Tải bản đầy đủ
THIÊN CẦU - NHẬT ĐỘNG

THIÊN CẦU - NHẬT ĐỘNG

Tải bản đầy đủ

H4.1.

vũ trụ và chia hai nửa thiên cầu bắc và thiên cầu nam.

Trên hình 4.1 cho thấy đường này cũng nghiêng so với thiên đỉnh một góc đúng
bằng vĩ độ địa lý ϕ. Vòng tròn lớn NESW là đường chân trời, chính là giao tuyến
của mặt phẳng nằm ngang với thiên cầu và đi qua các điểm đông, tây, nam, bắc
nhìn từ vị trí quan sát. Vòng tròn lớn NZSZ' là kinh tuyến trời, chính là mặt
phẳng đi qua trục vũ trụ và đường zz' (có z là thiên đỉnh)cắt đường chân trời ở
hai điểm bắc và nam, đi qua 2 thiên cực PP'. Nửa vòng kinh tuyến trên giới hạn
bởi 2 thiên cực PP' có chứa thiên đỉnh z, phần còn lại là nửa vòng kinh tuyến
dưới.
Các vòng tròn đi qua z và z' thẳng góc với đường chân trời gọi là các vòng
thẳng đứng. Các vòng đi qua 2 thiên cực PP' và thẳng góc với xích đạo trời gọi là
các vòng giờ. Do nhật động, các thiên thể quay quanh trục vũ trụ tạo thành các
vòng song song với xích đạo trời gọi là các vòng nhật động.
Hoàng đạo là quỹ đạo chuyển động biểu kiến của MT trong một năm thiên
cầu so với nền sao, chính là mặt phẳng quỹ đạo chuyển động của TĐ quanh MT.
Hoàng đạo nghiêng so với quỹ đạo 23 027'. Do tiến động và chương động (ở
chương hai) nếu trên bản đồ sao biểu diễn xích đạo TĐ bằng một đường thẳng thì
hoàng đạo là một đường hình sin cắt xích đạo ở 2 điểm xuân phân và thu phân.
1.2. Các đặc điểm của thiên cầu
Khi cần xác định vị trí của một thiên thể trên thiên cầu cần chú ý đến mặt
phẳng quy chiếu, vòng tròn gốc trong mặt phẳng ấy và điểm gốc. Trong phép
dựng hình không gian thông thường trên hình cầu, ta thấy:
- Mặt phẳng chứa tâm thiên cầu cắt thiên cầu theo một vòng tròn gốc.
- Qua hai điểm không đối tâm chỉ vẽ được một vòng tròn lớn và các vòng
tròn lớn cắt nhau ở 2 điểm đối tâm.
Các thiên thể trên thiên cầu có vị trí xác định bởi các thông số gọi là toạ độ
thiên cầu. Có nhiều hệ toạ độ thiên cầu khác nhau tuỳ thuộc việc chọn các cực,
mặt phẳng quy chiếu, điểm gốc và vòng tròn gốc trong mặt phẳng ấy.
Trong hệ toạ độ đã chọn, trị số toạ độ thứ nhất có tính chất vĩ tuyến là
khoảng cách góc tính từ thiên thể đến vòng tròn gốc. Trị số thứ 2 có tính chất
kinh tuyến là khoảng cách tính từ điểm gốc cố định đến giao điểm của vòng tròn
lớn đi qua thiên thể so với vòng tròn gốc
2. Hệ toạ độ chân trời

