关于天球参照系的通俗认识

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[不指定 2007-2-13 12:35 | by tomato ]
  这篇文章所介绍的内容,可能是一名喜欢看星星的天文爱好者,升级为理论型天文爱好者的第一步台阶。在许多书籍中,为教识这些内容会列出许多张几何图形。但是,偶不想画图了,一来是因为偶的空间形象感本来就不是太好,偶总觉得用辅助线繁多的图来表示,这几个坐标系将会更加地混乱与难以理解;二来也是因为,精确地画出这些图,好像以俺的制图水平来说,需要大量的时间。所以,以下的介绍只是一个通俗的认识,与计算无关。不过,不可避免地,理解这篇文章需要几何学的初级知识作为您的背景知识。您需要知道什么是球,以及什么是角度。


  首先,我们要建立起天球的概念。什么是天球呢?是天上有一个大圆球么?显然不是。

  古时候,我们人类住在地球上,仰观天象,斗转星移。这容易让人觉得天空就像一个圆形的盖子,而大地是一个有着东南西北四个方向的方块形平板。(如果你身处在大草原上,这种感觉会更加强烈得多,其实“天似穹庐”这个词语,也表示的是“苍天如圆盖”的意思)。

  后来,人类的认识扩展了,知道地球是一个圆形的球体,而宇宙是由三维空间和一维时间所组成。夜空中的点点繁星,是一颗颗远离我们的“太阳”。他们并不是先前所认为的挂在圆盖上的珍珠,而是分布在广漠时空中,与我们的距离远近不一的大大小小的星体。

  然而,从地球上看繁星,实在是太过遥远了,我们无法获得直观的距离感,所以天空看起来就像是一块黑色的幕布,而所有的星星都像是挂在这个幕布的背景之上。又由于地球是一个圆球,人们通过感性认识与想象,就把天空也假想成是一个半径无穷大的圆球。因为是从人类观察的角度出发,所以这个大圆球以地球为球心。并且,人们在这个圆球之上建立起辅助用的坐标系,以表征各个星体的位置。这样,就有利于我们的观测与研究。

  综上,天球和坐标系,其实都是我们对于天空上的想象,以辅助我们进行学习与科研的,它们并不是天体与生俱来的属性。它们是为人类更好地观察星空,更好地记录天体的位置而服务的。但它们有一个缺陷是,不能表示星体与地球的远近距离,因为星体不论远近,都被投影成是天球背景上的点。


  我们经常用到的天球坐标系有三种


  最直观的是地平坐标系

  当我们认识地平坐标系的时候,头脑越简单越好。就把自己想象成啥也不懂的原始人,生活在大草原上,身上还带着毛,嘴里咬着半只活兔子(好像扯远了sweat)。天圆地方,圆盖似的苍天碗一样地扣在木板一样平坦的大地上。这个时候,原始人直立着,它的头顶正上方所对应的天空的一点就是天顶;它的脚底穿透像平板一样的大地,对应着的天空的另一点,即天底

  有了大地平板(本概念纯属我个人为理解需要而虚构,与科学概念无关。)和天顶、天底的概念以后,就可以引出高度(也叫地平纬度)的概念。天与地相交的地方,其高度就是0°,而天顶和天底的的高度分别是+90°和-90°,于是,天球上的星体的高度,就可以用-90°到+90°之间的数值来表示了。这个概念在我们观测水星或金星时常常被用到,当水星或金星的地平高度角较大时,我们就容易看到它们。

  有了高度还不足以确定一颗星的具体位置,因为还要指出它的方向才行。在地平坐标系中,这个方向用“方位角”来表示:以正南方向为0°,以正北方向为180°,向东为负,向西为正。例如正东方向就是-90°,正西方向就是+90°。

  然后,问题来了。地球是一个球体,人坚实地站在球上,而不是平板上。所以,地平坐标系与人所处的地理位置有着决定性的关系。站在地球上不同位置的人所建立的地平坐标系各不相同。南极的企鹅和北极的熊,它们所建立的地平坐标系是恰恰相反的。


  赤道坐标系也不是很难理解,需要对地理学上的经纬坐标有所认识。

  当我们认识赤道坐标系时,我们把自己想象成神!地球和天球是两个同心的球,然后我们鼓着腮帮子往地球里面吹气(当然你也可以选择用打气筒),于是地球就像气球一样慢慢变大,最后终于和天球重合了。这个时候,地球上的经纬坐标就被刻到了天球上,把地理学上相应的概念换成天文学的概念就可以了。

  赤道,变成了天赤道。南极和北极,相应地就变成了天南极和天北极

  在赤道坐标系中,纬度的规定与地理学的地球纬度的规定是一样的。从天赤道开始,向北为正,向南为负,各是90°。

  我们知道,地球上的0°经线被规定为穿过英国格林尼治天文台的那条经线,而赤道坐标系既然是天空中的坐标系,当然也是以穿过某一特定位置的经线作为基准线。这条经线,便是穿过“春分点”的那条经线。春分点的概念与后面介绍的黄道坐标系中的一些概念有关。稍后再说明。可以先这么感性地认识一下,目前的春分点大约位于双鱼座境内,每年春分这一节气的时候,昼夜平分,我们观察太阳在天空中运行,就要经过春分点。与春分点相对应,还有一个概念是秋分点。它是在秋分节气时,太阳要经过的一个点。

  地理学上,我们区别东经与西经。但在天球上,我们没有这个区别,赤道坐标系以穿过春分点的特殊经线为起始,自西向东进行经度的规定。从0h0m0s开始,一直到23h59m59s。我们知道,角度的规定通常是以度(°)/分(')/秒(")为计量单位的,但在这里用的却是时/分/秒。这是为什么呢?原来,地球每24小时自转一周,它转过的角度与时间就可以一一对应起来,所以用时/分/秒,所计量的也是角度。如果换算起来,那就是:1h=15°,1m=15',1s=15"。

