4.1: الأرض والسماء

Last updated
Save as PDF

Page ID: 197545

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

أهداف التعلم

في نهاية هذا القسم، ستكون قادرًا على:

وصف كيفية استخدام خطوط الطول والعرض لرسم خريطة الأرض
شرح كيفية استخدام الصعود والانحدار الصحيحين لرسم خريطة السماء

من أجل إنشاء خريطة دقيقة، يحتاج صانع الخرائط إلى طريقة لتحديد موقع جميع المعالم الرئيسية على الخريطة بشكل فريد وبسيط، مثل المدن أو المعالم الطبيعية. وبالمثل، يحتاج صانعو الخرائط الفلكية إلى طريقة لتحديد موقع النجوم والمجرات والأجرام السماوية الأخرى بشكل فريد وبسيط. على خرائط الأرض، نقسم سطح الأرض إلى شبكة، ويمكن العثور بسهولة على كل موقع على تلك الشبكة باستخدام إحداثيات خطوط الطول والعرض. يمتلك علماء الفلك نظامًا مشابهًا للأجسام الموجودة في السماء. يمكن أن يساعدنا التعرف على هذه الأشياء على فهم الحركة الظاهرة للأجسام في السماء من أماكن مختلفة على الأرض.

تحديد الأماكن على الأرض

لنبدأ بتحديد موقعنا على سطح كوكب الأرض. كما ناقشنا في «رصد السماء: ولادة علم الفلك»، يحدد محور دوران الأرض مواقع القطبين الشمالي والجنوبي وخط الاستواء، في منتصف المسافة بينهما. يتم تحديد اتجاهين آخرين أيضًا من خلال حركات الأرض: الشرق هو الاتجاه الذي تدور حوله الأرض، والغرب هو نقيضها. في أي نقطة تقريبًا على الأرض، تكون الاتجاهات الأربعة - الشمال والجنوب والشرق والغرب - محددة جيدًا، على الرغم من حقيقة أن كوكبنا مستدير وليس مسطحًا. الاستثناءات الوحيدة هي بالضبط في القطبين الشمالي والجنوبي، حيث تكون الاتجاهات شرقًا وغربًا غامضة (لأن النقاط الموجودة بالضبط في القطبين لا تتحول).

يمكننا استخدام هذه الأفكار لتحديد نظام الإحداثيات المرتبط بكوكبنا. يساعدنا مثل هذا النظام، مثل تخطيط الشوارع والطرق في مانهاتن أو سولت ليك سيتي، في العثور على المكان الذي نحن فيه أو نريد الذهاب إليه. ومع ذلك، فإن الإحداثيات على الكرة أكثر تعقيدًا قليلاً من تلك الموجودة على سطح مستوٍ. يجب أن نحدد الدوائر على الكرة التي تلعب نفس دور الشبكة المستطيلة التي تراها على خرائط المدينة.

الدائرة الكبيرة هي أي دائرة على سطح كرة يقع مركزها في مركز الكرة. على سبيل المثال، خط استواء الأرض عبارة عن دائرة كبيرة على سطح الأرض، في منتصف الطريق بين القطبين الشمالي والجنوبي. يمكننا أيضًا تخيل سلسلة من الدوائر الكبيرة التي تمر عبر القطبين الشمالي والجنوبي. يُطلق على كل دائرة اسم خط الزوال؛ وكل دائرة عمودية على خط الاستواء وتعبره بزاوية قائمة.

أي نقطة على سطح الأرض سيكون لها خط طول يمر عبرها (الشكل\(\PageIndex{1}\)). يحدد خط الطول موقع الشرق والغرب، أو خط الطول، للمكان. بموجب اتفاقية دولية (واستغرق الأمر العديد من الاجتماعات حتى تتفق دول العالم)، يتم تعريف خط الطول على أنه عدد درجات القوس على طول خط الاستواء بين خط الطول الخاص بك وخط الطول الذي يمر عبر غرينتش بإنجلترا، والذي تم تعيينه باسم خط الطول الرئيسي. يُعرَّف خط الطول في برايم ميريديان بـ 0 درجة.

