Что такое меридианы и параллели? Как определить меридианы и параллели? Меридианы и параллели Уральских гор. Меридиан нулевой: что это. Где проходит нулевой меридиан
В IV в. до н. э. величайший мыслитель древности Аристотель доказал, что наша планета имеет форму, очень близкую к форме шара.
Примерно в то же время, наблюдая во время путешествий в различных местах видимое движение звезд и Солнца, древние ученые установили для ориентировки на земной поверхности определенные условные линии.
Отправимся в мысленное путешествие по поверхности Земли. Положение над горизонтом воображаемой оси мира, вокруг которой происходит суточное вращение небесного свода, будет для нас все время меняться. В соответствии с этим будет меняться и картина движения звездного неба.
Поехав на север, мы увидим, что звезды в южной части неба поднимаются каждую ночь на меньшую высоту. А звезды в северной части - в нижней кульминации - имеют большую высоту. Двигаясь достаточно долго, мы попадем на Северный полюс. Здесь вообще ни одна звезда не поднимается и не опускается. Нам будет казаться, что все небо медленно кружится параллельно горизонту.
Древние путешественники не знали, что видимое движение звезд является отражением вращения Земли. И они не бывали на полюсе. Но им необходимо было иметь ориентир на земной поверхности. И они выбрали для этой цели легко определяемую по звездам линию север - юг. Эта линия получила название меридиана.
Меридианы можно проводить через любые точки на поверхности Земли. Множество меридианов образует систему воображаемых линий, соединяющих Северный и Южный полюсы Земли, которые удобно использовать для определения местоположения.
Примем один из меридианов на начальный. Положение любого другого меридиана в этом случае будет известно, если указано направление отсчета и задан двугранный угол между искомым меридианом и начальным.
В настоящее время по международному соглашению условились считать начальным тот меридиан, который проходит через одну из старейших в мире астрономических обсерваторий - Гринвичскую обсерваторию, расположенную на окраине Лондона. Угол, образованный каким-либо меридианом с начальным, называют долготой. Долгота, например, меридиана Москвы 37° к востоку от Гринвича.
Чтобы отличить друг от друга точки, лежащие на одном и том же меридиане, пришлось ввести вторую географическую координату - широту. Широтой называют угол, который проведенная в данном месте поверхности Земли отвесная линия образует с плоскостью экватора.
Термины долгота и широта дошли до нас от древних мореходов, которые описывали длину и ширину Средиземного моря. Та координата, которая соответствовала измерениям длины Средиземного моря, стала долготой, а та, которая соответствовала ширине, стала современной широтой.
Нахождение широты, как и определение направления меридиана, тесно связано с движением звезд. Уже древние астрономы доказали, что высота полюса мира над горизонтом в точности равна широте места.
Предположим, что Земля имеет форму правильного шара, и рассечем ее по одному из меридианов, как на рисунке. Пусть на Северном полюсе стоит человек, изображенный на рисунке в виде светлой фигуры. Для него направление вверх, т. е. направление отвесной линии, совпадает с осью мира. Полюс мира находится у него прямо над головой. Высота полюса мира равна здесь 90 .
Так как видимое вращение звезд вокруг оси мира является отражением реального вращения Земли, то в любой точке Земли, как мы уже знаем, направление оси мира остается параллельным направлению оси вращения Земли. Направление же отвесной линии при переходе из точки в точку меняется.
Возьмем, например, другого человека (на рисунке - темная фигура). Направление оси мира у него осталось таким же, как и у первого. А направление отвесной линии изменилось. Поэтому высота полюса мира над горизонтом здесь не 90°, а значительно меньше.
Из простых геометрических соображений ясно, что высота полюса мира над горизонтом (на рисунке угол ft) действительно равна широте (угол ф).
Линия, соединяющая точки с одинаковыми широтами, получила название параллели.
Меридианы и параллели образуют так называемую систему географических координат. Каждая точка на земной поверхности имеет вполне определенную долготу и широту. И наоборот, если известна широта и долгота, то можно построить одну параллель и один меридиан, в пересечении которых получится одна единственная точка.
Понимание особенностей суточного движения звезд и введение системы географических координат позволили осуществить первое определение радиуса Земли. Оно было выполнено во второй половине III в. до н. э. известным математиком и географом Эратосфеном.
Принцип этого определения заключается в следующем. Пусть удалось измерить разность широт двух точек, лежащих на одном меридиане (см. рис.). Тем самым нам стал известен угол Дф с вершиной в центре Земли, который соответствует дуге меридиана L на поверхности Земли. Если теперь удастся измерить также и дугу L, то мы получим сектор с известной длиной дуги и соответствующим ей центральным углом. На рисунке этот сектор показан отдельно. Путем несложных вычислений можно получить величину радиуса этого сектора, который и является радиусом Земли.
Эратосфен, грек по национальности, жил в богатом египетском городе Александрии. К югу от Александрии находился другой город - Сиена, который в наши дни называется Асуаном и где, как известно, с помощью Советского Союза сооружена знаменитая высотная плотина. Эратосфен знал, что Сиена обладает интересной особенностью. В полдень одного из июньских дней Солнце над Сиеной бывает настолько высоко, что его отражение видно на дне даже очень глубоких колодцев. Отсюда Эратосфен заключил, что высота Солнца в Сиене в этот день равна точно 90°. Кроме того, раз Сиена лежит строго к югу от Александрии, то они находятся на одном меридиане.
Для необычного измерения Эратосфен решил воспользоваться скафисом - чашеобразными солнечными часами со штырьком и делениями внутри них. Установленные вертикально, эти солнечные часы по тени от штырька дают возможность измерить высоту Солнца над горизонтом. И в полдень того самого дня, когда Солнце над Сиеной поднялось настолько высоко, что все предметы перестали отбрасывать тени. Эратосфен измерил его высоту на городской площади Александрии. Высота Солнца в Александрии, по измерениям Эратосфена, оказалась равной 82° 48". Стало быть, разность широт Александрии и Сиены составляет 90° 00" - 82° 48" = 7° 12".
Оставалось измерить расстояние между ними. Но как это сделать? Как измерить на поверхности Земли расстояние, равное в современных единицах примерно 800 км?
Трудности подобного предприятия были тогда буквально неисчислимы.
Действительно, как изготовить такую гигантскую линейку, с помощью которой можно было бы произвести измерения? Как сделать, чтобы на протяжении 800 км эта линейка укладывалась строго по меридиану, без всяких перекосов?
Необходимые данные о расстоянии между городами пришлось взять из рассказов купцов, водивших торговые караваны из Александрии в Сиену. Купцы говорили, что расстояние между ними составляет примерно 5000 греческих стадиев. Эратосфен принял это значение за истинное и, использовав его, вычислил величину радиуса Земли.
Если сравнить полученную Эратосфеном величину с современными данными, то получится, что он ошибся относительно немного - всего только на 100 км.
Так, с III в. до н. э., со времени Эратосфена, переплелись пути астрономии и геодезии - другой древней науки, изучающей форму и размеры как всей Земли в целом, так и отдельных ее частей.
Методы астрономических определений широт развивались и совершенствовались. Это было особенно важно, в частности, именно в связи с необходимостью более тщательного определения размера Земли. Ибо, начиная с того же Эратосфена, было уяснено, что задача определения размера Земли распадается на две части: астрономическую, т. е. определение разности широт, и геодезическую, т. е. определение длины дуги меридиана. Эратосфен сумел решить астрономическую часть задачи, и принципиально тем же путем шли многочисленные его последователи.
Мы еще будем иметь случай рассказать о более точных измерениях размера Земли, а пока, освоившись с определением широт, займемся делом значительно более сложным - определением географических долгот.
Практически все вы обращали внимание на "таинственные линии" на картах и глобусах, представляющих широту (параллели) и долготу (меридианы)
. Они формируют сетчатую систему координат, с помощью которой любое место на Земле может быть точно определено - и нет в этом ничего таинственного или сложного. Параллели и меридианы - это воображаемые линии на поверхности Земли, а широта и долгота - это их координаты, определяющие положение точек на поверхности Земли. Любая точка на Земле - это пересечение параллели и меридиана с координатами широты и долготы. Наиболее наглядно это можно изучить с помощью глобуса, где эти линии обозначены.
Но сначала всё по порядку. Два места на Земле определяются её вращением вокруг собственной оси - это Северный и Южный полюса
. На глобусах осью является стержень. Северный полюс находится в Северного Ледовитого океана, который покрыт морским льдом, и исследователи в былые времена достигли этого полюса на санях с собаками (официально считается, что Северный полюс открыл в 1909 году американец Роберт Пери). Однако, так как лёд медленно перемещается, Северный полюс является не фактическим, а скорее математический объектом. У Южного полюса, с другой стороны планеты, есть постоянное физическое местоположение на континенте Антарктида, который был также открыт сухопутными исследователями (норвежская экспедиция под руководством Руаля Амундсена в 1911 году).
На полпути между полюсами на "талии" Земли расположена большая линия окружности, которая на глобусе представлена в виде шва: место соединения северного и южного полушарий; эта линия окружности называется - экватор
. Экватор является линией широты с нулевым значением (0°). Параллельно экватору выше и ниже него расположены другие линии окружности - это другие широты Земли. Каждая широта имеет цифровое значение, и шкала этих значений измеряется не в километрах, а в градусах к северу и к югу от экватора до полюсов.
Полюса имеют значения: Северный +90°, а Южный -90°. Широты расположенные выше экватора называют северными широтами
, а ниже экватора - южными широтами
. Линии с градусными значениями широты называют параллелями
, так как они идут параллельно Экватору и параллельны между собой. Если параллели измерить в километрах, то длины разных параллелей будут различны - они увеличиваются при приближении к экватору и уменьшаются к полюсам. Все точки одной параллели имеют одну широту, но различную долготу (описание долготы чуть ниже). Расстояние между двумя параллелями, которые отличаются на 1° равно 111,11 км. На глобусе, а также на многих картах, расстояние (интервал) от широты до другой широты обычно равно 15° (это, примерно 1 666 км). На рисунке №1 интервал равен 10° (это, примерно 1 111 км). Экватор - это самая длинная параллель, её длина - 40 075,7 км.
Небесной сферой называется сфера произвольного радиуса, с центром в произвольной точке пространства, на которую спроектированы светила и параллельно перенесены в ее центр основные направления и плоскости Земли и наблюдателя на ней.
В зависимости от расположения центра сферы она называется: геоцентрической – центр совпадает с центром Земли; гелиоцентрической – центр находится в центре Солнца; топоцентрической – центр находится на поверхности Земли.
Для Земли основным направлением является ее ось , а основной плоскостью – экватор . Для места наблюдателя на Земле основным направлением является направление силы тяжести в точке М , которое называют отвесной линией. Основной плоскостью места наблюдателя является истинный горизонт – плоскость касательная к поверхности Земли в точке М , т. е. плоскость перпендикулярная отвесной линии. Долгота точки (М ) λ м определяет основную плоскость, которая называется меридианом наблюдателя .
Параллельный перенос отвесной линии точки М из точки О 1 в точку О (центр небесной сферы) определяет отвесную линию Zn небесной сферы. Точка Z называется зенитом наблюдателя (место наблюдателя на сфере), точка n – надиром . Линия параллельная оси Земли p n p s называется осью мира P N P S , причем точки P N и P S называются полюсами мира .
Плоскость истинного горизонта в точке М на Земле, принесенная в центр сферы дает в сечении со сферой большой круг NES W, который называется истинным горизонтом и он делит сферу на надгоризонтную с точкой Z и подгоризонтную с точкой n части .
Плоскость экватора Земли qq , принесенная в центр сферы, дает в сечении со сферой большой круг QQ , который называется небесным экватором . Он делит сферу на северную с точкой P N и южную – P S части.
Плоскость географического меридиана наблюдателя p n Mqp s , перенесенная в центр сферы, дает в сечении со сферой большой круг ZP N NQ nP S SQ , который называется меридианом наблюдателя . Он делит сферу на восточную с точкой Е и западную с точкой W части.
Ось мира P N P S делит меридиан наблюдателя на полуденную часть, включающую точку Z (P N ZP S) и полуночную часть, включающую точку n (P N nP S волнистая линия).
Полюс мира, находящийся в надгоризонтной части сферы называется повышенным полюсом . Его наименование всегда одноименно с широтой места М на Земле.
Если из центра сферы провести направления на светила, то на ее поверхности получим точки С называемые видимыми местами светил .
Системы координат
В мореходной астрономии применяются следующие системы сферических прямоугольных координат небесной сферы: горизонтная, 1-ая экваториальная, 2-ая экваториальная и эклиптическая. Осями координат являются основные круги.
