天体和天球及其坐标系统

第二章天体和天球及其坐标系统2.1天体和天体系统2.1.1天体概念及主要天体介绍1.天体概念目前把天体认为是宇宙间各种星体的总称。包括：恒星（如太阳）、行星（如地球）、卫星（如月亮）、彗星、流星体、陨星、小行星、星团、星系、星际物质以及暗物质等。2.主要天体介绍

恒星

是天体中的主体。①恒星并非不动。②由炽热的气体组成的仅是恒星的大气，恒星的内部，特别是内核密度都很大，显然不一定是由气体组成。③恒星有许多种类，恒星有生有灭。

行星

指绕恒星运行、自身不会发可见光的天体。卫星

指绕行星运行、自身不会发可见光、以其表面反射恒星光而发亮。彗星

主要由冰物质组成，以圆锥曲线(包括椭圆、抛物线和双曲线)轨道绕恒星运行，当靠近恒星时，因冰物质受热融化，蒸发或升华，并在恒星粒子流（如太阳风）的作用下拖出尾巴的天体。至今人们也仅观察到太阳系内的彗星。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流星体

是绕恒星运行的质量较小的天体，其轨道千差万别。在太阳系中有些流星体是成群的，称为流星群。当流星体或群进入地球大气层时，由于速度很高，进入地球大气层因摩擦生热燃烧发光，形成明亮的光迹，称为流星现象。大流星体未燃尽而降落在地面称为陨星。陨星中含有许多种矿物元素，近年来还发现在陨石中存在有机物。

星云和星系

星云是指银河系空间气体和微粒组成的星际云。一般它们体积和质量较大，但密度较小；形状不一，亮暗不等。过去在星云性质不清楚之前，把星云分为河内星云和河外星云两种。河内星云实质就是"星云"，是银河系内的一些星际物质；河外星云就是现在说的河外星系，简称"星系“.星际物质

恒星之间的物质，包括星际气体、星际尘埃和各种各样的星际云，还包括星际磁场和宇宙线，统称为星际物质。在现代天体物理中星际物质研究越来越受到重视。猎户座大星云银河系全景图人造天体

在1957年人造卫星上天以后才有的天体。现有人造卫星、宇航器（宇宙飞船）和空间站等。虽然有的人造天体已瓦解，失去设计时功能，但每一块小碎片（宇宙垃圾）仍然是人造天体。现运行在空间的人造天体已有上万个。可视天体和暗物质

在大量的宇宙物质中，人类把看得见的（在可见光波段）称为可视物质，看不见的称为不可视物质或暗物质。据现代天文研究，宇宙中存在大量暗物质。约有12000块太空碎片围绕地球运转2.1.2天体系统在引力的作用下，邻近的天体会集结在一起，组成互有联系的系统，这就是天体系统。也可以表述为：天体系统是互有引力联系的若干天体所组成的集合体。1.天体系统概念2．主要天体系统

木星是人类迄今为止发现的天然卫星最多的行星，目前已发现63颗卫星地月系统太阳系银河系星系群星系团超星系团总星系2.2天球和天球坐标以观测者为中心，以任意长为半径的假想的球，称为天球。2.2.1天球视位置定义为：把不同远近的星星与观测者的眼睛连成的直线延长，它们和天球相交的点，即星星在天球上的投影。天球是存在中心的选择不同的天球中心：观测者→观测者天球地心→地心天球（主要用于表示太阳系外天体的是运动和视位置）日心→日心天球（主要用于表示太阳系内天体的是运动和视位置）天球的半径是任意的它包容一切，不论天体如何遥远，天球上总有它的位置在同一视线上的不同远近的星球，在天球上的视位置是重合的所有互相平行的直线向同一方向延长，和天球交于一点这是因为天球半径无限大，所以观测者的任何位移都比圆球半径小得多。几个天球相关的性质球面的几何性质用任何一个平面切割球面，切痕都是圆。如果切割平面过球心，圆的直径最大，称为大圆。不过球心时，圆的直径较小，称为小圆；球面上任意两点之间的连线以大圆弧最短；通过球面上任意两点（与球心同在同一直线上的两点除外）可以做唯一的大圆；球面上任意两个不同的大圆必然相交与两点，该两点的连线比过球心；5.通过大圆中心（球心）做大圆平面的垂直线，与球面相交的两点称为该大圆的极。通过大圆的极的任意一个大圆都与原来的大圆垂直。从大圆上任意一点到极的大圆弧长度都是90°.两个大圆的交点是通过大圆的极的大圆的极。2.2.2常用的天球坐标系建立球面坐标的三个条件选择一条通过球心的直线作为基本轴，或选择一个特定的大圆作为基本大圆。基本轴与基本大圆垂直，基本轴与球面的交点就是基本大圆的极；选择球面上除极点外的任一点作基本点；约定坐标量度的方法和范围球面坐标的基本要素地球坐标系统的基本要素地球坐标系统：基本轴：地球自转轴基本轴与地球表面的两个交点是南北极基本大圆：赤道基本点：英国格林尼治天文台所在地G地球表面任意地点A有两个坐标：地理经度和地理纬度。通过北极（或南极）和A点做大圆与赤道交于A’点，通过北极过G点做大圆和赤道交与G’点，弧长AA’则为地理纬度，弧长G’A’为地理经度。纬度由赤道向两极度量，正负各90°，约定北向为正，向南为负；经度由G’点向东西度量，正负各180°，约定向西为正，向东为负。合肥的坐标为北纬32°（+32°）、东经117°（-117°）。天球上的基本圈和基本点天顶和天底

沿观测者头顶所指的方向作铅直线向上无限延伸，与天球相交的一点称为天顶（Z）；天球上距天顶180°的点，即铅垂线在观测者脚底向地平以下无限延伸，与天球相交的另一点称为天底（Zˊ），观测者的眼睛则为天球的中心。地平圈

通过地心，并垂直于观察者所在地点的垂线的平面与天球相割而成的圆为地平圈，也就是人们平时所说的地平线(不过平常所说的地平线没有如此严格的定义)。或表述为通过天球中心而垂直于天顶和天底联线的平面称为地平面，地平面与天球相交而成的大圆NWSE，称为地平圈。地平圈把天球分成可见和不可见的两个半球。天体在地平上以上可见。天体每日视运动运行到距地平圈以上最高点称为上中天，运行到距地平圈最低点称为下中天。北天极和南天极

地轴无限延伸，就成天轴。天轴与天球相交的点就是天极。天极有两个：北向的称北天极（P）；南向的称为南天极（Pˊ），有人称“天北极”和“天南极”。离北天极约1°处有一颗不太亮的星，即小熊座α，中名"勾陈一"，是北极星。天南极及其近旁没有亮星，故没有南极星，所谓"南极老人星"，其实离天南极很远，离天赤道反而近，只因我国地处北半球，北方根本看不到这颗星，南方看那颗星在南边天际。故有人称它为"南极老人星"(即船底座α)。天赤道

与北天极和南天极距离相等，且垂直于天轴的大圆，称为天赤道，即地球赤道平面任意扩展与天球相割而成的圆，称天赤道。实际上，它是地球赤道的无限扩大。它把天球分成南北两个半球。四方点（或四正点）

通过天顶和天底，北天极和南天极的大圈与地平圈相交的两点中，靠近南天极的那一点称为南点（S）；靠近北天极的另一点称为北点（N）。从北往南看，自北点顺时针旋转90°的那一点为东点（E），与东点相距180°的点称为西点（W）。或表述为在某地看来地平圈与天赤道相交的两点就是东点(E)和西点(W)，它们在正东方向和正西方向。地平圈上与它们相距90°的两个点就是南点(S)和北点(N)，分别在正南方向和正北方向。S、N、E、W合称为四方点子午圈

通过天顶和北天极同时又过北点和南点的大圈PZSPˊZˊNP，称为子午圈。卯酉圈

通过天顶和天底同时又过东、西点的大圈ZEZˊW，称为卯酉圈。六时圈

通过北天极和天南极，同时又过东、西点的大圈PEPˊW，称为六时圈。地平圈、天赤道、黄道、子午圈、卯酉圈和六时圈均为大圆。其中地平圈、天赤道、黄道为基本圈（简称基圈）；子午圈、卯酉圈和六时圈为辅圈。黄道和黄极