بديل — الشكل\(\PageIndex{1}\): نستخدم خطوط الطول والعرض للعثور على مدن مثل واشنطن العاصمة على الكرة الأرضية. خط العرض هو عدد الدرجات شمال أو جنوب خط الاستواء، وخط الطول هو عدد الدرجات شرق أو غرب Prime Meridian. إحداثيات واشنطن العاصمة هي 38 درجة شمالاً و77 درجة غرباً.

قد تسأل لماذا غرينتش؟ أرادت كل دولة أن يمر خط الطول 0 درجة عبر عاصمتها الخاصة. تم اختيار غرينتش، موقع المرصد الملكي القديم (الشكل\(\PageIndex{2}\))، لأنه كان بين أوروبا القارية والولايات المتحدة، ولأنه كان موقعًا للكثير من تطوير طريقة قياس خط الطول في البحر. يتم قياس خطوط الطول إما إلى الشرق أو إلى الغرب من خط غرينتش من 0 درجة إلى 180 درجة. على سبيل المثال، يبلغ خط الطول لمعيار الساعة في المرصد البحري الأمريكي في واشنطن العاصمة 77.066° غربًا.

خط العرض الخاص بك (أو الموقع بين الشمال والجنوب) هو عدد درجات القوس التي تبتعد عنها عن خط الاستواء على طول خط الطول. يتم قياس خطوط العرض إما شمال أو جنوب خط الاستواء من 0 درجة إلى 90 درجة. (خط عرض خط الاستواء هو 0 درجة.) على سبيل المثال، يبلغ خط العرض لمعيار المرصد البحري المذكور سابقًا 38.921 درجة شمالًا، وخط عرض القطب الجنوبي هو 90 درجة جنوبًا، وخط عرض القطب الشمالي هو 90 درجة شمالًا.

تحديد الأماكن في السماء

يتم قياس المواقع في السماء بطريقة مشابهة جدًا للطريقة التي نقيس بها المواقع على سطح الأرض. ولكن بدلاً من خطوط الطول والعرض، يستخدم علماء الفلك إحداثيات تسمى الانحراف والصعود الأيمن. للإشارة إلى مواقع الأشياء في السماء، غالبًا ما يكون من الملائم استخدام الكرة السماوية الوهمية. رأينا في مراقبة السماء: ولادة علم الفلك أن السماء تبدو وكأنها تدور حول نقاط فوق القطبين الشمالي والجنوبي للأرض - نقاط في السماء تسمى القطب السماوي الشمالي والقطب السماوي الجنوبي. في منتصف الطريق بين القطبين السماويين، وبالتالي 90 درجة من كل قطب، يوجد خط الاستواء السماوي، وهو دائرة كبيرة على الكرة السماوية تقع في نفس مستوى خط استواء الأرض. يمكننا استخدام هذه العلامات في السماء لإعداد نظام الإحداثيات السماوية.

يتم قياس الانحراف على الكرة السماوية بنفس الطريقة التي يتم بها قياس خط العرض على كرة الأرض: من خط الاستواء السماوي نحو الشمال (إيجابي) أو الجنوب (سلبي). لذا فإن بولاريس، النجم القريب من القطب السماوي الشمالي، لديه انحراف قدره +90 درجة تقريبًا.

يشبه الصعود الأيمن (RA) خط الطول، باستثناء أنه بدلاً من غرينتش، فإن النقطة المختارة بشكل تعسفي حيث نبدأ العد هي الاعتدال الربيعي، وهي نقطة في السماء يعبر فيها مسير الشمس (مسار الشمس) خط الاستواء السماوي. يمكن التعبير عن RA إما بوحدات الزاوية (الدرجات) أو بوحدات الوقت. هذا لأن الكرة السماوية تبدو وكأنها تدور حول الأرض مرة واحدة يوميًا بينما يدور كوكبنا على محوره. وبالتالي فإن 360 درجة من RA التي يستغرقها الدوران مرة واحدة حول الكرة السماوية يمكن أيضًا ضبطها بحيث تساوي 24 ساعة. ثم كل 15 درجة من القوس تساوي ساعة واحدة من الوقت. على سبيل المثال، الإحداثيات السماوية التقريبية للنجم الساطع كابيلا هي RA 5h = 75° والانحدار +50°.

