天球与天球坐标系

普通天文学第二章天球与天球坐标系宇宙是一本永远在我们面前打开着的大书，它是用数学语言写成的书，其中有三角形、圆及其他几何图形。只有学会它的语言，我们才能读懂它，否则只能在黑暗的迷宫中瞎逛。----伽利略普通天文学球面三角基础知识一、球面上的圆（大圆、小圆）定理：任何平面和球面的交线都是正圆。定义：通过球心的平面与球面的交线，是直径最大的圆，叫做大圆。不通过球心的平面与球面的交线，叫小圆。二、球面上两点的距离三、圆的极大圆的极点=通过球心与大圆所在平面相垂的直线与球面的两个交点。四、球面角五、圆弧与角的度量1（弧度）=360/2π（度）=206265（角秒）普通天文学•球面角•=两个大圆在球面上构成的角度(ASB)•=以两大圆交点(S)为极点的大圆上，与两大圆的两交点(A,B)在球心所张的角度(AOB)。•=该两交点(A,B)间的大圆弧ABABOS普通天文学在晴朗的夜晚，仰望天空,眼前像有一个半球形的夜幕天穹,上面点缀着无数闪烁发亮的明星，感觉自己仿佛是处在这个天穹的中心,这就是人们对“天球”的印象。§２.1天球天文学家为了研究天体的位置和天体的运动引入了“天球”的概念和天球坐标。普通天文学天球是一个假想的球，它是以观测者（或地心、日心）为中心，以无穷远为半径的球，所有天体都投影在这个球面上。天球普通天文学天球特点：1、与直观感觉相符的科学抽象，半径可任意选取2、天体在天球上的位置只反映天体视方向的投影3、天球上任意两天体的距离用其角距(对天球球心的张角)表示4、地面上两平行方向指向天球同一点5、任意点为球心普通天文学southcelestialpoleSCP南天极northcelestialpoleNCP北天极天球的轴是地球自转轴的延伸，叫天轴，天轴与天球有两个交点，叫作天极,北天极：地球北极延伸的点南天极：地球南极延伸的点。§2.2天球上的基本点圈1、天极与天赤道普通天文学southcelestialpolenorthcelestialpole•我们能想象天球有一个“天赤道”天赤道是地球赤道的扩展普通天文学我们也能在天球上画出假想的经度线(longitude)southcelestialpolenorthcelestialpole和纬度线(latitude)相应的天球坐标是：经度赤经rightascension(RA)纬度赤纬declination(dec)普通天文学平行天赤道的天球上的小圆圈叫纬圈普通天文学垂直赤道并且过两个天极的大圆圈叫经圈或时圈。普通天文学2、天顶、天底和真地平天顶：Z过天球中心做一直线与观测点的铅垂线平行，交天球于两点，位于观测者头顶的一点称天顶。天底：Z’与天顶相对的另一交点为天底。真地平：过天球中心做一与铅垂线垂直的平面，与天球相交的大圆为真地平。普通天文学NSWE北极星Polaris,位于北天极注意星图上东,西的位置天顶普通天文学NSW从地平北点，通过天顶，到地平的南点，这条假想的线称为：天顶“天子午线”天子午圈：过天极和天顶的大圆。E普通天文学卯酉圈：过天顶和东西点所做的大圆弧。NSW天顶E普通天文学3.黄道与黄极黄道：过天球中心做一与地球公转轨道平面平行的平面为黄道面，与天球相交的大圆为黄道。黄极：黄道所对应的两个极点。黄赤交角：黄道与赤道的交角ε＝23°.5ε普通天文学二分点：黄道与天赤道的两个交点。