通过天球中心作一与地球公转轨道面叠加的无限平面，这一平面叫黄道面，黄道面与天球相交的大圆，称为黄道。即地球绕日公转轨道平面任意扩展，与天球相割而成的圆为黄道。通过天球中心作一垂直于黄道面的直线，使该线与天球相交于两点，其中靠近北天极P的那一点为北黄极（K）；靠近南天极Pˊ的另一点则为南黄极（Kˊ）。银道和银极

在天球上沿着银河中心画出的大圆称为银道，它是银河系平均平面与天球相交的大圆，它与天赤道相交成约63.5°的交角。银河所在的平面称为银道面，在银道两侧与银道相距90°的两点，称为银极。靠近北天极的那一点称为北银极（NGP），靠近南天极的那一点称为南银极（SGP）。二分二至点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日之间，冬至2.2.2.1地平坐标系基本轴：

铅垂线基本大圆：与铅垂线垂直的地平圈E-S-W-N天顶：观测者头顶正上方地平圈：观测者所见的天与地相接的大圆就是地平圈基本点：天北极（对于南半球的观测者就是天南极）,也就是地球自转轴延长后与天球的交点。天北极旁（实际相差1度左右）刚好有一颗小恒星-小熊座α，称为北极星。坐标量度方向和范围：通过天顶Z和天北极做一大圆与地平圈相交于N和S，称为北点和南点，这是定义地面南北方的基准点，与之垂直的为东点和西点，东西南北按顺时针方向排序。地平坐标系的一对坐标是高度h（也叫地平纬度）和方位角A（也叫地平经度）。约定高度从地平圈向天顶（或天底）度量，正负各为90°，向上为正，向下为负;方位角从南点（S点）向东向西量度正负各180°，向东为负，向西为正。思考题：对于图中的星M，假设其高度角大小绝对值为h，方位角为A，其地平坐标为？（h,A）2.2.2.2第一赤道坐标系（时角坐标系）基本轴：

地球自转轴基本大圆：天赤道，也就是地球赤道平面延展以后与天球相交的大圆，自然天体东升西落的运动总是沿着与天赤道平行的小圆进行的。基本点：上点Q（子午圈与天赤道存在两个交点，在天赤道上方的为上点，下方的为下点。）天体如M在第一赤道坐标系系中的坐标用赤纬δ和时角t表示。赤纬角度以天赤道开始度量，往北为正，往南为负。时角以上点Q为原点，沿天赤道向西度量。以时、分、秒的单位代替度、分、秒的单位，从0h到24h。注意：这里的时、分、秒仍是角度量，也称为时角、时分和时秒。只是名称和换算比例改变一下。因为地球自转一周为24小时，转过一周为360，故有1h=15°，1m=15’,1s=15’’思考：北京的经度为:116°20’，其也可以表示为?7h45m20s2.2.2.3第二赤道坐标系基本轴：

地球自转轴基本大圆：天赤道，也就是地球赤道平面延展以后与天球相交的大圆，自然天体东升西落的运动总是沿着与天赤道平行的小圆进行的。基本点：春分点天体，在赤道坐标系中的一对坐标是赤纬δ和赤经α。约定赤纬从赤道向天北极和天南极度量，正负各90°，向北为正。赤经从春分点算起，沿天赤道向东度量。赤道坐标系没有地平坐标系直观，因为人们很难凭感官判断天赤道在天上的位置，更无法确定春分点是天上哪一点。但第二赤道坐标系与观测者所在的地面位置无关，对任何地点都是一样的。但第二赤道坐标系的基本大圆和基本点都和天体一样参与东升西落的周日视运动，因而天体的赤道坐标不因东升西落而变化，是相对固定的。第二赤道坐标系与地平坐标系的优缺点刚好互补。天文学中更常使用的是第二赤道坐标系。2.2.2.4黄道坐标系基本大圆：黄道面基本轴：

与黄道面垂直的轴，它与天球的交点为北黄极K和南黄极K’。基本点：春分点它的纬线是黄道和天球上与黄道平行的圆，称黄纬圈。黄道是最大的黄纬圈。它的经线是天球上通过两个黄极的圆，称黄经圈，其中通过春分点的黄经圈是始圈。它的纬度称为黄纬（β），是天体对于黄道的角距离，用角度表示，以黄道为起始，在天体所在的黄经圈上向北度量，从0至±90°，北半球的习惯是黄道以北为正，以南为负。它的经度称为黄经(λ)，是天体对于春分点所在的黄经圈的角距离，以春分点为原点，沿黄道向东度量，自0°到360°。思考题：太阳的黄纬为多少？0°2.2.2.5几个坐标系的主要区别和联系相同点：经度（方位与时角）都是向西度量；以子午圈为始圈不同点：地平坐标系以地平圈为基圈，因而以南点为原点；第一赤道坐标系以天赤道为基圈，因而以上点Q为原点。

天体的高度便不同于赤纬，方位也不同于时角。

它们之间的具体差异，与当地的纬度有关；纬度愈高，二者愈接近。在南北两极，天赤道与地平圈重合，天北极位于天顶。这时，高度就是赤纬，方位等于时角。地平坐标系与第一赤道坐标系体现地平坐标系与第一赤道坐标系的联系，有如下关系式：

在同一地点有：天极的高度(hp)=地理纬度(φ)=天顶的赤纬(δZ)；天球的南北两极，一个在地平以上，叫做仰极；另一个在地平以下，叫做俯极。对北半球来说，仰极就是天北极。一地的纬度与当地天顶的赤纬属于同一个角，它等于当地仰极的高度，二者都是天顶极距的余角。在我国历史上，仰极高度被称为北极高。人们正是根据这一原理来测定所在地的纬度。第二赤道坐标系与黄道坐标系相同点：经度（赤经和黄经）都是向东度量；基本点（春分点不同点：第二赤道坐标系以天赤道为基圈，因而以春分圈为始圈；黄道坐标系以黄道为基圈，因而以无名圈为始圈。这样，天体的赤纬不同于黄纬，赤经不同于黄经。它们之间的具体差异，同黄赤交角有关。第一赤道坐标系与第二赤道坐标系相同点：都以天赤道为基圈，因而有共同的纬度（赤纬）不同点：经度。第一赤道坐标系以午圈为始圈，其经度（时角）自上点Q向西度量。第二赤道坐标系以春分圈为始圈，其经度（赤经）自春分点向东度量。天体的时角不同于赤经；二者的具体差异，同当时的恒星时有关。任何时刻的恒星时，等于当时中天恒星的赤经（也即上点赤经），这为恒星时的测定提供极大的方便。所以任何瞬间同一天体的时角(tM)与赤经(αM)之和等于春分点的时角(tr)也等于当时天顶的赤经(aZ)；即am+tm=tr=az。

任意两地同一瞬间测得同一天体的时角之差等于这两地的经度差。即：λA-λB=tA-tB。几种坐标系的比较其中h为高度，Φ为地理纬度，δ为天体的赤纬，t为时角，A为方位角2.3天体的周日运动和太阳的周年运动地球自转从北往下看是逆时针方向，从南往上看是顺时针方向方向（地球自转.swf）。人站在地球上，不觉得地球自转，只看到天球在反方向旋转，每24小时旋转一圈，称为天球的周日视运动。所有的天体都参与周日运动。在不考虑天体自身运动的情况下，所有天体均沿着与赤道平行的小圆绕天极旋转，这样的小圆称为周日平行圈。只有赤道上的天体才沿赤道做大圆运动。南北两极不参加周日视运动。用相机对准北天极方向曝光一个小时左右成像图。图中的亮线对应各天体绕天极旋转的轨迹。不同纬度的周日运动在不同纬度观测天体，所见的天球范围和周日圈情况是不同。根据天球上坐标转换公式，对于北极星，始终有：δ=90，即sinh=sinϕh=ϕ北极

