środek Ziemi a jej rzutem na płaszczyznę równika.

Uwaga: na mapach mamy albo szerokość astronomiczną, albo geodezyjną (mapy geodezyjne). Szerokość geocentryczna różni się od astronomicznej o około 11' dla punktów położonych w odległości 50° od równika.
Gdyby Ziemia była kulą, wszystkie trzy szerokości byłby sobie równe.

Objaśnienie dla rysunku 6:

Szerokość astronomiczna φ3, geodezyjna φ2 i geocentryczna φ1.
Z1 jest zenitem obserwatora stojącego na kulistej Ziemi, Z2 jest zenitem obserwatora stojącego na elipsoidzie, a Z3 to zenit odniesiony do geoidy.

Zadania

1. Jakie są współrzędne równikowe a) bieguna północnego, b) punktu Barana? Odpowiedź:

2. Jakie są współrzędne horyzontalne punktów:
a) N, b) S, c) W, d) E, e) zenitu, f) nadiru? Odpowiedź:

3. Jaka jest wysokość gwiazdy w momencie jej zachodu? Odpowiedź:

4. Jaki jest azymut gwiazdy górującej a) na północ, b) na południe od Zenitu? Odpowiedź:

5. Gwiazda o współrzędnych α = 5^h, δ = 30° góruje w zenicie. Jaka jest szerokość miejsca obserwacji? Odpowiedź:

6. Szerokość geograficzna Poznania wynosi w przybliżeniu 52°. Czy Cepella (Koza) najjaśniejsza gwiazda gwiazdozbioru Woźnicy, δ = 46°, może być tam widoczna w zenicie? Odpowiedź:

7. Jaka jest wysokość Gwiazdy Polarnej obserwowanej z miejsca o szerokości geograficznej φ = 48°? Odpowiedź:

8. Obliczyć dla Poznania (φ = 52°) deklinacje graniczne gwiazd a) okołobiegunowych, b) gwiazd wschodzących i zachodzących. Odpowiedź:

9. Na jakiej wysokości a) góruje i b) dołuje gwiazda Wega (α Lyr) o deklinacji δ = 38° 47' w Poznaniu (φ = 52° 24')? Odpowiedź: