CỤC HÀNG HẢI VIỆT NAM TRƢỜNG CAO ĐẲNG HÀNG HẢI II GIÁO TRÌNH MÔ ĐUN: THIÊN VĂN HÀNG HẢI NGHỀ: ĐIỀU KHIỂN TÀU BIỂN TRÌNH ĐỘ: CAO ĐẲNG Ban hành kèm theo quyết định số:29/QĐ-CĐHH II ngày 13 tháng 10 năm 2021 Của trường Cao Đẳng Hàng Hải II. HCM , năm 2021 GIÁO TRÌNH THIÊN VĂN HÀNG HẢI MỤC LỤC Bài 1.Thiên cầu các hệ tọa độ trên thiên cầu. Chuyển động nhìn thấy ngày đêm của thiên thể. 16 Chuyển động quỹ đạo của Trái Đất, chuyển động nhìn thấy hàng năm của Mặt Trời.Các đơn vị đo thời gian trong thiên văn.
Sử dụng lịch thiên văn Hàng hải giải các bài toán liên quan. Sử dụng các dụng cụ lập bầu trời sao, chọn sao quan sát. Đo và hiệu chỉnh độ cao thiên thể. Xác định sai số la bàn từ bằng phương pháp thiên văn.
Xác định vị trí tàu bằng phương pháp thiên văn .Thiên cầu các hệ tọa độ trên thiên cầu 1.Thiên cầu - các đường, điểm và vòng tròn chính trên thiên cầu. Một số khái niệm chung về hình học cầu. - Khối cầu là một vật thể được giới hạn bởi một bề mặt, mà tất cả các điểm trên bề mặt đó đều cách đều một điểm O được gọi là tâm của khối cầu. - Bán kính của khối cầu R là khoảng cách từ tâm O của nó đến một điểm bất kỳ nào đó trên bề mặt khối cầu, ví dụ đến điểm A hay C.
Khi ta cắt khối cầu bằng mặt phẳng đi qua tâm của nó, trên mặt cầu sẽ hình thành một vòng tròn lớn, được gọi một cách đơn giản là vòng tròn lớn. Các bán kính của tất cả các vòng tròn lớn của khối cầu đã cho thì bằng nhau và bằng chính bán kính của khối cầu: OA= OC =R. Giao tuyến của khối cầu với mặt phẳng không đi qua tâm của nó sẽ hình thành một vòng tròn nhỏ, ví dụ vòng tròn CEDC hay KMLK. Bán kính r của vòng tròn nhỏ phụ thuộc vào khoảng cách giữa mặt phẳng của vòng tròn đó và tâm khối cầu, ví dụ r1 > r2 vì mặt phẳng của vòng trong CEDC gần tâm cầu hơn là mặt phẳng của vòng tròn Hình 1.
Khoảng cách ngắn nhất giữa hai điểm trên bề mặt cầu là cung nhỏ hơn của vòng tròn lớn đi qua 2 điểm đó. Ví dụ khoảng cách ngắn nhất giữa 2 điểm G và F là cung vòng lớn GF.1 Khái niệm Thiên cầu Trong hàng hải học, để xác định vị trí tàu bằng cách quan trắc các mục tiêu địa văn ta cần phải biết vị trí của chúng trên hải đồ, tức là trên bề mặt của Trái đất. Trong thiên văn hàng hải cũng vậy, ta cần biết vị trí của các mục tiêu trên bầu trời, nhưng khác với các mục tiêu trong địa văn. Các mục tiêu thiên văn ( thiên thể) không cố định mà thay đổi vị trí liên tục trên bầu trời.
Sự chuyển động của các thiên thể luôn được biểu thị một cách dễ dàng, trên một mặt cầu phụ trợ, bởi vậy, để đơn giản hoá việc giải các bài toán thực tế và rút ra những nguyên tắc lý thuyết, trong thiên văn người ta đưa ra khái niệm thiên cầu như sau: Nguyễn Ngọc Ninh Page 1 “Thiên cầu là một quả cầu phụ trợ có bán kính bất kỳ, có tâm là một điểm bất kỳ trong không gian và tất cả các mặt phẳng và đường thẳng của nó song song với các mặtphẳng và đường thẳng tương ứng của người quan sát trên địa cầu‖. Đặc điểm của thiên cầu : Thiên cầu bổ trợ là khối cầu thuần tuý hình học, có tính ước lệ và không phản ánh vòm trời mà ta quan sát thấy bằng mắt một cách tuyệt đối chính xác. Tâm của thiên cầu thường được đặt ở những điểm nhất định nào đó, ví dụ điểm ứng với mắt người quan sát hoặc ở tâm địa cầu. Khi đó chúng ta sẽ nhận được những hình chiếu khác nhau của cùng một thiên cầu bổ trợ.2 Các đường, điểm và các vòng tròn chính trên thiên cầu: Xét hình chiếu của Thiên cầu với tâm là mắt người quan sát.2 dưới biểu diễn Trái đất (khối cầu dưới thấp), trong đó: - pn ps là trục trái đất, các điểm pn ; ps là địa cực bắc và địa cực nam, qq‘ là xích đạo của trái đất.
Người quan sát đứng ở điểm O trên bề mặt trái đất, vĩ độ của người quan sát là: φ = qO. - Chúng ta thừa nhận Trái đất là khối cầu quay từ tây sang đông. Đoạn OC là đường dây rọi đi qua vị trí người quan sát. Qua O ta dựng được mặt phẳng chân trời thật của người quan sát vuông góc với đường dây rọi.
Giao tuyến của mặt phẳng chân trời thật với mặt phẳng kinh tuyến địa lý đi qua điểm O cho ta đường Tý - Ngọ NS. Đường vuông góc với đường NS là đường Đông - Tây EW. Các hướng của các đường NS và EW tạo thành các hướng chính của chân trời. Các đường thẳng OS1‘; OS2‘; OS3‘ là các hướng từ mắt người quan sát tới các thiên thể khác nhau.
Bây giờ lấy O làm tâm chúng ta dựng một hình S cầu có bán kính bất kỳ, rồi vạch các đường thẳng và mặt phẳng qua O, song song với các đường thẳng và mặt phẳng tương ứng trên trái đất, tức là: trục Trái đất, xích đạo và các kinh tuyến địa dư. Tất cả những vòng tròn nhận Hình 1.2 Nguyễn Ngọc Ninh Page 2 được trên hình cầu sẽ là những vòng tròn lớn vì chúng được dựng qua tâm O của hình cầu. Do đó chúng ta có mối liên hệ quan trọng như sau: QOZ = qCO = φ. Đường thẳng PNO cũng hợp với mặt phang chân trời thật một góc là φ vì các góc NOPN và QOZ có các cạnh tương ứng vuông góc.
Người quan sát sẽ thấy thiên cầu quay từ Đông sang Tây. Sau khi tách điểm O ra hỏi hình vẽ biểu diễn Trái đất và vạch ra những mặt phẳng và đường thẳng song song tươngứng với các mặt phẳng và đường thẳng thực của Trái đất chúng ta nhận được một sự biểu diễn đơn giảm hơn của Thiên cầu. Người ta sử dụng sự biểu diễn Thiên cầu như vậy để nghiên cứu sự chuyển động của các thiên thể và giải một số bài toán. Các mặt phẳng, đường thẳng và các điểm của Thiên cầu này có cùng tên với các mặt phảng, đường thẳng và các điểm trên Trái đất.
Đường thẳng ZOn là đường dây rọi (đường thẳng đứng) đi qua vị trí người quan sát. Điểm Z là thiên đỉnh và điểm n là thiên đế. Vòng tròn lớn NESWN, mà mặt phẳng của nó đi qua tâm Thiên cầu và vuông góc với đường dây rọi, được gọi là mặt phẳng chân trời thật. Nó chia Thiên cầu ra làm 2 phần: phần trên chân trời có chứa thiên đỉnh và phần dưới chân trời có chứa thiên đế.3 Vòng tròn lớn PNZPSnPN mà mặt phẳng của nó song song với kinh tuyến địa dư của người quan sát trên Trái đất được gọi là thiên kinh tuyến người quan sát.
