清华大学天文学导论-1天体视运动

1、天文学导论天文学导论第第1 1讲讲天体的视运动天体的视运动本讲内容本讲内容1.星座与星图 （自学）2.月相、日月食（自学）3.行星的视运动 （自学）4.地球自转： 太阳的周日视运动 天体的周日视运动5.地球公转：太阳的周年视运动6.赤道坐标系：恒星时7.地球自转轴的进动：岁差，坐标改正1。星座与星图（自学）。星座与星图（自学） 古人运用幻想力把杂乱无章的星星用线连起来构成星座，更为它们编织美丽动人的神话故事 每一个民族的星座划分和神话都不相同。1929年，国际天文联合会（IAU）正式把全天划分为88个星座，并清楚界定每一个星座的边界。因此每颗星属于且只能属于一个星座 星座只是天上一个一个的区域

2、，并不表示每个星座的星星之间存在一定的内在联系，例如以引力而被束缚的一个系统。而且星座仅代表本天区中较亮的星星图星图 地图平放地上；星图高举过头仰望之 两者的东西方向相反（？） 星图种类多多！ 连线只为方便辨认 大小不代表体积而表示相对亮度昴星团 M45专业星图专业星图 昴星团 M452。月亮（自学）。月亮（自学） 不变的脸：地球上的观测者无论何时都只能“看到”月球的同一面即近地的一面同步自转：月球的自转周期=月球的公转周期 月球本身不发射可见光，只反射太阳光 月相：地球人所看到的月球被太阳所照亮的一半的大小 月亮的会合周期(synodic period)（塑望月）- 新月到新月：29.53

3、天月相月相 Moon Phases日月食日月食 进入影子：由于月球在地球和太阳之间运动 日食：地球进入月球的阴影 月食：月球进入地球的阴影 Umbra 本影: 太阳被完全遮掩 Penumbra 半影：太阳被部分遮掩 食的种类 全食 偏食 环食地月距离在变化！为什么每月不发生两次日月食？为什么每月不发生两次日月食？ 月相暗示：似乎每个月应有一次日食（新月）和一次月食（满月），但是日月食大约每11个月才发生一次 这是因为月球的轨（白）道面和地球的轨（黄）道面呈大约5度的夹角 月相与食无关：月相是阳光从不同的方向照射月球的结果，而食是地球和月球通过对方影子的结果食产生的条件食产生的条件 月球运动到地

4、球的轨道（黄道）面且必须是严格的新月或满月 通常当月球通过黄道面时并非新月或满月；或者在新月或满月时月球通常不会通过黄道面日食日食 Solar Eclipse 月球在黄道面且严格新月（初一），月球的影子投到地球上 三类日食：Total solar eclipses 日全食Partial solar eclipses 日偏食Annular solar eclipses 日环食 月球和太阳的视大小几乎相同 日全食金星凌日：2004年6月8日日偏食，最常见日偏食，最常见日全食奇景：钻石环日全食奇景：钻石环 接 近 日 全 食 的 時 候 ， 由 於 月 球 的 邊 緣 丁 點 的 凹 凸 不 平 ，

5、 部 分 太 陽 光 線 會 在 凹 位 漏 了 出 來 ， 形 成 不 連 續 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 象 稱 為 鑽鑽 石石 環環 （贝利珠） 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 日日 冕冕 這 時 清 晰 可 見 。 一 般 來 說 ， 日 全 食 過 程 約 維 持 兩 分 鐘 左 右 ， 接 著 鑽 石 環

6、復 現 ， 日 全 食 結 束 日全食奇景日全食奇景Corona 日冕Prominences 日珥日环食日环食 由于地球和月球的距离并不固定，所以在地球看来，月球的角大小也会发生变化。有时，月球虽处于能造成日“全”食的位置，但由于月球的角大小不足以掩盖整个太阳，便出现如戒指班的日环食由于潮汐摩擦作用，月球正渐渐远离地球，数万年后，月球的视直径会变得很小，届时地球上便再也不能看到日全食了Lunar eclipse月食月食 月球在黄道面且严格满月（十五），地球的影子投到月球上 两类月食：Total lunar eclipses 月全食：完全进入本影Partial lunar eclipses 月偏

7、食：部分进入本影月全食全过程月全食全过程 红月亮曝光时间长 白点为背景星 月全食时月亮变为黄铜色或血红色，这是由于地球大气中的尘埃颗粒折射阳光中的红光并到达月球所致日食和月食的持续时间日食和月食的持续时间 由于地球的影子远大于月球的影子，所以月（全）食时间比日（全）食长得多日全食最长持续7.5分钟，通常只有3-4分钟月全食可持续大约1小时45分 月球的轨道运动和地球的自转使得影子变得狭长，因此每次日全食时世界上仅有很少地区能看到 请请“关注关注”近期中国日全食近期中国日全食20082008年年8 8月月1 1日（西北地区）日（西北地区）20092009年年7 7月月2222日（长江流域）日（长

8、江流域）20352035年年9 9月月2 2日（北京）日（北京）20102010年年1 1月月1515日中国日环食日中国日环食西3。行星的运动（自学）。行星的运动（自学） 除了“东升西落”，行星是在天球上四处游荡（相对于背景星）的“星” 行星名称的由来 其原因是行星和地球一样在绕日公转，造成和地球相对位置的不断变化内行星的运动内行星的运动 水星和金星的轨道在地球轨道之内 在地球上看来，它们和太阳形影不离 由太阳东面走到太阳西面（晨星），再回到东面（昏星） 由于靠太阳很近，只能在日出前或黄昏后看到 金星：天空中第三颗最亮的天体晨星：日出前的金星昏星：日落后的金星金星：晨星和昏星金星：晨星和昏星外

9、行星的运动外行星的运动 火星、木星、土星、天王星和海王星 绕日公转，但轨道在地球轨道之外 在天球上相对于背景星的运动，基本上是由西向东移动，称为顺行 由于地球公转速度较快，外行星有时被地球“超过”，这时在地球上看来，它们在天球上的运动完全倒转，变成自东向西，称为逆行 外行星每次逆行数星期至数月不等，所以一夜间不可能看到顺行和逆行的交替 内行星也有顺行和逆行火星的顺行和逆行火星的顺行和逆行东 西4 4。地球自转。地球自转 天体周日视运动天体周日视运动 太阳每天东升西落 昼夜 夜晚,所有天体即星星（月球、行星和所有恒星及其它天体）也都每天东升西落 天体的这类运动并非所有天体都眼巴巴地绕着地球旋转，

10、其实这是由于地球自转所造成的假象，故称为天体的周日视运动天如张盖，笼罩四野天如张盖，笼罩四野天顶天顶子午线子午线南南北北地平面（圈）地平面（圈） 东西头顶的星空取决于你在地球头顶的星空取决于你在地球表面上的位置和当地时间表面上的位置和当地时间太阳的太阳的周日视运动周日视运动 太阳每天东升西落，于当地正午通过子午线达到最高点（上中天） 正午：太阳到达子午线，不是12点 太阳连续两次到达正午的时间为24小时，称为一个太阳日（the solar day），即钟表时间*时区时区 Time Zones （自学）（自学）*SunlightEarthMiddayMidnightSunsetSunrise*为

11、什么需要时区？为什么需要时区？* 在任一相同时刻，地球上不同的地方有不同的时间（相对于太阳） 在你东边的人早看到太阳到达子午线，而在你西边的人则晚看到太阳到达子午线 经度每相差1度，太阳通过子午线（当地正午）的时间相差4分钟 如果全世界用同一个时间，我们的时钟将不会与太阳同步 如果每个城市都根据自己的正午制定时间，那么事情将变得很复杂，你将忙于调整你的手表时间 折衷且明智的办法：划分时区。全球分为24个时区，每个时区的经度宽度为15度，对应的时差为 154 minutes/degree = 60 minutes = 1 hour。每个时区采用本时区中央经度所对应的时间 一个国家/地区通常采用一

12、个时区北京（东经116度22分）时间：东八区中央经度即东经120度的时间世界时 Universal Time (UT) 天文事件通常用世界时（UT） 或 Coordinated Universal Time (UTC) ，近似为 the local time for Greenwich （ the Greenwich Mean Time (GMT) 格林尼治平时） 世界时与本地时间的转换：北京时间=UT+8小时 北京地方时和北京时间完全是两码事！北京时间正午12点（东经120度）时，北京地方时（东经116.5度）即太阳时为11点46分，所以此时北京的太阳在子午线以东约3.5度，再过约14分钟北

13、京“真”正午The Celestial Sphere 天球 北极北极南极南极赤道赤道北天极北天极南天极南天极天赤道天赤道东把天空幻想为一个大水晶球，所有天体把天空幻想为一个大水晶球，所有天体包括太阳、月亮和星星等都镶嵌在天球包括太阳、月亮和星星等都镶嵌在天球上，而地球则孤悬于天球的中央上，而地球则孤悬于天球的中央天体的周日视运动天体的周日视运动 地球自西向东自转，造成天体每天东升西落的错觉拱极星：靠近南北天极，永不落北极星：最靠近北天极，似乎永远 静止不动北极星（北天极）的高度北极星（北天极）的高度 北极星（北天极）相对于地面的高度取决于观测者所在的地理纬度，例如在北京，北极星在正北离地面约4

14、0度高的位置地赤道北京：东经116度22分北纬39度58分南北天极：不变的参考点南北天极：不变的参考点 南北天极的高度等于观测者所在地的地理纬度 可幸的是，在北半球，在非常靠近北天极的地方有一颗相当亮的星，即北极星，为我们指引方向 在北半球有些星永远不会东升：居住在北半球的人永远看不到接近南天极的星 居住在南半球的人永远看不到接近北天极的星 可惜的是，南天极附近没有亮星，所以没有“南极星”为南半球居民指引方向（南十字座）天赤道不变的参考点 到天极的弧距离总是90度 所有恒星沿与天赤道平行的路径由东向西运动（圆弧轨迹） 在地球上无论何时何地：天赤道总是与地平面精确地相交于正东正西方向总能看到1/

15、2天赤道 在地球两极，天赤道=地平线天顶、地平线和子午线：本地参考系 天顶和子午线的位置不随观测者的地平线移动天顶总是与地平线成 90 度角子午线由南到北平分半个天球 星星的位置相对于天顶和子午线在变：天球在转动观测者在地球上移动 任何通过子午线的天体都处于距离地平面的最高位置（夜晚的星星，白天的太阳）：中天 天体的运行（圆弧）轨迹与地平面的夹角为：90 度-观测者所在地理位置的纬度（=天赤道与地面夹角）在北极在北极天顶天顶=北天极北天极 NCP地平线圈地平线圈= =天赤道天赤道地地( (天天) )轴轴所有星星沿与地平面平行的圆轨迹运行，从不下落头顶北极星在北京在北京! (40N) 90度-纬

16、度=Latitude 纬度在北京向东看在北京向东看 天体从东偏北方向升起90度-纬度南在北京向西看在北京向西看 天体向西偏北方向落下北90-纬度在北京向北看在北京向北看 可见北极星和拱极星北天极北天极东东北极星北极星（北天极）高度随地理纬度降低而降低。星星环绕北天极转圆圈北半球可见的恒星视运动北半球可见的恒星视运动北天极附近星星视运动轨迹在地球赤道上在地球赤道上所有星在地平面上12小时所有星垂直于地平面升起和下落“可见所有星”南天极附近星星视运动轨迹南半球的星空南半球的星空 自己想想！英澳天文台5。地球公转 太阳周年视运动 在天球上，恒星的位置及其相对位置是“固定不变的” 整个天球包括太阳一天

