《天文基礎(chǔ)知識》

第二章 天體視運(yùn)動

第二節(jié) 天球赤道坐標(biāo)系和地平坐標(biāo)系

了解了天球之后，我們要建立天球坐標(biāo)系才能夠精準(zhǔn)地描述天體視運(yùn)動。無論你之前基礎(chǔ)如何，大家一定都有注意到這個(gè)現(xiàn)象：太陽、月亮地東升西落，引起這個(gè)現(xiàn)象的主要原因是地球自西向東的自轉(zhuǎn)，根據(jù)相對運(yùn)動，我們看到太陽、月亮自東向西“繞地球”旋轉(zhuǎn)，也就是天球在圍繞極軸自東向西每24小時(shí)旋轉(zhuǎn)一圈。說到這里你是不是感覺很熟悉？（是的，沒錯(cuò)，地心說）這與地心說有些類似但存在本質(zhì)區(qū)別，天球的存在和天球赤道坐標(biāo)系的建立都是為了研究天體視運(yùn)動而建立的模型，而地心說則是把天體視運(yùn)動當(dāng)作天體實(shí)際運(yùn)動，以地球作為參考系來研究宇宙中其他天體的運(yùn)動。

一、赤道坐標(biāo)系

接著說天球赤道坐標(biāo)系，天球繞天軸24小時(shí)轉(zhuǎn)一圈，其實(shí)就是說我們看到的星星自東向西繞地球一周（從我們的視角看）。

接下來有一些事情需要你去做：

在天球上找到春分圈，并以春分圈與天赤道的交點(diǎn)為起點(diǎn)，自西向東劃為24h，確定赤經(jīng)，以天赤道為基準(zhǔn)向北為正向南為負(fù)，確定赤緯；這樣就能用赤經(jīng)和赤緯這組數(shù)據(jù)對天上星體進(jìn)行定位。比如織女星，赤經(jīng):18h36min56.3s 赤緯:+38°47′1.0〃

到這里天球赤道坐標(biāo)系就建立完成了，大家可以找時(shí)間感受一下星星的東升西落，有設(shè)備的話可以拍整晚星空做成延時(shí)視頻，感受會更為震撼哦。

二、地平坐標(biāo)系

當(dāng)我們出門看星星的時(shí)候，會發(fā)現(xiàn)一個(gè)問題：北極星的確在北邊，但并不在頭頂。北天極也一樣，只有在北極點(diǎn)才能看到北天極在頭頂。這么說來，赤道坐標(biāo)系和實(shí)際觀測還是有差別的。我們引用《基礎(chǔ)天文學(xué)》中一張圖片來說明赤道坐標(biāo)系和實(shí)際觀測的差別，還記得天頂?shù)母拍顔幔咳绻挥浀昧司头幌虑懊娴膬?nèi)容。

圖2-2-1 天頂、天極、觀測者的相對位置（引用自《基礎(chǔ)天文學(xué)》）

在天球中，地軸延伸出去就是天軸，因此赤道和天赤道可以轉(zhuǎn)化經(jīng)緯圈和赤經(jīng)赤緯圈都可以相互轉(zhuǎn)化（第一節(jié)有相關(guān)描述）。你所處的位置是O點(diǎn)，EE’就是南北方向的地平線了，那么Z就是天頂。在圖中不難發(fā)現(xiàn)P和Z有個(gè)夾角，這就是你看到的北天極和天頂?shù)膴A角了。P’和E 的夾角，就是你那里北天極的高度角，根據(jù)幾何關(guān)系可以很簡單的發(fā)現(xiàn)北天極的高度角等于當(dāng)?shù)鼐S度，所以在北極點(diǎn)時(shí)，天頂和北天極P重合，北天極位于正頭頂。

那么現(xiàn)在我們可以考慮在地球上每個(gè)點(diǎn)的天球的情況（天球一樣，但加上地平線）既然北天極高度等于當(dāng)?shù)鼐暥龋俏覀內(nèi)梢园杨^頂?shù)奶炜湛醋鍪翘烨虮淮蟮亟爻鰜淼陌雮€(gè)天球（半球面）。那么地平線就是一個(gè)類似于赤道的球面大圓了，頭頂是天頂，腳下對應(yīng)的天球上那一點(diǎn)，我們叫它天底，這樣的話，我們也可以仿照著赤道坐標(biāo)系擬定一套坐標(biāo)系：地平坐標(biāo)系。

和赤經(jīng)赤緯一樣，在地平坐標(biāo)系中，我們需要選取兩個(gè)標(biāo)尺來劃定星星在天空中的位置，這兩個(gè)標(biāo)尺就是方位角和高度（地平高度），除此之位，還有四個(gè)基點(diǎn)，分別是東、南、西、北（沒錯(cuò)就是你所處位置的東、南、西、北）。

下面一起看一張有意思的動漫圖：

圖2-2-2 星體旋轉(zhuǎn)動漫圖（來源于網(wǎng)絡(luò)）

仔細(xì)看這張圖，不難發(fā)現(xiàn)靠近北天極的一些星體無論怎么旋轉(zhuǎn)都在視野范圍內(nèi)，都在地平線以上，而靠近南邊的一些天體無論何時(shí)都在地平線以下，無法進(jìn)入視野，這里就要說到兩個(gè)概念：恒顯圈和恒隱圈。顧名思義，永不落下的星星構(gòu)成的區(qū)域，就是恒顯圈，永不升起的星星構(gòu)成的區(qū)域，就是恒隱圈---我們永遠(yuǎn)無法看到。圖2-2-3所示為恒顯圈和恒隱圈的范圍

圖2-2-3 恒顯圈和恒隱圈示意圖

以楊凌為例，楊凌維度為北緯34.28度（記住這個(gè)數(shù)值，使用赤道儀粗對極軸時(shí)用得到），那么從楊凌看北天極的高度角就為34.28度，那么赤緯大于90-34.28=55.72度的天體就在恒顯圈內(nèi)，對應(yīng)的赤緯小于-55.72度的天體則位于恒隱圈內(nèi)。

三、黃道坐標(biāo)系、銀道坐標(biāo)系和時(shí)角坐標(biāo)系

黃道坐標(biāo)系：和赤道坐標(biāo)系差不多，但是把基本大圓換成了黃道。黃道是太陽在天球上運(yùn)行的軌道，因此黃道坐標(biāo)系研究太陽系天體運(yùn)動時(shí)很有用。

圖2-2-4 黃道坐標(biāo)系

銀道坐標(biāo)系：在我們視野中銀河是帶狀的，我們劃定了銀道，把它當(dāng)作基本大圓，來研究銀河系內(nèi)天體在天球中的分布。

時(shí)角坐標(biāo)系：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稱為時(shí)角，使用時(shí)角和赤緯表示天體位置的坐標(biāo)系稱為時(shí)角坐標(biāo)系。

圖2-2-5 時(shí)角坐標(biāo)系