в чем особенность астрономических наблюдений
Методы астрономии
Что из себя представляет современная астрономия
Астрономия (от греческого astron — звезда и nomos — закон) — наука, изучающая строение и развитие космических тел, систем, которые ими образованы, и Вселенной в общем.
Наука астрономия сделала большой вклад в понимание научной картины мира и формирование научного мировоззрения человечества, в большей степени на современном этапе развития. В рамках астрономии ученые исследуют основные физические параметры, состав, происхождение, эволюцию объектов и систем, которые расположены в космосе, а также в фокусе внимания ученых космические процессы и явления.
На протяжении развития области научного познания сложилось несколько моделей Вселенной на основе астрономических знаний. Рассматриваемые модели были сформированы, благодаря теоретическим идеям, которые относятся к конкретному периоду научного развития:
Осторожно! Если преподаватель обнаружит плагиат в работе, не избежать крупных проблем (вплоть до отчисления). Если нет возможности написать самому, закажите тут.
В определенную эпоху ключевые моменты в мировоззрении большинства населения определены степенью развития астрономии. Благодаря этой науке, сформированы основополагающие идеи и особая специфика мировоззрения ученых. Астрономия в современности представляет собой экспериментальную и эволюционную науку, а также является всекорпускулярной и всеволновой.
Космические объекты исследуют в разных диапазонах их излучения, включая спектральный анализ, в течение всего эволюционного процесса и с точки зрения взаимосвязей, которые существуют между ними. В данное время современная наука использует такие средства космонавтики, которые гарантируют возможность проводить прямое изучение объектов, процессов и явлений в космосе.
Основными достижениями современной астрономии являются:
Научно-техническая революция продолжается. Данный процесс провоцирует увеличение массива астрономических знаний и повышает их значимость. Создаются новые разделы астрономии. Инновационные методы и научные инструменты, которые сформированы на современном этапе развития астрономии, повышают точность и эффективность наблюдений, расширяют спектр их возможностей. Кроме того, наблюдается рост практической значимости астрономических исследований. Они являются триггером для развития естественных наук, в том числе химии и физики, а также способствуют совершенствованию энергетики и техники.
Современная человеческая цивилизация становится все более уязвимой к воздействию космических факторов. Решение экологических задач основано на астрономических наблюдениях за планетой Земля и ближайшим космосом. Развитие астрономии и космонавтики в будущем поможет привлечь ресурсы и использовать возможности космоса, чтобы выйти из приближающегося кризиса в области экологии и энергетики. Такие средства станут эффективной помощью для выживания человечества в XXI веке. Ученые работают над вопросом создания орбитальных солнечных электростанций и рефлекторов, системами по добыче и транспортировке с Луны топлива для термоядерных установок, удалении с нашей планеты высокоактивных отходов производства, извлечение из астероидов, трансформированных в спутники Земли, полезных ископаемых.
Современная астрономия включает отдельные разделы, которые связаны между собой. Данная классификация является условной:
К основным элементам астрономии относится астрометрия, занимающаяся исследованием времени и пространства.
Астрометрия включает следующие подразделы:
Теоретическая астрономия является разделом астрономии, специализирующимся на разработке методик с целью определения орбит небесных тел на основании их видимых положений, а также способов определения эфемерид небесных объектов, исходя из известных элементов их орбит.
Небесная механика представляет собой раздел астрономии, который изучает законы движения небесных объектов под влиянием сил всемирного тяготения, определяет массу небесных объектов, их форму, степень устойчивости систем небесных тел.
Выше перечислено три основных раздела. Данные области относятся к классической астрономии.
Другие отделы астрономии:
Какими методами пользуется для изучения небесных тел
Существует несколько методик проведения исследований в области астрономии. Основные группы методов:
Астрономические наблюдения
Астрономическими наблюдениями называют основной метод изучения небесных тел и событий. Наблюдения могут вестись невооруженным глазом или с помощью оптических инструментов: телескопов, снабженных теми или иными приемниками радиации (спектрографами, фотометрами и т.п.), астрографов, специальных инструментов (в частности, биноклей).
С помощью астрономических наблюдений ученые регистрируют происходящее в близком и дальнем космосе. Данный метод является главным источником знаний, которые получают экспериментальным путем. Астрономические наблюдения и обработка полученной с их помощью информации, обычно, проводят в условиях специализированных научно-исследовательских учреждений, то есть астрономических обсерваториях.