17、转动一圈，但通过仔细观察你会发现这个规律并不完全正确1. 太阳每天都在星星中间向东缓慢游走2. 每天晚上的任何特定时刻你所看到的每个 星星的位置（到子午线）也在缓慢变化其实2正是1的结果！答案是答案是 太阳相对于恒星的移动是由于地球在绕太阳公转：每天晚上看到不同的星星假如白天能看到星星，太阳将有不同的背景星When the Earth is Here these stars are overhead at midnight When the Earth is Here these stars are overhead at midnight 黄道黄道 eclipticecliptic 太阳的周

18、年视运动：地球的公转造成太阳在天球上的位置时时刻刻自西向东移动，每年环绕天球一周 太阳在天球上的视运动轨迹称为黄道 太阳向东缓慢移动（滞后于恒星）再回到原处（相对于背景星）的周期为一年365.24天共走了 360 度 太阳每天向东移动大约1度 2个太阳视直径恒星日与太阳日的图示解释恒星日与太阳日 Sidereal and Solar Day 太阳日=24小时：太阳连续两次到达子午线的时间 恒星日23小时56分：恒星连续两次到达子午线的时间 一个恒星日比一个太阳日短约4分钟 结论：相对于太阳日：恒星每天升起、上中天和下落的时间都提前约4分钟恒星回归原处的周期为一年：四季星空恒星回归原处的周期为一

19、年：四季星空 恒星日是地球真实的自转周期，不随其绕太阳公转而变化，均为23小时56分 一个特定星星一个月后升起的时间将提前约2个小时： 30 d 4 分钟/天 = 120 分 = 2 小时 一年后这颗恒星将在同一时刻升起： 2 小时 x 12 月/年 = 24 小时 对于夜晚某给定时刻，例如冬季的一月夜晚，观测者可见猎户座、金牛座等，但半年后，它们将不可见，可见星座变为天蝎座等黄道上的星座：黄道十二宫（Zodiac） 冬季星空：每年一月太阳进入人马座，晚上九时金牛座、双子座等高挂夜空 其它类推 北斗七星指季节 个人星座的定义月球在天球上的视运动月球在天球上的视运动 月球相对于背景恒星也向东漂移

20、（滞后于恒星）但是月亮的漂移非常快，24小时大约13度 月球回到原处（相对于恒星）的周期约为27.323 天，此为恒星周期（sidereal period） 类似于太阳日大于恒星日，月球的交合周期（朔望月29.5天）也大于恒星周期月球的交合周期大于恒星周期：图解月球的交合周期大于恒星周期：图解新月非新月!再次新月*熟悉的四季交替（自学）熟悉的四季交替（自学）* 一年有4个季节：春夏秋冬 温度变化 太阳从地平线升起和落下的位置（时间）随四季在变化，这种变化在北极地区非常显著 原因?太阳辐射能力（）日地距离（）阳光入射角（）*列子汤问列子汤问：小儿辩日：小儿辩日* 季节的错误解释：日地距离的变化。

21、地球公转轨道近似为圆轨道，日地距离的微小变化改变不了地球的温度（南北半球的季节不同）Elliptical orbit Far from the Sun, the planet experiences winter Close to the Sun, the planet experiences summer Not! * * 地球的自转轴与其公转轨道面（黄道面）不垂直，成 23.5 度夹角 如果地球的自转轴和公转轴平行，就不会有季节!Right Angle *季节的成因：地球公转+自转轴倾斜* 一年中，地球的倾角不变，变化的只是地球和太阳之间的相对位置 地球的倾斜造成太阳的直射和斜射，从而形成

22、一年四季的更替Right Angle 23.5 degrees. 当地球在右上角时（近日点），大部分阳光直射南半球，因而北京是冬天* * 当地球在左下角时，大部分阳光直射北半球，因而北京是夏天（远日点）黄道与春、秋分，夏、冬至(节气） 天赤道与黄道面的夹角为23.5度 相交的两点分别称为春分点和秋分点 在黄道上距春分点和秋分点最远处则称为夏至点和冬至点黄道与春、秋分，夏、冬至黄道与春、秋分，夏、冬至1. At the vernal (Mar 21) equinox the Sun is on the celestial equator.2. At the summer (Jun 21) sol

