Aplicações de Trigonometria Esférica na Astronomia de Posição PAULO CESAR COSTA 1 ROBERTO JUNIOR BATISTA 2 JOSÉ LUIZ DOS SANTOS (ORIENTADOR) Resumo. A Astronomia esférica ou Astronomia de Posição diz respeito, basicamente, às direções em que os astros são vistos, sem se preocupar com sua distância. Assim, é conveniente expressar tais direções em termos das posições sobre a superfície de uma esfera – a esfera celeste – , com seus valores medidos unicamente em ângulos. Neste artigo abordamos a trigonometria esférica, fundamental na Astronomia de Posição, através de uma introdução ao assunto, com a posterior aplicação em determinação de posições astronômicas. Palavras-chaves: superfície, trigonometria esférica, esfera celeste, posição astronômica. Abstract. Spherical Astronomy or Astronomy of Position concerns basically to directions in which stars are seen, without concerning their distance. Thus, it is convenient to express such directions in terms of the positions on the surface of a sphere – the celestial sphere – with their values measured only in angles. In this article we deal with spherical trigonometry, which is fundamental in Astronomy of Position, through an introduction to the subject and the subsequent application in astronomical positions determination. Key-words: surface, spherical trigonometry, celestial sphere, astronomical position. 1. Introdução O céu sempre encantou o homem pela sua majestosa regularidade e pelos eventos extraordinários, tais como os eclipses e cometas. Por isso, a história da astronomia é tão antiga quanto o homem primitivo que ainda nem sabia verbalizar suas percepções e emoções. Atualmente, há abundantes publicações especializadas sobre pesquisas astronômicas. Este artigo foi escrito com a finalidade de auxiliar professores e estudantes que pretendem iniciar o estudo da Astronomia de Posição, fornecendo-lhes noções sobre sua principal ferramenta matemática: a trigonometria esférica. Nessa acepção, a astronomia compreende apenas o estudo da 1 2 posição precisa e do movimento aparente dos astros na esfera celeste (astrometria). Para tanto, serão abordados dois dos principais sistemas de coordenadas, o sistema horizontal (figura 1) e o sistema equatorial (figura 2), os quais se baseiam no princípio de que a posição de um astro no céu pode ser definida pela especificação do valor de dois ângulos, um deles contado ao longo de um plano de referência, variando de 0° a 360° e o outro, perpendicular e contado a partir desse mesmo plano, variando de –90° a +90°. Ambos sistemas são denominados sistemas de coordenadas esféricas. Licenciado em Matemática pela UFES – [email protected] Bacharel e licenciado em Física pela UFPR – [email protected] Figura 1: Sistema Horizontal A esfera celeste não tem um raio definido, assim considera-se esse raio infinito. Como a distância entre um observador qualquer e o centro da Terra (cerca de 6.400 km) é muito menor que a distância aos astros ( a Lua está, em média a 380.000 km, o Sol a 150.000.000 e as estrelas estão muito além do sistema solar), o erro que se comete é, na maioria dos casos, desprezível. Para melhor entendimento dos conceitos apresentados neste artigo, temos as seguintes definições: 1) Grande círculo ou círculo máximo: um círculo na superfície de uma esfera que a divide em duas metades (hemisférios). 2) Pequeno círculo: É qualquer círculo sobre uma esfera que não seja máximo. 2.2 Sistema Horizontal Definições importantes: Figura 2: Sistema Equatorial 2. Conceitos básicos. 2.1 Esfera Celeste No Universo, os astros se distribuem em um espaço tridimensional. Devido à imensa distância que os separam da Terra, ao observar o céu tem-se a impressão de que todos se encontram em uma esfera. Essa esfera aparente, chamada esfera celeste, está, a princípio, centrada no observador (porém é mais conveniente admitir que o centro da esfera celeste esteja em algum ponto, no centro da Terra ou no centro do Sol). 