Курс общей астрономии - неизвестен Автор

§ 94. Угломерные инструменты. Астрономическая труба

Из принципов решения астрономических задач следует, что во время наблюдений необходимо измерять углы в горизонтальной и вертикальной плоскостях и отмечать моменты времени. Измерение углов производится угломерными инструментами различных конструкций. Современные астрономические угломерные инструменты являются довольно сложными, прецизионными приборами. Здесь нет необходимости входить в технические детали и рассматривать все многочисленные конструкции угломерных инструментов. Поэтому в дальнейшем мы ограничимся только кратким описанием главнейших из них и рассмотрим лишь основные идеи их устройства. Основными частями угломерного инструмента являются точно разделенные круги и астрономическая труба, играющая роль визира. Астрономическая труба в принципе состоит из тубуса и двух двояковыпуклых собирающих линз, помещенных на ее концах. Одна из линз, обращенная к рассматриваемому объекту, называется объективом, другая, обращенная к глазу наблюдателя, - окуляром . Прямая, соединяющая центры объектива и окуляра, называется оптической осью трубы. Объектив служит для получения изображений небесных светил. Из оптики известно, что выпуклые линзы дают действительное, уменьшенное и перевернутое изображение удаленных предметов, а так как расстояния до небесных светил очень велики, то их изображения, кроме того, всегда находятся в фокальной плоскости объектива, проходящей через его фокус и перпендикулярной к оптической оси. Для краткости астрономы говорят, что изображение светила получается в фокусе объектива. Это изображение рассматривается в окуляр, который действует как увеличительное стекло (лупа). Чтобы изображение было резким, необходимо совместить фокус окуляра с фокусом объектива. Увеличение п трубы подсчитывается по фокусному расстоянию F объектива и фокусному расстоянию f окуляра: В астрономических трубах фокусные расстояния объективов обычно бывают от нескольких дециметров до двух десятков метров, редко больше; фокусные расстояния окуляров - от 0,5 см до 5-6 см. Большие астрономические трубы угломерных инструментов всегда снабжаются несколькими окулярами с различными фокусными расстояниями, позволяющими получать увеличение трубы в пределах от 100 до 300 раз. В угломерных инструментах астрономическая труба должна обязательно иметь крест паутинных нитей, помещаемый в фокальной плоскости объектива. Прямая линия, соединяющая центр объектива с точкой пересечения нитей креста, называется визирной линией. Если изображение какой-либо точки светила находится на кресте нитей, то визирная линия имеет именно то направление, по которому луч света от этой точки идет к наблюдателю. Кроме этого важного свойства фиксации направления в пространстве, астрономическая труба увеличивает количество света, попадающего в глаз наблюдателя, и позволяет видеть более слабые звезды, чем невооруженным глазом. Действительно, так как диаметр объектива трубы всегда гораздо больше диаметра зрачка, то, глядя в трубу, глаз от каждой светящейся точки получает значительно больше света, чем без трубы.

§ 95. Универсальный инструмент

Одним из основных угломерных инструментов, позволяющим в любой точке земной поверхности измерить горизонтальные координаты светила, является универсальный инструмент (рис. 70), который состоит из небольшой астрономической трубы, имеющей возможность поворачиваться вокруг двух взаимно перпендикулярных осей горизонтальной и вертикальной. Установка осей в плоскости математического горизонта и в вертикальной плоскости производится с помощью уровней и регулировочных винтов.