Горизонтная система координат. Эта система необходима для выполнения измерений навигационных параметров (высота светила или азимут на светило) на Земле. Координаты светила зависят от видимого суточного вращения небесной сферы (времени) и координат места наблюдателя на Земле.
Основное направление – отвесная линия.
Основные круги – меридиан наблюдателя и истинный горизонт.
Меридианом наблюдателя называется большой круг на небесной сфере, плоскость которого параллельна плоскости земного меридиана места наблюдателя.
Истинным горизонтом называется большой круг, плоскость которого перпендикулярна отвесной линии.
Вспомогательные круги – вертикал и альмукантарат.
Вертикалом называется половина большого круга, проходящая через точки зенит (Z ,) надир(n ) и светило (заданную точку).
Альмукантаратом называется малый круг, плоскость которого параллельна плоскости истинного горизонта.
Координаты – высота и азимут.
|
|
Высота светил, находящихся на меридиане наблюдателя, называется меридиональной высотой . Она обозначается буквой H и имеет наименование точки истинного горизонта, над которой находится светило N или S (рис. 2, светило С 2).
В мореходной астрономии используются три системы счета азимута:
Круговым азимутом (А кр ) N до вертикала светила, отсчитываемая в сторону Е, в пределах от 0° до 360°.
Полукруговым азимутом (А пк ) называется дуга истинного горизонта от полуночной части меридиана наблюдателя (N или S ) до вертикала светила, отсчитываемая в сторону Е или W , в пределах от 0° до 180° и имеет наименование: первая буква совпадает с наименованием широты места наблюдателя, вторая с направлением отсчета или с наименованием полусферы, где находится светило.
Четвертным азимутом (А чет ) называется дуга истинного горизонта от точки N или S до вертикала светила, отсчитываемая в сторону Е или W , в пределах от 0° до 90° и имеет наименование: первая буква совпадает с наименованием точки начала отсчета, вторая с направлением отсчета.
Кроме сферических координат светило может быть задано в полярных координатах относительно точки Z (зенита). Координатами являются зенитное расстояние и азимут.
Зенитным расстоянием называется дуга вертикала светила от точки зенит до светила в пределах от 0° до 180°.
Зенитное расстояние связано с высотой соотношением
Z = 90°– h (1)
Азимут определяется как угол при зените в полукруговом счете.
Первая экваториальная система координат. В этой системе одна координата светила не зависит от координат места наблюдателя, а вторая зависит от долготы места и времени.
Примечание. Следует помнить, что меридиан наблюдателя непосредственно связан с меридианом места наблюдателя, т. е. долготой места.
Основное направление – ось мира.
Основные круги – меридиан наблюдателя и небесный экватор.
Небесным экватором называется большой круг, плоскость которого перпендикулярна оси мира.
Вспомогательные круги – небесные меридианы и параллели.
Небесным меридианом называются половина большого круга, проходящего через полюса мира и заданное светило или точку на небесной сфере.
Небесными параллелями называются малые круги, плоскость которых параллельна плоскости небесного экватора.
Координаты – местный часовой угол и склонение.
Местным часовым углом ( t м ) W в пределах от 0° до 360°.
|
|
Такой счет часовых углов называют астрономическим, и он имеет наименование W . Обычно для этого счета часовых углов наименование не пишут (в МАЕ все часовые углы W). При решении параллактического треугольника с помощью таблиц, используют часовые углы в практическом счете.
Практическим местным часовым углом называется дуга небесного экватора от полуденной точки меридиана наблюдателя до меридиана светила, отсчитываемая в сторону W или Е в пределах от 0° до 180°. Наименование часового угла одноименно с направлением отсчета.
Из всех местных часовых углов выделяется часовые углы для наблюдателя, находящегося на меридиане Гринвича (T М =0°), которые называют гринвичскими часовыми углами .
Склонением ( ) называется дуга меридиана светила от небесного экватора до светила в пределах от 0° до 90°.Наименование склонения одноименно с полюсом мира, к которому производится отсчет.
Кроме сферических координат светило может быть задано в полярных координатах относительно точки повышенного полюса мира. Координатами являются полярное расстояние и часовой угол.