Первой российской обсерваторией является обсерватория в Пулково, недалеко от Санкт-Петербурга. С ее помощью ученым удалось каталогизировать звезды с высокой точностью. Во второй половине XIX столетия, обсерватория, негласно, получила звание «астрономической столицы мира». В 1884 году она являлась претендентом на нулевой меридиан, но победу одержал Гринвич.
Современные обсерватории обладают специальными инструментами для наблюдений, то есть телескопами, а также оснащены светоприемной и анализирующей аппаратурой, разными вспомогательными приборами, ЭВМ высокой производительности и другими функциональными устройствами.
Особенности астрономических наблюдений:
Основным инструментом астрономических наблюдений является оптический телескоп. Принцип действия оборудования определяется его модификацией. Независимо от конфигурации, устройство используют с целью сбора максимального количества света, который испускают светящиеся объекты в виде звезд, планет, комет. В результате ученые получают их изображение.
Оптические телескопы бывают нескольких видов:
В первом случае изображение получают за счет преломления света в линзе объектива. Недостатком рефракторов является ошибка в результате размытости изображения. Особенность рефлекторов заключается в их применении в астрофизике. Главной их характеристикой является не преломление, а отражение света. По сравнению с линзовыми, данный тип оборудования отличается повышенной точностью. Зеркально-линзовые телескопы объединяют в себе функционал рефракторов и рефлекторов.
Астрономические измерения
В процессе исследований астрономические измерения проводят с помощью разнообразного оборудования, включая приборы и инструменты. Основными из астрономических измерительных приборов являются координатно-измерительные машины. С их помощью определяют одну или пару прямоугольных координат фотографического изображения или диаграммы спектра. Данное оборудование включает стол, на котором размещают фото и микроскоп с измерительными функциями, необходимый для наводки на святящееся тело или его спектр. Точность современных приборов составляет до 1 мкм.
Ошибки, возникающие в процессе измерений:
Если имеют место ошибки, возникающие по причине несовершенства измерительного оборудования, то следует предварительно выполнить его проверку на точность. В процессе проверки анализируют:
Ошибки, объясняемые человеческим фактором и случайностью, купируются кратностью измерений. В процессе астрономических измерений широко внедряются автоматические и полуавтоматические измерительные приборы. В первом случае устройства обладают большей скоростью по сравнению с полуавтоматическими аналогами оборудования и характеризуются вдвое меньшим показателем средней квадратической ошибки.
Космический эксперимент
Космический эксперимент — множество связанных между собой взаимодействий и наблюдений, благодаря которым удается получить необходимую информацию об изучаемом небесном теле или явлении, осуществляемых в процессе пилотируемого или непилотируемого космического полета с целью подтверждения теорий, гипотез, а также совершенствования различных технологий, которые могут принести вклад в развитие научных знаний.
Основными тенденциями космических экспериментов являются:
В данном случае можно привести примеры экспериментов, которые проводят российские космонавты на МКС. Опыт Veg-01 предполагает выращивание растений. Задачей эксперимента является изучение поведения растительных организмов на орбите. Эксперимент «Плазменный кристалл» направлен на исследование плазменно-пылевых кристаллов и жидкостей в условиях микро гравитационных параметров. Данный опыт состоит из четырех этапов:
На МКС регулярно проводятся научные эксперименты. Например, российские космонавты провели свыше 100 космических опытов.
Метод триангуляции в астрономии
Космическая триангуляция — является способом построения геодезических сетей, в основе которого лежит определение относительного положения пунктов по одновременным наблюдениям с них искусственных спутников Земли (ИСЗ).
Возможности космической триангуляции:
С 60-х годов XX века ученые в США практикуется построение геодезических сетей с помощью метода космической триангуляции. Таким образом, местные сети объединяют в общую глобальную геодезическую сеть. К 1977 году определение положения пунктов в этой системе становится более точным и характеризуется среднеквадратичной погрешностью в 3 метра (по координатам).
Пункты геодезической сети, которые построены на основе триангуляции, могут являться основой для исследований внешнего гравитационного поля и фигуры нашей планеты, а также применяются в космических навигационных системах. Данный метод реализуют с применением искусственных спутников Земли, которые обладают почти круглыми орбитами:
Искусственные спутники Земли оснащают уголковыми отражателями, с помощью которых проводят лазерно-дальномерные измерения. Аппаратура для наблюдения за ИСЗ отличается высокой точностью измерений. Востребованы оптические установки, благодаря которым достаточно просто получать фотографии спутников на фоне звездного неба.