Углы поворота трубы около той и другой оси отсчитываются по двум кругам или лимбам - вертикальному и горизонтальному. Вертикальный круг соединен с горизонтальной осью и служит для отсчетов углов в вертикальной плоскости; горизонтальный круг соединен с вертикальной осью и по нему отсчитываются углы в горизонтальной плоскости. Круги делятся штрихами на градусы, а каждый градус - на 2, 3, 6 или 12 частей, т.е. между двумя соседними штрихами содержится 30', 20', 10' или 5'. Обычно 10-градусные, а иногда и 5-градусные штрихи оцифровываются. Отсчеты каждого лимба производятся с помощью концентрического с ним круга, или части круга, на котором наносится нулевой штрих (указатель) для отсчета целых делений лимба. Для отсчета долей деления лимба служит верньер или нониус, позволяющий отсчитывать углы с точностью до 30", 20", 10" или 5", смотря по устройству верньера. Все отсчеты производятся сквозь лупу, а иногда и в микроскоп, так как деления кругов очень мелки. Если центр лимба не совпадает с центром оси вращения, то отсчет по одному верньеру будет ошибочен. Эта ошибка в отсчете называется ошибкой эксцентриситета. Она исключается при отсчетах лимба в двух диаметрально противоположных точках круга, из которых берется среднее арифметическое. Поэтому все угломерные инструменты имеют по два верньера для каждого лимба. В идеальном инструменте вертикальная и горизонтальная оси должны быть взаимно перпендикулярны, визирная линия перпендикулярна к горизонтальной оси, а центры осей вращения должны проходить точно через центры разделенных кругов. Но идеальных инструментов не бывает. Поэтому одной из важнейших задач практической астрономии является изучение всех ошибок инструментов и разработка методов их исключения из результатов наблюдений, или учета их влияния на измеряемые величины. В дальнейшем мы будем считать инструменты безошибочными, что равносильно тому, что их инструментальные ошибки учтены. Универсальные инструменты изготовляются сравнительно небольших размеров. Диаметры разделенных кругов находятся в пределах от 10 до 30 см, а фокусные расстояния их труб - от 10 до 50 см. Если в универсальном инструменте вертикальный круг разделен более точно, чем горизонтальный, то такой инструмент называется вертикальным кругом. Если горизонтальный круг разделен точнее вертикального, то инструмент называется теодолитом. Последний употребляется главным образом в геодезических работах при измерении горизонтальных углов. Универсальный инструмент употребляется почти исключительно как переносный в различного рода экспедициях для определения главным образом географических координат места наблюдения (l и j ) и азимутов земных предметов. Если универсальный инструмент безошибочен и с помощью уровней установлен так, что его горизонтальная ось находится в плоскости математического горизонта, то при вращении трубы вокруг этой оси визирная линия трубы будет поворачиваться в вертикальной плоскости. Обозначим отсчет вертикального круга при направлении трубы в зенит через Z0. Этот отсчет называется местом нуля круга, или местом зенита. Для определения места зенита надо направить трубу, при положении вертикального круга справа (или слева) от нее, на неподвижный отдаленный предмет, на некоторой высоте над горизонтом. Записав отсчет вертикального круга КП (или КЛ ), надо повернуть трубу вокруг вертикальной оси на 180°, затем повернуть ее вокруг горизонтальной оси и снова направить на тот же предмет, и произвести отсчет вертикального круга КЛ (или КП). Легко видеть (рис. 71), что разность отсчетов КП - КЛ (или КЛ - КП, смотря по тому, в каком направлении оцифрован круг) равна удвоенному зенитному расстоянию предмета, т.е. 2z. Тогда

,

(6.16)

а место зенита на круге

(6.17)

Из этих двух формул следует:

z = ± (Z0 - КЛ)(6.18)

или

z = ± (KП - Z0).(6.19)

При наблюдениях светил, зенитные расстояния которых непрерывно меняются, пользоваться формулой (6,16) нельзя, так как отсчеты КП и КЛ делаются в разные моменты времени. Зенитные расстояния светил определяются по формуле (6.18) или (6.19), если Z0 заранее определено по земному предмету. Поворотом вертикального круга на оси можно добиться такого его положения, что Z0 будет близко к нулю, и тогда отсчет круга даст сразу зенитное расстояние любого предмета. Но сделать это с точностью до 1 невозможно, и при высокоточных измерениях применяется описанный выше способ измерения зенитных расстояний с предварительным определением точного значения места зенита Z0 . При наведении трубы на какой-либо предмет отсчет на горизонтальном круге будет указывать положение круга высоты этого предмета. Наведя трубу на второй предмет и отсчитав показание горизонтального круга, мы получим положение круга высоты второго предмета. Поэтому разность двух отсчетов горизонтального круга равна разности азимутов этих двух предметов. Для определения же азимута какого-либо предмета необходимо знать отсчет горизонтального круга при положении тpyбы в плоскости небесного меридиана (см. § 88).

§ 96. Секстант

При наблюдениях на море (с палубы корабля) или в воздухе (с борта самолета) пользуются переносным инструментом, называемым секстантом. Он не требует прочной установки, и при наблюдениях его держат в руках. Существенной особенностью этого инструмента является то, что визирование обоих предметов, между которыми измеряется угол, осуществляется не последовательно, а одновременно и заключается в совмещении изображений обеих наблюдаемых точек в поле зрения трубы. Секстант (рис. 72) состоит из металлической рамы с лимбом LL', представляющим часть окружности, немногим более 60° ; алидады a , вращающейся вокруг оси, проходящей через