Космическите тела са на различни разстояния от земята, но всички изглеждат еднакво отдалечени от нас и се виждат приектирани върху сферична повърхност с произволен радиус. Тя се нарича небесна сфера. Въвеждайки понятието небесна сфера, ние приемаме, че всички космически тела са на еднакви разстояния, тоест не се интересуваме от действителните разстояния между тях. Ето защо в сферичната астрономия под разстояние между космически тела или точки от небесната сфера се разбира ъгълът между посоките към тях.
Основните елементи на небесната сфера са линии и точки, които се въвеждат аналогично на тези върху повърхността на земното кълбо. СПрямо тях се определят видимите положения на космическите обекти и се изучават видимите им движения.
Отвесна (вертикална) линия наричаме линията, която преминава през центъра на небесната сфера (който може да съвпада с центъра на Земята и съвпада с направлението на отвеса. Тази линия пробожда небесната сфера в две точки: зенит (Z) - над главата на наблюдателя и надир (') - в противоположна посока. Ако си представим една равнина през центъра на Земята и перпендикулярна на отвесната линия, тя ще пресече небесната сфера в една голяма окръжност, наречена математически хоризонт (NWSE).
Земната ос и нейните продължения до пресичането ѝ с небесната сфера образуват небесната ос POP'.
Точките, в които небесната ос пробожда небесната сфера, се наричат небесни полюси (северен P и южен P'). Полярната звезда се намира много близо до северния небесен полюс.
Голямата окръжност, която преминава през зенита Z, надира и небесните полюси P и P', се нарича небесен меридиан ZPZ'P'.
Голямата окръжност, в която равнината на земния екватор сече небесната сфера, се нарича небесен екватор EQ'WQ.
Пресечните точки на математическия хоризонт с небесния меридиан са точките север N и юг S. Пресечните точки на математическия хоризонт с небесния екватор са точките изток Е и запад W. Правата, която минава през северната и южната точки на хоризонта, се нарича пладнена линия. Нарича се така, защото по нея падат сенките на отвесните предмети на пладне, когато Слънцето е в меридиана на даденото място.
Големият кръг от небесната сфера Z Z', преминаващ през зенита, светилото и надира, се нарича вертикален кръг.
Денонощно въртене на небесната сфера
Земята се върти около един от своите диаметри, който наричаме земна ос. Това въртене става от запад на изток или в посока, противоположна на движението на часовниковата стрелка. Ако гледаме от северния полюс. Ние не усещаме това движение, а наблюдаваме относителното движение на космическите обекти. Ето защо, изглежда, че небесната сфера се върти в посока, обратна на въртенето на Земята - от изток на запад. При това видимо въртене всяко космическо тяло описва по небесната сфера една окръжност, успоредна на екватора. Тази окръжност наричаме денонощен паралел на тялото. Денонощните паралели имат различни размери. Те са най-малки за телата, разположени най-близко до небесните полюси. Самите небесни полюси не участват в това видимо въртене на небесната сфера.
Всички звезди, както Слънцето и Луната изгряват от изток, издигат се над хоризонта, достигат най-високото си положенеи на юг, след това слизат все по-ниско към хоризонта и залязват на запад. Денонощният паралел на всяка звезда пресича меридиана в две точки. Една от тях е най-високата, а другата - най-ниската спрямо хоризонта точка от денонощния паралел. Първата се нарича точка на горна кулминация ,а втората - долна кулминация на космическото тяло.
За болшинството наблюдавани от нас звезди долната кулминация не се наблюдава, тоест тя е под хоризонта - това са така наречените изгряващи и залязващи звезди. За земен наблюдател от северното полукълбо звездите около северния полюс имат денонощни паралели, изцяло видими от наблюдателя. Това са така наречените незалязващи звезди. За същия наблюдател звездите около южния полюс са неизгряващи - те описват денонощните си паралели изцяло под хоризонта.
Понятие за небесни координати
Точното определяне мястото на един обект върху небесната сфера е необходимо за изучаване видимите и действителните движения на космическите обекти, за определяне географските координати на точка от земната повърхнина и за решаване на други практически задачи.