春分点(升交点)；秋分点(降交点)二至点：黄道上与二分点相距90°的另两个点：夏至点(天赤道以北)；冬至点(天赤道以南)春分点秋分点冬至点夏至点北天极普通天文学§2.3天球坐标系一、地平坐标系基本点：天顶天底基本圈：真地平原点：南点北点地平高度h:由真地平沿过天体的地平经圈向天顶、天底量度（00—±900）（天顶距Z):Z＝900－h方位角A:由南点或北点沿真地平顺时针度量到过天体的地平经圈（00–3600）普通天文学天体的方位与高度天体地平高度h天体方位角A普通天文学地平坐标是一个简单的坐标系，但它依赖于观测者所在的地面位置，位置不同，地平线也不一样，天顶也不一样，天体的地平坐标就会改变，地平坐标具有强烈的“地方性”。我们可以使用天球的概念，来建立另一种天球坐标系，这种坐标系不依赖于观测者所在的地面位置。普通天文学二、时角坐标系（第一赤道坐标系）基本点：天极基本圈：天赤道原点：子午圈与天赤道南边的交点。赤纬δ：由天赤道沿过天体的赤经圈向两极方向度量（00-±900）时角t：由原点沿天赤道顺时针量至天体所在赤经圈（0h–24h）普通天文学赤纬用度,分,秒来测量，位于天赤道的上下两面，上为正，下为负。例如，靠近北天极的恒星，其赤纬接近+90°,而靠近南天极的恒星，其赤纬接近-90°.时角用小时、分和秒来度量,因为恒星两次出现在天空中同一位置的时间间隔大概需一天(24h)天体的时角坐标与观测位置有关系吗？普通天文学可证明，地球上任何观测点的天极高度等于当地的地理纬度•在同一地点有：天极的高度(hp)=地理纬度(φ)=天顶的赤纬(δZ)；•人们正是根据这一原理来测定所在地的纬度。普通天文学在北半球，当地的地理纬度等于北极星的高度长春地区地理纬度φ≈44°长春地区北极星的地平高度h≈44°在北极，北极星的地平高度=?在赤道上，北极星的地平高度=?普通天文学基本点：天极基本圈：天赤道原点：春分点赤纬δ：同上赤经α：由春分点沿天赤道逆时针方向量至天体所在赤经圈（0h–24h)春分点的时角：tr＝(α＋t)三、赤道坐标系（第二赤道坐标系）普通天文学SWEN我们能填加恒定的赤经线rightascension(RA)和赤纬线(dec)普通天文学因春分点本身也在作周日视运动，它相对于天体而言，位置基本上静止不动。因此一颗恒星的赤道坐标基本不变，可表示为:12:52:03,-47:34:43意思为:赤经(RA)=12h52m3s,赤纬(DEC)=-47o34’43”赤经也用小时，分，秒来度量,因为恒星2次出现在天空中同一位置大概需一天时间普通天文学四、黄道坐标系基本点：黄极基本圈：黄道原点：春分点黄纬β：由黄道沿过天体的黄经圈向两边度量（00—±900）黄经λ：由春分点沿黄道逆时针量至天体所在黄经圈与黄道的交点（00–3600)普通天文学§2.4天体的周日视运动由于地球是自西向东自转，由相对运动原理，人们不觉地球在运动，却看到所有天体都围绕着天轴(地球自转轴的延伸)自东向西运动，24小时运转一周，这就叫天体的周日视运动。普通天文学天体的周日视运动对着北天极附近天区连续曝光，可看到恒星周日视运动的轨迹普通天文学这是北天恒星周日视运动的照片。每条弧线都是一颗恒星穿过夜空的轨迹。图(a)的曝光时间约为1小时，图(b)约为5小时。普通天文学在地球的南、北极地区看到所有天体都平行于地平圈做圆运动，在北极只能看到北半天球的星，永远看不到南半天球的天体不同纬度处的天体视运动：普通天文学在地球赤道地区看到所有天体都垂直于地平面做圆运动,可看到全天球的天体。北天极和南天极位于地平。普通天文学在中纬地区看到的天体周日视动。地理纬度越高,北天极离地面越高,可看到的南半天球的星就越少。普通天文学•southcelestialpolenorthcelestialpole一个地球表面的观测者看到地平线以上的夜空但看不到地平线下面的因此这个观测者能看到北天极和大部分天空(随着地球的自转),但看不到靠近南天极的大部分南部天空。