Możliwości projekcyjne planetarium

Ulrich Nowak, Jadwiga Biała, Kazimierz Schilling

Poniższy artykuł został opublikowany w specjalnym numerze miesięcznika "Urania" z sierpnia 1974 r., poświęconego w całości planetarium w Olsztynie. Część pierwszą o możliwościach aparatury projekcyjnej napisał Ulrich Nowak, część drugą o tym, jak działa planetarium napisali wspólnie Jadwiga Biała i Kazimierz Schilling. Inny artykuł o zasadzie działania planetarium jest też tutaj. Podczas lektury należy mieć na względzie czas, jaki minął od napisania artykułu i ogromny skok technologiczny, jaki w tym okresie zaszedł. Wszechobecna technika cyfrowa i miniaturyzacja wpływa również na "gwiezdne kina". Do niektórych zmiany płyną szybko, do innych powoli się przesączają — najczęściej w zależności od funduszy, jakimi dysponuje placówka. Przygotowanie i publikacja wersji elektronicznej za zgodą redakcji czasopisma "Urania-Postępy Astronomii".

Możliwości prezentacji zjawisk astronomicznych przez aparaturę projekcyjną Planetarium Lotów Kosmicznych

Nauczanie astronomii nie jest rzeczą łatwą. Zrozumienie tej nauki wymaga bowiem od ucznia dużej dozy wyobraźni, nawet wtedy, gdy nauczyciel posługuje się takimi pomocami naukowymi jak: rysunki, wykresy, mapy nieba, globusy nieba, itp. Zadanie nauczyciela astronomii byłoby łatwiejsze, gdyby miał on możliwość wykonywania doświadczeń i bezpośredniej demonstracji omawianych zjawisk, tak jak to może robić nauczyciel fizyki, przy pomocy stosunkowo prostych i tanich przyrządów. W zakresie astronomii możliwości te daje dopiero droga i skomplikowana aparatura planetarium. Artykuł niniejszy, szczegółowo omawiający zjawiska astronomiczne, które pozwala demonstrować aparatura planetarium jest dlatego adresowany głównie do nauczycieli i wykładowców astronomii. Planetarium może i powinno stać się nowoczesną pomocą dydaktyczną w nauczaniu astronomii i z możliwości tej powinno się korzystać w możliwie szerokim zakresie.

Aparatura projekcyjna Planetarium dysponuje następującymi możliwościami demonstracji zjawisk astronomicznych:

Niebo gwieździste. Na kopułę jest rzutowanych ponad 6 tysięcy gwiazd, północnej i południowej półkuli nieba, do 6 wielkości gwiazdowej, tzn. wszystkie gwiazdy widoczne gołym okiem. Projektor wiernie oddaje różnice jasności gwiazd, przy czym obrazy gwiazd są praktycznie punktowe. Można demonstrować scyntylację gwiazd. Syriusz jest rzutowany z oddzielnego projektora, co umożliwia demonstrację zjawiska paralaksy i aberracji.
Aparatura pozwala pokazać wygląd nieba w dowolnym roku, dniu i godzinie na każdej szerokości geograficznej. Uzyskuje się to przez odpowiednią kombinację ruchów: dziennego, bieguna i precesyjnego. Na tło gwiazd rzutowane są: smuga Drogi Mlecznej z wyraźną strukturą, Wielki i Mały Obłok Magellana, Wielka Mgławica w Andromedzie oraz gromady gwiazd h i χ w Perseuszu i Praesepe w Raku.

Gwiazdozbiory. Na kopułę są rzutowane uproszczone rysunki następujących gwiazdozbiorów: Wielkiego i Małego Wozu, Kasjopeji, Cefeusza, Perseusza, Oriona, Bliźniąt, Woźnicy, Byka, Łabędzia, Lutni, Orła, Krzyża Południa, Centaura, Okrętu Argonautów, Muchy, Kameleona, Kolibra, Sekstansu i Trójkąta. Oddzielnie są rzutowane gwiazdozbiory zwierzyńcowe: Baran, Byk, Bliźnięta, Rak, Lew, Panna, Waga, Skorpion, Strzelec, Koziorożec, Wodnik i Ryby.

Słońce. Przedstawić można roczny ruch Słońca po ekliptyce na tle gwiazdozbiorów zwierzyńcowych i wynikające z niego zmiany wysokości Słońca w momencie południa, przesuwanie się punktów wschodu i zachodu oraz zmiany długości dnia. Pokazać można pozorny dzienny ruch Słońca dla różnych szerokości geograficznych, w tym "wieczny dzień" za kołem podbiegunowym. Można zademonstrować 6 częściowych zaćmień Słońca, każde o innej fazie oraz zaćmienie całkowite, podczas którego ukazuje się korona słoneczna.

