《天文基礎(chǔ)知識》

第二章 天體視運動

地球圍繞太陽公轉(zhuǎn)，是太陽系的一顆行星，而太陽系位于銀河系的旋臂上圍繞銀心旋轉(zhuǎn)，除了銀河系外還有很多大大小小的星系，這些星系之間也存在相對運動，這是天體的客觀運動，選擇的參考系是太陽、銀心或是其他星系中心。那么此時想要描述一顆銀河系中除太陽外的恒星的運動就是圍繞銀心運動，參考系是銀心，但是該星與地球相對運動就很難描述。然而作為愛好者的我們觀察天體時，我們所能觀察到的天體運動就是天體相對地球的運動，也就是天體視運動，此時參考系是地球。

第一節(jié) 天球是什么

在最初接觸天文的時候，你可能沒聽說過天球，也沒見過渾天儀，但是地球是我們生活的地方，中學地理也學習過地球，在本書第一章中，也對地理知識進行了一些回顧，大家重新認識了地軸、黃道平面、赤道面、經(jīng)度、維度等為了更好地描述地球運動而抽象出來的一些概念。

為了方便描述人們所觀察到的天體運動狀態(tài)，引入了天體視運動的概念。為了描述天體視運動時更加準確方便，就必須以地球中心作為原點建立坐標系，建立這個坐標系有兩種選擇：第一種是建立我們熟悉的空間直角坐標系，第二種是建立球面坐標系（天球）。既然最后選擇了第二種，就說明空間直角坐標系存在著一些難以解決的難題，或者沒有天球來的方便。在中學時期，我們就接觸到了空格鍵直角坐標系，建立三條互相垂直的基準軸（x，y，z）空間中的點向三條基準軸垂直投影與基準軸相交，得到三個坐標。理論上應(yīng)用這種坐標系是能夠描述天體視運動的，但是存在以下問題：

1）基準軸的指向問題，空間直角坐標系將空間分為8個象限，這些象限中的天體坐標有正有負，人們在描述天體空間位置時更傾向于相同符號，所以基準軸不同的方向會導致8個象限中天體數(shù)量不同，因此基準軸的方向選擇是一個問題，選哪個方向更方便？

2）地球是一個球面，不位于坐標平面的地點觀測角度與坐標原點存在3個角度差，對天體位置的確定影響較大。

3）天體精確位置的確定，通過理論研究和實踐得知，在空間直角坐標系中精確測定天體位置需要角度和距離，角度容易得到，但是距離很難測得。

除以上三個問題外，空間直角坐標系還存在一些其他問題。然而使用球面坐標系就能精確且簡便地描述出天體的位置。

人們以地球為中心假想出一個半徑無窮遠的球體，也就是“天球”，所有天體都位于天球中。地球與天體之間、天體與天體之間距離很遠，觀測者的觀測時間也較短，因此天體可以認為是靜止不動的，那么天體的視運動就是由地球自轉(zhuǎn)造成。但是我們看到的是天體的東升西落，因此在研究天體視運動時，認為天體睡著天球自東向西旋轉(zhuǎn)。參考描述地球時引入的南北極、地軸等概念定義了天球的極點、極軸、赤經(jīng)、赤緯等概念。

圖2-1天球示意圖

天軸：地軸無限延伸與天球球面的交點，天球的旋轉(zhuǎn)軸

天極：天軸南北兩端與天球球面的交點稱為南天極和北天極

天頂和天底：觀測者正上方與天球球面相交的交點稱為天頂，反方向為天底

天赤道：赤道無限放大后與天球球面相接而成的“周長最大”的赤緯圈

子午圈：以地球為中心，過天極和天頂?shù)拇髨A，是觀測者所在地理經(jīng)圈的延伸

時圈：以地球為圓心，通過天極和天體所作大圓稱為時圈

時角：天子午線自東向西到天體所在赤經(jīng)圈在天赤道上所夾弧度，主要由地球自轉(zhuǎn)引起，常以時間為單位

赤經(jīng)：從春分點(注釋：天赤道與黃道面的交點）沿著天赤道向東到天體時圈與天赤道的交點所夾的角度（通過春分點的赤經(jīng)圈與通過天體的赤經(jīng)圈之間在天赤道上的弧段）稱為該天體的赤經(jīng)

赤緯：天體、地球和天赤道的夾角，是角度單位。天赤道0°，北天極90°，南天極-90°

天球的球面是假想出來的，與地球距離無窮遠，然而各天體和地球的距離并不相等，也就是天體并不位于天球球面上，那么怎么描述天體呢？

回想一下，地球上的任何一個點都是用經(jīng)緯度來表示的，那么位于天球球面上的點也就可以利用赤經(jīng)和赤緯來表示，對于不在天球球面上的天體，我們將地球與天體連線并延長與天球球面相交，交點也就是地球?qū)μ祗w在天球球面上的投影，投影、天體和地球共線，因此可以用投影的經(jīng)緯度表述天體經(jīng)緯度，這樣就能精準的表示出天體相對地球的方向，不需要測出距離就能對天體視運動做出描述。