การเคลื่อนที่ของทรงกลมฟ้า
คนโบราณเชื่อว่า ดวงดาวทั้งหมดบนท้องฟ้าอยู่ห่างจากโลกเป็นระยะทางเท่าๆ กัน โดยดวงดาวเหล่านั้นถูกตรึงอยู่บนผิวของทรงกลมขนาดใหญ่เรียกว่า “ทรงกลมฟ้า” (Celestial sphere) โดยมีโลกอยู่ที่ศูนย์กลางของทรงกลม ทรงกลมฟ้าหมุนรอบโลกจากทิศตะวันออกไปยังทิศตะวันตก โดยที่โลกหยุดนิ่งอยู่กับที่ ไม่เคลื่อนไหว ปราชญ์ในยุคต่อมาทำการสังเกตได้ละเอียดขึ้นจึงพบว่า ดวงดาวบนท้องฟ้าอยู่ห่างจากโลกเป็นระยะทางที่แตกต่างกัน กลางวันและกลางคืนเกิดจากการหมุนรอบตัวเองของโลก มิใช่การหมุนของทรงกลมฟ้า ดังที่เคยเชื่อกันในอดีต อย่างไรก็ตามในปัจจุบันนักดาราศาสตร์ยังคงใช้ทรงกลมท้องฟ้า เป็นเครื่องมือในการระบุตำแหน่งทางดาราศาสตร์ ทั้งนี้เป็นเพราะ หากเราจินตนาการให้โลกเป็นศูนย์กลาง โดยมีทรงกลมฟ้าเคลื่อนที่หมุนรอบ จะทำให้ง่ายต่อการระบุพิกัด หรือเปรียบเทียบตำแหน่งของวัตถุท้องฟ้า และสังเกตการเคลื่อนที่ของวัตถุเหล่านั้นได้ง่ายขึ้น
ภาพที่ 1 จินตนาการจากอวกาศ
พิจารณาภาพที่ 1
หากต่อแกนหมุนของโลกออกไปบนท้องฟ้าทั้งสองด้าน เราจะได้จุดสมมติเรียกว่า “ขั้วฟ้าเหนือ” (North celestial pole) และ “ขั้วฟ้าใต้” (South celestial pole) โดยขั้วฟ้าทั้งสองจะมีแกนเดียวกันกับแกนการหมุนรอบตัวเองของโลก และขั้วฟ้าเหนือจะชี้ไปประมาณตำแหน่งของดาวเหนือ ทำให้เรามองเห็นเสมือนว่า ดาวเหนือไม่มีการเคลื่อนที่
ขยายเส้นศูนย์สูตรโลกออกไปบนท้องฟ้าโดยรอบ เราจะได้เส้นสมมติเรียกว่า “เส้นศูนย์สูตรฟ้า” (Celestial equator) เส้นศูนย์สูตรฟ้าแบ่งท้องฟ้าออกเป็น “ซีกฟ้าเหนือ” (North hemisphere) และ “ซีกฟ้าใต้” (South hemisphere) เช่นเดียวกับที่เส้นศูนย์สูตรโลกแบ่งโลก ออกเป็นซีกโลกเหนือ และซีกโลกใต้
ภาพที่ 2 จินตนาการจากพื้นโลก
พิจารณาภาพที่ 2
ในความเป็นจริง เราไม่สามารถมองเห็นทรงกลมฟ้าได้ทั้งหมด เนื่องจากเราอยู่บนพื้นผิวโลก จึงมองเห็นทรงกลมฟ้าได้เพียงครึ่งเดียว และเรียกแนวที่ท้องฟ้าสัมผัสกับพื้นโลกรอบตัวเราว่า “เส้นขอบฟ้า” (Horizon) ซึ่งเป็นเสมือนเส้นรอบวงบนพื้นราบ ที่มีตัวเราเป็นจุดศูนย์กลาง
หากลากเส้นโยงจากทิศเหนือมายังทิศใต้ โดยผ่านจุดเหนือศรีษะ จะได้เส้นสมมติซึ่งเรียกว่า “เส้นเมอริเดียน” (Meridian)
หากลากเส้นเชื่อมทิศตะวันออก-ทิศตะวันตก โดยให้เส้นสมมตินั้นเอียงตั้งฉากกับขั้วฟ้าเหนือตลอดเวลา จะได้ “เส้นศูนย์สูตรฟ้า” ซึ่งแบ่งท้องฟ้าออกเป็นซีกฟ้าเหนือและซีกฟ้าใต้ หากสังเกตการณ์จากประเทศไทยซึ่งอยู่บนซีกโลกเหนือ จะมองเห็นซีกฟ้าเหนือมีอาณาบริเวณมากกว่าซีกฟ้าใต้
ภาพที่ 3 สังเกตการณ์ที่ละติจูด 0°
เมื่อมองจากพื้นโลกเราจะเห็นทรงกลมท้องฟ้าเคลื่อนที่จากทิศตะวันออกไปยังทิศตะวันตก อย่างไรก็ตามเนื่องจากโลกของเราเป็นทรงกลม ดังนั้นมุมมองของการเคลื่อนที่ของทรงกลมท้องฟ้า ย่อมขึ้นอยู่กับตำแหน่งละติจูด (เส้นรุ้ง) ของผู้สังเกตการณ์ เป็นต้นว่า ถ้าผู้สังเกตการณ์อยู่บนเส้นศูนย์สูตร หรือละติจูด 0° ขั้วฟ้าเหนือจะอยู่ที่ขอบฟ้าด้านทิศเหนือพอดี (ภาพที่ 3)
ภาพที่ 4 สังเกตการณ์ที่ละติจูด 13° ภาพที่ 5 สังเกตการณ์ที่ละติจูด 90°
ถ้าผู้สังเกตการณ์อยู่ที่ละติจูดสูงขึ้นไป เช่น ละติจูด 13° ขั้วฟ้าเหนือจะอยู่สูงจากขอบฟ้า 13° (ภาพที่ 4) ถ้าผู้สังเกตการณ์อยู่ที่ขั้วโลกเหนือ หรือละติจูด 90° ขั้วฟ้าเหนือจะอยู่สูงจากขอบฟ้า 90° (ภาพที่ 5) เราสามารถสรุปได้ว่า ถ้าผู้สังเกตการณ์อยู่ที่ละติจูดเท่าใด ขั้วฟ้าเหนือจะอยู่สูงจากขอบฟ้าเท่ากับละติจูดนั้น