天體和天球及其坐標系統(tǒng)

第二章天體和天球及其坐標系統(tǒng)2.1天體和天體系統(tǒng)2.1.1天體概念及主要天體介紹1.天體概念目前把天體認為是宇宙間各種星體的總稱。包括：恒星（如太陽）、行星（如地球）、衛(wèi)星（如月亮）、彗星、流星體、隕星、小行星、星團、星系、星際物質(zhì)以及暗物質(zhì)等。2.主要天體介紹

恒星

是天體中的主體。①恒星并非不動。②由熾熱的氣體組成的僅是恒星的大氣，恒星的內(nèi)部，特別是內(nèi)核密度都很大，顯然不一定是由氣體組成。③恒星有許多種類，恒星有生有滅。

行星

指繞恒星運行、自身不會發(fā)可見光的天體。衛(wèi)星

指繞行星運行、自身不會發(fā)可見光、以其表面反射恒星光而發(fā)亮。彗星

主要由冰物質(zhì)組成，以圓錐曲線(包括橢圓、拋物線和雙曲線)軌道繞恒星運行，當靠近恒星時，因冰物質(zhì)受熱融化，蒸發(fā)或升華，并在恒星粒子流（如太陽風）的作用下拖出尾巴的天體。至今人們也僅觀察到太陽系內(nèi)的彗星。DestructionofSun-GrazingCometC/2011N3(SOHO)WithintheLowSolarCorona,C.J.Schrijver,J.C.Brown,K.Battams,P.Saint-Hilaire,W.Liu,H.Hudson,W.D.Pesnell,Science20January2012,Vol.335no.6066pp.324-328流星體

是繞恒星運行的質(zhì)量較小的天體，其軌道千差萬別。在太陽系中有些流星體是成群的，稱為流星群。當流星體或群進入地球大氣層時，由于速度很高，進入地球大氣層因摩擦生熱燃燒發(fā)光，形成明亮的光跡，稱為流星現(xiàn)象。大流星體未燃盡而降落在地面稱為隕星。隕星中含有許多種礦物元素，近年來還發(fā)現(xiàn)在隕石中存在有機物。

星云和星系

星云是指銀河系空間氣體和微粒組成的星際云。一般它們體積和質(zhì)量較大，但密度較??；形狀不一，亮暗不等。過去在星云性質(zhì)不清楚之前，把星云分為河內(nèi)星云和河外星云兩種。河內(nèi)星云實質(zhì)就是"星云"，是銀河系內(nèi)的一些星際物質(zhì)；河外星云就是現(xiàn)在說的河外星系，簡稱"星系“.星際物質(zhì)

恒星之間的物質(zhì)，包括星際氣體、星際塵埃和各種各樣的星際云，還包括星際磁場和宇宙線，統(tǒng)稱為星際物質(zhì)。在現(xiàn)代天體物理中星際物質(zhì)研究越來越受到重視。獵戶座大星云銀河系全景圖人造天體

在1957年人造衛(wèi)星上天以后才有的天體?，F(xiàn)有人造衛(wèi)星、宇航器（宇宙飛船）和空間站等。雖然有的人造天體已瓦解，失去設計時功能，但每一塊小碎片（宇宙垃圾）仍然是人造天體?，F(xiàn)運行在空間的人造天體已有上萬個?？梢曁祗w和暗物質(zhì)

在大量的宇宙物質(zhì)中，人類把看得見的（在可見光波段）稱為可視物質(zhì)，看不見的稱為不可視物質(zhì)或暗物質(zhì)。據(jù)現(xiàn)代天文研究，宇宙中存在大量暗物質(zhì)。約有12000塊太空碎片圍繞地球運轉2.1.2天體系統(tǒng)在引力的作用下，鄰近的天體會集結在一起，組成互有聯(lián)系的系統(tǒng)，這就是天體系統(tǒng)。也可以表述為：天體系統(tǒng)是互有引力聯(lián)系的若干天體所組成的集合體。1.天體系統(tǒng)概念2．主要天體系統(tǒng)

