第一章 地球在宇宙中的位置

第一章地球在宇宙中的位置地球科学概论1.1地球与宇宙宇宙的概念地球与太阳地球的卫星地球的运动1、宇宙的起源伽利略、牛顿——经典力学——宇宙无限无边爱因斯坦——广义相对论——有限无界的静态宇宙模型弗里德曼——宇宙不会保持静止状态——哈勃定律（多普勒效应）——宇宙在不断膨胀

由奧地利物理學家及數學家多普勒提出。輻射的波長因為光源和觀測者的相對運動而產生變化。在運動的波源前面，波被壓縮，波長變得較短，頻率變得較高(藍移(blueshift))。在運動的波源後面，產生相反的效應。波長變得較長，頻率變得較低(紅移(redshift))。波源的速度越高，所產生的效應越大。根據光波紅/藍移的程度，可以計算出波源循著觀測方向運動的速度。恆星光譜線的位移顯示恆星循著觀測方向運動的速度。除非波源的速度非常接近光速，否則多普勒位移的程度一般都很小。所有波動現象(包括光波)都存在多普勒效應。

多普勒效应：

“大爆炸”理论：

宇宙在某种整体膨胀、徐徐冷却并不断稀化的状态中诞生和演化。起初，宇宙热得不可能存在任何原子或分子；数分钟后，冷却到能够形成最简单的氢原子核和氦原子核；数百万年后，冷却到足以形成第一个原子，不久又形成了简单的分子。数十亿年后，物质凝聚成了恒星和星系，此后又形成了稳定的行星环境。2、宇宙中的天体和物质星际物质：如气体、尘埃积聚态实体：如行星、恒星、星云等恒星定义演化4阶段亮度恒星的定义古代：不动的星星称为恒星近代：发现恒星自行后，行星与恒星的差别在于自己能否发光

定义：将自己能够发光的气体球称为恒星现代（1900以后）：发现温度高于绝对零度的物体都发光，到1930年代，发现核能后，行星与恒星的差别在于内部有没有氢氦热核反应；

定义：内部有氢氦热核聚变反应的气体球称为恒星近10年：褐矮星发现，恒星的定义更明确，恒星：内部能够点燃氢氦热核聚变反应（700万开）的气体球；亚矮星：内部能够点燃氢氦热核聚变反应（100万开）的气体球；恒星的定义行星：不能点燃任何热核反应、围绕恒星转动的球状天体恒星的演化幼年期：引力收缩阶段青壮年期：主序星阶段晚年期：红巨星阶段衰亡期：白矮星、中子星、黑洞阶段恒星通常是在星际气体中诞生的。在宇宙中，当星际气体的密度增加到一定程度时，由于其内部引力的增长大于气体压力的增长，这团气体云就开始收缩。这样的倾向一开始，其自身引力使巨量物质的密度普遍增大。巨大质量的星际物质开始变得不稳定。这些巨量的星际气体与尘埃坍缩进行得越来越迅猛，开始分裂形成较小的云团，密度也增大了许多。这些较小的云团最终将各自成为一颗恒星。由于星际物质的质量通常非常巨大，通常在太阳的一万倍以上，所以恒星总是一下子一大批地降生。如果有一团星际气体超过通常的星际物质（每立方厘米一个氢原子）的密度，达到每立方厘米已达六万个氢原子。开始时这团气体是透光的，发出的光热辐射不受周围物质的牵制，畅行无阻地传到外面。物质以自由落体的形式落到中心，在中心区积聚起来。本来质量均匀分布的一团物质，变成了越往里密度越大的气体球。随着密度的增大，中心附近的重力加速度越来越大，内部区域物质的运动速度的增长表现得最为突出。开始几乎所有的氢以分子的形式存在，气体的温度也很低，总不见升高，这是因为它仍然过于稀薄，一切辐射都能往外穿透，溃缩着的气体球受到的加热作用并不显著。经历几十万年后，中心区的密度逐渐变大，在那里，气体对于辐射来说变得不透明了。这时核心便开始升温，随着温度的上升，压力开始变大，坍缩逐渐停止。这个特密中心区的半径通常和木星轨道半径相近，而它所含的质量只及整个坍缩过程中涉及的全部物质的5%。物质不断落到内部的小核上，它带来的能量在物质撞击到核心上时又成为辐射而放出。与此同时，核心在不断缩小，并变得越来越热。温度达到二千度左右时，氢分子开始分解成为原子。核心开始再度收缩，收缩时释放出的能量将把所有氢分子都分解为原子。这个新生的核心比今天的太阳稍大一些，不断向中心落下的外围物质最终都要落到这个核心上，一颗质量和太阳一样的恒星就要诞生了人们将这样的天体称为“原恒星”，它的辐射消耗主要由下落到它上面的物质的能量来补充。由于密度和温度在升高，原子渐渐地丢失了它们的外层电子。落下的气体和尘埃形成了厚厚的外壳，使光无法穿透。直至越来越多的下落物质和核心联成一体时，外壳才透光，发光的星体突然露出来。其余的云团物质还在不断向它落下，密度还在不断增大，内部温度也在上升。直至中心温度达到一千万度发生聚变。一颗原始的恒星诞生了。原恒星核部上升到不小于7×106K条件下，核部氢燃烧引起的热核反就开始启动，就标志着一颗恒星正式产生。由于恒星内部排斥力与自身吸引力处于基本平衡状态，进入了相对稳定的漫长演化时期。目前银河系中90%的恒星都属此演化阶段。丹麦天文学家赫茨普龙和美国天文学家罗素分别统计了恒星的光度（反映恒星质量）和颜色（反映表面温度），用纵横坐标绘图时发现大部分恒星落在一条连续带上，其余的星（红巨星、白矮星等）则形成独立的小群。这种图后来就称为赫罗图，图中90%恒星集中出现的连续条带代表相对稳定的主要演化序列，称为主星序或主序带，处于主序带内的恒星，就称为主序星赫罗图温度(K)绝对星等大部分恒星位于主序（mainsequence）色指数太阳主序星演化后期，当恒星中心10%氢燃料消耗殆尽时，标志着主星序阶段的结束。恒星核部再次在引力下收缩，恒星中心密度加大，温度再次升高；同时促使恒星外壳体积膨胀，密度变稀，成为表面温度很低但光度很大的红巨星或超巨星。红巨星时期的恒星表面温度相对很低，但极为明亮，因为它们的体积非常巨大。肉眼能看到的最亮的星中有许多就是红巨星，如参宿四、毕宿五、大角、心宿二等。我们的太阳在五十亿或六十亿年后也将变成一个红色“巨人”。当核心的氢耗完时，太阳就开始膨胀，那时水星将化为蒸汽，金星的大气将被吹光，地球上的海洋将沸腾。然后太阳还会继续膨胀，并将地球纳入它的势力范围。地球被烧焦的残骸会继续在巨型太阳灼热而极稀薄的大气里转圈。红巨星外层物质的密度比地球实验室里能得到的最好真空还要低得多。恒星中心热核反应一旦出现铁元素，就进入了恒星演化的老年期。铁核的热核反应不能释放能量，反而需要吸收大量能量，迫使恒星内核向中心猛烈塌缩，同时释放出惊人的能量，导致恒星外壳发生爆炸，并使光度瞬间剧增万倍至上亿倍，这就是著名的超新星爆发现象。当超新星“昙花一现”之后，原有的恒星顷刻塌缩为体积小而密度极高的致密星（恒星的残骸）和爆发出去的星云物质（新恒星形成的物质基础），完成了银河系内空间物质—能量交换过程的一次循环。恒星演化最后阶段的致密星包括白矮星（黑矮星）、中子星和黑洞三种不同类型的归宿，它们的形成与母体恒星的质量大小有关。恒星的结局

小于3个太阳——白矮星——冷却——黑矮星3-10个太阳质量——核炸超新星大于10个太阳质量——内炸，超新星，中子星（脉冲星，R<10km,V增大），黑洞

He燃烧合成C,O,Ne,Mg,S,Si

抛出外壳

红巨星恒星的亮度在历史上，由于恒星们的亮度明显地各不相同，古代的天文学家们就开始了根据恒星亮度划分恒星“等级”的工作，这就产生了恒星的“星等”。最早进行这一工作的是古希腊学者伊巴谷（Hipparchus），他生活在距今大约2000年前。

另一位在亚力山大工作的古希腊学者、生活在公元150年前后的托勒密继续和发展了他的工作。他把天上的恒星分成6等，以肉眼看来最亮的星为1等星，而以肉眼勉强可见的暗星为6等星。所有后来给恒星划分星等的工作都沿袭了喜帕恰斯和托勒密最初使用的方法。这样一来，恒星的星等值越高，星就越暗，而比1等星更亮的太阳、行星、月亮等的星等值只能以负值来表示了。到了19世纪，天文学家们发现，从1等星到6等星之间，亮度相差了大约100倍。因为1到6之间有5个间隔，而＝2.512，所以，任意两个星等相差1等的恒星，星等值高的要比星等值低的暗2.512倍。从此之后，给恒星划分星等的工作就建立在“数字化”的基础之上，比以前精确得多了。例如，天空中最亮的天狼星，由于它比肉眼可见最暗的恒星亮100倍还多，因此它的星等就被重新确定为－1.4等，而不是原先的1等。望远镜发明之后，人类可以观测到的恒星数量大大增加，可观测到的暗星也远远超过了6等。今天，通过放在地面的现代大型光学望远镜，可以观测到25等以上的暗星；而“哈勃”太空望远镜因为是在地球大气层之外进行观测，它的可观测极限星等超过了28等。实际上，不同恒星到地球的距离，有远有近，各不相同（当然最近的恒星是太阳）。假定有两颗亮度本来相同的恒，一颗离我们远些，一颗离我们近些，那么在我们看来它们亮度并不相同，而是一颗暗些，一颗亮些。这一规律遵从光

的“反平方定律”，即“接收到的光强度与光源到观察者距离的平方成反比”。所以，前面说到的星等只是“视星等”或者“相对星等”，即它是与在地球上看到的恒星亮度有关的星等。在考虑了距离因素以后，天文学家又制定了“绝对星等”系统。这个系统把所有的恒星都放在一个“标准距离”上考虑，这一距离是10秒差距或32.6光年（1秒差距＝3.26光年）。这样，星等值就只和恒星自身的亮度有关，而不再受与观察者之间的距离影响了。有了绝对星等之后，就可以比较不同恒星的真实亮度了。比如，天狼星的绝对星等是＋1.4，太阳的绝对星等是＋4.8，这样，天狼星实际上要比太阳亮20多倍。而天狼星又比北极星暗得多，因为北极星的绝对星等是－4.6.银河系河外星系总星系银河是一个星系，它比普通的星系稍微大一些，直径大约为十万光年。银河系中至少有2000亿颗星。其中，大约400亿颗星集中在中央的核球(Bulge)上，四周缠绕着四只旋臂，由气体和尘埃物质混杂的区域。核球的直径为3000光年，呈椭球形，由年龄超过100亿年的老年星球构成。银河系的历史已经有150亿光年。银河系是星系类型中的旋涡星系一类的典型。它的核心周围是一个巨大的中央核球，并有缠绕着它的旋臂。这些弯曲的旋臂使银河系的外形看上去像是一个庞大的车轮。旋臂均匀沉陷在银盘中。银河系图银盘是银河系的主要组成部分，直径约70000光年。银核为星际尘埃粒子屏蔽，它们吸收银核辐射中的可见光和紫外光。但科学家可以在射电、红外、X射线和γ射线的波段，记录并研究银核区发出的辐射。特别是红外辐射和X射线中的强发射，表明存在着高速运动的电离气体云。现在多认为，这种气体云在环绕一个大质量天体运转，很可能是一个质量约为400万个太阳质量的黑洞。科学家已确认，中央核球的主要成分是一些老年恒星和老年星团。旋臂中的天体属于十分年轻的亮星和疏散星团。此外，在旋臂区域内是星际气体和尘埃粒子的最高度集聚区，所以那里也是新的恒星形成的最适合的所在。太阳位于这些旋臂中的一条，即猎户臂的内侧边缘附近，距银河系中心约为银河系半径的三分之二距离处。1.1.2地球与太阳太阳系太阳日地距离及太阳的大小、质量太阳的结构太阳活动现象太阳常数1.1.2.1太阳系太阳系是太阳和太阳为中心、受它的引力支配而环绕它运动的天体所构成的系统。类地行星靠近太阳的4颗行星与地球的大小、物质组成和内部结构等方面都很相似，故称为类地行星，又称内行星。其共同特点是：体积小、密度大，构成行星的主要物质是岩石。◆

