Inne Nieba - Astrolabium

Inne Nieba
Gimnazjum
Klasy I – III
Doświadczenie konkursowe nr 4
Rok 2017
Konkurs Astronomiczny „Astrolabium”
Inne Nieba
Doświadczenie konkursowe rok 2017
1. Wstęp teoretyczny
Układ Słoneczny jest niezwykle skomplikowanym mechanizmem. Mnogość parametrów
przekłada się na mnogość zjawisk, jakie można obserwować z powierzchni poszczególnych planet
i księżyców. Wygląd nieba widzianego z innych ciał niebieskich może zaskakiwać i pobudzać
wyobraźnię. Na szczęście, dzięki odpowiednim obliczeniom i programom komputerowym, możemy
określić jego wygląd bez konieczności podróży na inne planety.
Patrząc na niebo mamy wrażenie, że znajdujemy się pod rozgwieżdżoną kopułą. Kopuła ta
stanowi połowę tzw. sfery niebieskiej. Jej druga połowa skrywa się pod horyzontem. Sfera
niebieska to pozorna sfera, związana z naszym postrzeganiem. Nie ma ona określonego promienia,
a jej środek znajduje się zawsze w miejscu, gdzie stoi obserwator i pokrywa się ze środkiem
horyzontu. Wyobrażenie nieba pod postacią sfery niebieskiej ułatwia nam orientację na niebie
(Rys.1).
Zenit
BN
Gwiazda
Polarna
E
N
S
W
BS
Nadir
Rysunek 1. Sfera niebieska.
Na sferze tej wyróżnić można pewne punkty. Tam, gdzie oś planety czy księżyca przecina sferę
niebieską, znajdują się bieguny sfery niebieskiej: północny (BN) i południowy (BS). Przykładowo,
blisko punktu północnego bieguna niebieskiego Ziemi znajduje się Gwiazda Polarna (α UMi), jedna
z gwiazd konstelacji Małej Niedźwiedzicy (łac. Ursa Minor). Kierunki na sferze odpowiadają
kierunkom na mapie. Możemy wyróżnić punkty związane z południem (S), północą (N), wschodem
(E) i zachodem (W). Dokładnie nad głową mamy inny, wyróżniony na sferze punkt, który nazywamy
zenitem. Natomiast po przeciwnej stronie, pod naszymi stopami, znajduje się nadir (Rys.1).
By łatwo można było orientować się na sferze niebieskiej, korzysta się z układu współrzędnych
astronomicznych zwanego układem horyzontalnym (Rys.2). W układzie tym zdefiniowane są dwie
współrzędne: wysokość h oraz azymut A. Wysokość to kąt zawarty pomiędzy horyzontem a prostą
łączącą obiekt oraz pozycję obserwatora. Współrzędna ta mierzona jest od horyzontu i przyjmuje
wartości od –90° (nadir) do 90° (zenit). Azymut jest to kąt zawarty pomiędzy płaszczyzną
wyznaczającą południe1 a rzutem prostej łączącej obiekt oraz pozycję obserwatora na płaszczyznę
horyzontu. Azymut wzrasta w kierunku zgodnym z ruchem wskazówek zegara i jest mierzony od 0°
do 360°. Obiekt znajdujący się w punkcie wschodu (E) ma współrzędne: h = 0°, A = 270°.
1
przechodzącą przez zenit, punkt południa (S) oraz nadir.
2
Opracowanie: Fundacja „Akademia Astronomii” i Obserwatorium Astronomiczne UJ
Konkurs Astronomiczny „Astrolabium”
Inne Nieba
Doświadczenie konkursowe rok 2017
2
Rysunek 2 Horyzontalny układ współrzędnych. Kąt φ to szerokość geograficzna miejsca obserwacji .
W tym miejscu podamy słownik pojęć przydatnych do wykonania doświadczenia:
Koniunkcja – sytuacja, w której planeta znajduje się, z punktu widzenia obserwatora, po tej
samej stronie, co Słońce (Rys.3). Jest to moment największego zbliżenia planety do Słońca na sferze
niebieskiej. W przypadku planet dolnych, czyli takich, których orbity znajdują się bliżej Słońca niż
orbita obiektu, na którym znajduje się obserwator, rozróżniamy dwa typy koniunkcji: dolną, gdy
planeta znajduje się między Słońcem a obserwatorem, oraz górną, gdy znajduje się ona za
Słońcem. W przypadku planet górnych, mających orbity położone dalej od Słońca niż orbita planety
obserwatora, możliwa jest do zaobserwowania tylko koniunkcja górna.