Księżyc. Na powierzchni przedstawione są szczegóły widoczne z Ziemi gołym okiem. Pokazać można zmiany faz, cofanie się węzłów orbity, zakrycia gwiazd i planet przez Księżyc oraz całkowite i częściowe zaćmienie Księżyca.

Planety. Demonstruje się 5 planet widocznych gołym okiem. Można pokazać oddzielnie planety wewnętrzne — Merkury, Wenus i oddzielnie planety zewnętrzne — Mars, Jowisz, Saturn, lub wszystkie razem. Można demonstrować ruch prosty i wsteczny planet na tle gwiazd oraz pętle, które zakreślają, z uwzględnieniem momentów kwadratur, opozycji i koniunkcji. Można także demonstrować przejścia planet wewnętrznych na tle tarczy słonecznej.

Układ Słoneczny. Demonstruje się Słońce i krążące wokół niego planety: Merkurego, Wenus, Ziemię z Księżycem, Marsa, Jowisza i Saturna. Istnieje możliwość pokazywania każdej z planet oddzielnie oraz zmian prędkości ich ruchu. Trzy linie świetlne, obrazujące kierunki widzenia z Ziemi: Słońca, Merkurego i Jowisza, pozwalają prześledzić pozorne ruchy Słońca i obydwu planet na tle gwiazd. Zatrzymując ruch planet, można przy ich pomocy zaznaczyć charakterystyczne położenie planet względem Słońca i Ziemi, a więc opozycje, kwadratury i koniunkcje. Można także zrzutować koło gwiazdozbiorów zwierzyńcowych i wyjaśnić roczny ruch Słońca na jego tle.

Układ Jowisza. Pokazany jest wirujący wokół własnej osi Jowisz i ruchy jego czterech największych księżyców. Obserwować można cienie, rzucane przez księżyce na powierzchnię Jowisza. Ruch księżyców można zatrzymać w dowolnym momencie, co pozwala demonstrować ciekawe konfiguracje.

Kometa. Pokazywana kometa jest kometą Donatiego z 1858 roku. Można regulować jej jasność i szybkość przemieszczania się po niebie. Przedstawiony jest proces powstawania a następnie zanikania warkocza.

Meteory. Świetliste smugi wychodzące z jednego punktu sfery niebieskiej, obrazują rój meteorów. Radiant roju można ustawić w dowolnym gwiazdozbiorze.

Satelita. Demonstrowany jest ruch sztucznego satelity Ziemi po orbicie. Można regulować prędkość przelotu i kąt nachylenia orbity.

Zorza polarna. Demonstrować można zorze polarne o różnym wyglądzie ż możliwością zmian jasności.

Panorama. Istnieje możliwość prezentowania jednej z 6 panoram, w tym panoramy Księżyca, względnie zestawów składających się z 8 jednocześnie wyświetlanych przeźroczy.

Mapa Ziemi. Rzutowany na kopułę wycinek mapy Ziemi, zmienia się wraz ze zmianą wysokości bieguna i wskazuje aktualną szerokość geograficzną.

Oprócz tych możliwości, wykorzystywanych zarówno podczas programów popularnych jak i dydaktycznych, aparatura projekcyjna dysponuje jeszcze innymi możliwościami, które wykorzystuje się wyłącznie w programach dydaktycznych.

Przeciwsłońce i Słońce średnie. Przeciwsłońce jest plamą świetlną, rzutowaną na kopułę w punkcie przeciwległym aktualnemu położeniu Słońca. Słońce średnie jest obrazem fikcyjnego punktu, poruszającego się ruchem jednostajnym po równiku niebieskim.

Czas. Za pomocą aparatury Planetarium można pokazać różnicę między czasem gwiazdowym i słonecznym oraz czasem słonecznym prawdziwym i średnim. Przy pomocy średniego Słońca objaśnia się równanie czasu, tzn. zmiany jego wartości i znaku w ciągu roku. Demonstrując ruch Księżyca, można przedstawić różnicę między miesiącem synodycznym i syderycznym.

Ruchy. Aparatura ma możliwość wykonywania następujących ruchów: dziennego — będącego odzwierciedleniem ruchu wirowego Ziemi wokół własnej osi, rocznego — będącego odzwierciedleniem ruchu obiegowego Ziemi wokół Słońca, precesyjnego — zmieniającego położenie bieguna niebieskiego i punktów równonocy względem gwiazd z okresem 26 tysięcy lat, bieguna — będącego odzwierciedleniem zmian wysokości bieguna niebieskiego nad horyzontem w trakcie przemieszczania się po powierzchni Ziemi wzdłuż danego południka. Przez odpowiednią kombinację ruchów, można demonstrować pozorny ruch gwiazd obserwowany ze sztucznego satelity Ziemi, z Księżyca lub z innych planet.