木星是人類迄今為止發(fā)現(xiàn)的天然衛(wèi)星最多的行星，目前已發(fā)現(xiàn)63顆衛(wèi)星地月系統(tǒng)太陽系銀河系星系群星系團超星系團總星系2.2天球和天球坐標以觀測者為中心，以任意長為半徑的假想的球，稱為天球。2.2.1天球視位置定義為：把不同遠近的星星與觀測者的眼睛連成的直線延長，它們和天球相交的點，即星星在天球上的投影。天球是存在中心的選擇不同的天球中心：觀測者→觀測者天球地心→地心天球（主要用于表示太陽系外天體的是運動和視位置）日心→日心天球（主要用于表示太陽系內(nèi)天體的是運動和視位置）天球的半徑是任意的它包容一切，不論天體如何遙遠，天球上總有它的位置在同一視線上的不同遠近的星球，在天球上的視位置是重合的所有互相平行的直線向同一方向延長，和天球交于一點這是因為天球半徑無限大，所以觀測者的任何位移都比圓球半徑小得多。幾個天球相關的性質(zhì)球面的幾何性質(zhì)用任何一個平面切割球面，切痕都是圓。如果切割平面過球心，圓的直徑最大，稱為大圓。不過球心時，圓的直徑較小，稱為小圓；球面上任意兩點之間的連線以大圓弧最短；通過球面上任意兩點（與球心同在同一直線上的兩點除外）可以做唯一的大圓；球面上任意兩個不同的大圓必然相交與兩點，該兩點的連線比過球心；5.通過大圓中心（球心）做大圓平面的垂直線，與球面相交的兩點稱為該大圓的極。通過大圓的極的任意一個大圓都與原來的大圓垂直。從大圓上任意一點到極的大圓弧長度都是90°.兩個大圓的交點是通過大圓的極的大圓的極。2.2.2常用的天球坐標系建立球面坐標的三個條件選擇一條通過球心的直線作為基本軸，或選擇一個特定的大圓作為基本大圓?；据S與基本大圓垂直，基本軸與球面的交點就是基本大圓的極；選擇球面上除極點外的任一點作基本點；約定坐標量度的方法和范圍球面坐標的基本要素地球坐標系統(tǒng)的基本要素地球坐標系統(tǒng)：基本軸：地球自轉軸基本軸與地球表面的兩個交點是南北極基本大圓：赤道基本點：英國格林尼治天文臺所在地G地球表面任意地點A有兩個坐標：地理經(jīng)度和地理緯度。通過北極（或南極）和A點做大圓與赤道交于A’點，通過北極過G點做大圓和赤道交與G’點，弧長AA’則為地理緯度，弧長G’A’為地理經(jīng)度。緯度由赤道向兩極度量，正負各90°，約定北向為正，向南為負；經(jīng)度由G’點向東西度量，正負各180°，約定向西為正，向東為負。合肥的坐標為北緯32°（+32°）、東經(jīng)117°（-117°）。天球上的基本圈和基本點天頂和天底

沿觀測者頭頂所指的方向作鉛直線向上無限延伸，與天球相交的一點稱為天頂（Z）；天球上距天頂180°的點，即鉛垂線在觀測者腳底向地平以下無限延伸，與天球相交的另一點稱為天底（Zˊ），觀測者的眼睛則為天球的中心。地平圈

通過地心，并垂直于觀察者所在地點的垂線的平面與天球相割而成的圓為地平圈，也就是人們平時所說的地平線(不過平常所說的地平線沒有如此嚴格的定義)?；虮硎鰹橥ㄟ^天球中心而垂直于天頂和天底聯(lián)線的平面稱為地平面，地平面與天球相交而成的大圓NWSE，稱為地平圈。地平圈把天球分成可見和不可見的兩個半球。天體在地平上以上可見。天體每日視運動運行到距地平圈以上最高點稱為上中天，運行到距地平圈最低點稱為下中天。北天極和南天極

地軸無限延伸，就成天軸。天軸與天球相交的點就是天極。天極有兩個：北向的稱北天極（P）；南向的稱為南天極（Pˊ），有人稱“天北極”和“天南極”。離北天極約1°處有一顆不太亮的星，即小熊座α，中名"勾陳一"，是北極星。天南極及其近旁沒有亮星，故沒有南極星，所謂"南極老人星"，其實離天南極很遠，離天赤道反而近，只因我國地處北半球，北方根本看不到這顆星，南方看那顆星在南邊天際。故有人稱它為"南極老人星"(即船底座α)。天赤道

與北天極和南天極距離相等，且垂直于天軸的大圓，稱為天赤道，即地球赤道平面任意擴展與天球相割而成的圓，稱天赤道。實際上，它是地球赤道的無限擴大。它把天球分成南北兩個半球。四方點（或四正點）

通過天頂和天底，北天極和南天極的大圈與地平圈相交的兩點中，靠近南天極的那一點稱為南點（S）；靠近北天極的另一點稱為北點（N）。從北往南看，自北點順時針旋轉90°的那一點為東點（E），與東點相距180°的點稱為西點（W）。或表述為在某地看來地平圈與天赤道相交的兩點就是東點(E)和西點(W)，它們在正東方向和正西方向。地平圈上與它們相距90°的兩個點就是南點(S)和北點(N)，分別在正南方向和正北方向。S、N、E、W合稱為四方點子午圈

通過天頂和北天極同時又過北點和南點的大圈PZSPˊZˊNP，稱為子午圈。卯酉圈

通過天頂和天底同時又過東、西點的大圈ZEZˊW，稱為卯酉圈。六時圈

通過北天極和天南極，同時又過東、西點的大圈PEPˊW，稱為六時圈。地平圈、天赤道、黃道、子午圈、卯酉圈和六時圈均為大圓。其中地平圈、天赤道、黃道為基本圈（簡稱基圈）；子午圈、卯酉圈和六時圈為輔圈。黃道和黃極

通過天球中心作一與地球公轉軌道面疊加的無限平面，這一平面叫黃道面，黃道面與天球相交的大圓，稱為黃道。即地球繞日公轉軌道平面任意擴展，與天球相割而成的圓為黃道。通過天球中心作一垂直于黃道面的直線，使該線與天球相交于兩點，其中靠近北天極P的那一點為北黃極（K）；靠近南天極Pˊ的另一點則為南黃極（Kˊ）。銀道和銀極

在天球上沿著銀河中心畫出的大圓稱為銀道，它是銀河系平均平面與天球相交的大圓，它與天赤道相交成約63.5°的交角。銀河所在的平面稱為銀道面，在銀道兩側與銀道相距90°的兩點，稱為銀極?？拷碧鞓O的那一點稱為北銀極（NGP），靠近南天極的那一點稱為南銀極（SGP）。二分二至點3/19，20，21，春分；6月21日或22日，夏至9/22或23，秋分12月21日至23日之間，冬至2.2.2.1地平坐標系基本軸：

鉛垂線基本大圓：與鉛垂線垂直的地平圈E-S-W-N天頂：觀測者頭頂正上方地平圈：觀測者所見的天與地相接的大圓就是地平圈基本點：天北極（對于南半球的觀測者就是天南極）,也就是地球自轉軸延長后與天球的交點。天北極旁（實際相差1度左右）剛好有一顆小恒星-小熊座α，稱為北極星。坐標量度方向和范圍：通過天頂Z和天北極做一大圓與地平圈相交于N和S，稱為北點和南點，這是定義地面南北方的基準點，與之垂直的為東點和西點，東西南北按順時針方向排序。地平坐標系的一對坐標是高度h（也叫地平緯度）和方位角A（也叫地平經(jīng)度）。約定高度從地平圈向天頂（或天底）度量，正負各為90°，向上為正，向下為負;方位角從南點（S點）向東向西量度正負各180°，向東為負，向西為正。思考題：對于圖中的星M，假設其高度角大小絕對值為h，方位角為A，其地平坐標為？（h,A）2.2.2.2第一赤道坐標系（時角坐標系）基本軸：

地球自轉軸基本大圓：天赤道，也就是地球赤道平面延展以后與天球相交的大圓，自然天體東升西落的運動總是沿著與天赤道平行的小圓進行的?；军c：上點Q（子午圈與天赤道存在兩個交點，在天赤道上方的為上點，下方的為下點。）天體如M在第一赤道坐標系系中的坐標用赤緯δ和時角t表示。赤緯角度以天赤道開始度量，往北為正，往南為負。時角以上點Q為原點，沿天赤道向西度量。以時、分、秒的單位代替度、分、秒的單位，從0h到24h。注意：這里的時、分、秒仍是角度量，也稱為時角、時分和時秒。只是名稱和換算比例改變一下。因為地球自轉一周為24小時，轉過一周為360，故有1h=15°，1m=15’,1s=15’’思考：北京的經(jīng)度為:116°20’，其也可以表示為?7h45m20s2.2.2.3第二赤道坐標系基本軸：

地球自轉軸基本大圓：天赤道，也就是地球赤道平面延展以后與天球相交的大圓，自然天體東升西落的運動總是沿著與天赤道平行的小圓進行的。基本點：春分點天體，在赤道坐標系中的一對坐標是赤緯δ和赤經(jīng)α。約定赤緯從赤道向天北極和天南極度量，正負各90°，向北為正。赤經(jīng)從春分點算起，沿天赤道向東度量。赤道坐標系沒有地平坐標系直觀，因為人們很難憑感官判斷天赤道在天上的位置，更無法確定春分點是天上哪一點。但第二赤道坐標系與觀測者所在的地面位置無關，對任何地點都是一樣的。但第二赤道坐標系的基本大圓和基本點都和天體一樣參與東升西落的周日視運動，因而天體的赤道坐標不因東升西落而變化，是相對固定的。第二赤道坐標系與地平坐標系的優(yōu)缺點剛好互補。天文學中更常使用的是第二赤道坐標系。2.2.2.4黃道坐標系基本大圓：黃道面基本軸：

與黃道面垂直的軸，它與天球的交點為北黃極K和南黃極K’?；军c：春分點它的緯線是黃道和天球上與黃道平行的圓，稱黃緯圈。黃道是最大的黃緯圈。它的經(jīng)線是天球上通過兩個黃極的圓，稱黃經(jīng)圈，其中通過春分點的黃經(jīng)圈是始圈。它的緯度稱為黃緯（β），是天體對于黃道的角距離，用角度表示，以黃道為起始，在天體所在的黃經(jīng)圈上向北度量，從0至±90°，北半球的習慣是黃道以北為正，以南為負。它的經(jīng)度稱為黃經(jīng)(λ)，是天體對于春分點所在的黃經(jīng)圈的角距離，以春分點為原點，沿黃道向東度量，自0°到360°。思考題：太陽的黃緯為多少？0°2.2.2.5幾個坐標系的主要區(qū)別和聯(lián)系相同點：經(jīng)度（方位與時角）都是向西度量；以子午圈為始圈不同點：地平坐標系以地平圈為基圈，因而以南點為原點；第一赤道坐標系以天赤道為基圈，因而以上點Q為原點。

天體的高度便不同于赤緯，方位也不同于時角。

它們之間的具體差異，與當?shù)氐木暥扔嘘P；緯度愈高，二者愈接近。在南北兩極，天赤道與地平圈重合，天北極位于天頂。這時，高度就是赤緯，方位等于時角。地平坐標系與第一赤道坐標系體現(xiàn)地平坐標系與第一赤道坐標系的聯(lián)系，有如下關系式：

在同一地點有：天極的高度(hp)=地理緯度(φ)=天頂?shù)某嗑?δZ)；天球的南北兩極，一個在地平以上，叫做仰極；另一個在地平以下，叫做俯極。對北半球來說，仰極就是天北極。一地的緯度與當?shù)靥祉數(shù)某嗑晫儆谕粋€角，它等于當?shù)匮鰳O的高度，二者都是天頂極距的余角。在我國歷史上，仰極高度被稱為北極高。人們正是根據(jù)這一原理來測定所在地的緯度。第二赤道坐標系與黃道坐標系相同點：經(jīng)度（赤經(jīng)和黃經(jīng)）都是向東度量；基本點（春分點不同點：第二赤道坐標系以天赤道為基圈，因而以春分圈為始圈；黃道坐標系以黃道為基圈，因而以無名圈為始圈。這樣，天體的赤緯不同于黃緯，赤經(jīng)不同于黃經(jīng)。它們之間的具體差異，同黃赤交角有關。第一赤道坐標系與第二赤道坐標系相同點：都以天赤道為基圈，因而有共同的緯度（赤緯）不同點：經(jīng)度。第一赤道坐標系以午圈為始圈，其經(jīng)度（時角）自上點Q向西度量。第二赤道坐標系以春分圈為始圈，其經(jīng)度（赤經(jīng)）自春分點向東度量。天體的時角不同于赤經(jīng)；二者的具體差異，同當時的恒星時有關。任何時刻的恒星時，等于當時中天恒星的赤經(jīng)（也即上點赤經(jīng)），這為恒星時的測定提供極大的方便。所以任何瞬間同一天體的時角(tM)與赤經(jīng)(αM)之和等于春分點的時角(tr)也等于當時天頂?shù)某嘟?jīng)(aZ)；即am+tm=tr=az。

任意兩地同一瞬間測得同一天體的時角之差等于這兩地的經(jīng)度差。即：λA-λB=tA-tB。幾種坐標系的比較其中h為高度，Φ為地理緯度，δ為天體的赤緯，t為時角，A為方位角2.3天體的周日運動和太陽的周年運動地球自轉從北往下看是逆時針方向，從南往上看是順時針方向方向（地球自轉.swf）。人站在地球上，不覺得地球自轉，只看到天球在反方向旋轉，每24小時旋轉一圈，稱為天球的周日視運動。所有的天體都參與周日運動。在不考慮天體自身運動的情況下，所有天體均沿著與赤道平行的小圓繞天極旋轉，這樣的小圓稱為周日平行圈。只有赤道上的天體才沿赤道做大圓運動。南北兩極不參加周日視運動。用相機對準北天極方向曝光一個小時左右成像圖。圖中的亮線對應各天體繞天極旋轉的軌跡。不同緯度的周日運動在不同緯度觀測天體，所見的天球范圍和周日圈情況是不同。根據(jù)天球上坐標轉換公式，對于北極星，始終有：δ=90，即sinh=sin?h=?北極

站在北極，此時地理緯度?=90,即h=90。在這種情況下，赤道就是地平圈，也即所有的天體都沿著水平的小圓運動，不升也不落。2.人站在赤道

在赤道處地理緯度?=0,即h=0,也即北極星在地平線上，赤道通過天頂。所有的天體，包括太陽，都直上直下的運動，在地平線以上的時間和在地平線以下的時間一樣，都是12個小時，一年四季都晝夜平分。3.人站在任意緯度?處當人站在任一緯度處，此時有h=?。赤道以北的天體(δ>0),從東偏北升起，從西偏北處落下，在地平線以上的時間大于在地平線以下的時間;在赤道以南的天體(δ<0)，從東偏南處升起，從西偏南處落下，在地平線以上的時間小于地平以下的時間。根據(jù)時角坐標和第一赤道坐標的轉換公式有：上中天時