Opozycja – sytuacja, gdy dana planeta znajduje się z punktu widzenia obserwatora po
przeciwnej stronie nieba niż Słońce (Rys.3). Możliwa tylko w przypadku obserwacji planet górnych.
Rysunek 3. Koniunkcje i opozycja dla obserwatora na Ziemi. Planeta szara jest planetą dolną, a planeta czerwona –
planeta górną dla obserwatora na Ziemi.
Rozmiar kątowy – kąt, jaki mierzy średnica danego ciała (np. Księżyca) na sferze niebieskiej,
2
Nazwę geograficzne w odniesieniu do współrzędnych stosujemy głównie dla Ziemi (przedrostek geo- od greckiego
Ge, czyli Ziemia). Na innych planetach czy Księżycach stosujemy inne nazwy np. na Marsie mówimy o współrzędnych
areograficznych (od Aresa), na Księżycu o współrzędnych selenograficznych (od Selene).
3
Opracowanie: Fundacja „Akademia Astronomii” i Obserwatorium Astronomiczne UJ
Konkurs Astronomiczny „Astrolabium”
Inne Nieba
Doświadczenie konkursowe rok 2017
wyrażony w stopniach, minutach i sekundach.
Wielkość gwiazdowa – miara jasności obiektu astronomicznego. System wielkości
gwiazdowych jest tak pomyślany, że wielkość gwiazdowa 0 (inaczej 0 magnitudo) jest przypisana
gwieździe Wega (α Lyrae), natomiast obiekty słabsze od Wegi mają większą jasność gwiazdową.
Z kolei obiekty jaśniejsze od Wegi (jak np. Słońce, Księżyc, niektóre planety) mają ujemne wartości
magnitudo. Podsumowując, im wyższe magnitudo, tym słabiej widoczny jest dany obiekt.
W systemie tym, gwiazdy piątej wielkości są 100 razy słabiej widoczne od Wegi. Innymi słowy
wzrost o jedną wielkość gwiazdową oznacza spadek jasności gwiazdy o czynnik około 2,5.
2. Cel doświadczenia
Celem doświadczenia jest zapoznanie się z wyglądem nieba widzianego z innych planet Układu
Słonecznego oraz z powierzchni Księżyca.
3. Opis wykonania doświadczenia
Do wykonania doświadczenia wykorzystamy darmowy program Stellarium. Można go pobrać ze
strony http://www.stellarium.org/pl/. Zaraz po uruchomieniu programu zobaczymy widok nieba
(Rys.4).
Rysunek 4. Główny widok programu Stellarium.
Za pomocą myszki i strzałek na klawiaturze możliwe jest obracanie i powiększanie widoku,
wybór obiektów na niebie, itd. Sterowanie jest zasadniczo intuicyjne i nie powinno sprawiać
większych trudności. W razie jednak ich wystąpienia, można skorzystać z okna pomocy (klawisz F1).
Po przemieszczeniu myszki w rejon lewego dolnego rogu okna, ukaże się nam pasek, zawierający
opcje widoku i sterowania czasem (Rys.5). Możliwe jest włączenie/wyłączenie widoku ziemi,
atmosfery, siatek współrzędnych, itd. Możliwe jest również przyspieszanie, spowalnianie,
zatrzymywanie, odwracanie biegu czasu oraz wyjście z programu.
4
Opracowanie: Fundacja „Akademia Astronomii” i Obserwatorium Astronomiczne UJ
Konkurs Astronomiczny „Astrolabium”
Inne Nieba
Doświadczenie konkursowe rok 2017
Rysunek 5. Dolny pasek programu.
Podobnie, po przemieszczeniu kursora w lewy rejon ekranu, ukaże się nam kolejny pasek
umożliwiający wybór bardziej zaawansowanych opcji: lokalizacji obserwatora, daty i godziny
obserwacji, wyszukiwania obiektów, itp. (Rys.6).
Rysunek 6. Lewy pasek programu.
