Небесная сфера, воображаемая вспомогательная сфера произвольного радиуса, на которую проектируются небесные светила; служит для решения различных астрометрических задач. Представление о небесной сфере возникло в глубокой древности; в основу его легло зрительное впечатление о существовании куполообразного небесного свода. Это впечатление связано с тем, что в результате огромной удалённости небесных светил человеческий глаз не в состоянии оценить различия в расстояниях до них, и они представляются одинаково удалёнными. У древних народов это ассоциировалось с наличием реальной сферы, ограничивающей весь мир и несущей на своей поверхности многочисленные звёзды. Таким образом, в их представлении небесная сфера была важнейшим элементом Вселенной. С развитием научных знаний такой взгляд на небесную сферу отпал. Однако заложенная в древности геометрия небесной сферы в результате развития и совершенствования получила современный вид, в котором и используется в астрометрии.

Радиус небесной сферы может быть принят каким угодно: в целях упрощения геометрических соотношений его полагают равным единице. В зависимости от решаемой задачи центр небесной сферы может быть помещен в место, где находится наблюдатель (топоцентрическая небесная сфера), в центр Земли (геоцентрическая небесная сфера), в центр той или иной планеты (планетоцентрическая небесная сфера), в центр Солнца (гелиоцентрическая небесная сфера) или в любую другую точку пространства. Каждому светилу на небесной сфере соответствует точка, в которой её пересекает прямая, соединяющая центр небесной сферы со светилом (с его центром). При изучении взаимного расположения и видимых движений светил на небесной сфере выбирают ту или иную систему координат (см. Небесные координаты), определяемую основными точками и линиями. Последние обычно являются большими кругами небесной сферы. Каждый большой круг сферы имеет два полюса, определяющиеся на ней концами диаметра, перпендикулярного к плоскости данного круга.

На рис. 1 изображена небесная сфера, которая соответствует месту наблюдения, расположенному в некоторой точке земной поверхности с широтой (р. Отвесная (вертикальная) линия, проведённая через центр этой сферы, пересекает небесную сферу в точках Z и Z′, называемыми соответственно зенитом и надиром. Плоскость, проходящая через центр небесной сферы перпендикулярно отвесной линии, пересекает сферу по большому кругу NESW, называемому математическим (или истинным) горизонтом. Математический горизонт делит небесную сферу на видимую и невидимую полусферы; в первой находится зенит, во второй — надир. Прямая, проходящая через центр небесной сферы параллельно оси вращения Земли, называемой осью мира, а точки пересечения её с небесной сферой — Северным Р и Южным P′ полюсами мира. Плоскость, проходящая через центр небесной сферы перпендикулярно оси мира, пересекает сферу по большому кругу AWA′E, называется небесным экватором. Из построения следует, что угол между осью мира и плоскостью математического горизонта, а также угол между отвесной линией и плоскостью небесного экватора равны географической широте (места наблюдений. Большой круг небесной сферы, проходящий через полюсы мира, зенит и надир, называется небесным меридианом.

Из двух точек, в которых небесный меридиан пересекается с математическим горизонтом, ближайшая к Северному полюсу мира N называется точкой севера, а диаметрально противоположная S — точкой юга. Прямая NS, проходящая через эти точки, есть полуденная линия. Точки горизонта, отстоящие на 90° от точек N и S, называются точками востока Е и запада W. Точки N, Е, S, W называются главными точками горизонта. По диаметру EW пересекаются плоскости математического горизонта и небесного экватора.

Большой круг небесной сферы, по которому происходит видимое годичное движение центра Солнца, называется эклиптикой (рис. 2).

Плоскость эклиптики образует с плоскостью небесного экватора угол ε = 23°27′. Эклиптика пересекает экватор в двух точках, одна из которых —точка весеннего равноденствия (в ней Солнце при видимом годичном движении переходит из Южного полушария небесной сферы в Северное), а другая, диаметрально противоположная ей, — точка осеннего равноденствия. Точки эклиптики, отстоящие на 90° от точек весеннего и осеннего равноденствия, называется точками летнего и зимнего солнцестояния (первая — в Северном полушарии небесной сферы, вторая — в Южном). Большой круг небесной сферы, проходящий через полюсы мира и точки равноденствия, называется колюром равноденствий; большой круг небесной сферы, проходящий через полюсы мира и точки солнцестояния, — колюром солнцестояний. Прочерченные на звёздной карте, эти круги отсекают хвосты у древних изображений созвездий Большой Медведицы (колюр равноденствий) и Малой Медведицы (колюр солнцестояний), откуда и происходит их название (греч. kóluroi, буквально — с обрубленным хвостом, от kólos — обрубленный, отсеченный и ига — хвост).

Рис. 1. Небесная сфера: Z — зенит; Z′ — надир; NESW — математический горизонт; N, Е, S, W — точки севера, востока, юга и запада; Р и P′ — Северный и Южный полюсы мира; AWA′E — небесный экватор; φ — географическая широта.

Небесная сфера (точки). Рис. 1.

Рис. 2. Небесная сфера: ϒA ≏ A′ — небесный экватор; ϒE = E′ — эклиптика; ϒ и ε — точки весеннего и осеннего равноденствия; Е и E′ — точки летнего и зимнего солнцестояния; Р и P′ — Северный и Южный полюсы мира; П и П′ — Северный и Южный полюсы эклиптики.

Небесная сфера (точки). Рис. 2.

Рис. 3. Изображение небесной сферы для экватора (φ = 0°).

Небесная сфера. Рис. 3.

Рис. 4. Изображение небесной сферы для полюса (φ = 90°).

Небесная сфера. Рис. 4.

Видимому суточному перемещению звёзд, являющемуся отображением действительного вращения Земли вокруг оси, соответствует вращение небесной сферы вокруг оси мира с периодом, равным одним звёздным суткам. Вследствие вращения небесной сферы все изображения светил описывают в пространстве параллельные экватору окружности, называются суточными параллелями светил. В зависимости от расположения суточных параллелей относительно горизонта светила подразделяются на незаходящие (суточные параллели располагаются целиком над горизонтом), невосходящие (суточные параллели целиком под горизонтом), восходящие и заходящие (суточные параллели пересекаются горизонтом). Границами этих групп светил являются параллели KN и SM′, касающиеся горизонта в точках N и S (рис. 1). Так как видимость светил определяется положением горизонта, плоскость которого перпендикулярна отвесной линии, то условия видимости небесных светил различны для мест на поверхности Земли с различной географической широтой φ. Это явление, известное уже в древности, служило одним из доказательств шарообразности Земли. На экваторе (φ = 0°) ось мира PP′ располагается в плоскости горизонта и совпадает с полуденной линией NS. Суточные параллели (KK′, MM) всех светил пересекают плоскость горизонта под прямыми углами. Здесь все светила являются восходящими и заходящими (рис. 3). По мере перемещения наблюдателя по земной поверхности от экватора к полюсу наклон оси мира к горизонту увеличивается. Всё большее число светил становится незаходящими и невосходящими. На полюсе (φ = 90°) ось мира совпадает с отвесной линией, а плоскость экватора — с плоскостью горизонта. Здесь все светила разделяются только на незаходящие и невосходящие, так как суточные параллели (KK′, MM′) располагаются в плоскостях, параллельных горизонту (рис. 4).

Блажко С. Н., Курс сферической астрономии (pdf), М. — Л., 1948; Казаков С. А., Курс сферической астрономии, 2 изд., М. — Л., 1940.

Ссылки для перехода в следующие разделы: