天文學導論第1講-天體的視運動

天文學導論第1講天體的視運動本講內(nèi)容星座與星圖地球自轉：天體的周日視運動地球公轉：天體的周年視運動天體的赤道坐標系、恒星時地球自轉軸進動與歲差月相日月食教材閱讀Chapter2：PatternsintheSky—MotionsofEarthAPPENDIX6：ObservingtheSkyA-161、星座與星圖1929年，國際天文聯(lián)合會（IAU）正式把全天劃分為88個星座，并清楚界定每一個星座的邊界。因此每顆星屬于且只能屬于一個星座星座名用來命名星星天狼星：官方名為大犬座α星附錄五：亮星表附錄六：星座昴星團M45望遠鏡出現(xiàn)之前的古代天文臺用于研究天文位置與事件的古代建筑？埃及，公元前1275年中國，公元840年歐洲，公元1540年星圖地圖平放地上星圖高舉過頭仰望之，使星圖所標方向與實際方向一致星座只是天上一個一個的區(qū)域，并不表示每個星座的星星之間存在一定的內(nèi)在聯(lián)系，例如以引力而被束縛的一個系統(tǒng)。而且星座僅代表本天區(qū)中較亮的星專業(yè)星圖昴星團M452、地球自轉：天體的周日視運動坐地日行八萬里巡天遙看一千河天體的周日視運動每天，太陽、月球以及星星都東升西落，是地球自西向東自轉所造成的假象，故稱天體在天空上所經(jīng)歷的路徑稱為天體的周日視運動天似穹廬，籠蓋四野天頂子午線南北地平面（圈）

東西頭頂?shù)男强杖Q于你在地球表面上的緯度和當?shù)貢r間天球（celestialsphere）太陽的周日視運動太陽每天東升西落，于當?shù)卣缤ㄟ^子午線達到最高點（上中天）地方正午：太陽到達子午線（不一定是12點）地方子夜：太陽連續(xù)兩次到達正午的時間為24小時，稱為一個太陽日（thesolarday），即我們的一天世界時UniversalTime(UT)天文事件通常用世界時（UT）或

CoordinatedUniversalTime(UTC)，近似為thelocaltimeforGreenwich（theGreenwichMeanTime(GMT)格林尼治平時）世界時與本地時間的轉換：北京時間=UT+8小時北京地方時和北京時間完全是兩碼事！北京時間正午12點（東經(jīng)120度）時，北京地方時（東經(jīng)116.5度）即太陽時為11點46分，所以此時北京的太陽在子午線以東約3.5度，再過約14分鐘北京“真”正午天球北極南極赤道北天極南天極天赤道東把天空幻想為一個大水晶球，所有天體包括太陽、月亮和星星等都鑲嵌在天球上，而地球則孤懸于天球的中央天體的周日視運動地球自西向東自轉，造成天體每天東升西落的錯覺拱極星：靠近南北天極，永不落北極星：最靠近北天極，似乎永遠靜止不動北極星（北天極）的高度北極星（北天極）相對于地面的高度取決于觀測者所在的地理緯度，例如在北京，北極星在正北離地面約40度高的位置地赤道北京：東經(jīng)116度22分北緯39度58分南北天極：不變的參考點南北天極的高度等于觀測者所在地的地理緯度可幸的是，在北半球，在非?？拷碧鞓O的地方有一顆相當亮的星，即北極星，為我們指引方向在北半球有些星永遠不會東升：居住在北半球的人永遠看不到接近南天極的星居住在南半球的人永遠看不到接近北天極的星可惜的是，南天極附近沒有亮星，所以沒有“南極星”為南半球居民指引方向（南十字座）天赤道—不變的參考點到天極的弧距離總是90度所有恒星沿與天赤道平行的路徑由東向西運動（圓弧軌跡）在地球上無論何時何地：天赤道總是與地平面精確地相交于正東正西方向總能看到1/2天赤道在地球兩極，天赤道=地平線天頂、地平線和子午線：本地參考系天頂和子午線的位置不隨觀測者的地平線移動天頂總是與地平線成90度角子午線由南到北平分半個天球星星的位置相對于天頂和子午線在變：天球在轉動觀測者在地球上移動任何通過子午線的天體都處于距離地平面的最高位置（夜晚的星星，白天的太陽）：中天天體的運行（圓弧）軌跡與地平面的夾角為：90度-觀測者所在地理位置的緯度（=天赤道與地面夾角）在北極天頂=北天極NCP地平線圈=天赤道地(天)軸所有星星沿與地平面平行的圓軌跡運行，從不下落頭頂北極星在北京!(40°N)90度-緯度=緯度在北京：向東看天體從東偏北方向升起90度-緯度南在北京：向西看天體向西偏北方向落下北90-緯度在北京向：北看可見北極星和拱極星北天極東北極星北極星（北天極）高度隨地理緯度降低而降低。星星環(huán)繞北天極轉圓圈北半球可見的恒星視運動北天極附近星星視運動軌跡在地球赤道上所有星在地平面上12小時所有星垂直于地平面升起和下落“可見所有星”3、地球公轉：天體的周年視運動斗轉星移每晚同一時刻，看到的星空連續(xù)變化黃道（ecliptic）、黃道十二宮（Zodiac）每（白）天同一時刻，太陽相對于背景恒星的位置向東移動直觀現(xiàn)象在天球上，恒星的位置及其相對位置（星座圖樣）是“固定不變的”整個天球包括太陽一天轉動一圈，但通過仔細觀察你會發(fā)現(xiàn)這個規(guī)律并不完全正確每晝同一時刻，太陽位置緩慢改變