Полярным расстоянием ( ) называется дуга меридиана светила от повышенного полюса мира до светила в пределах от 0° до 180° с наименованием полюса мира, к которому производится отсчет (разноименно с наименованием повышенного полюса мира).
Часовой угол определяется как угол при повышенном полюсе мира в астрономическом или практическом счете.
Вторая экваториальная система координат . В этой системе координаты светила не зависят от суточного движения светил (времени) и места наблюдателя на Земле. Поэтому 2-ая экваториальная система координат подобна географической системе координат.
Основным направлением является ось мира.
Основные круги – небесный экватор и меридиан точки Овна ().
Точкой Овна ( ) называется точка на небесном экваторе, в момент перехода центра Солнца из южной в северную полусферу при его видимом годовом движении .
|
|
Вспомогательные круги те же, что в 1-ой экваториальной системе – небесные меридианы и небесные параллели.
Координатами являются – прямое восхождение и склонение
Прямым восхождением ( ) называется дуга небесного экватора от точки Овна до меридиана светила, отсчитываемая в сторону обратную W часовым углам (или в сторону видимого годового движения Солнца) в пределах от 0° до 360°.
При расчете местных часовых углов светил с помощью МАЕ вместо прямого восхождения используется координата звездное дополнение.
Звездным дополнением ( ) называется дуга небесного экватора от точки Овна до меридиана светила, отсчитываемая в сторону противоположную W часовых углов в пределах от 0° до 360°.
Склонение () то же, что в 1-ой экваториальной системе.
Так как 1-ая и 2-ая экваториальные системы отличаются только в одной координате (см. рис. 4), то переход от одной системе к другой выражается формулой
t = t св + св
Эта формула называется основной формулой времени.
(2-4). Параллактический треугольник и его решение, Графическое решение задач на небесной сфере, Таблицы ТВА-52 , Вычислительная схема и правила вычисления h и А.
Параллактическим треугольником называется сферический треугольник, в вершинах которого находятся точки повышенного полюс мира, зенита и светила.
Элементами этого треугольника являются:
При использовании основных формул сферической тригонометрии элементы треугольника должны быть всегда меньше 180°.
Основное достоинство параллактического треугольника заключается в том, что он связывает координаты светила с географическими координатами места наблюдателя.
Для решения сферического треугольника должны быть заданы 3 из 6 его элементов. Это сторона равная 90°– φ, сторона равная 90°– и угол между ними равный t м в практическом счете.
Для получения значения высоты светила (h ) применим формулу косинусов к стороне ZC
sinh = sinφ sin + cosφ cos cost м (3)
Для получения значения азимута светила (А ) применим формулу котангесов (4-х рядом лежащих элементов) к углу А
ctgA =tg cosφ cosect м – sinφ ctgt м (4)
Можно получить другие формулы расчета азимута, используя в качестве аргумента высоту светила (h ) полученную по формуле (3).
Расчет азимута по аргументам φ, и h .
Для получения значения азимута светила используем формулу косинусов к углу А .
Расчет азимута по аргументам , t м и h .
Для получения значения азимута светила используем формулу синусов
sinA / sin(90°– ) = sint м / sin(90°– h )
sinA = sin cost м sech (6)
Азимут получим в пределах от 0° до 90°, т. е. в четвертном счете. Правила определения наименования азимута, приведенные в МТ, достаточно сложные. Формулу обычно используют при фактических наблюдениях с одновременной фиксацией (с помощью гирокомпаса) наименования четверти горизонта, в которой измерена высота светила.
Решение параллактического треугольника выполняется по формулам сферической тригонометрии на калькуляторе или с помощью таблиц.
В настоящее время основным способом решения параллактического треугольника является его решение по формулам с помощью калькулятора, а вспомогательным – с помощью таблиц.
Однозначного ответа на вопрос о том, что такое меридиан не существует. Поэтому начнём по порядку и посмотрим, в каких науках и в каких областях применяется это понятие.
Слово «меридиан» происходит от латинского слова, которое означает «полдень».
1. Астрономический меридиан или как его ещё называют, истинный меридиан. В астрономии меридиан – это линия, которая проходит через оба полюса мира, а так же зенит (точку небесной сферы, которая находится непосредственно над головой наблюдателя) и надир (точка, которая противоположна зениту, то есть находится прямо под ногами наблюдателя). Этот меридиан все мы видели в учебниках астрономии и географии. Все точки этой невидимой линии имеют одну и ту же астрономическую долготу
2. Меридиан небесный практически всегда совпадает с меридианом астрономическим, то есть линия, которая так же проходит через полюса мира и зенит над головой наблюдателя.