水星直径为地球的2/5，密度5.43，主要成分为铁质岩石。大气稀薄，以氢和氦为主，表面温度-173—+143°C，表面形态与月球相似。◆

金星各种参数与地球相似，构造活动很活跃，仍有火山作用，表面岩石主要为玄武岩。大气厚密，表面气压为90个atm，主要成分为CO2，温度达467°C◆

地球稍大于金星，在大陆有花岗岩，液态外核和较快的自转速度形成了很强的磁场。外动力地质作用。◆

火星的直径约为地球的1/2，质量相当于地球的38%，自转速度与地球相似。大气稀薄，主要为CO2，温度-28—-139°C，曾有过与地球相似的外动力地质过程。类木行星太阳系靠外的除了冥王星以外的四颗行星，由于与木星的性质相近，称为类木行星，又成为外行星。其共同特点是：体积大、密度小，除了核部是由石质物质或冰块组成的外，其物质成分主要为轻气体。◆

木星个体最大，质量是地球的318倍，大气层厚度达一千千米，以氢和氦为主，表面可能是高压下的液态圈层。木星也有光环。

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土星质量为地球的95倍，平均密度仅为0.7，是太阳系行星中密度最小的。土星最引人注目的是它的光环，其厚度只有15-20km，宽度却达200,000km，主要物质是石块和冰块，其他性质与木星相似。

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天王星有九条光环，表面温度在-200°C以下。特点是自转轴与公转轨道平面平行。

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海王星是在19世纪经过计算发现的，体积约为地球的4倍，表面温度在-200°C以下。特点是两颗卫星以不同的方向运行。

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冥王星是太阳系中一颗独特的行星，表面温度在-220°C以下，发现固态甲烷。

太阳系的其他星体

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彗星沿扁率很大的椭圆轨道运行，由岩石碎块和气体组成，密度很小。著名的哈雷彗星每76年光顾地球一次，其质量是地球的六亿分之一，慧尾的密度极小，仅为10-17g/cm3左右。

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小行星位于火星和木星之间，编号命名的已有三千多颗，最大一颗直径约1003km，一般认为是太阳系形成时由于某种原因，未能积聚成大行星。小行星可能蕴涵着太阳系形成的信息。

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陨星是宇宙中漂浮的石质或铁质的小天体，未发现地球中没有的元素。

太阳系的轨道特性近圆性,e=(a2-b2)0.5/a

同向性共面性行星运动三大规律：

1.行星在椭圆轨道上运动，太阳位于其中一个焦点上. 2.行星与太阳的连线在相等的时间内扫过相等的面积. 3.行星公转周期的平方与轨道半长径的立方成正比.

水星金星地球火星火星是一颗引人注目的火红色星球。他荧荧如火，位置不定，亮度时有变化，中国古代称之为“荧惑”，古罗马用战神马尔斯命名它。1877年，意大利天文学家斯基亚帕雷利观测到火星上密布有规则的线条，他说那是“运河”，在火星上发现了人工开凿的运河成了当时轰动世界的新闻，此后，人们纷纷幻想有“火星人”。20世纪以来，对于火星有无生命的争论始终没有停止。瑞士物理学家马孛·比孛夫分析了从火星上拍回来的照片后说：在这个红色星球的表面，建筑了纵横交错的运河，河里还挤满了无数的鱼类。1976年美国的两个“海盗”号探测器在火星上着陆，它们在火星表面上进行了预定的考察和实验，确认火星上根本不存在“运河”，大概没有生命。木星土星土星是太阳系“类木行星”中的第二大星，也是太阳系里最轻的一颗行星，密度仅为0.7克/立方厘米，比水还轻。它距太阳平均距离约为14.27亿千米，绕太阳1圈的时间约29.5年，其赤道半径为6万千米，体积是地球的745倍，质量是地球的95倍。土星上的一昼夜只有地球上的10小时14分钟，白天只有5个小时左右。由于快速自转，形状变得很扁。土星的赤道半径和极半径相差6000多千米。土星大部分物质也和木星一样，处于流体状态。与木星不同，赤道的气流是向东吹动的，与自转方向相同。气流的速度是500米/秒左右，它的风力比木星上的风力要大4倍。土星上也有四季之分，不过每季时间很长，每个季节相当于地球上的7年多，即使夏季也极其寒冷。

土星光环土星云层:天王星海王星旅行者2号的发现磁场，磁轴与自转轴的夹角约为50度；海卫1，海卫2之外还有6颗卫星（呈碎块状）。冥王星1930年2月18日发现

黄赤交角17度冥王星的表面甲烷冰层覆盖密度2g/cm3

直径14000-6000km

卡戎卫星冥王星是九大行星中离太阳最远的一颗，也是最小的一颗，直径只有2300千米左右。冥王星的亮度很弱，用世界上最大的望远镜观测，冥王星也仅仅像一粒小米。冥王星沿着很扁的椭圆轨道绕太阳运行在它上面过一年，等于在地球上过了248.5年。从1930年被发现至1990年，它在轨道上只走了不到1/4圈，它是公转最慢，周期最长的行星了。由于冥王星轨道很扁，所以当它走到近日点时，可以跑到海王星轨道里面，这时比海王星离太阳还近。冥王星和海王星一样也是侧向自转。它离太阳比地球离太阳远38倍半，所以接受的太阳光和热要少得多，估计太阳光照到的表面温度为-223°C，背面可低到-253°C，这么低的温度下，除氢、氦、氖可能是气体外，其他绝大部分物质都已凝结为固态或液态。小小的冥王星却有一颗大卫星，冥卫“卡戎”的直径被定为1200千米，为冥王星直径的52%，如此之大的卫星与行星直径之比，在太阳系里却是“只此一家”。在大望远镜里，冥王星呈淡黄色。它有亮度的变化，周期6天多，变化幅度0.22等。这是因为它表面反射太阳光不均匀（有人认为其表面是个脏雪球），同时又具有6天多的自转周期。彗星彗核，彗发：固体C,冰冻水，CH4,NH3等彗尾CO+,N2+,CO2+哈雷彗星海尔—波普彗星流星雨1833年：带来知识启蒙的狮子座流星雨陨石1.1.2.2.太阳日地距离及太阳的大小、质量太阳的结构太阳活动现象太阳的热核反应存在爱因斯坦在狭义相对论中指出的质量和能量转化关系：E=mc21克H核聚变为He核所亏损的质量（按E=mc2公式），可产生6281×108J的热能光球层：肉眼所风太阳的耀眼夺目的太阳视表面。厚500km,5500oC,0.01g/cm3.色球层：厚3000-5000km，日全食时呈玫瑰红色，可达100万度K.日冕：最外层的稀薄等离子体太阳风大气层，d=10-12g/cm3.100万K,800km/s,400km/s黑子：直径2000-10000km，4200oC，具极强磁场；对气候与生态变化的影响有11年周期.耀斑：在黑子群上空的亮点出现在色球层中，n秒钟内可扩大成纤维云状物，直径10万km，T1.5万-100万度.所谓太阳黑子是光球层上的黑暗区域，它的温度大约为4500K，而光球其余部分的温度约为6000K。在明亮的光球反衬下，就显得很黑。89年3月5-18日的太阳表面一群黑子,面积约70个地球.10日黑子群爆发大耀斑,放出带电粒子和辐射,使地面多处无线电通讯中断太阳的耀斑在太阳活动极大年，日冕接近圆形；在太阳宁静年则呈椭圆形“1970年3月7日日全食日冕”

太阳活动极大年的日冕太阳宁静年的日冕日珥地球的卫星月球的基本参数月球的引力作用对地球的影响月球的表面特征月球是地球的卫星，是行星比较地质学的主要研究对象。月球完全缺失大气层，表面温度白天+115°C，晚上-135°C。

月陆约占月球表面的84%，由结晶的基性岩组成，布满了环状的陨石冲击坑。月海岩石主要由玄武岩组成，年龄在4200-3100Ma左右。

没有水和CO2的痕迹，内部活动已经停止。月球的自转周期与公转周期相等，都是一个恒星月月球的自转方向与公转方向相同，都是逆时针方向1.2天球与天球坐标系天球的概念天球坐标系不同坐标间的关系天体在天球坐标系中的视运动我们站在地球上仰望星空，看到天上的星星好像都离我们一样远。星星就好像镶嵌在一个圆形天幕上的宝石。

实际星星和我们的距离有远有近，我们看到的是它们在这个巨大的圆球球面上的投影，这个假想的圆球就称为天球，它的半径是无限大。而地球就悬挂在这个天球中央。

天球坐标系地平坐标系时角坐标系赤道坐标系黄道坐标系1、地平坐标系

以真地平为基本圈,天顶Z为基本点,南点(S)为原点的坐标系为地平坐标系.任一天体X,过他做一地平经圈在天体的那一侧与真地平交于M.

方位角A:

从南点S沿地平圈顺时针方向量弧长SM,叫地平经度,也叫方位角,范围0-360°.地平高度h:弧长MX,叫地平纬度,也叫地平高度.范围0-(+/-)90°.向北为正,向南为负.天顶距z:弧ZX，天体X到天顶Z的距离。从Z算，范围0-90°。z=90-h

观测者位置不同，同一天体地平坐标不同；时间不同，同一天体地平坐标也不同。所以，地平坐标有地方性。在北半球，北天极高度等于当地地理纬度。

2、时角坐标系(第一赤道坐标系）

时角坐标系以天赤道为基本圈，北天极P为基本点，天赤道于天子午圈在南点附近的交点Q'为原点。过任一天体X作赤经圈在天体一侧角天赤道于T。

时角t：

从原点Q'开始顺时针度量的弧长Q'T，即过天子午圈与过天体的赤经圈所夹的角，叫时角t，范围0-359°；有时也用时间时，分，秒表示，范围0-24h。

赤纬δ：

从T延赤经圈度量的弧长TX,叫赤纬。向北为正，向南为负，范围0-（+/-)90°。

观测者不同原点Q'不同，T随天体周日视运动而变化，所以时角t随时间和观测地点不同而不同。赤纬δ只有天体和天赤道决定，不变化。

3、赤道坐标系

（第二赤道坐标系）：他与时角坐标系的区别在于，它的原点不是Q‘，而是春分点γ。在赤道坐标系中，过任一天体X做赤经圈交天赤道于T点。赤经a：以春分点为起点，沿天赤道逆时针方向计量的弧长γT的弧长。范围：0-359°。赤纬δ：

与时角坐标系中赤纬定义相同。

春分点时角t=天体赤经a+天体时角t4、黄道坐标系：黄道坐标系以黄道为基本圈，北黄极为基本点，春分点为原点。过任一天体X做黄经圈叫黄道于D。黄经λ：

自春分点λ沿黄道逆时针计量的弧长λD。范围：0-359°。黄纬β：

自黄道沿黄经圈的弧长DX,向北为正，向南为负。范围：0-（+/-）90°。

1.2.4天体在天球坐标系中的视运动由于地球的自转和公转，以及天体本身的空间运动等原因，地面观测者直接观测到的天体运动，称为天体的视运动。天体的视运动有周日视运动和周年视运动两种主要形式。1.2.4.1天体的周日视运动由于地球的自转，地面上的观测者所看到的天体，在一个恒星日内，在天球上自东向西沿着与赤道平行的小圆圈转过一周，这种直观的运动称为天体的周日视运动。1、不同纬度所见的天体周日旋转天体的周日视运动虽然周期相同，但视速度不一，赤纬0°处最大，随赤纬增高而减小，到南北天极为0。从不同的纬度看天体的周日视运动，有不同的运行状况：在北极看，天体以天顶为中心，作与地平面平行的圆周视运动。因此，在那里看来，天体既不升，也不落，永远保持在一个高度。但南半个天球的天体却完全看不到。在南极则与此相反；在赤道与两极之间的地区，天体周日视运动的路线与地平面斜交。有些天体每日上升和下落，有些天体永不上升或永不下落。在赤道上看来，天体视运动的路线是沿着垂直于地平面的圆周，自东向西作周日视运动，所以那里的人们看到天体是直上直下地移动。在这里，同一天晚上，既可以看到天球北半部的天体，也可以看到天球南半部的天体。2、天体的中天和出没中天：天体经过观测者的子午圈时称为中天。经过包括天极和天顶的那半个子午圈时，天体到达最高位置，称为上中天;经过包括天极和天底的那半个子午圈时,天体到达最低位置，称为下中天。出没：天体经过观测者的地平圈时称为出没，也称升落。天体从地平圈下升到地平圈上称为出，反之称为没。永不下落和永不上升的天体没有出没现象。以太阳的周日视运动为例1.2.4.2太阳的周年视运动太阳除参与因地球自转引起的周日视运动外，还存在因地球公转引起的在恒星背景上的相对运动，即周年视运动。太阳因周年视运动在黄道上自西向东每天移动约1°。在一年的不同日期内,太阳的赤经、赤纬的变化，引起昼夜长度的变化。对北半球来说，一年内只有两天，即春分和秋分，太阳由东点出，西点没，昼夜相等。从春分起,太阳的出没方位逐渐北移,夏至日到达最北点。在这段时间内，太阳出的时刻逐日提早，而没的时刻逐日延迟。同时中天高度越来越高，白昼变长，黑夜缩短。夏至那天中天高度最高，白天最长。夏至以后，太阳的出没方位逐渐南移，中天高度逐渐下降。秋分以后，太阳的出没位置已在东、西点以南，昼短夜长。这个过程一直延续到冬至日为止。这时，太阳的出没位置到达最南点，白昼最短,黑夜最长。以后,太阳的出没点重新北移，到春分点时昼夜又相等，完成一年一周的运动。由于纬度不同，太阳周日视运动的变化情况也有所不同。纬度越高，夏季白天越长，冬季白天越短。极圈以北开始出现“白夜”和“黑昼”。在地球北极，则是半年白天，半年黑夜，太阳不再每天东升西落。南半球的情况和北半球完全相同，只是冬和夏、春和秋，恰好相反。在赤道上，一年四季昼夜的长短是不变的。1.3时间的计量时间的概念和计量时间的基本原则及计量系统恒星时与太阳时地方时与标准时时间如何计量？大家都知道，长度、质量、时间是三大基本物理量，时间计量对生活、生产、科学研究等人类一切活动都具有最基本的意义。时间计量包含既有差别又有联系的两个内容：时间间隔和时刻的测定。时间间隔是指客观物质运动的两个不同状态之间所经历的时间历程；时刻是指客观物质在某一种运动状态的瞬间与时间坐标轴原点之间的时间间隔。一般通过某种选定的物质运动过程作参考，把其它物质的运动过程与这个参考过程进行比较，判别和排列事件发生的先后顺序并据此导出事件发生的时刻和运动过程所经历的时间间隔。

客观世界的物质运动千差万别，不可能选取一种物质运动过程作为计量时间的标准，如天体的年龄可达100多亿年，而某些基本粒子的寿命却只有10-24秒。不同的时间计量方法分属不同的学科分支或不同的技术门类。测量天体的年龄使用天体物理的方法；日、月、年、世纪的协调和研究属于天文学中的历法范畴；秒以下时间的测定、保持、传递则是授时机构的任务。

时间的定义在日常生活中，我们是采用地球围绕太阳公转一周作为时间年的单位、月球围绕地球公转一周作为月的单位、地球自转一周作为天的单位。在科学上，1956年国际计量委员会将秒规定为1900年1月0日12时正回归年长度的1/31556925.9747。这种以地球公转为基础的时间标准称为*历书秒。1967年第十三届国际计量大会又采用以原子内部辐射频率为基准的时间计量系统，成为*原子时。按新规定，“秒是铯-133原子基态的两个超精细能级之间的跃迁所对应辐射的9,192,631,770个周期的持续时间”。几种时间计量系统所达到的精度时间计量系统时间测量误差（秒/天）频率准确度世界时(UT)10-3

10-8历书时(ET)10-4

10-9

原子时(TA)10-14

10-16

它是以地球自转周期为基准所建立的一种时间系统。其测量方法是选取春分点作为参考点，其连续两次过测站上中天所经历的时间，称为一恒星日，一个恒星日分为24恒星小时，一恒星小时分为60恒星分，一恒星分分为60恒星秒。1.3.2.1恒星时1.3.2.2太阳时太阳相继两次经过同一地方子午圈所经历的时间间隔为1太阳日.太阳日有真太阳日和平太阳日之分,所以也就有两种太阳时.实际上我们日常用的计时是平太阳时，平太阳时假设地球绕太阳是标准的圆形，一年中每天都是均匀的。北京时间是平太阳时，每天都是24小时。而如果考虑地球绕日运行的轨道是椭圆的，则地球相对于太阳的自转并不是均匀的，每天并不都是24小时，有时候少有时候多。考虑到该因素得到的是真太阳时。

真太阳时：日常生活用的钟和手表都是用的平太阳时，而以真正的太阳为参考点，以真太阳的视运动来计算地球自转一周的时间，即太阳视圆面中心连续两次上中天的时间间隔叫一个真太阳日。1真太阳日分为24个真太阳时，1真太阳时又分为60个真太阳分，1真太阳分又分为60真太阳秒。

真太阳时要求每天的中午12点，太阳处在头顶最高。传统上确定时辰，需使用真太阳时，所以要把平太阳时调整为真太阳时。真太阳时与平太阳时之差值表（用平太阳时加减差值得真太阳时时），如：

