第一章 天球坐標與時間

1、 第二章北京師范大學天文系北京師范大學天文系張燕平張燕平天文觀測知識天文觀測知識 天文奧賽輔導天文奧賽輔導今晚，我們能觀測到這顆星嗎？今晚，我們能觀測到這顆星嗎？ 這是一個需要做出回答的重要問題，是和觀這是一個需要做出回答的重要問題，是和觀測絕對有關的。只有當下面四個問題的答案都測絕對有關的。只有當下面四個問題的答案都是是“肯定肯定”時，才能對這個問題做出肯定的回時，才能對這個問題做出肯定的回答。答。 1. 天氣適合觀測嗎？天氣適合觀測嗎？ 2. 考慮我們擁有的觀測設備的觀測能力，這顆星考慮我們擁有的觀測設備的觀測能力，這顆星足夠亮嗎足夠亮嗎? 3. 天足夠黑嗎天足夠黑嗎? 4. 這顆星在地平

2、線以上足夠高嗎？這顆星在地平線以上足夠高嗎？ 內(nèi)容內(nèi)容n第一章第一章 天球坐標系天球坐標系n第二章第二章 時間與歷法時間與歷法n第三章第三章 天文望遠鏡天文望遠鏡n觀測觀測n題解題解 第一章第一章天球坐標系天球坐標系n在晴朗的夜晚，仰望天空在晴朗的夜晚，仰望天空,眼前像有一個眼前像有一個半球形的夜幕天穹半球形的夜幕天穹,上面點綴著無數(shù)閃爍上面點綴著無數(shù)閃爍發(fā)亮的明星，感覺自己仿佛是處在這個發(fā)亮的明星，感覺自己仿佛是處在這個天穹的中心天穹的中心,這就是人們對這就是人們對“天球天球”的印的印象。天文學家為了研究天體的位置和天象。天文學家為了研究天體的位置和天體的運動引入了體的運動引入了“天球天球”

3、的概念和天球的概念和天球坐標。坐標。1.1 天天 球球地理坐標緯度緯度()()：赤道以北為正、以南為負：赤道以北為正、以南為負 （范圍：（范圍：- 90 - 90 90 90 ）經(jīng)度經(jīng)度()()：英國格林尼治本初子午線：英國格林尼治本初子午線(= 0(= 00 00 0 )，以東為正，以西為負（范圍：以東為正，以西為負（范圍：-180-180180180； 有時也可能用有時也可能用0 0360360表示）表示） 和和表示角分和角秒表示角分和角秒 hh、m m、s s表示時間中的小時、分鐘、秒表示時間中的小時、分鐘、秒 地理坐標用法的示例：地理坐標用法的示例： 北京：北京： = +39= +39

4、5727= +42.36065727= +42.3606 = 116= 1162736=7h45m22.4s 2736=7h45m22.4s 天球是一個天球是一個假想的球，假想的球，它是以觀測它是以觀測者（或地心、者（或地心、日心）為中日心）為中心，以無窮心，以無窮遠為半徑的遠為半徑的球，所有天球，所有天體都投影在體都投影在這個球面上。這個球面上。天球天球天球特點：天球特點：1、與直觀感覺相符的科學抽象，半徑可任意選取、與直觀感覺相符的科學抽象，半徑可任意選取2、天體在天球上的位置只反映天體視方向的投影、天體在天球上的位置只反映天體視方向的投影3、天球上任意兩天體的距離用其角距、天球上任意兩天

5、體的距離用其角距(對天球球心對天球球心的張角的張角)表示表示4、地面上兩平行方向指向天球同一點、地面上兩平行方向指向天球同一點5、任意點為球心、任意點為球心south celestial poleSCP 南天極南天極north celestial poleNCP 北天極北天極 天球的軸是地球天球的軸是地球自轉軸的延伸，自轉軸的延伸，叫天軸，天軸與叫天軸，天軸與天球有兩個交點，天球有兩個交點，叫作叫作天極天極,地球北地球北極延伸的點叫極延伸的點叫北北天極天極,地球南極延地球南極延伸的那個點叫伸的那個點叫南南天極天極。 1.2 天球上的基本點圈天球上的基本點圈1 1、天極與天赤道、天極與天赤道so

6、uth celestial polenorth celestial polen我們能想象我們能想象天球有一個天球有一個“天赤道天赤道”n我們能想象我們能想象天球有一個天球有一個“天赤道天赤道”south celestial polenorth celestial pole 這是地球這是地球赤道赤道的擴展的擴展我們也能在天球上畫我們也能在天球上畫出假想的經(jīng)度線出假想的經(jīng)度線( longitude)south celestial polenorth celestial pole和緯度線和緯度線 (latitude)(latitude)相應的天球坐標是：相應的天球坐標是：經(jīng)度經(jīng)度 赤經(jīng)赤經(jīng)right

7、 ascension (RA)緯度緯度 赤緯赤緯declination (dec)平行天赤道的天球平行天赤道的天球上的小圓圈叫上的小圓圈叫緯圈緯圈垂直赤道并且過兩垂直赤道并且過兩個天極的大圓圈叫個天極的大圓圈叫經(jīng)圈或時圈經(jīng)圈或時圈。2 2、天頂、天底和真地平、天頂、天底和真地平天頂：天頂：Z Z 過天球中心過天球中心做一直線與觀測點的做一直線與觀測點的鉛垂線平行，交天球鉛垂線平行，交天球于兩點，位于觀測者于兩點，位于觀測者頭頂?shù)囊稽c稱天頂。頭頂?shù)囊稽c稱天頂。天底：天底：Z Z 與天頂相對與天頂相對的另一交點為天底。的另一交點為天底。真地平：過天球中心做真地平：過天球中心做一與鉛垂線垂直的平一與

8、鉛垂線垂直的平面，與天球相交的大面，與天球相交的大圓為真地平。圓為真地平。ZZNSWEnLooking up, this northern hemisphere observer will see:地平線地平線北極星北極星Polaris, 位于北天極位于北天極注意星圖上注意星圖上東東,西的位置西的位置NSWhorizon從地平北點，通過從地平北點，通過天頂，到地平的南天頂，到地平的南點，這條假想的線點，這條假想的線稱為：稱為：天頂天頂“天子午線天子午線”天子午圈：過天極和天頂?shù)拇髨A。天子午圈：過天極和天頂?shù)拇髨A。卯酉圈：過天頂和東西卯酉圈：過天頂和東西點所做的大圓弧。點所做的大圓弧。NSWho

9、rizon天頂天頂E3. 3. 黃道與黃極黃道與黃極黃道：過天球中心做一與黃道：過天球中心做一與地球公轉軌道平面平行地球公轉軌道平面平行的平面為的平面為黃道面黃道面，與天，與天球相交的大圓為球相交的大圓為黃道黃道。黃極：黃道所對應的兩個黃極：黃道所對應的兩個極點。極點。黃赤交角：黃道與赤道黃赤交角：黃道與赤道的交角的交角 23.55、二分點、二至點 二分點：二分點： 黃道與天黃道與天赤道的兩個赤道的兩個交點。交點。 春分點春分點( (升升交點交點) )； 秋分點秋分點( (降降交點交點) )二至點：二至點： 黃道上與二分點相距黃道上與二分點相距90的另兩個點：的另兩個點：夏至點夏至點(天赤道以

10、北天赤道以北)；冬至點冬至點(天赤道以南天赤道以南)春分點春分點秋分點秋分點夏至點夏至點冬至點冬至點北天極北天極黃道 1.3 1.3 天球坐標天球坐標 地平高度地平高度( (alt) h h ： 由真地平沿過天體的地平由真地平沿過天體的地平經(jīng)圈向天頂量度經(jīng)圈向天頂量度(0(0- - 9090) ) 天頂距天頂距z z: : z z 9090h h 方位角方位角 A A ( (AZAZ) ): : 起始點：北點起始點：北點 由北點沿真地平順時針由北點沿真地平順時針( (左手坐標系左手坐標系 ) )度量到過度量到過天體的地平經(jīng)圈天體的地平經(jīng)圈(0(0-360)-360)一、地平坐標一、地平坐標 基