Południk astronomiczny. Wyskalowany co 1° i opisany co 10°.

Równik niebieski. Wyskalowany co 10 minut i opisany co godzinę. Służy do mierzenia rektascensji i kąta godzinnego gwiazd.

Ekliptyka. Wyskalowana co 1 dzień a opisana co 10 dni z podaniem numerów miesięcy.

Koło wierzchołkowe. Ma możliwość poruszania się i można je ustawić w dowolnym punkcie horyzontu.

Koło godzinne. Jest sprzężone ze średnim Słońcem i można je ustawić w dowolnym punkcie równika.

Koła horyzontalne (almukantary). Dwa koła równoległe do horyzontu, znajdujące się na wysokości 6° i 18°, które służą do wyjaśnienia pojęć zmierzchu cywilnego i astronomicznego.

Biegun ze skalą kąta godzinnego. Dwa równoleżniki niebieskie, położone blisko bieguna, ze skalami naniesionymi co 10° i 1 godzinę a opisanymi co 30° i 3 godziny.

Trójkąt paralaktyczny. Utworzyć go można z koła godzinnego, koła pionowego i południka. Służy do przeliczeń współrzędnych horyzontalnych na równikowe i odwrotnie.

Siatka współrzędnych horyzontalnych. Składa się z układu kół wierzchołkowych i almunkantarów i służy do mierzenia wysokości i azymutów ciał niebieskich.

Siatka współrzędnych równikowych i ekliptycznych. Składa się z układu kół godzinnych i równoleżników niebieskich oraz kół długości i szerokości ekliptycznej a służy do mierzenia deklinacji i rektascensji lub deklinacji i kąta godzinnego w układzie współrzędnych równikowych oraz szerokości i długości ekliptycznej w układzie współrzędnych ekliptycznych.

Róża wiatrów. Zaznaczone są kardynalne punkty horyzontu: północ — N, południe — S, wschód — O i zachód — W. Przy przekraczaniu bieguna kierunki stron świata automatycznie zmieniają się na przeciwne.

Licznik lat. Na kopułę, w pobliżu bieguna północnego lub południowego, rzutowany jest numer roku, na który została ustawiona aparatura projekcyjna.

Ziemia geocentryczna. Na kopułę rzutowany jest zarys kontynentów, taki jaki byłby widoczny ze środka Ziemi. Pozwala to pokazać, jakie obszary nieba widoczne są w danym momencie z różnych obszarów kuli ziemskiej.

Aparatura projekcyjna Planetarium Lotów Kosmicznych

Opuszczając Planetarium zastanawiamy się często w jaki sposób uzyskano tak wierne odtworzenie wyglądu nieba. Jak to się dzieje?

Planetarium nasze, podobnie jak każde planetarium na świecie, posiada charakterystyczną kopułę widoczną już z daleka. Składa się ona właściwie z dwóch kopuł: zewnętrznej i wewnętrznej. Kopuła naszego Planetarium nie należy do największych — wewnętrzna kopuła posiada bowiem średnicę 15 metrów. Jej wewnętrzna strona jest pokryta aluminiową perforowaną blachą, która tworzy półkolisty ekran. Od niewidocznej dla nas strony, ekran jest wyłożony materiałem dźwiękochłonnym. W zenicie kopuły znajdują się głośniki, dzięki którym słyszymy wszystkie efekty dźwiękowe. Pomiędzy wewnętrzną i zewnętrzną kopułą, znajdują się urządzenia wentylacyjne. Tak wygląda w ogólnym zarysie konstrukcja samej kopuły.

A jak powstaje obraz? Każdy z uczestników seansu zauważył na pewno urządzenie stojące na środku sali. Jest to właśnie tak zwany projektor główny, przedstawiony schematycznie na rysunku. Zbudowany on jest z dwóch półkul, rzutujących obraz sfery niebieskiej na ekran kopuły. Jedna z półkul projektora daje nam obraz północnej półkuli nieba, natomiast druga — południowej. Każda z półkul projektora posiada wewnątrz silną żarówkę, która jest źródłem światła dla szeregu rzutników umieszczonych na powierzchni danej półkuli. Każdy z tych rzutników jest wyposażony w stałą "kliszę", wykonaną z cienkiej miedzianej folii. W folii tej wykuto ręcznie otworki, odpowiadające poszczególnym gwiazdom. Jako ciekawostkę można podać, że najjaśniejsza (poza Syriuszem) gwiazda, którą widzimy na kopule ma na kliszy otworek o średnicy 16 tysięcznych milimetra. Każda taka klisza daje obraz pewnego wycinka sfery niebieskiej. Całą sferę niebieską daje dopiero obraz rzutowany przez wszystkie rzutniki. Ta półkula projektora, która rzutuje obraz półkuli południowej, wyróżnia się tym, że posiada, widoczny na zewnątrz, dodatkowy projektor — jest to projektor najjaśniejszej gwiazdy nieba — Syriusza. Obrazy Słońca, Księżyca i planet są rzutowane z indywidualnych projektorów umieszczonych wewnątrz konstrukcji łączącej półkulę południową i północną. Tak przedstawia się zasada otrzymywania obrazów gwiazd i pozostałych ciał niebieskich.