每晚同一時刻，星星位置（通過子午線）在緩慢變化每晝同一時刻，太陽位置相對于星星向東緩慢移動黃道：太陽的周年視運動地球的公轉造成太陽在天球上的位置自西向東緩慢移動（滯后于恒星）再回到原處（相對于背景星）的周期為一年（~365.24天）共走了360度太陽每天向東移動大約1度~2個太陽視直徑恒星日與太陽日SiderealandSolarDay太陽日=24小時：太陽連續(xù)兩次到達子午線的時間恒星日~23小時56分：恒星連續(xù)兩次到達子午線的時間一個恒星日比一個太陽日短約4分鐘結論：相對于太陽日：恒星每天升起、上中天和下落的時間都提前約4分鐘恒星日是地球真實的自轉周期，不隨其繞太陽公轉而變化，為~23小時56分恒星日與太陽日的圖示解釋天體的周年視運動（軌跡？）星星回歸原處的周期為一年一個特定星星一個月后升起的時間將提前約2個小時：

30d×4分鐘/天

=120分

=2小時一年后這顆恒星將在同一時刻升起：

2小時

x12月/年

=24小時四季更替太陽輻射能力（×）日地距離（×）陽光入射角（√）錯誤解釋：日地距離的變化地球公轉軌道近似為圓軌道，日地距離的微小變化改變不了地球的溫度南北半球季節(jié)應相同地球自轉軸不垂直黃道面地球的自轉軸與其公轉軌道面（黃道面）不垂直，成23.5度夾角如果地球自轉軸和公轉軸平行，就不會有季節(jié)!太陽永遠位于天赤道上（與黃道重合）季節(jié)更替標志：春、秋分，夏、冬至天赤道與黃道面的夾角為23.5度相交的兩點分別稱為春分點和秋分點在黃道上距春分點和秋分點最遠處則稱為夏至點和冬至點在地球繞日運動中太陽東升和西落的方位角不斷變化并造成一年一度四季的更迭地球氣候的改變滯后于地球吸收太陽熱量的改變4、天球坐標系地平坐標系方位角（地平面，北為0度），地坪高度（距天頂）赤道坐標系Theequatorialcoordinatesystem地球赤道，北極，南極天赤道為坐標平面，北天極，南天極黃道坐標系地球繞太陽運動軌道平面為坐標平面，黃極銀道坐標系銀道面為坐標平面，銀極角距和角大小在假想的天球上描述天體相對于參考點的距離（即天體的坐標），天文學家使用“角距離”而非長度單位（千米等）兩個天體之間的距離常用它們與觀測者之間的夾角表示，即角距天體的大小則用天體兩個邊緣與觀測者之間的夾角表示，即角大?。阂越嵌缺硎镜囊曋睆浇嵌?、角分、角秒一個圓周==360°角度1°角度==60′角分1′角分==60″角秒月亮看起來其實比手指還小地理坐標緯度：從赤道面起算到北極0～90o北緯到南極0～－90o

南緯經(jīng)度：從本初經(jīng)圈（定義零度經(jīng)線）起算（通過格林尼治天文臺）向東，東經(jīng)0～180o向西，西經(jīng)0～180o北京：東經(jīng)116度22分；北緯39度58分赤道坐標系：地球的經(jīng)緯線在天球上的投影因為相對于天極和天赤道，所以每個天體的赤道坐標是唯一的赤道坐標系：赤經(jīng)和赤緯東

赤緯Declination(Dec)，常用δ表示天赤道=0度北天極=+90度南天極=-90度從天赤道開始至兩極Dec[–90，90]度向北由0度到+90度向南由0度到-90度赤經(jīng)RightAscension(RA)，常用α表示赤經(jīng)表示與地球經(jīng)度（-180至180度）不同因為地球的自轉導致時間自然追蹤天體的運動，（即恒星可以用來測量時間），所以時間是計量赤經(jīng)的自然單位赤經(jīng)用小時、分和秒的時間單位來表示，起點為春分點，在天赤道上由西向東由0小時增加到24小時（即“恒星日”