Положението на една точка върху сферата се определя спрямо основните окръжности чрез две величини, наречени небесни координати. Определянето на тези координати е аналогично на определянето на географските координати на точка от земната повърхност.
В зависимост от това, кои са окръжностите, спрямо които се определя положението на космическия обект, в астрономията се използват няколко координатни системи: хоризонтална, екваториална, еклиптична и други. Всяка от тях е удобна при решаване на определени задачи.
Хоризонтална координатна система
В тази система положението на една точка от небесната сфера се определя спрямо математическия хоризонт на наблюдателя NMS и небесния меридиан NZSZ' на мястото на наблюдението. Хоризонталните координати на звездата са височина h и азимут А.
Височината h се измерва чрез дъгата от вертикалния кръг от математическия хоризонт до звездата и се изменя от 0 градуса до =- 90 градуса.
Тази координата определя на каква височина над или под хоризонта се намира даденият обект. Вместо височината често се използва дъгата ZC=z от зенита до светилото, наречена зенитно отстояние. Очевидно z=90 градуса - h.
Азимутът А се измерва с дъгата SM от математическия хоризонт, отчитана от точка юг S от хоризонта на запад по движението на часовата стрелка, гледано от Z до вертикалния кръг, минаващ през звездата.
Изменя се от 0 градуса до 360 градуса. Космическите обекти, намиращи се на един вертикален кръг, имат еднакви азимути.
Поради видимото въртене на небесната сфера хоризонталните координати на даден обект непрекъснато се изменят, тоест зависят от момента на наблюдението. Освен това в един и същ момент те са различни за наблюдател от различни точки от земната повърхност. Това не е така при екваториалните координати.
Екваториална координатна система
Едната голяма окръжност в тази система е небесният екватор QyQ'. Другата минава през небесните полюси и една характерна точка от екватора, наречена пролетна равноденствена точка y.
Екваториалните координати на обекта C са деклинация и ректасцензия.
Деклинацията се измерва с дъгата CM от небесния екватор до точка C, на север + бета или на юг минус бета. Отчита се в градуси от 0 до =- 90.
Ректасцензията се измерва с дъгата М по екватора от пролетната равнодествена точка в посока, обратна на движението на часовата стрелка, гледано от северния небесен полюс.
Отчита се в градуси от 0 грауса до 360 градуса или във време от 0 до 24 часа. Деклинацията на полярната звезда е почти 90 градуса. Деклинацията и ректасцензията на пролетната равноденствена точка имат стойност 0 градуса.
Съзвездия
Още в древността хората са се опитвали да прегрупират звездите по небесната сфера, за да запомнят по-лесно разположението им и да се ориентират по тях. Тези групи от звезди наричали съзвездия. Сега под съзвездия разбираме 88 точно определени области от небесната сфера. Те носят имена предимно на животни и на герои от митологията. Най-светлите звезди от всяко съзвездие още в древността са били свързани мислено с линии, така че да образуват някакви характерни фигури.
Във всяко съзвездие по-светлите звезди се означават с букви от гръцката и латинската азбука (алфа, бета, гама, делта и т.н.), а когато буквите не стигат, звездите се номерират. Освен това най-светлите звезди имат и собствени имена. Например алфа от съзвездието Малка мечка се нарича Полярна, алфа от съзвездието Голямо куче Сириус, бета от Орион - Ригел и други.
Звездни карти
Екваториалните координати на една звезда не зависят от мястото на наблюдението, тоест те са универсални. Затова се съставят таблици (звездни каталози) от екваториалните координати на звездите. По тези таблици се съставят и звездни карти. Съставят се от отделни звездни карти на двете небесни полусфери. Всяка една представлява градусната мрежа на едната небесна полусфера (по екваториална координатна система). Върху нея са нанесени звезди до определена звездна величина. По екватора се нанасят стойностите на реактасцензията от 0 до 24 часа. По радиусите на окръжността се нанасят стойностите на деклинацията от 0 до +- 90 градуса.