تتمثل إحدى طرق تصور هذه الدوائر في السماء في تخيل الأرض ككرة شفافة مع رسم الإحداثيات الأرضية (خطوط الطول والعرض) عليها بطلاء داكن. تخيل الكرة السماوية من حولنا ككرة عملاقة مطلية باللون الأبيض من الداخل. ثم تخيل نفسك في مركز الأرض، مع مصباح كهربائي ساطع في المنتصف، ينظر من خلال سطحه الشفاف إلى السماء. سيتم عرض الأقطاب الأرضية وخط الاستواء وخطوط الطول كظلال داكنة على الكرة السماوية، مما يمنحنا نظام الإحداثيات في السماء.

يمكنك استكشاف مجموعة متنوعة من الرسوم المتحركة الأساسية حول الإحداثيات والحركات في السماء في هذا الموقع التفاعلي من ClassAction. انقر فوق علامة التبويب «الرسوم المتحركة» للحصول على قائمة بالخيارات. إذا اخترت الخيار الثاني في القائمة، يمكنك اللعب بالكرة السماوية ورؤية RA والانحراف محددين بصريًا.

الأرض المتحولة

لماذا ترتفع العديد من النجوم وتنطلق كل ليلة؟ بعبارة أخرى، لماذا يبدو أن سماء الليل تتحول؟ لقد رأينا أن الدوران الواضح للكرة السماوية يمكن تفسيره إما عن طريق الدوران اليومي للسماء حول الأرض الثابتة أو عن طريق دوران الأرض نفسها. منذ القرن السابع عشر، كان من المقبول عمومًا أن الأرض هي التي تدور، ولكن لم يقدم الفيزيائي الفرنسي جان فوكو دليلًا واضحًا على هذا الدوران حتى القرن التاسع عشر. في عام 1851، قام بتعليق بندول طوله 60 مترًا يزن حوالي 25 كيلوغرامًا من قبة البانثيون في باريس وبدأ البندول يتأرجح بالتساوي. إذا لم تكن الأرض تدور، فلن يكون هناك أي تغيير في مستوى تذبذب البندول، وبالتالي كانت ستستمر في تتبع نفس المسار. ولكن بعد بضع دقائق، تمكن فوكو من رؤية مستوى حركة البندول يدور. أوضح فوكو أنه لم يكن البندول هو الذي يتحرك، بل الأرض هي التي كانت تدور تحته (الشكل\(\PageIndex{3}\)). يمكنك الآن العثور على مثل هذه البندول في العديد من مراكز العلوم والقباب السماوية حول العالم.

هل يمكنك التفكير في أدلة أخرى تشير إلى أن الأرض وليس السماء هي التي تدور؟ (راجع القسم 4.E، نشاط المجموعة التعاونية A في نهاية هذا الفصل.)

المفاهيم الأساسية والملخص

يستخدم النظام الأرضي لخطوط الطول والعرض الدوائر الكبيرة التي تسمى خطوط الطول. تم تعيين خط الطول بشكل تعسفي إلى 0 درجة في المرصد الملكي في غرينتش، إنجلترا. يُطلق على نظام الإحداثيات السماوية المماثل اسم الصعود الأيمن (RA) والانحراف، حيث تبدأ درجة الانحراف 0 درجة من الاعتدال الربيعي. تساعدنا أنظمة الإحداثيات هذه في تحديد موقع أي كائن على الكرة السماوية. بندول فوكو هو وسيلة لإثبات أن الأرض تدور.

مسرد المصطلحات

الانحراف: المسافة الزاوية شمال أو جنوب خط الاستواء السماوي

دائرة كبيرة: دائرة على سطح كرة تمثل منحنى تقاطع الكرة مع طائرة تمر عبر مركزها

ميريديان: دائرة كبيرة على الكرة الأرضية أو السماوية التي تمر عبر القطبين

الصعود الصحيح: الإحداثيات لقياس مواقع الأجرام السماوية بين الشرق والغرب؛ الزاوية المقاسة شرقًا على طول خط الاستواء السماوي من الاعتدال الربيعي إلى دائرة الساعة التي تمر عبر الجسم