Z普通天文学三、永不上升与永不下落天体1、永不下落天体：δ≥（90°－φ）永不上升天体：δ≤－（90°－φ）2、地理纬度越高，这类天体越多：极区：各半；赤道：无永不下落天体永不上升天体在长春，北极星的高度约44度，φ=44δ≥46°的天体，永不下落，δ≤－46°的天体，永不上升普通天文学天体的中天天体通过子午圈称为中天，所有天体的周日平行圈与子午圈都有2个交点σ和σ’。子午圈子午圈PZ南天极P’σσ’位于PZP’一支上的σ称为上中天，这是某个天体所能达到的最高位置。σ’称为下中天，即该天体的最低位置。中天是天文学中的重要概念，天体上中天时时角为0，地平高度hσ=hQ’+δQ’普通天文学周年视运动地球的公转→天体的周年视运动→太阳自西向东在黄道上每年运行一周（与周日视运动方向相反）→造成四季星空的不同。§2.5天体的周年视运动普通天文学太阳的周年视运动轨迹：黄道运动方向：自西向东当太阳位于：春分点时:（3月21日左右）α＝0hδ＝0°夏至点时:（6月22日左右）α＝6hδ＝23°26’秋分点时:（9月23日左右）α＝12hδ＝0°冬至点时:(12月22日左右）α＝18hδ＝－23°26’普通天文学日期：3月21日~4月20日~5月21日~6月22日~7月23日~8月23日~9月23日太阳经过：白羊座|金牛座|双子座|巨蟹座|狮子座|室女座日期：9月23日~10月23日~11月22日~12月22日~1月20日~2月18日~3月21日太阳经过：天秤座|天蝎座|人马座|摩羯座|宝瓶座|双鱼座普通天文学黄道应有13宫!!!普通天文学普通天文学太阳每年进入黄道13宫的日期、时间（2000.0）日期北京时间星座黄经范围停留时间1月20日21时摩羯27.4度27天2小时2月16日23时宝瓶24.9度24天18小时3月12日17时双鱼36.3度36天19小时4月18日12时白羊24.9度25天14小时5月14日2时金牛36.7度38天8小时6月21日10时双子28.0度29天9小时普通天文学日期北京时间星座黄经范围停留时间7月20日19时巨蟹20.1度21天1小时8月10日20时狮子35.9度37天4小时9月17日0时室女43.8度44天8小时10月31日8时天秤22.9度22天19小时11月23日3时天蝎7.1度7天0小时11月30日3时蛇夫!18.2度17天22小时12月18日1时人马33.8度33天3小时普通天文学1）星座名称多处错讹2)时间间隔基本上均匀分布，并没有顾及实际星座有大有小，更不考虑黄道上有13个星座的情况3）大致符合2000多年前古希腊时代的太阳运动位置普通天文学天球仪是一个表述各种天体坐标和演示天体视运动的天球模型。球面上标有亮星的位置、星名、国际通用的星座以及几种天球坐标系的标志和度数。天球仪上还绘有赤道圈、赤经圈、赤纬圈和黄道圈。天球仪普通天文学练习1、在地球北纬300处，当春分点位于西点时，北点的赤经是（），时角是（），赤纬是（），方位角是（），地平高度是（）。2、天子午圈与地平圈的两个交点是（）（）；天子午圈与卯酉圈的两个交点是（）（）；天赤道与地平圈的两个交点是（）（）；天球上赤经和赤纬皆为零的点是（）；天球上地平高度和赤纬皆为零的点是（）（）。3.地理纬度为420处，天顶的赤纬等于多少？普通天文学1、在地球北纬30处，当春分点位于西点时，北点的赤经是（2700），时角是（1800），赤纬是（600），方位角是（00），地平高度是（00）。