z

26

Mặt phẳng quy chiếu là mặt phẳng chân trời, do đó vòng tròn gốc
h
E
là đường chân trời các cực là thiên đỉnh z và z' điểm gốc là điểm nam
N
s
hoặc bắc.
w T,
P,
Vòng tròn phụ là kinh tuyến trời. Hai trị số toạ độ là độ cao và độ
’’’
Z
phương.
H4.2.
(Xem hình H4.2. ở trên và trong [1])
2.1. Độ cao
Khoảng cách góc giữa thiên thể T và mặt phẳng chân trời là độ cao h (cung
TT') nằm trong khoảng từ - 900 đến +900 (từ thiên để z' đến thiên đỉnh z). Độ cao
âm nếu thiên thể nằm dưới đường chân trời và bằng 0 nếu nằm trên đường này.
Còn dùng cách đo khác là góc giữa z và thiên thể T (cung ZT), khi đó z + h = 90 0
và góc này từ 00 đến 1800.
Trong quá trình nhật động, mỗi thiên thể đi qua kinh tuyến trời 2 lần, khi đi
qua kinh tuyến trên có z nhỏ nhất và ngược lại. Như vậy độ cao của thiên thể
trong một ngày sẽ di động trong khoảng này.
2.2. Độ phương A
A là góc cung tính từ điểm nam s theo hướng tây w tới vòng thẳng đứng đi
qua thiên thể (cung sT trên hình vẽ) có giá trị từ 0 0 đến 3600. Độ phương trắc địa
và độ phương hàng hải lại tính từ điểm bắc N nên có giá trị sai khác với độ
phương thiên văn 1800.
Các thiên thể đi qua kinh tuyến trời ở giữa thiên cực bắc P và thiên đỉnh z
thì độ phương chỉ biến thiên trong một giới hạn nào đó phụ thuộc vĩ độ nơi quan
sát và khoảng cách góc đến thiên cực bắc của thiên thể. Trong kỹ thuật quân sự,
người ta gọi góc tà = độ cao và góc phương vị = độ phương.
Hệ toạ độ này có đặc điểm là:
- Toạ độ phụ thuộc vào điểm quan sát, cùng một thiên thể tại các điểm khác
nhau quan sát cho các toạ độ khác nhau.
- Toạ độ của thiên thể biến thiên theo thời gian nhanh và không đều do nhật
động.
Hệ này chỉ tiện lợi để xác định vĩ độ nơi quan sát.
3. Các hệ toạ độ xích đạo
Các hệ này dùng mặt phẳng quy chiếu là mặt phẳng xích đạo, vòng tròn gốc
là xích đạo trời còn các cực là P và P'.
3.1. Hệ toạ độ xích đạo dùng góc giờ
Chọn điểm gốc là giao điểm của xích đạo trời và
p Sz
X
α
kinh tuyến trời, khi đó trị số hai toạ độ là:
T

P

δ

M

X

'

H 4.3

N

P’
HH

t
27

Z’

(Xem hình 4.3. ở bên và [1]).
3.1.1. Xích vỹ δ là khoảng cách góc từ mặt phẳng xích đạo trời đến thiên
thể (SM) nằm trong khoảng 00 đến 900 ở nửa thiên cầu bắc và từ 00 đến - 900 ở
nửa thiên cầu nam. Ngoài ra còn dùng khoảng cách thiên cực p = cung PS và p +
δ = 900
3.1.2. Góc giờ t là góc (cung) hướng tới giao điểm của xích đạo trời với
kinh tuyến trời cũng là cung tính từ X hướng tới giao điểm của vòng tròn đi qua
2 thiên cực và thiên thể cắt xích đạo trời tại M tính theo chiều nhật động của
thiên cầu (cung XM). Trên hình, pSM là một đoạn của vòng giờ (còn gọi là vòng
xích vĩ), XMNX' là xích đạo. Góc giờ (tính theo sao) từ 0 0 đến 3600 tương ứng là
0h đến 24h, trong đó 1h = 150, 1min = 15', 1s = 15'' và 10 = 4min.
Hệ này có đặc điểm là:
- Xích vĩ của một thiên thể không phụ thuộc nơi quan sát, còn góc giờ phụ
thuộc nơi quan sát.
- Góc giờ tăng đều theo thời gian nên có thể tính trước nếu biết trị số tại
một thời điểm nào đó, còn xích vĩ không thay đổi vì nhật động.
- Hệ này sử dụng trong hàng hải rất tiện lợi.
3.2. Hệ toạ độ dùng xích kinh
Điểm gốc được chọn là điểm xuân phân. Cần phân biệt điểm xuân phân cố
định và điểm xuân phân thực do tiến động của TĐ.
Về trị số toạ độ thì xích vỹ được xác định như ở hệ trên còn xích kinh được
xác định như sau:
α là góc (cung) tính từ điểm xuân phân N ngược chiều nhật động của thiên
cầu tới giao điểm của vòng xích vỹ với xích đạo trời(cung NM cũng là góc
NPM). Như vậy α có chiều từ Tây sang Đông ngược với góc giờ và cũng tính
bằng giờ, phút, giây; lưu ý rằng thời gian ở đây là thời gian sao.
Đặc điểm của hệ này là có xích vỹ và xích kinh không thay đổi vì nhật động
và không phụ thuộc nơi quan sát. Hệ này được dùng phổ biến trong thiên văn để
xác định vị trí thiên thể, vệ tinh nhân tạo, trạm vũ trụ.
4. Hệ toạ độ hoàng đạo và hệ toạ độ thiên hà
4.1. Hệ toạ độ hoàng đạo
Hệ này chọn mặt phẳng quy chiếu là mặt phẳng hoàng đạo (chính là mặt
phẳng quỹ đạo của TĐ quay quanh MT), vòng tròn gốc là vòng hoàng đạo
(MEE'γ), các cực là hoàng cực bắc π và hoàng cực nam π', điểm gốc là điểm
xuân phân γ. Hình dưới đây cho mô tả sơ bộ về hệ tọa độ này.
28

Hai trị số toạ độ là:

E
P

π

π

X'
E'

S
'

M
γ

P'
H4.4.