1 2 1) Direção vertical É a direção diretamente acima ou abaixo de um observador. De forma mais precisa, direção da aceleração gravitacional no ponto da superfície terrestre onde ele se encontra. 2) Zênite É o ponto da esfera celeste que resulta do prolongamento ao infinito da vertical do observador no sentido contrário à gravidade. Ponto da esfera celeste diretamente acima da cabeça do observador. 3) Nadir: É a direção diretamente abaixo do observador, ou seja, o ponto da esfera celeste diametralmente oposto ao zênite. 4) Plano horizontal É o plano perpendicular à direção vertical de um observador e que contém o mesmo. 5) Horizonte É o círculo máximo que resulta do prolongamento do plano horizontal do observador até encontrar a esfera celeste; é a intersecção entre a esfera celeste e o plano perpendicular à vertical do observador. Licenciado em Matemática pela UFES – [email protected] Bacharel e licenciado em Física pela UFPR – [email protected] 6) Meridiano astronômico É o grande círculo que passa pelo zênite do observador e pelos pontos cardeais norte e sul. É ao mesmo tempo um círculo vertical (perpendicular ao horizonte) e um círculo horário. O meridiano de um observador é o seu mais importante círculo de referência. 7) Plano meridiano É o plano que contém o meridiano astronômico. É o mesmo plano que contém o observador e o eixo de rotação da Terra. 8) Plano vertical: Qualquer plano perpendicular ao plano horizontal. Plano vertical de um astro é o plano que contém o círculo vertical do mesmo. 9) Círculo vertical: É qualquer grande círculo que contenha o zênite e o nadir. Seu nome se deve ao fato de ser um círculo perpendicular ao horizonte. 10) Altura (h): Trata-se de uma das coordenadas do sistema horizontal (a outra é o azimute). A altura de um objeto é o ângulo entre a direção ao objeto e a horizontal, ângulo este contado ao longo do círculo vertical que contém o astro. A altura pode ser tanto positiva (h > 0°, astro acima do horizonte) quanto negativa (h < 0°, astro invisível, abaixo do horizonte). A altura do zênite é h = 90° e a do nadir é h = –90°. Quadrante, sextante, octante ou até mesmo um astrolábio são instrumentos utilizados para medir a altura de um astro. 11) Azimute (A): Outra coordenada horizontal. É o ângulo, contado ao longo do horizonte, entre a direção norte e a base do círculo vertical do astro. Outra forma de defini-lo é como sendo o ângulo entre o plano meridiano do observador e o vertical do astro. É geralmente contado no sentido norte-lestesul-oeste. A=0°: ponto cardeal norte; A=90°: ponto cardeal leste; A=180°: ponto cardeal sul; A=270°: ponto cardeal oeste. 12) Almucântar: Círculo de altura constante paralelo ao horizonte. Chama-se também de paralelo de altura. 1 2 2.3 Sistema Equatorial Definições importantes 1) Pólos celestes: São os pontos da esfera celeste que resultam do prolongamento do eixo de rotação da Terra. Os pólos celestes norte e sul são pontos fixos da esfera celeste, ou seja, não se movem no céu de um observador durante a noite. Para um observador situado em um dos pólos geográficos da Terra, o pólo celeste correspondente coincide com o zênite. 2) Equador celeste: É o grande círculo que resulta da intersecção entre o plano equatorial terrestre e a esfera celeste. 3) Círculo (ou arco) diurno: É o caminho aparente de uma estrela no céu durante um dia, devido à rotação da Terra. Círculos diurnos são paralelos ao equador celeste e são círculos pequenos (exceto por uma estrela situada no equador celeste). 4) Círculo horário: É qualquer grande círculo que contenha os pólos celestes norte e sul. Os círculos horários são perpendiculares ao equador celeste, assim como os círculos verticais são perpendiculares ao horizonte. 5) Ponto vernal (γ): É o ponto da esfera celeste onde se situa o Sol no Equinócio de março (em torno de 21 de março). Este ponto se situa sobre o equador celeste e, ao passar por ele, o Sol sai do hemisfério sul celeste e entra no hemisfério norte celeste. Também é chamado de Ponto γ ou Ponto de Áries. 6) Ascensão reta (α): É uma das coordenadas do sistema equatorial. É o ângulo, medido ao longo do equador celeste, entre o ponto vernal e a base do círculo horário que contém o objeto. Outra definição: ângulo entre o plano que contém o círculo horário do ponto vernal e o plano que contém o círculo horário do astro. A ascensão reta cresce no sentido leste e, em geral, é contada em unidades de tempo (1h = 15°; 24h = 360°). Licenciado em Matemática pela UFES – [email protected] Bacharel e licenciado em Física pela UFPR – [email protected] 7) Declinação (δ): É o ângulo entre a direção a um objeto e o plano do equador celeste, medido ao longo do círculo horário do objeto. A declinação pode ser norte ou sul, casos em que δ > 0° e δ < 0°, respectivamente. Pólo Sul celeste: δ = −90°; pólo norte celeste: δ = 90°. 8) Ângulo horário (H): É o ângulo, contado a oeste, entre o meridiano do observador e o círculo horário do objeto. Geralmente expresso em unidades de tempo. 9) Eclíptica: É o caminho aparente do Sol na esfera celeste ao longo do ano. O movimento anual do Sol se deve à revolução da Terra ao longo de sua órbita em torno do mesmo. A eclíptica é, portanto, a intersecção entre o plano orbital terrestre e a esfera celeste. A eclíptica faz um ângulo de aproximadamente 23.5° com o Equador Celeste. Os dois pontos de intersecção entre estes dois grandes círculos são o ponto Vernal (γ ) e o ponto Ω , o primeiro dos quais marca a origem da ascensão reta. 2.4 Ângulos esféricos A seção plana de uma esfera é um círculo. Este círculo é chamado círculo máximo se o plano interceptor passa pelo centro da esfera. As extremidades do diâmetro da esfera perpendicular ao plano interceptor, são os pólos do círculo. Dois pontos distintos de uma superfície esférica que não sejam as extremidades de um diâmetro, determinam um círculo máximo. O ângulo formado pela interseção de arcos de círculos máximos, é chamado ângulo esférico. Os arcos dos círculos máximos são chamados lados e seu ponto de interseção, vértice do ângulo esférico. Um ângulo esférico é medido pelo ângulo diedro formado pelos planos que contém os círculos máximos. lados e os vértices dos três ângulos esféricos também são os vértices do triângulo esférico. Designam-se, usualmente, os vértices por A, B e C e os lados por a, b e c, respectivamente. Exceto quando especificado, os triângulos esféricos a serem considerados serão, apenas, aqueles cujo lado e ângulo sejam menores que 180°. Para tais triângulos valem as seguintes propriedades: 1) A soma de dois lados quaisquer é maior que o terceiro lado. 2) A soma dos três lados é menor que 360°. 3) Se dois lados são iguais, os ângulos opostos são iguais e reciprocamente. 4) Se dois lados são desiguais, os ângulos opostos são desiguais e o maior ângulo está oposto ao maior lado e reciprocamente. 5) A soma dos três ângulos é maior que 180° e menor que 540° . O excesso esférico (E) de um triângulo esférico é a quantidade de que a soma de seus ângulos excede 180°. Em qualquer instante, exceto pela passagem meridiana, um astro forma com o pólo celeste de seu hemisfério equatorial e com o zênite um triângulo esférico, denominado triângulo de posição do astro. Na figura 3 encontra-se representado o triângulo de posição de uma estrela (cuja posição na esfera celeste é representada pela letra E). A figura inclui também a posição do observador (O), os planos equatorial e horizontal e o plano meridiano (contendo Z, N, S e M). Encontram-se indicadas na figura várias coordenadas associadas à estrela, como sua altura h, sua distância zenital z, sua declinação δ e sua distância polar p. Estão indicados ainda o ângulo horário H da estrela e, pela altura do pólo celeste elevado (PN), a latitude φ do observador. 2.5.Triângulos esféricos. Um triângulo não é qualquer figura de três lados sobre a esfera; seus lados devem ser arcos de grandes círculos, ou seja arcos esféricos. Os arcos acima são chamados 1 2 Licenciado em Matemática pela UFES – [email protected] Bacharel e licenciado em Física pela UFPR – [email protected] Figura 3: Triângulo de Posição de uma estrela 3. Fórmulas de Trigonometria Esférica Podemos então aplicar inúmeras relações entre os elementos de um triângulo esférico ao triângulo de posição de um astro. Estas relações são deduzidas a seguir para um triângulo esférico genérico, de lados a, b e c e ângulos A, B e C. Considere o triângulo genérico abaixo. Na figura também é mostrado o centro da esfera, O. Conforme já mencionado, o lado a do triângulo, por exemplo, é um arco de grande círculo que mede o ângulo entre os segmentos de reta OC e OB, e assim por diante. O ângulo A (ou seja, com vértice em A), por seu turno, mede a separação entre os planos OAB e OAC. figura 4: Triângulo esférico Vamos agora deduzir algumas fórmulas importantes que associam lados e ângulos de um triângulo esférico. Primeiramente, consideremos a perpendicular ao plano OBC e que passa pelo vértice em A do triângulo da figura 4. Essa reta é representada pelo segmento AP da figura. A partir do ponto P, tomemos agora duas retas, PN e PM, 1 2 perpendiculares, respectivamente, ao segmentos OB e OC. Ao tomarmos estas retas, forma-se na figura vários triângulos (planos) retângulos: ANP, AMP, ONP, OMP e OAP. Além desses, são também triângulos retângulos OAN e OAM. Usando todos estes triângulos poderemos então deduzir várias fórmulas. Considere o triângulo OAN, por exemplo. O ângulo com vértice em O deste triângulo mede a separação entre o cateto ON e a hipotenusa OA. Mas este ângulo é o lado b do triângulo esférico. Logo podemos escrever: cosb = ON OA (01) senb = AN OA (02) Analogamente, considerando o triângulo OAM, cuja hipotenusa é OA (o raio da esfera), teremos: OM cosc = (03) OA AM senc = (04) OA Sejam agora os triângulos ONP e OMP, cuja hipotenusa é OP. E sejam novamente os ângulos com vértice em O, representados pelas letras gregas α e β. Podemos escrever: cos α = OM (05) OP cosβ = ON (06) OP Podemos então escrever que OM = OPcosα . Substituindo esta relação na expressão para cos c acima e lembrando que α + β = a, temos: OM = OAcosc = OPcos( a − β ) = OP.( cosa.cosβ + sena.senβ ) (07) NP ON OAcosc = OP cosa + sena OP OP = ONcosa + NPsena (08) OA cosc = OA cosb.cosa + NP sena (09) Licenciado em Matemática pela UFES – [email protected] Bacharel e licenciado em Física pela UFPR – [email protected] Esta última linha resulta da expressão para ON usando o triângulo OAN, dada anteriormente. Precisamos agora encontrar uma expressão para NP. Usando o triângulo ANP, temos: NP = ANcosN = = ANcosC = OAsenb.cosC (10) Substituindo na expressão anterior temos então: OAcosc = OAcosb.cosa + NPsena = = OAcosb.cosa + OAsenb.cosC.sena cosc = cosa.cosb + sena.senb.cosC (11) Esta é a chamada fórmula dos 4 elementos, em que os 3 lados do triângulo esférico são associados a um de seus ângulos. Note que o lado cujo co-seno aparece no lado esquerdo é aquele oposto ao ângulo que entra na fórmula. Podemos escrever outras duas fórmulas análogas (cuja dedução também é inteiramente análoga): senb senc sena = = (19) senB senC senC 4. O Triângulo de Posição Denomina-se triângulo de posição (figura 5) o triângulo situado na esfera celeste cujos vértices são o pólo elevado, o astro e o zênite. Os lados e ângulos do triângulo de posição são: 1) 90 − φ é o arco entre o zênite e o pólo; 2) z é o arco entre o zênite e astro; 3) 90 − δ é o arco entre o pólo e o astro ; 4) A é o ângulo com vértice no zênite (A no hemisfério norte ou A–180º, no hemisfério sul); 5) H é ângulo com vértice no pólo; e 6) E é o ângulo com vértice no astro. cosa = cosb.cosc + senb.senc.cosA (12) cosc = cosa.cosb + sena.senb.cosC (13) Há também as fórmulas dos 4 elementos aplicadas a ângulos: cosA = −cosB.cosC + senB.senC.cosa (14) cosC = −cosA.cosB + senA.senB.cosc (15) Figura 5: Triângulo sobre a esfera celeste Pelas fórmulas aplicadas aos triângulos OAN, OAM, ANP e AMP acima, podemos também deduzir a analogia dos senos. O triângulo de posição é usado para obter as coordenadas do astro, quando conhecida a posição geográfica do lugar, ou determinar as coordenadas geográficas do lugar quando conhecidas as coordenadas do astro. Também permite fazer as transformações de um sistema de coordenadas para outro. AN = OA senb = AP (16) senC AM = OA senc = AP (17) senB Logo: AP = senb.senC = senc.senB OA senb senc = (18) senB senC cuja igualdade implica em 1 2 4.1 Relações entre distância zenital (z), azimute (A), ângulo horário (H), e declinação (δ): Eis algumas relações que podem ser obtidas da lei dos co-senos para os sistemas de coordenadas acima cos z = senφ.senδ + cosφ.cosδ.cosH (20.a) Licenciado em Matemática pela UFES – [email protected] Bacharel e licenciado em Física pela UFPR – [email protected] ( ou, resolvendo para cos H: cos H = cos z. sec φ. sec δ − tan φ. tan δ (20.b) sen δ = sen φ cos z + cos φ sen z cos A ) ( ) cosH = − tan − 30 tan − 23 27' (21.a) ou, resolvendo para cos A: cos A = senδ. csc z. sec φ − tan φ. cot z (21.b) Nas expressões acima, abandonou-se os valores em módulo para δ e φ, convencionando-se sinais positivos no hemisfério norte e negativo no hemisfério sul. Pode-se demonstrar que para uma estrela de declinação δ em um local de latitude φ (figura 6), o ângulo horário ao se pôr (ocaso), de acordo com a expressão (20.a) é dado por: cos 90º= senφ.senδ + cosφ.cosδ.cosH ou seja: cosH = − tan φ. tan δ (22) ≅ – 0,2504 ∴ H = 104,5o ou 2H = 14 horas. Especificamente, em Porto Alegre, o Sol estará acima do horizonte aproximadamente 14 h e 10 min em 21 de dezembro, e 10 h e 10 min em 21 de junho. A diferença de 10 minutos é devida à definição de que o dia começa e termina com a borda superior do Sol no horizonte, e não o centro do disco solar, como assumido na fórmula acima. O azimute do astro no nascer ou no ocaso também pode ser obtido da expressão 25.b e da figura 06: cos A = senδ.secφ cos A = sen (–23° 27') sec (–30°) = –0,46 Logo A = 117o (243o), o que significa entre o leste e o sul. 4.2 Hora verdadeira Local Figura 6: Triângulo de posição de uma estrela Com esta fórmula podemos calcular, por exemplo, quanto tempo o Sol permanece acima do horizonte em um certo lugar e em uma certa data do ano, pois para qualquer astro o tempo de permanência acima do horizonte será duas vezes o ângulo horário desse astro no momento do nascer ou ocaso. Como ilustração, vejamos quanto tempo permanecerá o Sol acima do horizonte em Porto Alegre, cuja latitude é 30o, em um dia de Solstício de verão no hemisfério sul, em que a declinação do Sol é de 23o 27'. Usando a fórmula (22), temos 1 2 Quando o centro do Sol está no meridiano do observador, H = 0º, é o meio-dia local para o observador. A hora média civil do observador, a qualquer instante, é 12h – H, quando o Sol está a Leste ou 12h + H, quando o sol está a Oeste. Em Nova Iorque, por exemplo (onde φ= 40º42,0’N), quando a altura e declinação do Sol forem 34º32’ e 12º,54’, respectivamente, para o triângulo da figura 5, cos 55,46º = cos 77,10º cos 49,30º +... ...+ sen77,10º.sen49,30º.cosH. obtendo-se H = 55,18º ou H = 3h40min12s. Portanto, 12h – 3h40min12s = 8h19min48s (antes do meio-dia) e 12h + 3h 40min 12s = 15h 40min 12s (após o meio-dia). 