Первые измерения удаленности Земли от Солнца были выполнены Аристархом Самосским, который применил в исследованиях астрономические методы. Анализ данных его вычислений позволяет делать вывод о том, что радиус Земли примерно в семь раз меньше, чем радиус Солнца. Это заключение натолкнуло Аристарха Самосского на идею расположения Солнца в центре мира, как большего тела, чем Земля. Полученные греческим ученым результаты далеки от реальных параметров, но тенденция соответствует действительности.
Метод триангуляции первым применил Снеллиус в 1615 году, измеряя дуги меридиана в Голландии. С того времени в разных странах и на разных широтах было измерено множество дуг на поверхности Земли.
Метод параллакса в астрономии
Параллакс — изменение видимого положения объекта по отношению к удаленному фону, определяемое положением наблюдателя.
Явление параллакса используют для измерения расстояния до планет. Понять принцип данного исследования можно с помощью простых действий:
В результате наблюдатель заметит, что при закрытии одного глаза и открытии другого палец будет смещаться относительно фона. При этом смещение увеличивается по мере приближения пальца к глазам. Данное явление объясняется расположением глаз, которые удалены друг от друга на некоторое расстояние, таким образом, что прямые линии, проведенные от пальца к глазам, формируют определенный угол. При построении этих прямых до фона, они продемонстрируют два варианта положения пальца. В процессе приближения пальца к глазам уголь становится больше, что увеличивает смещение. Аналогично, для измерения расстояния до луны с помощью метода параллакса необходимо провести наблюдения из пары точек, которые удалены друг от друга на сотни километров.
При использовании метода параллакса для исследования небесных тел в качестве неподвижного фона будет принято звездное небо, которое кажется таковым из-за большого удаления звезд от нашей планеты. Примерно в 1600 году удаленность планет Солнечной системы от Земли не позволяло достаточно точно измерить их смещение на фоне звездного неба, проводя наблюдения из двух обсерваторий. Однако в 1608 году, благодаря изобретению телескопа итальянским ученым Галилео Галилеем, удалось увеличить видимые габариты небесных объектов и малые смещения, которые связаны с параллаксом.
Метод параллакса характеризуется достаточно высокой точностью измерений. Однако этот способ ограничен в возможностях. С его помощью можно относительно точно вычислить расстояния до космических объектов, которые расположены неподалеку от нашей планеты и Солнечной системы. При необходимости определить более дальние расстояния возникают сложности. В этом случае точность измерений значительно снижается. Диаметр орбиты Земли будет недостаточен для того, чтобы сформировать нужный угол.
Радиолокационный метод в астрономии
Радиолокационная астрономия является разделом астрономии, в рамка которого изучают небесные тела с помощью отправки к ним зондирующего радиосигнала и анализа отраженного радиоэха.
В процессе исследований комплекс, включая передатчик, антенну и приемник, то есть радиолокатор или радар, размещают на нашей планете или устанавливают на космический аппарат. Радиолокационная астрономия отличается от радиоастрономии изучением не собственного радиоизлучения небесных тел, а отраженных от них сигналов.
Метод отличается удобством, так как при измерении времени, в течение которого сигнал преодолевает путь туда и обратно, можно достаточно точно рассчитать расстояние до объекта, а в зависимости от того, как изменяется частота сигнала легко определить скорость объекта по принципу Доплера. Однако из-за быстрого убывания мощности отраженного сигнала по мере увеличения расстояния, ученым удается исследовать радиолокационным методом только тела, расположенные в Солнечной системе.
В 1961 году исследователи в Англии, СССР и США практически в одно и то же время использовали локацию Венеры, чтобы измерить расстояние до нее. Повторный эксперимент в 1964 году позволили значительно увеличить точность измерений с погрешностью в несколько километров. Применение современных радаров позволяет проводить также локацию Солнца, Меркурия, Марса, Юпитера с галилеевыми спутниками, Сатурна с кольцами и спутником Титаном, астероидов и ядер комет. Далее небесные тела стали исследовать, применяя космические зонды. Однако локация все еще остается эффективным методом проведения астрономических исследований. К данной методике была добавлена лазерная локация Луны, при которой использовали отражатели оптических импульсов, размещенных на ее поверхности. Таким образом, можно регулярно определять расстояние между нашей планетой и Луной с точностью до 1 сантиметра, что помогает в изучении сложного относительного перемещения этих двух объектов.