X

4.1.1. Hoàng vỹ β là khoảng cách góc từ thiên thể
S đến hoàng đạo (= cung SM). Nó trong khoảng 900 đến + 900 khi thiên thể ở phía bắc hoàng đạo,
bằng 0 khi ở trên quỹ đạo.
(Xem hình 4.4. và [1] ).
4.1.2. Hoàng kinh λ là góc (cung γM ) tính từ
điểm xuân phân ngược chiều nhật động tới giao
điểm M của vòng hoàng vỹ có giá trị từ 0 0 đến

3600. Trên hình có γXX' là xích đạo trời, P là thiên cực bắc.
Hệ này có đặc điểm là không thay đổi vì nhật động và nơi quan sát. Nó ra
đời trước hệ toạ độ xích đạo và xác định được các thiên thể trong hệ mặt trời rất
tiện lợi.
4.2. Hệ toạ độ thiên hà
Thiên văn học ngày nay nghiên cứu khoảng không gian rộng lớn hơn trước
đây rất nhiều nên các hệ trên không thể đáp ứng yêu cầu xác định vị trí của các
thiên hà.
Hệ toạ độ này lấy mặt phẳng quy chiếu là mặt phẳng xích đạo thiên hà,
chính là mặt phẳng đối xứng của Ngân Hà, vòng tròn gốc là xích đạo thiên hà,
điểm gốc là giao điểm của xích đạo trời với xích đạo thiên hà. Mỗi thiên hà được
xác định bởi vĩ độ thiên hà và kinh độ thiên hà gần giống như sử dụng hệ toạ độ
xích đạo. Những vấn đề về thiên hà sẽ nghiên cứu ở các chương cuối.
5. Nhật động với toạ độ địa lý và toạ độ thiên thể
5.1. Độ cao của thiên cực bằng độ vĩ địa lý nơi quan sát.
Quan sát từ TĐ, do bán kính thiên cầu vô cùng
PPP
lớn nên người quan sát dù ở A hay B tương ứng với vĩ độ địa
B hB hA
A
ϕBϕA

lý ϕA và ϕB đều nhìn về thiên cực P song song như ở hình vẽ
(H.4.5.). Khi đó, mặt phẳng chân trời tạo (các đường thẳng
tiếp xúc vòng tròn trên hình) với phương của trục vũ trụ các
góc tương ứng là

H4.5.

ϕB
Ta có hP = ϕ và tương ứng ϕ = δZ (xích vỹ của thiên đỉnh).

1

B

2

3

DD

N

P

5.2. Hiện tượng mọc và lặn của các thiên thể do nhật động
Do nhật động, các thiên thể
vẽ thành các vòng tròn song
29

hA= ϕA và hB =

T

P'

song với quỹ đạo trời gọi là các vòng nhật
động(1,2..).Các vòng này có thể nằm trên (1) hay khuất dưới (4) đường
H4.6.
chân trời; có thể cắt đường chân trời ở hai điểm đông Đ và tây T (3) hoặc
chỉ tiếp xúc đường chân trời (1). Xem hình 4.6 và [1].
Thiên thể nhìn thấy ở phía đông bầu trời là điểm mọc và điểm lặn ở phía
tây. Trên hình cho thấy chỉ ở các vĩ độ nhất định mới quan sát được các thiên thể
mọc và lặn khi thoả mãn điều kiện về xích vĩ của nó
4

|δ| ≤ ( 900- |ϕ| ).
Các thiên thể nằm trên xích đạo trời mọc đúng điểm đông và lặn đúng điểm
tây (vòng 3). Các thiên thể ở Bắc Thiên cầu có δ > 0 mọc ở đông bắc và lặn ở tây
bắc (vòng 2). Các thiên thể ở Nam Thiên cầu có δ < 0 mọc ở đông nam và lặn ở
tây nam (không vẽ trên hình). Các thiên thể chỉ nằm ở một phía có |δ| ≥ ( 900- |
ϕ| ) không có mọc- lặn (các vòng 1,4).