4.3 Determinação da separação angular entre duas estrelas Licenciado em Matemática pela UFES – [email protected] Bacharel e licenciado em Física pela UFPR – [email protected] A separação angular entre duas estrelas é a distância medida ao longo do círculo máximo passando pelas mesmas. Sejam A e B as duas estrelas e αA , δA , αB e δB as suas coordenadas. Pode-se construir um triângulo esférico em que um dos lados seja a separação angular entre elas e os outros dois lados sejam as suas distâncias polares, ou seja, os arcos ao longo dos meridianos das estrelas desde o pólo (P) até as estrelas. Pela fórmula dos co-senos temos: cos AB = cosPA.cosPB + senPA.senPB Onde AB = distância polar entre A e B PA = distância polar de A = 90º −δ A PB = distância polar de B = 90º −δ B APB = ângulo entre o meridiano de A e o meridiano de B = α A − α B E, portanto: cosPA = senδ A ; cosPB = senδ B senPA = cosδ A ; senPB = cosδ B cos APB = cos ( α A − α B ) cosAB = senδ A senδ B + ... ...+ cosδ A cosδ B cos( α A − α B ) (23) Tomando-se como exemplo a determinação do tamanho da constelação do Cruzeiro do Sul, sendo o eixo maior da cruz formado pelas estrelas Gacrux (α = 12h 31min 11s e δ = – 57º 07') e Acrux (α = 12h 26min 37s e δ = – 63º 06'), considerando D o cumprimento do eixo maior da cruz e aplicando os valores acima na equação (23), obtém-se: δ Gacrux = −57 º 07' = −57,11º α Gacrux = 12h31 min 11s = 187,80º δ Acrux = −63º06' = −63,10º α Acrux = 12h26 min 37 s = 186,65º cos D = 0,9945 ⇒ D = 6º 5. Conclusão Neste artigo procurou-se elucidar os conceitos básicos de observação e conquista de novos conhecimentos em trigonometria 1 2 esférica, assunto pouco abordado nos meios acadêmicos. As explicações foram qualitativas e apenas poucas equações simples foram colocadas. Os conceitos e fórmulas apresentados neste artigo podem perfeitamente ser abordados em aulas complementares de Matemática ou Física no Ensino Médio. Desde a pré-história, as sociedades têm um grande interesse pela posição e movimento dos astros. Estes movimentos, ligados aos ciclos naturais (dia e noite, estações do ano, etc), regiam as atividades econômicas (plantação e colheita, criação de animais, etc). A necessidade de se localizar durante longas viagens, medir a passagem do tempo de modo cada vez mais preciso, estimulou o desenvolvimento tanto da astronomia como de outras ciências como a Álgebra e a Geometria. Este progresso, junto com o desenvolvimento tecnológico, se faz sentir em toda a história da astronomia de posição, dos monumentos megalíticos de Stonehange, na Inglaterra, ao satélite espacial Hiparco, lançado pela ESA (European Space Agency) em 08 de agosto de 1989 e desativado em março de 1993. Sendo a Astronomia eminentemente multidisciplinar, oportunidades não faltarão ao leitor para obter informações e estabelecer relações com outros textos. 6. Referências bibliográficas (1) Boczko R., 1984, Conceitos de Astronomia, Editora Edgar Blücher Ltda. (2) Connaissance des Temps. Éphémerides Astronomiques. Publicação anual do Bureau des Longitudes de Paris, França. (3) Dreyer J.L.E., 1953, A History of Astronomy from Thales to Kepler. 2ª Edição, Dover Publications, Inc. (4) Kovalevsky J., 1995. Modern Astrometry, Astronomy and Astrophysics. Library Springer Verlag. (5) Pannekoek A., 19661. A History in Spherical. Dover Publications, Inc. Licenciado em Matemática pela UFES – [email protected] Bacharel e licenciado em Física pela UFPR – [email protected] (6) Smart W.M., 1977. Texbook on Spherical Astronomy. 6ª edição, Cambridge University Press. (6) Taff L. G., 1981. Computational Spherical Astronomy. Wiley-Interscience Publication. (8) Ayres Jr., Frank. Trigonometria. Livro Técnico Ltda. Rio de Janeiro-RJ. Artigos (na ordem dos temas abordados): Smart 1960, pp. 7-8; Gellert et al. 1989, p. 264; Zwillinger 1995, p. 469; Smart 1960, pp. 9-10; Gellert et al. 1989, p. 265; Zwillinger 1995, p. 469; Gellert et al. 1989, p. 265; Zwillinger 1995, p. 470; Beyer 1987; Gellert et al. 1989; Zwillinger 1995, p. 470. Smart 1960, pp. 18-19; Zwillinger 1995, p. 471; Zwillinger 1995, p. 471.; Beyer 1987; Gellert et al. 1989, p. 266. 1 2 Licenciado em Matemática pela UFES – [email protected] Bacharel e licenciado em Física pela UFPR – [email protected]