清華大學天文學導論-1天體視運動

1、天文學導論天文學導論第第1 1講講天體的視運動天體的視運動本講內容本講內容星座與星圖 （自學）月相、日月食（自學）行星的視運動 （自學）地球自轉： 太陽的周日視運動 天體的周日視運動地球公轉：太陽的周年視運動赤道坐標系：恒星時地球自轉軸的進動：歲差，坐標改正1。星座與星圖（自學）。星座與星圖（自學） 古人運用幻想力把雜亂無章的星星用線連起來構成星座，更為它們編織美麗動人的神話故事 每一個民族的星座劃分和神話都不相同。1929年，國際天文聯(lián)合會（IAU）正式把全天劃分為88個星座，并清楚界定每一個星座的邊界。因此每顆星屬于且只能屬于一個星座 星座只是天上一個一個的區(qū)域，并不表示每個星座的星星之間

2、存在一定的內在聯(lián)系，例如以引力而被束縛的一個系統(tǒng)。而且星座僅代表本天區(qū)中較亮的星星圖星圖 地圖平放地上；星圖高舉過頭仰望之 兩者的東西方向相反（？） 星圖種類多多！ 連線只為方便辨認 大小不代表體積而表示相對亮度昴星團 M45專業(yè)星圖專業(yè)星圖 昴星團 M452。月亮（自學）。月亮（自學） 不變的臉：地球上的觀測者無論何時都只能“看到”月球的同一面即近地的一面同步自轉：月球的自轉周期=月球的公轉周期 月球本身不發(fā)射可見光，只反射太陽光 月相：地球人所看到的月球被太陽所照亮的一半的大小 月亮的會合周期(synodic period)（塑望月）- 新月到新月：29.53 天月相月相 Moon Pha

3、ses日月食日月食 進入影子：由于月球在地球和太陽之間運動 日食：地球進入月球的陰影 月食：月球進入地球的陰影 Umbra 本影: 太陽被完全遮掩 Penumbra 半影：太陽被部分遮掩 食的種類 全食 偏食 環(huán)食地月距離在變化！為什么每月不發(fā)生兩次日月食？為什么每月不發(fā)生兩次日月食？ 月相暗示：似乎每個月應有一次日食（新月）和一次月食（滿月），但是日月食大約每11個月才發(fā)生一次 這是因為月球的軌（白）道面和地球的軌（黃）道面呈大約5度的夾角 月相與食無關：月相是陽光從不同的方向照射月球的結果，而食是地球和月球通過對方影子的結果食產生的條件食產生的條件 月球運動到地球的軌道（黃道）面且必須是嚴

4、格的新月或滿月 通常當月球通過黃道面時并非新月或滿月；或者在新月或滿月時月球通常不會通過黃道面日食日食 Solar Eclipse 月球在黃道面且嚴格新月（初一），月球的影子投到地球上 三類日食：Total solar eclipses 日全食Partial solar eclipses 日偏食Annular solar eclipses 日環(huán)食 月球和太陽的視大小幾乎相同 日全食金星凌日：2004年6月8日日偏食，最常見日偏食，最常見日全食奇景：鉆石環(huán)日全食奇景：鉆石環(huán) 接 近 日 全 食 的 時 候 ， 由 於 月 球 的 邊 緣 丁 點 的 凹 凸 不 平 ， 部 分 太 陽 光 線 會

5、 在 凹 位 漏 了 出 來 ， 形 成 不 連 續(xù) 的 光 點 。 在 日 全 食 前 的 一 刻 我 們 只 能 見 到 太 陽 的 極 小 部 分 如 下 圖 所 示 這 個 現(xiàn) 象 稱 為 鑽鑽 石石 環(huán)環(huán) （貝利珠） 日 全 食 時 ， 天 昏 地 暗 ， 宛 如 暮 色 朧 合 四 野 ， 天 上 你 可 看 見 亮 星 和 行 星 ， 太 陽 表 面 由 於 被 月 球 完 全 掩 蓋 ， 原 本 非 常 暗 淡 的 日日 冕冕 這 時 清 晰 可 見 。 一 般 來 說 ， 日 全 食 過 程 約 維 持 兩 分 鐘 左 右 ， 接 著 鑽 石 環(huán) 復 現(xiàn) ， 日 全 食 結

6、束 日全食奇景日全食奇景Corona 日冕Prominences 日珥日環(huán)食日環(huán)食 由于地球和月球的距離并不固定，所以在地球看來，月球的角大小也會發(fā)生變化。有時，月球雖處于能造成日“全”食的位置，但由于月球的角大小不足以掩蓋整個太陽，便出現(xiàn)如戒指班的日環(huán)食由于潮汐摩擦作用，月球正漸漸遠離地球，數(shù)萬年后，月球的視直徑會變得很小，屆時地球上便再也不能看到日全食了Lunar eclipse月食月食 月球在黃道面且嚴格滿月（十五），地球的影子投到月球上 兩類月食：Total lunar eclipses 月全食：完全進入本影Partial lunar eclipses 月偏食：部分進入本影月全食全過程

7、月全食全過程 紅月亮曝光時間長 白點為背景星 月全食時月亮變?yōu)辄S銅色或血紅色，這是由于地球大氣中的塵埃顆粒折射陽光中的紅光并到達月球所致日食和月食的持續(xù)時間日食和月食的持續(xù)時間 由于地球的影子遠大于月球的影子，所以月（全）食時間比日（全）食長得多日全食最長持續(xù)7.5分鐘，通常只有3-4分鐘月全食可持續(xù)大約1小時45分 月球的軌道運動和地球的自轉使得影子變得狹長，因此每次日全食時世界上僅有很少地區(qū)能看到 請請“關注關注”近期中國日全食近期中國日全食20082008年年8 8月月1 1日（西北地區(qū)）日（西北地區(qū)）20092009年年7 7月月2222日（長江流域）日（長江流域）20352035年年

8、9 9月月2 2日（北京）日（北京）20102010年年1 1月月1515日中國日環(huán)食日中國日環(huán)食西3。行星的運動（自學）。行星的運動（自學） 除了“東升西落”，行星是在天球上四處游蕩（相對于背景星）的“星” 行星名稱的由來 其原因是行星和地球一樣在繞日公轉，造成和地球相對位置的不斷變化內行星的運動內行星的運動 水星和金星的軌道在地球軌道之內 在地球上看來，它們和太陽形影不離 由太陽東面走到太陽西面（晨星），再回到東面（昏星） 由于靠太陽很近，只能在日出前或黃昏后看到 金星：天空中第三顆最亮的天體晨星：日出前的金星昏星：日落后的金星金星：晨星和昏星金星：晨星和昏星外行星的運動外行星的運動 火星

9、、木星、土星、天王星和海王星 繞日公轉，但軌道在地球軌道之外 在天球上相對于背景星的運動，基本上是由西向東移動，稱為順行 由于地球公轉速度較快，外行星有時被地球“超過”，這時在地球上看來，它們在天球上的運動完全倒轉，變成自東向西，稱為逆行 外行星每次逆行數(shù)星期至數(shù)月不等，所以一夜間不可能看到順行和逆行的交替 內行星也有順行和逆行火星的順行和逆行火星的順行和逆行東 西4 4。地球自轉。地球自轉 天體周日視運動天體周日視運動 太陽每天東升西落 晝夜 夜晚,所有天體即星星（月球、行星和所有恒星及其它天體）也都每天東升西落 天體的這類運動并非所有天體都眼巴巴地繞著地球旋轉，其實這是由于地球自轉所造成的

10、假象，故稱為天體的周日視運動天如張蓋，籠罩四野天如張蓋，籠罩四野天頂天頂子午線子午線南南北北地平面（圈）地平面（圈） 東西頭頂?shù)男强杖Q于你在地球頭頂?shù)男强杖Q于你在地球表面上的位置和當?shù)貢r間表面上的位置和當?shù)貢r間太陽的太陽的周日視運動周日視運動 太陽每天東升西落，于當?shù)卣缤ㄟ^子午線達到最高點（上中天） 正午：太陽到達子午線，不是12點 太陽連續(xù)兩次到達正午的時間為24小時，稱為一個太陽日（the solar day），即鐘表時間*時區(qū)時區(qū) Time Zones （自學）（自學）*SunlightEarthMiddayMidnightSunsetSunrise*為什么需要時區(qū)？為什么需要時區(qū)

11、？* 在任一相同時刻，地球上不同的地方有不同的時間（相對于太陽） 在你東邊的人早看到太陽到達子午線，而在你西邊的人則晚看到太陽到達子午線 經度每相差1度，太陽通過子午線（當?shù)卣纾┑臅r間相差4分鐘 如果全世界用同一個時間，我們的時鐘將不會與太陽同步 如果每個城市都根據(jù)自己的正午制定時間，那么事情將變得很復雜，你將忙于調整你的手表時間 折衷且明智的辦法：劃分時區(qū)。全球分為24個時區(qū)，每個時區(qū)的經度寬度為15度，對應的時差為 154 minutes/degree = 60 minutes = 1 hour。每個時區(qū)采用本時區(qū)中央經度所對應的時間 一個國家/地區(qū)通常采用一個時區(qū)北京（東經116度22

12、分）時間：東八區(qū)中央經度即東經120度的時間世界時 Universal Time (UT) 天文事件通常用世界時（UT） 或 Coordinated Universal Time (UTC) ，近似為 the local time for Greenwich （ the Greenwich Mean Time (GMT) 格林尼治平時） 世界時與本地時間的轉換：北京時間=UT+8小時 北京地方時和北京時間完全是兩碼事！北京時間正午12點（東經120度）時，北京地方時（東經116.5度）即太陽時為11點46分，所以此時北京的太陽在子午線以東約3.5度，再過約14分鐘北京“真”正午The Cele

13、stial Sphere 天球 北極北極南極南極赤道赤道北天極北天極南天極南天極天赤道天赤道東把天空幻想為一個大水晶球，所有天體把天空幻想為一個大水晶球，所有天體包括太陽、月亮和星星等都鑲嵌在天球包括太陽、月亮和星星等都鑲嵌在天球上，而地球則孤懸于天球的中央上，而地球則孤懸于天球的中央天體的周日視運動天體的周日視運動 地球自西向東自轉，造成天體每天東升西落的錯覺拱極星：靠近南北天極，永不落北極星：最靠近北天極，似乎永遠 靜止不動北極星（北天極）的高度北極星（北天極）的高度 北極星（北天極）相對于地面的高度取決于觀測者所在的地理緯度，例如在北京，北極星在正北離地面約40度高的位置地赤道北京：東經

14、116度22分北緯39度58分南北天極：不變的參考點南北天極：不變的參考點 南北天極的高度等于觀測者所在地的地理緯度 可幸的是，在北半球，在非?？拷碧鞓O的地方有一顆相當亮的星，即北極星，為我們指引方向 在北半球有些星永遠不會東升：居住在北半球的人永遠看不到接近南天極的星 居住在南半球的人永遠看不到接近北天極的星 可惜的是，南天極附近沒有亮星，所以沒有“南極星”為南半球居民指引方向（南十字座）天赤道不變的參考點 到天極的弧距離總是90度 所有恒星沿與天赤道平行的路徑由東向西運動（圓弧軌跡） 在地球上無論何時何地：天赤道總是與地平面精確地相交于正東正西方向總能看到1/2天赤道 在地球兩極，天赤道

15、=地平線天頂、地平線和子午線：本地參考系 天頂和子午線的位置不隨觀測者的地平線移動天頂總是與地平線成 90 度角子午線由南到北平分半個天球 星星的位置相對于天頂和子午線在變：天球在轉動觀測者在地球上移動 任何通過子午線的天體都處于距離地平面的最高位置（夜晚的星星，白天的太陽）：中天 天體的運行（圓?。┸壽E與地平面的夾角為：90 度-觀測者所在地理位置的緯度（=天赤道與地面夾角）在北極在北極天頂天頂=北天極北天極 NCP地平線圈地平線圈= =天赤道天赤道地地( (天天) )軸軸所有星星沿與地平面平行的圓軌跡運行，從不下落頭頂北極星在北京在北京! (40N) 90度-緯度=Latitude 緯度在

16、北京向東看在北京向東看 天體從東偏北方向升起90度-緯度南在北京向西看在北京向西看 天體向西偏北方向落下北90-緯度在北京向北看在北京向北看 可見北極星和拱極星北天極北天極東東北極星北極星（北天極）高度隨地理緯度降低而降低。星星環(huán)繞北天極轉圓圈北半球可見的恒星視運動北半球可見的恒星視運動北天極附近星星視運動軌跡在地球赤道上在地球赤道上所有星在地平面上12小時所有星垂直于地平面升起和下落“可見所有星”南天極附近星星視運動軌跡南半球的星空南半球的星空 自己想想！英澳天文臺5。地球公轉 太陽周年視運動 在天球上，恒星的位置及其相對位置是“固定不變的” 整個天球包括太陽一天轉動一圈，但通過仔細觀察你會