  在赤道坐标系中,固定天体的位置是固定的,观测者不会因为各自所处的位置不同而得出不同的坐标,所以它被广泛地应用于天文学中。


  最后,稍复杂一点的是黄道坐标系。我们可以通过以上两种坐标系的认识方法,相对比地来认识黄道坐标系。

  在认识黄道坐标系时,我们还是神。并且,这个神要位于高高的九天之外,可以俯看整个太阳系。当我们变成为这样的神之后,我们激动地看到,原来,太阳系的八大行星和太阳,差不多是位于一个平面之上。这时,我们就得到了一个基准的认识平面,就像我们在认识地平坐标系时的那个大地平板一样。所不同的是,这次的平面,有一个堂而皇之的科学称谓,叫黄道平面。在地平坐标系中,我们认识了天顶和天底两个点,它们的连线垂直于基准平面。与之相应,在黄道坐标系中,连线与黄道平面相垂直的天球上的两个点,被称“北黄极”和“南黄极”

  在认识赤道坐标系时,我们把地球吹大,经纬刻度翻录到天球上。这次,我们把黄道面扩大,一直延伸到天球上,刻出一个圆圈。这个圆圈,就成为纬度计量的基准,叫做“黄道”(其黄纬为0°),其他纬线的度量,以向北的方向为正,以向南的方向为负,各有90°。其实从地球上观测,太阳一天在天空中所划出的圆形轨道,这就是黄道了(是一整个圆圈而并非是半圆形的弧线,因为你在睡觉时,太阳还在地球的另外半面含辛茹苦地画着黄道的路径呢)。我们通常所说的黄道十二星座,就是位置处于这条黄道之上的十二个星座。

  在黄道坐标系中,经线的度量与赤道坐标系相同,以经过春分点的经线为起始基准,自西向东度量。不同的是,在黄道坐标系中,选用了更常用的角度计量单位度/分/秒,从0°一直到360°。

  我们在谈到太阳系内行星或者是太阳时,有时会说某星与某星黄经相同,其实这句话可以粗略地等同于说,它们位于同一条直线上,并且位于以地球为基准的同一方向。这是因为太阳和八大行星几乎是位于一个平面(黄道面)之内,它们的黄纬相差不多,黄经相同就意味着它们的位置大体相同。

  最后补充说明一下春分点、秋分点以及黄赤交角这三个天文学上十分著名的概念。上文说过两个著名的圆圈,一个是刚才说的黄道,另一个是在赤道坐标系中的天赤道。这两个圆圈在天球上相交于两个神秘的点。这两个神秘的点也就是大名鼎鼎的春分点和秋分点了。在天文学上,春分点和秋分点被名正言顺地定义为黄道和赤道的交点。而黄道和赤道的交角,就是有名的黄赤交角,其数值约等于23°26'。由几何知识可知,这个角度也等于地球自转轴的倾斜角度,所以,我们平常所见的地球仪,其上的地球都不是正着放的,而是以23°26'的倾角斜立着的。
夜空 | 阅读(7593)
tomato Homepage
2007-2-13 18:53
晕头晕脑地写了一遍,竟然忘记保存了,然后一声晴天霹雳,电脑出了些故障。。。
然后,愈加更加倍加晕头晕脑地重写了一遍。。。
所以,可能会出现一些因脑力不济而引起的粗心式低级错误,敬请大家指正了。。。

青瓷
2007-2-13 19:28
谢谢。刚才还在纳闷,怎一顿午饭吃那么久..
不过番茄真的写得很好啊,象我看其他的读物,就怎么看不懂...
虽然散了点,搞笑了点,比如那只半活的兔子,一点也不影响我把你的文章当教材看的决心...
干脆一点,你考虑一下改编科普读物吧...
期待另一次大作...
ps老实说,看到番茄这样洋洋洒洒的写的大作,感动的一蹋糊涂...
tomato 回复于 2007-2-13 20:00
主要是。。。你问的问题,牵涉面太大,干脆写一篇出来供千人共享,大家同看了。。。不过,目前的流量好像达不到这个目的,还是被你赚到了,嘻嘻!

青瓷
2007-2-13 19:32
q 地球仪上,一条象纬线一样的斜线,就是黄道?与赤道平面交角23度几的?
它为啥要姓黄呢...
tomato 回复于 2007-2-13 20:03
我倒。。。第一次写的时候已经交待清楚了,第二次重写的时候又漏了。。。现在已经补上了,在最后一段。
“黄道”之所以叫“黄道”,很简单地因为太阳是金黄色的。。。与之相对应的是,月亮在天空中走过的轨道,被称为“白道”。
还有,聚集在一起做一些不正派行当的人们,被列为“黑道”人士。。。

游客
2007-6-11 22:00
有才。简明扼要,生动风趣……(没词了)

大菜鸟看了,准备给小菜鸟现炒现卖

多谢
tomato 回复于 2007-6-12 23:07
多谢游客留言:)……(没词了)
我是大菜鸟。。。呱呱。。。

呢喃 Email
2007-10-12 08:31
看来你是一个高手!请教一个问题:黄赤交角变小会影响回归年的长短么?结果怎样?
tomato 回复于 2007-10-12 22:52
本人才疏学浅,不敢称高手。呵呵。
黄赤交角变化会引起地球上寒、温、热带分布的变化,与地球的公转周期没有什么直接的联系。回归年的长短取决于地球的公转周期。

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