5.3. Quan sát thiên thể ở các vĩ độ khác nhau
5.3.1. Khi quan sát thiên thể từ Bắc cực (ϕ = 900) thiên cực P trùng thiên
đỉnh Z, xích đạo trời trùng với đường chân trời. Các vòng nhật động của thiên thể
đều song song với đường chân trời nên không có mọc- lặn. Ở địa cực bắc, các
sao có δ > 0 sẽ không lặn, các sao có δ < 0 sẽ không mọc tức là chỉ thấy sao ở
nửa thiên cầu.
5.3.2. Quan sát ở xích đạo (ϕ = 00) tương ứng có độ cao thiên cực h P = 00
tức là thiên cực nằm ngay trên đường chân trời (thiên cực Bắc trùng với điểm bắc
B). Các vòng nhật động của các thiên thể đều thẳng góc với đường chân trời, khi
đó quan sát được toàn bộ các sao mọc ở phía đông và lặn phía tây có thời gian
mọc-lặn bằng nhau.
5.3.3. Quan sát ở vị trí trung gian 0 < ϕ < 900
Hình vẽ trên thực hiện với người quan sát ở vĩ độ trung gian thuộc nửa bán
cầu bắc. Sự mọc lặn của thiên thể còn phụ thuộc vào xích vĩ. Các thiên thể có δ =
0 thì thời gian mọc bằng thời gian lặn. Các thiên thể co điều kiện 0 < δ < 900- ϕ
thì thời gian mọc lớn hơn thời gian lặn; có xích vĩ thoả mãn điều kiện δ > 900- ϕ
thì không bao giờ lặn. Các thiên thể có xích vĩ âm thoả mãn điều kiện 0< | δ| <
900-ϕ thì thời gian mọc nhỏ hơn thời gian lặn; có xích vĩ âm thoả mãn điều kiện |
δ| > 900- ϕ sẽ không bao giờ mọc.

30

4. Biến thiên toạ độ của các thiên thể do nhật động
Xét một thiên thể nằm yên trên thiên cầu, trong hệ toạ độ chân trời, do nhật
động thì độ cao h và độ phương A biến thiên liên tục với chu kỳ bằng chu kỳ
nhật động, cụ thể là:
- Khi mọc hay lặn thì độ cao h = 0 và độ phương A phụ thuộc xích vĩ của
thiên thể và độ vĩ nơi quan sát.
- Kể từ sau khi mọc thiên thể dịch chuyển dần h tăng dần đến cực đại ở kinh
tuyến trên. Khi đó độ phương A = 0 0 hay A = 1800 với thiên thể ở phía nam hay
phía bắc thiên đỉnh.
- Sau khi thiên thể qua kinh tuyến trên đến khi lặn độ cao h giảm dần.
Bây giờ xét trong hệ toạ độ dùng góc giờ, khi thiên thể ở
S
S
1X
S
kinh tuyến trên thì t = 0, ở kinh tuyến dưới thì t = 1800 (ứng với
P 3 Z
ϕ
12h).
ϕ
Góc giờ biến thiên đều giúp ta dự báo về thời gian.
B
Hình 4.7. ở bên đúng với người quan sát ở nửa bán cầu
H4.7
Bắc.
2

- Xích vĩ δ < ϕ thiên thể qua kinh tuyến trên ở phía nam thiên đỉnh Z và độ
cao h = 900-ϕ + δ (vị trí S1).
- Khi δ = ϕ thì thiên thể ở Z, độ cao h = 900 hay z = 0 (vị trí S2) và khi δ > ϕ
thì thiên thể qua kinh tuyến trên ở phía bắc Z, h = 90 0+ ϕ - δ hay z = δ - ϕ (vị trí
S3).
Lưu ý khi quan sát tại một vị trí xác định, thiên thể có điểm mọc, lặn và độ
cao lúc qua kinh tuyến trên không đổi theo thời gian thì xích vĩ của nó cũng
không đổi theo thời gian.
Xích vĩ của các thiên thể trong hệ mặt trời luôn biến đổi theo thời gian.
Các nội dung cần chú ý trong chương này:
-Dựa vào [1] so sánh các các gọi khác về các hệ tọa độ xích đạo và chú ý
các đặc điểm của từng hệ tọa độ.
-Tìm hiểu các vị trí thiên thể theo các loại hệ tọa độ khác nhau trong các
phần mềm quan sát thiên văn như Cyber Sky (theo hướng dẫn của giảng viên).