站在北极，此时地理纬度ϕ=90,即h=90。在这种情况下，赤道就是地平圈，也即所有的天体都沿着水平的小圆运动，不升也不落。2.人站在赤道

在赤道处地理纬度ϕ=0,即h=0,也即北极星在地平线上，赤道通过天顶。所有的天体，包括太阳，都直上直下的运动，在地平线以上的时间和在地平线以下的时间一样，都是12个小时，一年四季都昼夜平分。3.人站在任意纬度ϕ处当人站在任一纬度处，此时有h=ϕ。赤道以北的天体(δ>0),从东偏北升起，从西偏北处落下，在地平线以上的时间大于在地平线以下的时间;在赤道以南的天体(δ<0)，从东偏南处升起，从西偏南处落下，在地平线以上的时间小于地平以下的时间。根据时角坐标和第一赤道坐标的转换公式有：上中天时

t=0°Sinh=sinϕsinδ+cosϕcosδsinh=cos(ϕ-δ)h=90°-|ϕ-δ|下中天时t=180°Sinh=sinϕsinδ-cosϕcosδsinh=-cos(ϕ+δ)h=-90°+|ϕ-δ|天体在地平面上方（h>0）为可见天体。在北半球，ϕ>0,满足条件为δ>90°-ϕ的天体，在下中天时h仍大于0，即在一天当中高度最低的时候仍然在地平线以上，不落入地下，这类天体称为永不落天体;满足条件δ<-(90°-ϕ)的天体，在上中天时高度仍小于0，即在一天中高度最高的时候仍然在地平线以下，不升出地平，称为永不升天体。对于南半球观测者，ϕ为负值，天体永不落条件为δ<-(90°+ϕ)，天体永不升条件为δ>(90°+ϕ)2.2.2.7太阳的周年视运动太阳的周年视运动是地球绕太阳公转运动的反映。。思考题：根据定义，春分、夏至、秋分和冬至点的赤纬分别为多少？0，23°26’，0，-23°26’太阳在天球上做周年视运动时，它依然跟随天球做周日视运动。太阳周年视运动的方向与地球公转的真实方向是一致的，也与地球自转的真实方向是一致的。但是在天球上看到的太阳周日视运动的方向与地球的周日视运动方向刚好相反，也就是说在天球上看到的太阳周年视运动的方向与周日视运动的方向刚好相反。太阳参与周日视运动，是东升西落，自东向西；同时太阳相对于星空背景的周年视运动，是自西向东。正是因为有了太阳周年视运动，才有四季星空的变化。下图给出：狮子、天琴、飞马和猎户四季星空中著名的星座，太阳沿箭头所示方向做周年视运动，中央的圆代表地球，对着太阳的一面是白天，背着太阳的一面是黑夜。地球上站着一个半夜看星的人。春季里，太阳在飞马座附近，半夜时，人们当空看到的是狮子座；夏季时，太阳移到猎户座，半夜当空的是天琴座；秋季里，太阳在狮子座中，飞马座称为半夜星空的主角；到冬季，太阳移向天琴座，人们半夜见到的猎户座。同样，一夜之间星空也会发生变化。冬季和夏季主要是由于太阳入射角不同照成的。对于北半球的居民，最冷的时候并不是离太阳最远的时候！地球绕日公转时过近日点的日期只比冬至时晚10天。由于地面和低层大气需要有一个逐渐散热降温或积蓄能量的滞后过程，故最冷和最热的时候并不是在冬至和夏至，而是在其后一个月。太阳的白夜和黑昼白夜是指夏至前后，夜晚太阳到达下中天位置时，它仍留在地平面以上，此时整个夜晚如同白昼，故称白夜。黑昼则是指冬至日前后，太阳在上中天时仍在地平线以下，故整个白天天空漆黑一片，称为黑昼。思考：在北半球什么部分有可能出现白夜和黑昼？形成白夜的条件即太阳永不落的条件，有：δ≥90°-ϕ。在夏至前后，太阳可能的最大赤纬为23°26’，即δ≤23°26’。于是有:ϕ≥90-δ≥90-23°26’=66°34’。形成黑昼的条件即太阳永不升的条件，有δ≤-(90°-ϕ)=ϕ-90，即：ϕ≥90+δ,而δ≥-23°26’,于是有ϕ≥90+δ≥90+（-23°26’）=66°34’。从推导可以看出，纬度越高的地区，将可能出现更多的白夜或者黑昼。在北极地区，从秋分到春分这半年中，太阳一直无法升到地平线上，这半年都为白夜。思考题：讨论在北半球纬度<23°26’的地区太阳的高度h的情况？根据高度的计算公式h=90°-|ϕ-δ|，可知在ϕ<2