3. Меридиан Гринвичский – это, пожалуй, тот меридиан, который известен каждому во всём мире. Гринвичская королевская обсерватория – это самая главная и основная астрономическая организация Англии. Основана она была в 1675 году и с тех пор она функционировала как по часам. Правда на сегодняшний день эта обсерватория представляет собой музей, который является самым посещаемым музеем в Англии. Именно через эту обсерваторию проходит нулевой меридиан, который является началом отсчёта долготы на земном шаре. Произошло это событие в 1851 году. Очень долгое время после этого сам нулевой меридиан был обозначен специальной лентой из латуни, которая проходила прямо по двору обсерватории. Со временем эту ленту заменили на другую – из нержавеющей стали, а сегодня нулевой меридиан отмечен зелёным лучом лазера, который направлен на север.
4. Меридиан геодезический. Этот меридиан представляет собой условную линию, которая проходит по поверхности земли и все точки, которые на нём расположены имеют одинаковую геодезическую долготу.
5. Меридиан картографический проходит через ось вращения Земли и рисуется чаще всего на бумажном изображении земного шара.
Однако есть и ещё много всяких меридианов. Так называются города и реки, ночные клубы и музыкальные группы, космические аппараты и туристические компании, газеты и журналы… Много что в нашем мире названо словом «меридиан». Не обошла эта мода и наш город. Есть у нас небольшой магазинчик под гордым названием «Меридиан». Когда я спросила у знакомой продавщицы почему он так называется, она посмотрела на меня с невероятным удивлением, но решила спросить у директора.
На следующий день я получила ответ. Оказывается, по мнению директора, меридиан – это такое место, в котором сходятся лучи света. И вот покупатели и есть эти самые лучи, а магазин – место их сходки. От такого ответа я немного была шокирована, а потом спросила, сколько же лет этому директору. Оказалось, что ему 41 год…
Вот вам и ещё одно объяснение, что такое «Меридиан», правда оно совсем не подходит к небесному или астрономическому меридиану, но зато, видимо очень точно подходит к этому магазинчику…
Рассматривая глобус, я всякий раз обращаю внимание на линии, которые, словно огромная сеть, окутывают Землю. Это и есть параллели и меридианы, введение которых стало прорывом в географии. Собственно, о них и будет мой рассказ.
Градусная сетка меридианов и параллелей
Сегодня такой способ определения местоположения объекта кажется элементарным, но человечество не сразу к нему пришло. Эти линии появились не сразу, а стали результатом ряда открытий в области географии. Например, Аристотель сумел доказать, что Земля - шар, ну, а обычные путешественники по звездам прослеживали направление Север-Юг, которое, по сути, и стало первым меридианом. Сегодня таких линий 540, а вместе они образуют градусную сетку, которая дает возможность установить точное местоположение любого объекта. При этом, такая структура позволяет создавать подробнейшие атласы, на страницах которых изображены все детали в определенном квадрате. Что касается глобуса, то его первые модели уже имели и меридианы, и параллели, которые, пусть и не были совершенны, но, тем не менее, давали представление о расположении объектов.
Параллели и меридианы, а также другие элементы карты
Сегодня, какую карту ни возьми, на ней отчетливо выделяются следующие элементы:
- Меридианы. Эти линии условно делят Землю на 2 полушария: Западное и Восточное. При этом, отправной точкой отсчета принято считать нулевой меридиан или, как иногда говорят, начальный.
- Параллели. В первую очередь, это экватор, который фактически является самой длинной линией. С его помощью планета делится на Северное и Южное полушария, при этом, длина последующих от экватора линий становится меньше по мере приближения к полюсам.
- Полюса. Их 2 - Южный и Северный. Фактически это точки, где пересекаются воображаемая ось планеты и начало всех меридианов.
Еще раз повторю, что столь простое, как кажется, деление поверхности стало настоящим прорывом в географии, но кто же тот гений, который это придумал? В III веке до н.э. это сделал Эратосфен - один из величайших географов своего времени.