Còn đường PNPS song song với trục Trái đất được gọi là Thiên trục. Giao điểm của Thiên trục với Thiên cầu cho ta các Thiên cực: PN Thiên cực Bắc; PS Thiên cực Nam. Nguyễn Ngọc Ninh Page 3 Thiên cực nằm ở phần trên chân trời được gọi là Thiên cực thượng, Thiên cực nằm ở phần dưới chân trời được gọi là Thiên cực hạ. Tên của Thiên cực thượng luôn trùng với tên của vĩ độ người quan sát.
Kinh tuyến người quan sát chia Thiên cầu ra làm 2 nửa: Đông và Tây. Giao tuyến của mặt phẳng chân trời thật và mặt phẳng kinh tuyến người quan sát cho ta đường Tý - Ngọ NS và các điểm N,S của chân trời.4 Thiên trục chia thiên kinh tuyến người quan sát ra làm 2 phần: phần chứa thiên đỉnh được gọi là thiên kinh tuyến thượng (kinh tuyến ngày) PNZPS, phần chứa thiên đế n được gọi là thiên kinh tuyến hạ (kinh tuyến đêm) PNnPS. Các tên này liên quan đến việc mặt trời đi qua các phần tương ứng của kinh tuyến người quan sát vào lúc giữa trưa và nửa đêm. Vòng tròn lớn QEQ‘WQ mà mặt phẳng của nó vuông góc với thiên trục P N PS được gọi là thiên xích đạo và nó chia Thiên cầu ra làm 2 nửa: bán cầu Bắc và bán cầu Nam.
Giao tuyến của mặt phẳng thiên xích đạo và mặt phang chân trời cho ta đường Đông - Tây và các điểm E,W. Do vậy cùng với các điểm N,S chân trời được chia thành 4 phần tư: NE; SE; SW; và NW. Việc đưa vào khái niệm Thiên cầu bổ trợ cho phép thay thế các hướng tới các thiên thể bằng các điểm trên mặt cầu, các mặt phang bằng các vòng tròn và các góc bằng các cung tròn. Ngoài ra còn cho phép ta không phải quan tâm đến sự khác biệt về khoảng cách giữa các ngôi sao.
Ví dụ như trên hình vẽ dưới, chúng ta thấy rằng các ngôi sao S1‘; S2‖ và S3‖‘ sẽ được người quan sát nhìn hình dung như là một điểm S1 trên bề mặt quả cầu. Vị trí tương đối của các ngôi sao S1‘; S2‖ trên Thiên cầu được biểu diễn bằng cung S1 S2 hay góc ở tâm S1OS2 tức là không phụ thuộc vào độ lớn bán kính của Thiên cầu. Vị trí góc tương đối giữa các thiên thể sẽ tương ứng với góc quan sát được trong thực tế. Một điểm lưu ý nữa là đối với những thiên thể ở rất xa, ta không thể nhận ra được sự di chuyển của chúng, nếu chỳng chuyển động theo phương trùng với phương của tia nhìn từ mắt ta, ta chỉ nhận thấy được sự chuyển động của chúng khi chúng chuyển động cắt ngang tia nhìn.
Tất cả những tính chất trên của Thiên cầu cho phép ta đơn Nguyễn Ngọc Ninh Page 4 giản hoá đáng kể các toạ độ của thiên thể và nghiên cứu sự chuyển động của chúng Nguyễn Ngọc Ninh Page 5 2. Các hệ toa đô trên thiên cầu. Ta đã biết, vị trí của một điểm ở trên một bề mặt nào đó được xác định bởi giao điểm của 2 đường. Trên bề mặt cầu cũng vậy, vị trí của một điểm trên bề mặt cầu được đặc trưng bởi hai vòng tròn.
Vị trí của các vòng tròn đó biểu thị các góc hoặc cung tương ứng, những góc hay cung này được tính từ những mặt phẳng hay vòng cơ bản. Trong thiên văn hàng hải có 3 hệ tọa độ được sử dụng đó là: Hệ tọa độ chân trời; hệ tọa độ xích đạo loại I và hệ tọa độ xích đạo loại II.1 Hệ tọa độ chân trời Trong hệ tọa độ này, hướng chính là hướng dây rọi (hay hướng của đường thẳng đứng). Hai mặt phẳng chính là mặt phẳng chân trời và mặt N phẳng thiên kinh tuyến người quan sát.