Самый крупный в мире радиотелескоп, диаметр которого составляет 305 метров, расположен в обсерватории Аресибо на острове Пуэрто-Рико.
Обеспечить прохождение сигнала наземного передатчика через ионосферу Земли можно при условии достаточно коротковолнового излучения, менее 20 метров. Когда сигнал транслируется передатчиком к объекту, плотность его мощности уменьшается обратно пропорционально квадрату расстояния. Импульс частично отражается от объекта и, возвращаясь на поверхность нашей планеты, вновь теряет мощность обратно пропорционально квадрату расстояния. Таким образом, энергия полученного радиоэха обратно пропорциональна четвертой степени расстояния до объекта. Этот факт объясняет применимость радарных методов только в случае изучения ближайших тел Солнечной системы, а также необходимость в использовании очень мощных передатчиков, больших антенн и сверхчувствительных приемников.
В чем особенность астрономических наблюдений
2. Астрономические наблюдения и телескопы
1. Телескопы
Основным астрономическим прибором является телескоп.
Основной оптической частью телескопа служит объектив, который собирает свет и создает изображение источника.
Рис. 2. Телескоп-рефрактор
Рис. 3. Крупнейший в мире телескоп-рефлектор, диаметр зеркала которого 6 м (СССР)
Собираемая телескопом световая энергия зависит от размеров объектива. Чем больше площадь его поверхности, тем более слабые светящиеся объекты можно наблюдать в телескоп.
В рефракторе лучи, пройдя через объектив, преломляются и образуют изображение объекта в фокальной плоскости (рис. 4, а). В рефлекторе лучи от вогнутого зеркала отражаются и потом также собираются в фокальной плоскости (рис. 4, б). Изображение небесного объекта, построенное объективом, можно либо рассматривать через линзу, называемую окуляром, либо фотографировать.
При изготовлении объектива телескопа стремятся свести к минимуму все искажения, которыми неизбежно обладает изображение объектов. Простая линза сильно искажает и окрашивает края изображения. Для уменьшения этих недостатков объектив изготовляют из нескольких линз с разной кривизной поверхностей и из разных сортов стекла. Поверхности вогнутого стеклянного зеркала, которая серебрится или алюминируется, придают для уменьшения искажения не сферическую, а параболическую форму.
Телескоп увеличивает видимые угловые размеры Солнца, Луны, планет и деталей на них, а также видимые угловые расстояния между светилами, но звезды в любой телескоп из-за огромной удаленности видны лишь как светящиеся точки.
В телескопе получается обычно перевернутое изображение, но это не имеет никакого значения при наблюдении космических объектов. Введение добавочных линз в окуляр делает телескоп подзорной трубой, дающей прямые изображения, но при этом теряется часть света.
2. Особенности астрономических наблюдений
Первая особенность состоит в том, что астрономические наблюдения в большинстве случаев пассивны по отношению к изучаемым объектам. Мы не можем активно влиять на небесные тела, ставить опыты (за исключением редких случаев), как это делают в других естественных науках. Лишь использование космических аппаратов дало возможность проводить непосредственные исследования на Луне и ближайших планетах.
Кроме того, многие небесные явления протекают столь медленно, что наблюдения их требуют громадных сроков; так, например, изменение наклона земной оси к плоскости ее орбиты становится хорошо заметным лишь по истечении сотен лет. Поэтому для нас не потеряли своего значения некоторые наблюдения, производившиеся тысячи лет назад, хотя они и были, по современным понятиям, очень неточными.
Третья особенность астрономических наблюдений связана с тем, что все светила находятся от нас очень далеко, так далеко, что ни на глаз, ни в телескоп нельзя решить, какое из них ближе, какое дальше. Все они кажутся нам одинаково далекими. Поэтому расстояние между объектами на небе (например, между звездами) измеряют углом, образованным лучами, идущими к объектам из точки наблюдения (рис. 5). Такое расстояние называется угловым и выражается в градусах и его долях. При этом считается, что две звезды находятся недалеко друг от друга на небе, если близки направления, по которым мы их видим (например, звезды А и И В, см. рис. 5). Возможно, что третья звезда С, на небе более далекая от C, в пространстве к А ближе, чем звезда В.
Рис. 5. Угловые измерения на небе высота светила над горизонтом
Угловое расстояние светила от горизонта h (см. рис. 5) называется высотой светила над горизонтом.