11、本點：北點基本點：北點 基本圈：真地平基本圈：真地平天體的方位與高度天體的方位與高度天體地平高度天體地平高度h天體方位角天體方位角A地平坐標是一個簡單的坐標系，但它依賴地平坐標是一個簡單的坐標系，但它依賴于觀測者所在的地面位置，位置不同，地于觀測者所在的地面位置，位置不同，地平線也不一樣，地平坐標具有強烈的平線也不一樣，地平坐標具有強烈的“地地方性方性”。我們可以使用天球的概念，來建立另一我們可以使用天球的概念，來建立另一種天球坐標系，這種坐標系不依賴于觀種天球坐標系，這種坐標系不依賴于觀測者所在的地面位置測者所在的地面位置二、時角坐標（第一赤道坐標系）二、時角坐標（第一赤道坐標系） 赤緯赤緯

12、 ： 由天赤道沿過天體的由天赤道沿過天體的赤經(jīng)圈向兩極方向度赤經(jīng)圈向兩極方向度量量(0(0- - 9090) ) 時角時角 t t ： 起始點：子午圈與天起始點：子午圈與天赤道南邊的交點赤道南邊的交點QQ。 由起始點沿天赤道順由起始點沿天赤道順時針量至天體所在赤時針量至天體所在赤經(jīng)圈（經(jīng)圈（0 0h h2424h h）基本點：基本點：子午圈與天赤道南邊的交點子午圈與天赤道南邊的交點QQ基本圈：基本圈：天赤道天赤道南南 赤緯赤緯 用度用度, 分分, 秒來測量，位于天赤道的上秒來測量，位于天赤道的上下兩面，上為正，下為負。例如，靠近北天下兩面，上為正，下為負。例如，靠近北天極的恒星，其赤緯接近極的

13、恒星，其赤緯接近 +90, 而靠近南天而靠近南天極的恒星，其赤緯接近極的恒星，其赤緯接近- 90. 時角時角 用小時，分，秒來度量用小時，分，秒來度量, 因為恒星兩次因為恒星兩次出現(xiàn)在天空中同一位置的時間間隔大概需一天出現(xiàn)在天空中同一位置的時間間隔大概需一天(24h)(1 degree = 60 arcmin, 1 arcmin = 60 arcsec)可證明，地球上任何觀測點的天極高度等可證明，地球上任何觀測點的天極高度等于當?shù)氐牡乩砭暥扔诋數(shù)氐牡乩砭暥萵 在同一地點有： 天極的高度(hp) =地理緯度() =天頂?shù)某嗑?Z)；n人們正是根據(jù)這一原理來測定所在地的緯度。 當?shù)氐牡乩砭暥鹊扔诒?/p>

14、極星的高度北京地區(qū)地北京地區(qū)地理緯度理緯度4040北京地區(qū)北北京地區(qū)北極星的地平極星的地平高度高度h 4040在北極，北在北極，北極星的地平極星的地平高度高度 = ?在赤道上，北極星的地平高度在赤道上，北極星的地平高度 = ? 赤緯赤緯：同：同時角時角坐標坐標 赤經(jīng)赤經(jīng)： 起始點：春分點起始點：春分點 由春分點沿天赤道由春分點沿天赤道逆時針方向逆時針方向( (右手坐標右手坐標系系) )量至天體所在赤經(jīng)量至天體所在赤經(jīng)圈（圈（0 0h h 24 24h h) ) 春分點的時角：春分點的時角： t tr r ( (t t) )三、赤道坐標（第二赤道坐標系）三、赤道坐標（第二赤道坐標系）基本點：基本

15、點：春分點春分點(位于白羊座位于白羊座 ) 基本圈：基本圈：天赤道天赤道SWEhorizonN我們能填加恒定的我們能填加恒定的赤經(jīng)線赤經(jīng)線 right ascension (RA)和和赤緯線赤緯線(dec) 因春分點本身也在作周日運動，它相對因春分點本身也在作周日運動，它相對于天體而言，基本上靜止不動。于天體而言，基本上靜止不動。因此一顆恒星的赤道坐標基本不變，可表因此一顆恒星的赤道坐標基本不變，可表示為示為: 12:52:03, - 47:34:43意思為：意思為：赤經(jīng)赤經(jīng)(RA) = 12 h 52 m 3 s, 赤緯赤緯(DEC) = - 47o 34 43”赤經(jīng)也用小時，分，秒來度量赤