31

Chương 5
BỐN MÙA, THỜI GIAN VÀ LỊCH
1. Hoàng đạo và hoàng đới
MT dịch chuyển biểu kiến hàng năm trên thiên cầu theo hoàng đạo. Mặt
phẳng hoàng đạo chính là mặt phẳng quỹ đạo của trái đất chiếu lên thiên cầu. Nó
nghiêng so với mặt phẳng xích đạo 23027' và cắt xích đạo trời ở 2 điểm xuân
phân và thu phân.
Từ xưa người ta đã vạch ra dải hình đới cầu rộng 16 0 gọi là hoàng đới, có
vòng trung tâm là hoàng đạo. Các hành tinh dịch chuyển biểu kiến hàng năm
trên hoàng đới.
Diêm Vương Tinh (nay gọi là Diêm Tinh) phát hiện sau có quỹ đạo
nghiêng so với hoàng đạo 1702' nên dịch chuyển vượt ra ngoài hoàng đới.
Hoàng đới được chia ra 12 phần được gọi là cung hoàng đạo có 12 chòm
sao. Hàng năm MT đi qua 12 chòm sao này lần lượt là Con Hươu(Sơn Dương),
Cái Bình, Song Ngư, Con Dê(Bạch Dương), Con Trâu(Kim Ngưu), Song Tử,
Con Cua(Tôm,Cự Giải), Sư Tử, Trinh Nữ, Cái Cân, Bọ Cạp, Cung Thủ, tương
ứng ở Á Đông là: Tuất, Dậu, Thân, Mùi, Ngọ, Tỵ , Thìn, Mão, Dần, Sửu ,Tý,
Hợi. Chẳng hạn, tháng 3 MT in hình lên chòm sao Song Ngư thì ở chân trời phía
32

đông có chòm sao Trinh Nữ mọc. Sau một tháng, chòm Trinh Nữ nằm cao ở
chân trời phía đông khoảng 300 thì chòm Cái Cân bắt đầu mọc, khi đó MT in
hình lên chòm sao Con Dê.
Cách đặt tên này (xem bảng 1 chương 5, [1]) ứng với từng tháng hiện nay
nếu đối chiếu với 2000 năm trước thì điểm xuân phân đã dịch chuyển đi một
cung do tiến động. Mặt khác các chòm sao này cũng không nằm theo bề dọc
hoàng đạo như trước. Vì vậy, MT đi vào cung hoàng đạo sớm hơn từ hai đến
năm tuần so với trước đây, MT còn đi qua chòm sao Xà Phu khoảng 1/12 ÷
12/12 không có tên trên hoàng đạo trước đây.
2. Vị trí của MT trên thiên cầu. Các mùa
(Xem [1] trang 78-81)
2.1. Cơ sở xác định thời gian
Đơn vị đo thời gian được xác định dựa vào chu kỳ nhật động của thiên cầu.
Dương lịch dựa vào sự quay của TĐ xung quanh MT, còn âm lịch lại dựa vào
chu kỳ quay của Tr.
Để xác định khoảng thời gian dài, người ta dùng đơn vị cơ sở là năm xuân
phân, có độ dài bằng khoảng thời gian liên tiếp MT qua điểm xuân phân .Với
thời gian ngắn đơn vị cơ sở là ngày.
Ta tìm hiểu các vấn đề liên quan đến ngày, tháng, năm.
2.2. Ngày sao
Còn gọi là ngày vũ trụ là khoảng thời gian TĐ quay trọn một vòng quanh
trục của nó, cũng là khoảng thời gian giữa 2 lần kế tiếp một ngôi sao nào đó đi
qua kinh tuyến trời. Ngày sao chia ra 24h = 1440m = 86400s.
Người ta đo giờ sao tại một vị trí ở thời điểm nào đó bằng góc giờ của điểm
xuân phân tại nơi đó. Thực tế, giờ sao có trị số bằng xích kinh của ngôi sao đi
qua kinh tuyến trên tại nơi đo và thời điểm đo vì khi sao đi qua kinh tuyến trên
thì S = α.
Ngày giờ sao dùng trong quan trắc thiên văn.
2.3.Ngày MT thực và ngày MT trung bình
Ngày MT là khoảng thời gian giữa 2 lần kế tiếp MT đi qua kinh tuyến trên
(chứa thiên cực P và hoàng cực π).
Ngày MT thực còn gọi là ngày MT biểu kiến, theo quy ước bắt đầu 0h lúc
MT đi qua kinh tuyến dưới (nửa đêm thực), khi MT qua kinh tuyến trên (giữa
trưa) giờ là 0+12h = 12h nửa đêm 12h +12h = 24h = 0h.
Ngày MT thực dài hơn ngày sao (TMT > Ts).
TĐ quay một vòng so với nền sao từ Đ1đến Đ2 mất
s
s
33