Высота светил отсчитывается от 0° (светило находится на горизонте) до 90° (светило над головой). Положение светила относительно сторон горизонта (стран света) указывается с помощью второго угла, который называется азимутом и меняется в пределах от 0 до 360° (отсчет ведется от юга по ходу часовой стрелки).
Для приближенной оценки угловых расстояний на небе полезно знать, что угловое расстояние между двумя звездами «ковша» (α и β, см. рис. 7) Большой Медведицы равно примерно 5°.
Видимые размеры небесных объектов также можно выразить в угловых единицах. Например, диаметры Солнца и Луны в угловой мере примерно равны 0,5°.
О том, как определяют на основании угловых измерений линейные расстояния до небесных тел и их линейные размеры, вы узнаете из § 12.
3. Ваши наблюдения. Для лучшего усвоения астрономии вы должны как можно раньше приступить к наблюдениям небесных явлений и светил. Подробные указания к наблюдениям и использованию подвижной карты звездного неба, имеющейся в учебнике, даны в приложениях VI и VII.
В чем особенность астрономических наблюдений
В основе астрономии лежат наблюдения, производимые с Земли и лишь с 60-х годов нашего века выполняемые из космоса — с автоматических и других космических станций и даже с Луны Аппараты сделали возможным получение проб лунного грунта, доставку разных приборов и даже высадку людей на Луну. Но так пока можно исследовать только ближайшие к Земле небесные светила Играя такую же роль, как опыты в физике и химии, наблюдения в астрономии имеют ряд особенностей.
Первая особенность состоит в том, что астрономические наблюдения в большинстве случаев пассивны по отношению к изучаемым объектам. Мы не можем активно влиять на небесные тела, ставить опыты (за исключением редких случаев), как это делают в физике, биологии, химии. Лишь использование космических аппаратов дало в этом отношении некоторые возможности.
Кроме того, многие небесные явления протекают столь медленно, что наблюдения их требуют громадных сроков; так, например, изменение наклона земной оси к плоскости ее орбиты становится заметным лишь по истечении сотен лет. Поэтому для нас не потеряли своего значения некоторые наблюдения производившиеся в Вавилоне и в Китае тысячи лет назад, хотя они и были, по современным понятиям, очень неточными.
Вторая особенность астрономических наблюдений состоит в следующем. Мы наблюдаем положение небесных тел и их движение с Земли, которая сама находится в движении. Поэтому вид неба для земного наблюдателя зависит не только от того, в каком месте Земли он находится, но и от того, в какое время суток и года он наблюдает. Например, когда у нас зимний день, в Южной Америке летняя ночь, и наоборот. Есть звезды, видимые лишь летом или зимой.
Третья особенность астрономических наблюдений связана с тем, что все светила находятся от нас очень далеко, так далеко, что ни на глаз, ни в телескоп нельзя решить, какое из них ближе, какое дальше. Все они кажутся нам одинаково далекими. Поэтому при наблюдениях обычно выполняют угловые измерения и уже по ним часто делают выводы о линейных расстояниях и размерах тел.
Расстояние между объектами на небе (например, звездами) измеряют углом, образованным лучами, идущими к объектам из точки наблюдения. Такое расстояние называется угловым и выражается в градусах и его долях. При этом считается, что две звезды находятся недалеко друг от друга на небе, если близки друг другу направления, по которым мы их видим (рис. 1, звезды А и В). Возможно, что третья звезда С, на небе более далекая от Л,в пространстве к А ближе, чем звезда В.
Рис. 1. Угловые измерения на небе и высота светила над горизонтом
Угловое расстояние светила от горизонта называется высотой h (рис. 1) светила над горизонтом. Она выражается только в угловых единицах.
Измерения высоты, углового расстояния объекта от горизонта, выполняют специальными угломерными оптическими инструментами, например теодолитом. Теодолит — это инструмент, основной частью которого служит зрительная труба, вращающаяся около вертикальной и горизонтальной осей (рис. 2). С осями скреплены круги, разделенные на градусы и минуты дуги. По этим кругам отсчитывают направление зрительной трубы. На кораблях и на самолетах угловые измерения выполняют прибором, называемым секстантом (секстаном).
Рис. 2. Теодолит. светила над горизонтом
Видимые размеры небесных объектов также можно выразить в угловых единицах. Диаметры Солнца и Луны в угловой мере примерно одинаковы — около 0,5°, а в линейных единицах Солнце больше Луны по диаметру примерно в 400 раз, но оно во столько же раз от Земли дальше. Поэтому их угловые диаметры для нас почти равны.