1月01日-3分9秒1月02日-3分38秒1月03日-4分6秒

1月04日-4分33秒1月05日-5分1秒1月06日-5分27秒

1月07日-5分54秒1月08日-6分20秒1月09日-6分45秒

1月10日-7分10秒1月11日-7分35秒1月12日-7分59秒

1月13日-8分22秒……真太阳时换算举例城市名：云南昆明钟表时间为：阳历2008年4月8日11时12分

云南昆明的地方时间比中原时间慢69分4秒

真太阳时比平均太阳时慢1分17秒修正后的天文时间为：2008年4月8日10时1分39秒（星期二）

平太阳时：太阳连续两次经过中午的时间间隔，称为真太阳日。我们知道，地球沿着椭圆形轨道运动的，太阳位于该椭圆的一个交点上，因此，在一年中，日地距离不断改变。根据开普勒第二定律，行星在轨道上运动的方式是它和太阳所联结的直线在相同时间内所划过的面积相等，可见，地球在轨道上做的是不等速运动，这样一来，一年之内真太阳日的长度便不断改变，不易选做计时单位，于是引进平太阳的概念。天文学上假定由一个太阳（平太阳）在天赤道上（而不是在黄赤道上）作等速运行，其速度等于运行在黄赤道上真太阳的平均速度，这个假想的太阳连续两次上中天的时间间隔，叫做一个平太阳日，这也相当于把一年中真太阳日的平均称为平太阳日，并且把1/24平太阳日取为1平太阳时。通常所谓的“日”和“时”，就是平太阳日和平太阳时的简称。

1.3.3.1地方时某一地区具体时刻的规定，与该地区的地理纬度存在一定关系。例如，我们在上海，太阳当头照的时候，是中午12点。但如果在这同一时刻，对远离上海以西约1700公里的地方，太阳还在偏东方向离开当头照还差1个小时，也就是说，对该地而言只是11点钟。相反，对上海以东约1700公里的地方，太阳早已偏西了1个小时，它已经是下午1点钟了。如果整个世界统一使用一个时刻，则只能满足在同一条经线上的某几个地点的生活习惯。所以，整个世界的时刻不可能完全统一。这种在地球上某个特定地点，根据太阳的具体位置所确定的时刻，称为“地方时”。所以，真太阳时又叫做“地方真太阳时”（地方真时），平太阳时又叫做“地方平太阳时”（地方平时）。地方真时和地方平时都属于地方时。

1.3.3.2标准时(区时)1879年，加拿大铁路工程师伏列明提出了“区时”的概念，这个建议在1884年的国际子午线会议上得到认同，由此正式建立了统一世界计量时刻的“区时系统”。“区时系统”规定，地球上每15°经度范围作为一个时区（即太阳1个小时内走过的经度）。这样，整个地球的表面就被划分为24个时区。各时区的“中央经线”规定为0°（即“本初子午线”）、东西经15°、东西经30°、东西经45°……直到180°经线，在每条中央经线东西两侧各7.5°范围内的所有地点，一律使用该中央经线的地方时作为标准时刻。“区时系统”在很大程度上解决了各地时刻的混乱现象，使得世界上只有24种不同时刻存在，而且由于相邻时区间的时差恰好为1个小时，这样各不同时区间的时刻换算变得极为简单。因此，一百年来，世界各地仍沿用这种区时系统。1.4季节与昼夜太阳高度的变化昼夜长短的变化季节与地球的五带1.4.1太阳高度的变化太阳高度的概念：太阳高度是指太阳光入射方向与地平面之间的夹角（即太阳在当地的仰角），用h表示，它在数值上等于太阳在天球地平坐标系中的地平高度（纬度）。直射点最大为90度。晨昏线上为0度。

太阳高度是决定地球表面获得太阳热能数量的最重要因素。

I=I0sinh正午太阳高度随地球公转变化的原因由于黄赤交角的存在，使地球在绕日公转中太阳直射点在南北回归线之间移动，从而引起各地正午太阳高度的变化。正午太阳高度变化的规律：春秋二分，由于太阳直射赤道，赤道正午太阳高度为90度，太阳高度由赤道向南北两方降低。夏至日，太阳直射北回归线，北回归线上正午太阳高度为90度，太阳高度由北回归线向南北两方降低，北回归线以北的地区正午太阳高度达一年最大值，南回归线以南的地区达一年最小值。冬至日，太阳直射南回归线，南回归线上正午太阳高度为90度，太阳高度由南回归线向南北两方降低，北回归线以北的地区，正午太阳高度达一年最小值，南回归线以南的地区正午太阳高度达一年最大值。在回归线以内的地区，每年两次受到直射。太阳高度角的计算公式对北半球：H（正午太阳高度）=90度－（各地地理纬度－太阳直射点的纬度）对南半球：H（正午太阳高度）