23、stice the Sun is north of the celestial equator.3. At the autumn (Sep 23) equinox the Sun is again on the celestial equator.4. At the winter (December 22) solstice the Sun is south of the celestial equator.23.5 degrees 在地球绕日运动中太阳东升和西落的方位角不断变化 并造成一年一度四季的更迭6。天球坐标系天球坐标系 恒星的视位置不仅随观测点而变化，也随观测时间而变化 要找到一颗星

24、你要把望远镜指向哪里？天球坐标系有助于快速找到你所要找的星角距和角大小角距和角大小 在假想的天球上描述天体相对于参考点的距离（即天体的坐标），天文学家使用“角距离”而非长度单位（千米等） 两个天体之间的距离常用它们与观测者之间的夹角表示，即角距 天体的大小则用天体两个边缘与观测者之间的夹角表示，即角大小：以角度表示的视直径角度、角分、角秒 一个圆周=360角度 1角度 = 60 角分 1 角分 = 60 角秒月亮看起来其实比手指还小主要天球坐标系主要天球坐标系 地平坐标系地平面，天顶 赤道坐标系 The equatorial coordinate system地球赤道，北极，南极 天赤道为坐标

25、平面，北天极，南天极 黄道坐标系地球绕太阳运动轨道平面为坐标平面，黄极 银道坐标系银道面为坐标平面，银极地球表面的经纬度地球表面的经纬度纬度经度本初子午线（格林尼治天文台）赤道南极北极 纬度：从赤道面起算 到北极090o 北纬到南极090o 南纬 经度：从本初经圈（定义零度经线）起算（通过格林尼治天文台）向东方向，东经0180o 向西方向，西经0180o 北京：东经116度22分；北纬39度58分赤道坐标系赤道坐标系受到在地球表面用来表示地理位置的经度、纬度坐标系的启发把地球的经度、纬度投影到天球上便成为天球的赤道坐标系 恒星的赤道坐标固定不变：不依赖于观测者的位置和时间只依赖于相对于北天极和

26、天赤道的位置赤道坐标系的表示法：赤经和赤纬东 赤纬赤纬 Declination (Dec) 地球的纬线在天球上的投影,常用表示 从天赤道开始至两极 Dec 90，90 度向北由0度到 +90 度向南由0度到 -90 度 天赤道 = 0度 北天极 = +90度 南天极 = -90度赤经 Right Ascension (RA) 地球的经线在天球上的投影,常用表示 赤经的计算和地球经度（-180至180度）不同 因为地球的自转导致时间自然追踪天体的运动，（即恒星可以用来测量时间），所以时间是计量赤经的自然单位 赤经用小时、分和秒的时间单位来表示，并由西向东由0增加到“24小时”（“恒星日”为24小

27、时 23小时56分）比太阳日的24小时短约4分钟赤经的起点赤经的起点 赤经的计算起点为春分点，在天赤道上由西向东分为24小时，每小时又分为60分，1分再细分为60秒，. 地球“24小时”自转一周360度 赤经“1小时”对应地球自转15度赤道坐标系的例子赤道坐标系的例子 北极星 Polaris： RA = 2小时31分，Dec = 89 度15 分 天狼星 Sirius: RA = 6小时45分, Dec = 16度43分东东星图南用时间表示赤经的含义用时间表示赤经的含义 如果某时某刻位于子午线上的恒星的RA=6，那么1,2,个小时后位于子午线上的恒星的RA=7,8, 对于赤经相差1小时的两颗恒星，例如，RA2-RA1= +1小时：恒星1比恒星2早1小时通过你的子午线（上中天）如果不是拱极星，恒星1比恒星2早1小时从东方升起恒星时 sidereal time (为知道每个时刻一颗恒星相对于子午线的位置，定义恒星时：一个地方的“子午圈=赤经”与天球的春分点赤经=0之间的时角赤经差 ) 即：某地某时刻的恒星时等于此时此刻位于子午线上的恒星的赤经（天球上与