16、經(jīng)也用小時，分，秒來度量, 因為恒星因為恒星出現(xiàn)在天空中同一位置大概需一天時間出現(xiàn)在天空中同一位置大概需一天時間織女星（天琴座），在以1986.5年的天赤道和春分點建立的坐標系中的坐標值為： 需要注意的是：從長周期的運動來講，天赤道需要注意的是：從長周期的運動來講，天赤道和春分點相對于恒星不是固定不變的（因為春和春分點相對于恒星不是固定不變的（因為春分點存在著一種緩慢的運動現(xiàn)象，叫分點存在著一種緩慢的運動現(xiàn)象，叫“歲歲差差”）。因此，天球坐標系所參考的天赤道和）。因此，天球坐標系所參考的天赤道和春分點是某一特定日期特定時刻（如春分點是某一特定日期特定時刻（如2000.0年年或或1950.0年）

17、的天赤道和春分點。年）的天赤道和春分點。 四、黃道坐標四、黃道坐標基本點：春分點基本點：春分點基本圈：黃道基本圈：黃道 黃緯黃緯：由黃道沿過天體的黃經(jīng)由黃道沿過天體的黃經(jīng)圈向兩邊度量圈向兩邊度量（0 09090）黃經(jīng)黃經(jīng) ： 由春分點沿黃道逆由春分點沿黃道逆時針量至天體所在黃時針量至天體所在黃經(jīng)圈與黃道的交點經(jīng)圈與黃道的交點（0 0360360) )2.4 天體的周日視運動天體的周日視運動 由于地球是自西向由于地球是自西向東自轉，由相對運動東自轉，由相對運動原理，人們不覺地球原理，人們不覺地球在運動，卻看到所有在運動，卻看到所有天體都圍繞著天軸天體都圍繞著天軸(地球自轉軸的延伸地球自轉軸的延伸

18、)自東向西運動，自東向西運動，24小小時運轉一周，這就叫時運轉一周，這就叫天體的周日視運動。天體的周日視運動。天體的周日視運動天體的周日視運動對著北天極對著北天極附近天區(qū)連附近天區(qū)連續(xù)曝光，可續(xù)曝光，可看到恒星周看到恒星周日視運動的日視運動的軌跡軌跡 這是北天恒星這是北天恒星周日視運動的照周日視運動的照片。每條弧線都片。每條弧線都是一顆恒星穿過是一顆恒星穿過夜空的軌跡。圖夜空的軌跡。圖(a)(a)的曝光時間的曝光時間約為約為1 1小時，圖小時，圖(b)(b)約為約為5 5小時。小時。 在地球在地球的南、北的南、北極地區(qū)看極地區(qū)看到所有天到所有天體都平行體都平行于地平圈于地平圈做圓運動，做圓運動

19、，在北極只在北極只看到北半看到北半天球的星，天球的星，永遠看不永遠看不到南半天到南半天球的天體，球的天體，不同緯度不同緯度處的天體處的天體視運動：視運動： 在 地 球在 地 球赤道地區(qū)赤道地區(qū)看到所有看到所有天體都垂天體都垂直于地平直于地平面做圓運面做圓運動動,可看到全可看到全天球的天天球的天體。體。 在 中 緯在 中 緯地區(qū)看到地區(qū)看到的天體的的天體的周日視動周日視動地理緯度地理緯度越高越高,天極天極離地面越離地面越高高,可看到可看到的南半天的南半天球的星就球的星就越少。越少。n south celestial polenorth celestial pole一個地球表面的觀測者一個地球表面

20、的觀測者看到地平線以上的看到地平線以上的夜空夜空但看不到地平線下但看不到地平線下面的面的observers horizon因此這個觀測者能看因此這個觀測者能看到北天極和大部分天到北天極和大部分天空空(隨著地球的自轉隨著地球的自轉),但看不到靠近南天極但看不到靠近南天極附近的南部天空。附近的南部天空。永不上升與永不下落天體永不上升與永不下落天體1 1、永不下落天體：、永不下落天體： （9090） 永不上升天體：永不上升天體：（9090） 2 2、地理緯度越高，、地理緯度越高，這類天體越多：這類天體越多： 極區(qū)：各半；極區(qū)：各半； 赤道：無赤道：無在北京，北極星的高度約在北京，北極星的高度約40度，度， =40 50 ，永永不下落，不下落， 5050，永不上升，永不上升永不上升永不上升永不下落永不下落天體的中天天體的中天 1 1、上中天：在天極以南過子午圈。、上中天：在天極以南過子午圈。 2 2、下中天：在天極以北過子午圈。、下中天：在天極以北過子午圈。1 1、上中天：、上中天：