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第四章 天文坐标

一、关于坐标中心

我们一致认为在太阳系中八大行星围绕太阳系运动。因此我们常以太阳为中心来考虑问题,并建立以太阳或太阳系质心为中心的坐标系。这样,行星的运动显得非常有规律,行星(包括地球)运动的相关计算就比较容易一些。如果不以太阳为中心,而以地球为中心,我们会发现水星、金星的运动毫无规律,不可能是围绕地球做圆周运动,而是在太阳附近“摆动”。然而,我们不可能站在太阳上面进行天文观测,通常是站在地球上进行天文观测的,所以我们还需要一套以地球为中心的坐标系。因此,根据实际需要,有时我们使用“地心”坐标,有时候使用“日心”坐标,有时候使用以观测站为中心的坐标。

茫茫宇宙,无边无际——宇宙大得让我们难以想象。宇宙是球形的吗?我们很难说清楚这个问题,但是,进入我们视野的天空,就象一个“球”,我们称它为天球,我们位于天球的中心。这个球的半径有多大?半径很大很大,看成无穷大也无妨。太阳系内星体之间的距离根本不能与天球半径相比,如果把天球半径看为1,那么太阳系内星体间的距离可以看做0。

赤道的概念已被大家熟知。现在,我们扩展一下赤道的概念。赤道平面扩展到天球,与天球相交为一个大圆,这个圆称为天赤道。

不管以太阳为中心,还是以地球为中心,我们看到的天赤道是相同的,而恒星与天赤道的相对视位置关系也是一样的。为什么呢?因为,从几何学看来,太阳系的尺度太小,不能与天球半径相比,在太阳系中的任何一个地方,都可以看做天球的中心,所以,恒星之间的视位置关系以及它们与天赤道之间的视觉位置关系不会因为中心的改变而发生改变。

当然,恒星并不是真的在天球的表面上,个别恒星与我们之间的距离不是很远,所以,当观测点(即“中心”)改变时,它们的视位置也会有点变化,这就是我们常说的恒星周年视差。

地月质心公转的轨道面,同样可以扩展到天球,得到的交线也是个大圆,称为黄道。

虽然赤道与天赤道是不同的两个概念,但具体问题所涉及的是“天赤道”还是“赤道”往往是非常明确的(明显的),一般不会产生二意,所以通常“天赤道”也简称为“赤道”。

天赤道与黄道必然在天球上产生两个交点。一个称为“春分点”(太阳经过升交点),一个是“秋分点”(太阳经过降交点)。“春分点”是天球上重要的参考点。我们描述天体位置,通常是相对于这个参考点而言的。

在天球上,并没有一个恒星可以直接用来标定春分点的位置,它是看不见也摸不着的,我们如何确定它的位置?有一种方法是:通过数以千计的恒星位置,反推出春风点在天球上的位置,我们常说的FK5天球坐标系统就与它有关。还有其它方法可以确定春分点,比如动力学方法。由于所用的方法不同,得到的春风点也会有一些微小的差别。在高精度计算中这些微小的差别是必需考虑的。

地平线——天地的交线,它又是一个圆。圆中心位于观测点。考虑到天球很大,我们可以把圆(以及圆中心)平移到地心或日心,这样,黄道、赤道、地平线的中心就相同了。也许你会问,平移后,会不会影响日月或恒星在地平坐标中的位置?当然会有一点影响,对恒星的影响可以忽略,对太阳的影响的比较大,对月亮的影响则很大,不过我们可以通过视差修正的方法来解决问题。

二、黄道坐标与赤道坐标

当我们在天球上标定了赤道、黄道、分点之后,就可得到了两种基本坐标,即赤道坐标和黄道坐标。

不管是赤道坐标还是黄道坐标,都有两种基本的坐标形式,即直角坐标和球面坐标,二者可以通过几何方法转换。这里重点讲述球面坐标。经过坐标中心,作直线垂直于黄道面,交于天球上两点称为黄级(一点在北,一点在南),这条直线称为黄轴,经过黄轴并与天球相交的大圆称为黄经圈,其中经过春风点的黄经圈的度数是0或360、720度等,黄经圈的度数称为黄经,自西向东测量。天体中心与坐标中心的连线与黄道面之间的夹角叫做黄纬(在-90度到+90度之间,黄道以北为正)。同样方法还可以定义赤经、赤纬、自转轴、天北极、天南极。赤经的起算点也是春风点,自西向东测量。

我们接着来看日、地在黄道坐标中的运动。以太阳系中的任意一点为天球的中心都不影响分点及黄道位置,当天球中心为太阳时,太阳本身的直角坐标变为零,没有经纬度,但可以得到地球的经纬度,此时,如果跑到地心看太阳,可以得到太阳的经纬度,这两个经纬度正好相反(日地连成的直线与天球相交的两点正好完全相反):太阳经度 = 地球经度+180度,太阳纬度 = -地球纬度。

三、子午圈与时角坐标

经过本地天顶的赤经圈称为本地子午圈。其中经过天顶到天北极和天南极的半圈为午圈,另半圈为子圈。

时角坐标系与赤道坐标的差别在于经度的起算点不同,它的起算经度从午圈开始,向西为正。时角坐标系的经度称为时角。纬度的含义与赤纬相同。

四、恒星时

地球不断的自转着,天球子午圈时刻不断的变化着,我们必须找到适当的方法来标定子午圈在各时刻的位置。本地恒星时的定义是一个地方的子午圈与天球的春分点之间的时角,各地方的经度不同,所以子午圈不同,因此地球上每个地方的恒星时都与它的经度有关。恒星时的参考点是春分点,所以春分点的变化也将对恒星时产生影响。由于地球的章动春分点在天球上并不固定,而是以18.6年的周期围绕着平均春分点摆动(赤经章动)。因此恒星时又分真恒星时和平恒星时。真恒星时是通过直接测量子午线与实际的春分点之间的时角获得的,平恒星时则忽略了地球的章动。真恒星时与平恒星时之间的差异最大可达约0.4秒。

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