對應太陽日的23小時56分）地球“24小時”自轉一周360度赤經(jīng)“1小時”對應地球自轉15度赤道坐標系的例子北極星Polaris：RA=2小時31分，Dec=89度15分天狼星Sirius:RA=6小時45分,Dec=–16度43分東星圖南用時間表示赤經(jīng)的含義如果某時某刻位于子午線上的恒星的RA=6，那么1,2,…個小時后位于子午線上的恒星的RA=7,8,…對于赤經(jīng)相差1小時的兩顆恒星，例如，RA2-RA1=+1小時：恒星1比恒星2早1小時通過你的子午線（上中天）如果不是拱極星，恒星1比恒星2早1小時從東方升起地方恒星時localsiderealtime(為知道每個時刻一顆恒星相對于子午線的位置，定義地方恒星時：一個地方的“子午圈[=某赤經(jīng)]”與天球的春分點[赤經(jīng)=0]之間的時角[赤經(jīng)差])即：某地某時刻的地方恒星時等于此時刻位于其子午線上的恒星的赤經(jīng)（天球上與子午線重合的赤經(jīng)）赤經(jīng)小于（地方）恒星時的恒星位于子午線以西赤經(jīng)大于（地方）恒星時的恒星位于子午線以東地球上每個（經(jīng)度）地方的恒星時與其經(jīng)度有關：相同時刻西邊的地方恒星時小于東邊的地方恒星時的變化規(guī)律地球自轉同一經(jīng)度的地方恒星時在一個太陽日內(nèi)隨太陽時（時鐘）增加而增加

地球繞太陽公轉一個恒星日比一個太陽日短約4分鐘

同一經(jīng)度的地方恒星時相對于相同太陽時（時鐘）連續(xù)每天增加約4分鐘，每月增加約2小時。在某地：如果在9月21日子夜的地方恒星時0hr.那么其在12月21日子夜的地方恒星時增加為6hr;恒星時復原的周期為一年，即一年后同一經(jīng)度恒星時對應相同的太陽時判斷恒星是否可見：恒星的時角一顆恒星的時角τ、赤經(jīng)α和當?shù)氐暮阈菚rθ之間的關系為恒星時角τ=恒星時θ?恒星赤經(jīng)α

τ<0,恒星在子午線以東（赤經(jīng)α>恒星時θ）τ>0,恒星在子午線以西（赤經(jīng)α<恒星時θ）通過確定當?shù)氐暮阈菚r和當?shù)氐木暥瓤梢杂嬎愠瞿男┬钦迷诘仄骄€以上及其高度例子：天狼星何時可見？RA=6小時45分,Dec=–16度43分某地某時刻的地方恒星時為7小時，天狼星的位置在子午線以西15分，天赤道以南16度43分的地方那么，半年后的同地同時刻的地方恒星時大約是多少？此地那時晚上能否看到天狼星？答案：地方恒星時為19小時天狼星的時角=19小時-6小時45分=12小時15分晚上不可見(白天“可見”)如何估算北京的地方恒星時參考起點：已知太陽在春分（夏至、秋分、冬至）時的視赤經(jīng)+恒星時定義東經(jīng)120度正午12點的地方恒星時換算為晚上某時刻的換算為某天的換算為北京經(jīng)度的地方恒星時：5、地球自轉軸的進動與歲差地球自轉軸進動周期~26,000年北天極的位置以北黃極為中心畫一大圓北極星是輪換的天赤道移動：歲差（黃道固定+）天赤道移動春（秋）分點緩慢向西移動，每26,000年沿天赤道巡回一圈歲差：每年的二分點提前來臨（季節(jié)移動？）東太⊙陽赤經(jīng)和赤緯的改正恒星的赤經(jīng)和赤緯坐標以26000年為周期在非常緩慢地變化赤經(jīng)和赤緯每100年大約變化1.4度，即恒星的赤經(jīng)每20年增加約1分恒星的赤經(jīng)和赤緯應標明年份，如公元1950.0年,或2000.0年盡管在短期內(nèi)改正微小，但對精確觀測或經(jīng)過相當長一段時間（如50年）這種改正效應是顯著的6、月球運動與月相月球總是同一面對著地球同步自轉：月球的自轉周期==月球的公轉周期月亮的會合周期(synodicperiod)

：新（滿）月到新（滿）月，~29.53天月相thechangingphasesoftheMoon月相：地球人所看到的月球被太陽所照亮的一半的大小月相與月亮位置（升起、經(jīng)過子午線、下落的時間）天球上，月球相對于背景恒星的視運動新月非新月!再次新月月球的恒星周期(siderealperiod)月球相對于背景恒星也向東漂移，但月亮的漂移非?？?，一天大約13度月球回到原處（相對于恒星）的周期約為27.32天，即月球的恒星周期月球繞地球的公轉周期:會合周期

~29.53天？

恒星周期

~27.23天？7、（日月）食：通過陰影日食：地球通過月球的陰影日全食（totalsolareclipse）日偏食（partialsolareclipse）日環(huán)食（annularsolareclipse）本影半影日全食月球和太陽的視大小幾乎相同日全食奇景：鉆石環(huán)接近日全食的時候，由於月球的邊緣丁點的凹凸不平，部分太陽光線會在凹位漏了出來，形成不連續(xù)的光點。在日全食前的一刻﹐我們只能見到太陽的極小部分﹐如下圖所示﹐這個現(xiàn)象稱為鑽石環(huán)（貝利珠）日全食時，天昏地暗，宛如暮色朧合四野，天上你可看見亮星和行星，太陽表面由於被月球完全掩蓋，原本非常暗淡的日冕這時清晰可見。一般來說，日全食過程約維持兩分鐘左右