W menu lokalizacji możemy ustalić nasze położenie, wybierając planetę, kraj i miejscowość,
bądź wpisując odpowiednie współrzędne (Rys.7).
5
Opracowanie: Fundacja „Akademia Astronomii” i Obserwatorium Astronomiczne UJ
Konkurs Astronomiczny „Astrolabium”
Inne Nieba
Doświadczenie konkursowe rok 2017
Rysunek 7. Okno lokalizacji.
Podobnie, wybierając z lewego paska okno Daty/Czasu, możliwe jest ustalenie momentu
obserwacji (Rys.8).
Rysunek 8. Okno Daty/Czasu.
Po kliknięciu na dany obiekt astronomiczny w lewym górnym rogu ukaże się nam pole
zawierające informacje o obiekcie, takie jak współrzędne czy wielkość gwiazdowa. W przypadku
śledzenia planet przez dłuższy czas (kilku dni, tygodni, miesięcy czy nawet lat), wygodnie jest
wyłączyć grunt, atmosferę, a także przełączyć się na układ paralaktyczny. Czasem pożyteczne jest
też włączenie współrzędnych na niebie oraz linii gwiazdozbiorów (Rys.9).
6
Opracowanie: Fundacja „Akademia Astronomii” i Obserwatorium Astronomiczne UJ
Konkurs Astronomiczny „Astrolabium”
Inne Nieba
Doświadczenie konkursowe rok 2017
Rysunek 9. Widok na niebo w Stellarium przy włączonej siatce współrzędnych biegunowych (zaznaczonej cienkimi
szarymi liniami), układzie paralaktycznym, widoku powierzchni planety (gruntu), wyłączonych liniach gwiazdozbiorów.
Strzałki wskazują elementy omówione w tekście.
Odpowiedz na poniższe siedem pytań:
1. Czy któryś z księżyców innych planet (Wenus i Merkury nie mają księżyców), widziany
z powierzchni tej planety, ma większe rozmiary kątowe od naszego Księżyca widzianego z Ziemi?
2. Jaka gwiazda mogłaby pełnić na południowej półkuli Marsa rolę gwiazdy polarnej
(najjaśniejszej gwiazdy w promieniu 5 stopni od południowego bieguna niebieskiego)?
3. Jakie gwiazdy pełnią rolę gwiazd polarnych na południowej i północnej półkuli Neptuna?
4. Kiedy nastąpi najbliższa opozycja Ziemi widziana z Wenus i jaka byłaby wielkość gwiazdowa
Ziemi, widzianej z Wenus, gdyby nie przeszkadzały w tym grube wenusjańskie chmury3?
Podpowiedź: opozycja Ziemi widziana z Wenus następuje w tym samym czasie, co koniunkcja dolna
Wenus ze Słońcem widziana z Ziemi.
5. Jaka w czasie tej opozycji byłaby wielkość gwiazdowa Księżyca i odległość kątowa między
Księżycem a Ziemią na wenusjańskim niebie? Podpowiedź: użyj narzędzia o nazwie „miernik
kątów”.
6. Marsjański łazik Spirit, 11 marca 2004 roku, wykonał zdjęcie Ziemi widzianej z Marsa
(Rys.10). Gdzie znajdowała się Ziemia widziana z lądowiska Spirita (lokalizacja jest dostępna
w Stellarium) na godzinę przed wschodem Słońca w tym dniu? Podaj, azymut i wysokość nad
horyzontem.
7. W którym dniu pierwszej połowy marca 2001 roku i o której godzinie nastąpił wschód
Słońca widziany z krateru Tycho (współrzędne 43°18’ S, 11°12’ W) na Księżycu. Czy z tego miejsca
i o tym czasie dało się równocześnie zaobserwować Jowisza?
3
Interesuje nas wielkość gwiazdowa bez ekstynkcji, która dla innych planet jest zafałszowana przez Stellarium, które
stosuje parametry atmosferyczne dla Ziemi.
7
Opracowanie: Fundacja „Akademia Astronomii” i Obserwatorium Astronomiczne UJ
Konkurs Astronomiczny „Astrolabium”
Inne Nieba
Doświadczenie konkursowe rok 2017
Rysunek 10. Ziemia widziana z Marsa.
8
Opracowanie: Fundacja „Akademia Astronomii” i Obserwatorium Astronomiczne UJ