17、發(fā)現(xiàn)這個規(guī)律并不完全正確 太陽每天都在星星中間向東緩慢游走 每天晚上的任何特定時刻你所看到的每個 星星的位置（到子午線）也在緩慢變化1.其實2正是1的結果！答案是答案是 太陽相對于恒星的移動是由于地球在繞太陽公轉：每天晚上看到不同的星星假如白天能看到星星，太陽將有不同的背景星When the Earth is Here these stars are overhead at midnight When the Earth is Here these stars are overhead at midnight 黃道黃道 eclipticecliptic 太陽的周年視運動：地球的公轉造成太陽在天

18、球上的位置時時刻刻自西向東移動，每年環(huán)繞天球一周 太陽在天球上的視運動軌跡稱為黃道 太陽向東緩慢移動（滯后于恒星）再回到原處（相對于背景星）的周期為一年365.24天共走了 360 度 太陽每天向東移動大約1度 2個太陽視直徑恒星日與太陽日的圖示解釋恒星日與太陽日 Sidereal and Solar Day 太陽日=24小時：太陽連續(xù)兩次到達子午線的時間 恒星日23小時56分：恒星連續(xù)兩次到達子午線的時間 一個恒星日比一個太陽日短約4分鐘 結論：相對于太陽日：恒星每天升起、上中天和下落的時間都提前約4分鐘恒星回歸原處的周期為一年：四季星空恒星回歸原處的周期為一年：四季星空 恒星日是地球真實的

19、自轉周期，不隨其繞太陽公轉而變化，均為23小時56分 一個特定星星一個月后升起的時間將提前約2個小時： 30 d 4 分鐘/天 = 120 分 = 2 小時 一年后這顆恒星將在同一時刻升起： 2 小時 x 12 月/年 = 24 小時 對于夜晚某給定時刻，例如冬季的一月夜晚，觀測者可見獵戶座、金牛座等，但半年后，它們將不可見，可見星座變?yōu)樘煨赛S道上的星座：黃道十二宮（Zodiac） 冬季星空：每年一月太陽進入人馬座，晚上九時金牛座、雙子座等高掛夜空 其它類推 北斗七星指季節(jié) 個人星座的定義月球在天球上的視運動月球在天球上的視運動 月球相對于背景恒星也向東漂移（滯后于恒星）但是月亮的漂移非常

20、快，24小時大約13度 月球回到原處（相對于恒星）的周期約為27.323 天，此為恒星周期（sidereal period） 類似于太陽日大于恒星日，月球的交合周期（朔望月29.5天）也大于恒星周期月球的交合周期大于恒星周期：圖解月球的交合周期大于恒星周期：圖解新月非新月!再次新月*熟悉的四季交替（自學）熟悉的四季交替（自學）* 一年有4個季節(jié)：春夏秋冬 溫度變化 太陽從地平線升起和落下的位置（時間）隨四季在變化，這種變化在北極地區(qū)非常顯著 原因?太陽輻射能力（）日地距離（）陽光入射角（）*列子湯問：小兒辯日列子湯問：小兒辯日* 季節(jié)的錯誤解釋：日地距離的變化。地球公轉軌道近似為圓軌道，日地距

21、離的微小變化改變不了地球的溫度（南北半球的季節(jié)不同）Elliptical orbit Far from the Sun, the planet experiences winter Close to the Sun, the planet experiences summer Not! * * 地球的自轉軸與其公轉軌道面（黃道面）不垂直，成 23.5 度夾角 如果地球的自轉軸和公轉軸平行，就不會有季節(jié)!Right Angle *季節(jié)的成因：地球公轉+自轉軸傾斜* 一年中，地球的傾角不變，變化的只是地球和太陽之間的相對位置 地球的傾斜造成太陽的直射和斜射，從而形成一年四季的更替Right Ang

22、le 23.5 degrees. 當?shù)厍蛟谟疑辖菚r（近日點），大部分陽光直射南半球，因而北京是冬天* * 當?shù)厍蛟谧笙陆菚r，大部分陽光直射北半球，因而北京是夏天（遠日點）黃道與春、秋分，夏、冬至(節(jié)氣） 天赤道與黃道面的夾角為23.5度 相交的兩點分別稱為春分點和秋分點 在黃道上距春分點和秋分點最遠處則稱為夏至點和冬至點黃道與春、秋分，夏、冬至黃道與春、秋分，夏、冬至1. At the vernal (Mar 21) equinox the Sun is on the celestial equator.2. At the summer (Jun 21) solstice the Sun is

23、 north of the celestial equator.3. At the autumn (Sep 23) equinox the Sun is again on the celestial equator.4. At the winter (December 22) solstice the Sun is south of the celestial equator.23.5 degrees 在地球繞日運動中太陽東升和西落的方位角不斷變化 并造成一年一度四季的更迭6。天球坐標系天球坐標系 恒星的視位置不僅隨觀測點而變化，也隨觀測時間而變化 要找到一顆星你要把望遠鏡指向哪里？天球坐標系

24、有助于快速找到你所要找的星角距和角大小角距和角大小 在假想的天球上描述天體相對于參考點的距離（即天體的坐標），天文學家使用“角距離”而非長度單位（千米等） 兩個天體之間的距離常用它們與觀測者之間的夾角表示，即角距 天體的大小則用天體兩個邊緣與觀測者之間的夾角表示，即角大?。阂越嵌缺硎镜囊曋睆浇嵌取⒔欠?、角秒 一個圓周=360角度 1角度 = 60 角分 1 角分 = 60 角秒月亮看起來其實比手指還小主要天球坐標系主要天球坐標系 地平坐標系地平面，天頂 赤道坐標系 The equatorial coordinate system地球赤道，北極，南極 天赤道為坐標平面，北天極，南天極 黃道坐標系

25、地球繞太陽運動軌道平面為坐標平面，黃極 銀道坐標系銀道面為坐標平面，銀極地球表面的經緯度地球表面的經緯度緯度經度本初子午線（格林尼治天文臺）赤道南極北極 緯度：從赤道面起算 到北極090o 北緯到南極090o 南緯 經度：從本初經圈（定義零度經線）起算（通過格林尼治天文臺）向東方向，東經0180o 向西方向，西經0180o 北京：東經116度22分；北緯39度58分赤道坐標系赤道坐標系受到在地球表面用來表示地理位置的經度、緯度坐標系的啟發(fā)把地球的經度、緯度投影到天球上便成為天球的赤道坐標系 恒星的赤道坐標固定不變：不依賴于觀測者的位置和時間只依賴于相對于北天極和天赤道的位置赤道坐標系的表示法：

26、赤經和赤緯東 赤緯赤緯 Declination (Dec) 地球的緯線在天球上的投影,常用表示 從天赤道開始至兩極 Dec 90，90 度向北由0度到 +90 度向南由0度到 -90 度 天赤道 = 0度 北天極 = +90度 南天極 = -90度赤經 Right Ascension (RA) 地球的經線在天球上的投影,常用表示 赤經的計算和地球經度（-180至180度）不同 因為地球的自轉導致時間自然追蹤天體的運動，（即恒星可以用來測量時間），所以時間是計量赤經的自然單位 赤經用小時、分和秒的時間單位來表示，并由西向東由0增加到“24小時”（“恒星日”為24小時 23小時56分）比太陽日的2

27、4小時短約4分鐘赤經的起點赤經的起點 赤經的計算起點為春分點，在天赤道上由西向東分為24小時，每小時又分為60分，1分再細分為60秒，. 地球“24小時”自轉一周360度 赤經“1小時”對應地球自轉15度赤道坐標系的例子赤道坐標系的例子 北極星 Polaris： RA = 2小時31分，Dec = 89 度15 分 天狼星 Sirius: RA = 6小時45分, Dec = 16度43分東東星圖南用時間表示赤經的含義用時間表示赤經的含義 如果某時某刻位于子午線上的恒星的RA=6，那么1,2,個小時后位于子午線上的恒星的RA=7,8, 對于赤經相差1小時的兩顆恒星，例如，RA2-RA1= +1小時：恒星1比恒星2早1小時通過你的子午線（上中天）如果不是拱極星，恒星1比恒星2早1小時從東方升起恒星時 sidereal time (為知道每個時刻一顆恒星相對于子午線的位置，定義恒星時：一個地方的“子午圈=赤經”與天球的春分點赤經=0之間的時角赤經差 ) 即：某地某時刻的恒星時等于此時此刻位于子午線上的恒星的赤經（天球上與子午