Zdjęcie planetarium typu PLK (Spacemaster)

Schematyczny widok projektora głównego (niestety rysunek został wydrukowany z obciętym prawym marginesem, przez co niektóre oznaczenia są nieczytelne — TL). Oznaczenia (pr.= projektor): 1 — kula z projektorami rysunków gwiazdozbiorów, a — północ (7 projektorów), b — południe (4 projektory); 2 — kula z 16 projektorami gwiazd, a — północ, b — południe; 3 — zamocowanie lampy projekcyjnej projektorów gwiazd; 4 — pr. Saturna; 5 — pr. Słońca; 6 — pr. Księżyca; 7 — pr. równika; 8 — pr. ekliptyki; 9 — pr. Merkurego; 10 — pr. Wenus; 11 — pr. Marsa; 12 — pr. Jowisza; 13 — 4 projektory róży wiatrów; 14 — pr. satelity; 15 — 26 reflektorów oświetlających kopułę; 16 — pr. komety; 17 — 8 projektorów panoram; 18 — pr. Syriusza; 19 — pr. Drogi Mlecznej; 20 — pr. południka

Na kopułę można także rzutować rysunki gwiazdozbiorów oraz pomocnicze linie, np. południk, równik czy ekliptykę. Służą do tego małe kuliste projektory, umieszczone na korpusie projektora głównego. W środkowej kuli projektora znajdują się silniki, umożliwiające jego obracanie się wokół kilku osi. Między innymi, projektor może się obracać wokół osi pionowej oraz w płaszczyźnie prostopadłej do horyzontu, a półkule projektora mogą prócz tego obracać się wokół osi łączącej ich środki. W środkowej kuli projektora jest także zamontowany specjalny silnik, który poprzez skomplikowaną przekładnię, napędza indywidualne projektory Słońca, Księżyca i planet. Umożliwia to demonstrację faz Księżyca oraz ruchów planet, a także położenia tych ciał niebieskich na niebie w dowolnym dniu i roku.

W podstawie całego urządzenia znajdują się rzutniki panoramy i róży wiatrów, projektory komety i satelity oraz reflektory podświetlające kopułę.

Sterowanie pracą projektora głównego i urządzeń dodatkowych odbywa się z pulpitu sterowniczego. Pulpit zawiera kilka dodatkowych urządzeń, jak: rzutnik przeźroczy, projektor Układu Słonecznego, projektor Jowisza oraz projektor gwiazd spadających i rzutnik mapy kuli ziemskiej. Należy w tym miejscu podkreślić, że Planetarium nasze, jako pierwsze w Europie i jedno z nielicznych na świecie, posiada unikalną aparaturę umożliwiającą automatyczne przeprowadzanie projekcji astronomicznych. Otóż w pulpicie sterowniczym znajduje się magnetofon, który odtwarza zapis z dwóch ścieżek taśmy magnetofonowej jednocześnie. Z pierwszej jest odtwarzany dźwięk, to znaczy tekst komentarza oraz muzyka, a z drugiej specjalne impulsy, które poprzez czytnik taśmy perforowanej sterują minikomputerem, sterującym z kolei pracą całej aparatury projekcyjnej. Sterowanie odbywa się według zadanego uprzednio programu, zakodowanego na taśmie perforowanej i ściśle zsynchronizowanego z zapisem dźwięku na pierwszej ścieżce taśmy magnetofonowej. Zasada działania automatycznego sterowania aparaturą projekcyjną, stanie się jasna po zapoznaniu się z blokowym schematem, przedstawionym na rysunku 2. Istnieje także możliwość wyłączenia całej automatyki — operator może wtedy ręcznie sterować pracą aparatury projekcyjnej.

Producentem aparatury projekcyjnej Planetarium Lotów Kosmicznych w Olsztynie, są znane zakłady Carl Zeiss z Jeny w Niemieckiej Republice Demokratycznej.