Orientacja na sferze niebieskiej
Dobowy ruch sfery niebieskiej

Marcin Wesołowski

Obserwator, który znajduje się w dowolnym miejscu na powierzchni Ziemi odnosi wrażenie, że znajduje się w środku półkulistej czaszy usianej gwiazdami, a czasza ta wydaje się mu nieco spłaszczona. Okazuje się, że niektóre rozważania astronomiczne wygodnie jest omawiać wykorzystując to złudzenie optyczne obserwatora.

Przyjmijmy więc, że ciała niebieskie położone są na powierzchni kuli, w środku której znajduje się obserwator. Powierzchnię takiej hipotetycznej kuli nazywamy sferą niebieską, która stanowi złudzenie wynikające z ograniczonej możliwości percepcji odległości przez obserwatora (umiejętności te nie sięgają dalej niż klasyczny zasięg widnokręgu). Skala odległości w jakiej znajdują się obiekty astronomiczne jest tak duża, że obserwacje wizualne nieba nocnego nie dostarczają informacji o ich rzeczywistej odległości. Wszystkie ciała niebieskie, które obserwujemy wydają się być równoodległe, inaczej mówiąc jakby były przymocowane do wnętrza kuli o dużym, ale nie znanym promieniu. Jednocześnie ciała niebieskie położone są na powierzchni sfery niebieskiej, której środkiem jest obserwator.
Aby ułatwić orientację na sferze niebieskiej wyróżniamy następujące punkty oraz linie:
Zenit (oznaczenie Z) – jest to punkt znajdujący się na maksymalnej wysokości na sferze niebieskiej nad pozycją obserwatora (nad jego głową).
Nadir (oznaczenie Nd) – jest to przeciwny punkt względem zenitu, który położony jest najniżej pod obserwatorem na sferze niebieskiej. Punkt ten jest niewidoczny, gdyż przesłania go powierzchnia Ziemi.
Linia łącząca zenit z nadirem to pion, inaczej mówiąc zenit i nadir to punkty, w których linia pionowa przecina sferę niebieską. Kąt pomiędzy osią lokalnego pionu a kierunkiem, w którym obserwujemy wybrane ciało niebieskie określany jest kątem zenitalnym.
Płaszczyzna pozioma – jest to płaszczyzna prostopadła do pionu, która przechodzi przez miejsce obserwacji, czyli środek sfery niebieskiej. Ponadto płaszczyzna ta dzieli sferę niebieską na dwie półkule: górną (widoczną dla obserwatora) i dolną (niewidoczną dla obserwatora).
Horyzont – jest to okrąg, wzdłuż którego płaszczyzna pozioma przecina sferę niebieską (Rys. 1).

Rys. 1. Zależność geometryczna między zenitem, nadirem i horyzontem. W punkcie O znajduje się obserwator. 

Dokonując obserwacji sfery niebieskiej przez dłuższy czas (np. kilka godzin) dochodzimy do wniosku, że gwiazdy nie zmieniają swojego położenia względem siebie, lecz wykonują ruch kolisty po drogach, które określamy równoleżnikami niebieskimi wokół jednego punktu na sferze niebieskiej (Rys. 2). Punkt ten określamy jako biegun północny niebieski (oznaczenie B1). Zauważmy, że relatywnie blisko bieguna niebieskiego północnego znajduje się Gwiazda Polarna. Często biegun niebieski północny utożsamiany jest z Gwiazdą polarną, jednakże takie przybliżenie nie jest poprawne.
Obecnie północną Gwiazdą polarną jest najjaśniejsza gwiazda Małej Niedźwiedzicy (Małego Wozu) czyli Alfa Ursae Minoris (zwana też Polaris), której jasność wynosi 1.97 magnitudo i pod względem jasności wizualnej zajmuje ona dopiero 46 pozycję. Jej odległość od Ziemi wynosi 430 lat świetlnych (rok świetlny to jednostka odległości stosowana w astronomii i oznacza odległość, jaką pokonuje światło w próżni w ciągu jednego roku juliańskiego). Cechą charakterystyczną Gwiazdy Polarnej jest to, że praktycznie w ciągu nocy nie zmienia swojego położenia, podczas gdy pozostałe gwiazdy krążą wokół bieguna (tzw. gwiazdy okołobiegunowe) lub wschodzą i zachodzą. Dlatego też Gwiazdę Polarną od wieków wykorzystywano do określenia kierunków świata.
Na to która z rzeczywistych gwiazd jest Gwiazdą Polarną wpływa precesja osi Ziemi, czyli zmiana kierunku osi obrotu obracającego się ciała. Orientacja osi zmienia się cyklicznie w ciągu tzw. roku platońskiego, trwającego około 26 tysięcy lat. W 2000 roku Polaris znajdowała się w odległości około 44 minut kątowych od północnego bieguna niebieskiego, powoli zbliża się do niego i najbliżej znajdzie się 24 marca 2100 roku.
Oś świata jest prostą przechodzącą przez północny biegun niebieski, miejsce obserwacji oraz drugi punkt, w którym oś świata przebija sferę niebieską nazywamy biegunem niebieskim południowym (oznaczenie B2). W przypadku Polski biegun ten jest niewidoczny.
Płaszczyzna równika niebieskiego jest to płaszczyzna prostopadła do osi świata i przechodząca przez miejsce obserwacji.
Równik niebieski jest to okrąg, wzdłuż którego płaszczyzna równika niebieskiego przecina sferę niebieską. Równoleżniki niebieskie to okręgi, po których poruszają się gwiazdy w swoim ruchu dobowym. Płaszczyzny równoleżników są równoległe do płaszczyzny równika niebieskiego, a więc prostopadłe do osi świata. Koła wielkie to koła, które przechodzą przez środek sfery niebieskiej. Wynika stąd, że płaszczyzny horyzontu astronomicznego i równika niebieskiego są kołami wielkimi.
Południk niebieski (południk lokalny) jest to koło wielkie przechodzące przez zenit, nadir i bieguny niebieskie. Południk niebieski to miejsce, w którym zachodzą kulminacje ciał niebieskich. Poprzez kulminację należy rozumieć górowania (osiągnięcie maksymalnej wysokości w czasie obrotu sfery niebieskiej) i dołowanie (osiągnięcie minimalnej wysokości w czasie obrotu sfery niebieskiej) danego ciała niebieskiego np. gwiazdy. Dodajmy, że te dwa rodzaje kulminacji zachodzą na tym samym okręgu wielkim (południk lokalny, południk niebieski).
Punkty przecięcia południka z horyzontem określamy jako punkt północny N i punkt południowy S, przy czym punkt N położony jest bliżej północnego bieguna niebieskiego. Linię N-S czyli prostą, wydłuż której południk niebieski przecina płaszczyznę horyzontu nazywamy południkiem geograficznym miejscowym. Punkty przecięcia równika niebieskiego z horyzontem to punkty wschodu E i zachodu W. Przy czym punkt wschodu E położony jest po tej samej stronie horyzontu, po której wschodzi Słońce. Punkty N, S, E i W są określane jako kardynalne punkty horyzontu (Rys. 3).
Wysokość horyzontalna gwiazdy to kąt, jaki tworzy kierunek ku gwieździe z płaszczyzną horyzontu (Rys. 4).

Rys. 4. Wysokość horyzontalna gwiazdy.

Cały artykuł przeczytacie w wydaniu specjalnym „Mechanika nieba”