t=0°Sinh=sin?sinδ+cos?cosδsinh=cos(?-δ)h=90°-|?-δ|下中天時t=180°Sinh=sin?sinδ-cos?cosδsinh=-cos(?+δ)h=-90°+|?-δ|天體在地平面上方（h>0）為可見天體。在北半球，?>0,滿足條件為δ>90°-?的天體，在下中天時h仍大于0，即在一天當中高度最低的時候仍然在地平線以上，不落入地下，這類天體稱為永不落天體;滿足條件δ<-(90°-?)的天體，在上中天時高度仍小于0，即在一天中高度最高的時候仍然在地平線以下，不升出地平，稱為永不升天體。對于南半球觀測者，?為負值，天體永不落條件為δ<-(90°+?)，天體永不升條件為δ>(90°+?)2.2.2.7太陽的周年視運動太陽的周年視運動是地球繞太陽公轉運動的反映。。思考題：根據(jù)定義，春分、夏至、秋分和冬至點的赤緯分別為多少？0，23°26’，0，-23°26’太陽在天球上做周年視運動時，它依然跟隨天球做周日視運動。太陽周年視運動的方向與地球公轉的真實方向是一致的，也與地球自轉的真實方向是一致的。但是在天球上看到的太陽周日視運動的方向與地球的周日視運動方向剛好相反，也就是說在天球上看到的太陽周年視運動的方向與周日視運動的方向剛好相反。太陽參與周日視運動，是東升西落，自東向西；同時太陽相對于星空背景的周年視運動，是自西向東。正是因為有了太陽周年視運動，才有四季星空的變化。下圖給出：獅子、天琴、飛馬和獵戶四季星空中著名的星座，太陽沿箭頭所示方向做周年視運動，中央的圓代表地球，對著太陽的一面是白天，背著太陽的一面是黑夜。地球上站著一個半夜看星的人。春季里，太陽在飛馬座附近，半夜時，人們當空看到的是獅子座；夏季時，太陽移到獵戶座，半夜當空的是天琴座；秋季里，太陽在獅子座中，飛馬座稱為半夜星空的主角；到冬季，太陽移向天琴座，人們半夜見到的獵戶座。同樣，一夜之間星空也會發(fā)生變化。冬季和夏季主要是由于太陽入射角不同照成的。對于北半球的居民，最冷的時候并不是離太陽最遠的時候！地球繞日公轉時過近日點的日期只比冬至時晚10天。由于地面和低層大氣需要有一個逐漸散熱降溫或積蓄能量的滯后過程，故最冷和最熱的時候并不是在冬至和夏至，而是在其后一個月。太陽的白夜和黑晝白夜是指夏至前后，夜晚太陽到達下中天位置時，它仍留在地平面以上，此時整個夜晚如同白晝，故稱白夜。黑晝則是指冬至日前后，太陽在上中天時仍在地平線以下，故整個白天天空漆黑一片，稱為黑晝。思考：在北半球什么部分有可能出現(xiàn)白夜和黑晝？形成白夜的條件即太陽永不落的條件，有：δ≥90°-?。在夏至前后，太陽可能的最大赤緯為23°26’，即δ≤23°26’。于是有:?≥90-δ≥90-23°26’=66°34’。形成黑晝的條件即太陽永不升的條件，有δ≤-(90°-?)=?-90，即：?≥90+δ,而δ≥-23°26’,于是有?≥90+δ≥90+（-23°26’）=66°34’。從推導可以看出，緯度越高的地區(qū)，將可能出現(xiàn)更多的白夜或者黑晝。在北極地區(qū)，從秋分到春分這半年中，太陽一直無法升到地平線上，這半年都為白夜。思考題：討論在北半球緯度<23°26’的地區(qū)太陽的高度h的情況？根據(jù)高度的計算公式h=90°-|?-δ|，可知在?<2