天文学之视运动

1、天文学导论,第,1,讲,天体的视运动,本讲内容,1.,2.,3.,4.,星座与星图,（自学）,月相、日月食（自学）,行星的视运动,（自学）,地球自转：,?,太阳的周日视运动,?,天体的周日视运动,5.,地球公转：太阳的周年视运动,6.,赤道坐标系：恒星时,7.,地球自转轴的进动：岁差，坐标改正,1,。星座与星图（自学）,?,古人运用幻想力把杂乱无章的星星用线连起来,构成,星座,，更为它们编织美丽动人的神话故事,?,每一个民族的星座划分和神话都不相同。,1929,年，国际天文联合会（,IAU,）正式把全天划分,为,88,个星座,，并清楚界定每一个星座的边界。,因此每颗星属于且只能属于一个星座,?

2、,星座只是天上一个一个的区域，并不表示每个,星座的星星之间存在一定的内在联系，例如以,引力而被束缚的一个系统。而且星座仅代表本,天区中较亮的星,星图,?,地图平放地上；星图高举过头仰望之,?,两者的东西方向相反（？）,?,星图种类,多多！,?,连线只为,方便辨认,?,大小不代,表体积而,表示相对,亮度,昴星团,M45,专业星图,?,昴星团,M45,2,。月亮（自学）,?,不变的脸：地球上的观测者无论何时都只能,“看到”月球的同一面即近地的一面,同步自转：,月球的自转,周期,=,月球,的公转周期,月相,Moon Phases,?,月球本身不发射可见,光，只反射太阳光,?,月相：地球人所看到,的月

3、球被太阳所照亮,的一半的大小,?,月亮的会合周期,(synodic period),（塑,望月）,-,新月到新月：,29.53,天,日月食,?,进入影子：由于月球在地球和太阳之间运动,?,日食：地球进入月球的阴影,?,月食：月球进入地球的阴影,?,Umbra,本影,:,太阳被完全遮,掩,?,Penumbra,半影：太阳被部,分遮掩,?,食的种类,?,全食,?,偏食,?,环食,地月距离在变化！,为什么每月不发生两次日月食？,?,月相暗示：似乎每个月应有一次日食（新月）,和一次月食（满月），但是日月食大约每,11,个,月才发生一次,?,这是因为月球的轨（白）道面和地球的轨（黄）,道面呈大约,5,度

4、的夹角,?,月相与食无关：,?,月相是阳光从不同的方向照射月球的结果，而食,是地球和月球通过对方影子的结果,食产生的条件,?,月球运动到地球的轨道（黄道）面且必须是严,格的新月或满月,?,通常当月球通过黄道面时并非新月或满月；或,者在新月或满月时月球通常不会通过黄道面,日食,Solar Eclipse,?,月球在黄道面且严格新月（初一），月球的影,子投到地球上,?,三类日食：,?,Total solar eclipses,日全食,?,Partial solar eclipses,日偏食,?,Annular solar eclipses,日环食,?,月球和太阳的视大小几乎相同,?,日全食,?,金

5、星凌日：,2004,年,6,月,8,日,日偏食，最常见,日全食奇景：钻石环,接,緣,會,光,能,示,近,日,丁,點,在,凹,點,。,見,到, 這,全,的,位,在,太,個,食,凹,漏,日,陽,現,的,凸,了,全,的,象,時,不,出,食,極,稱,候,平,來,前,小,為,，,，,，,的,部,鑽,由,部,形,一,分,石,於,月,球,的,邊,分,太,陽,光,線,成,不,連,續,的,刻, 我,們,只, 如,下,圖,所,環,（,贝利珠）,日,合,太,本,一,鐘,結,全,四,陽,非,般,左,束,食,野,表,常,來,右,時,，,面,暗,說,，,，,天,由,淡,，,接,天,上,於,的,日,著,昏,你,被,日,全,

6、鑽,地,可,月,冕,食,石,暗,看,球,這,過,環,，,見,完,時,程,復,宛,亮,全,清,約,現,如,星,掩,晰,維,，,暮,和,蓋,可,持,日,色,行,，,見,兩,全,朧,星,，,原,。,分,食,日全食奇景,Corona,日冕,Prominences,日珥,日环食,?,由于地球和月球的距离并不固定，所以在地球,看来，月球的角大小也会发生变化。有时，月,球虽处于能造成日“全”食的位置，但由于月,球的角大小不足以掩盖整个太阳，便出现如戒,指班的日环食,由于潮汐摩擦作用，月球正,渐渐远离地球，数万年后，,月球的视直径会变得很小，,届时地球上便再也不能看到,日全食了,Lunar eclipse,月

7、食,?,月球在黄道面且严格满月（十五），地球的影,子投到月球上,?,两类月食：,?,Total lunar eclipses,月全食：完全进入本影,?,Partial lunar eclipses,月偏食：部分进入本影,月全食全过程,?,红月亮曝光时间长,?,白点为背景星,?,月全食时月亮变为黄铜色或血红色，这是由于,地球大气中的尘埃颗粒折射阳光中的红光并到,达月球所致,日食和月食的持续时间,?,由于地球的影子远大于月球的影子，所以月,（全）食时间比日（全）食长得多,?,日全食最长持续,7.5,分钟，通常只有,3-4,分钟,?,月全食可持续大约,1,小时,45,分,?,月球的轨道运动和地球的自

8、转使得影子变得狭,长，因此每次日全食时世界上仅有很少地区能,看到,?,西,请“关注”近期中国日全食,?,2008,年,8,月,1,日（西北地区）,?,2009,年,7,月,22,日（长江流域）,?,2035,年,9,月,2,日（北京）,?,2010,年,1,月,15,日中国日环食,3,。行星的运动（自学）,?,除了“东升西落”，行星是在天球上四处游荡,（相对于背景星）的“星”,?,行星名称的由,来,?,其原因是行星和地球一样在绕日公转，造成和,地球相对位置的不断变化,内行星的运动,?,水星和金星的轨道在地球轨道之内,?,在地球上看来，它们和太阳形影不离,?,由太阳东面走到太阳西面（晨星），再回

9、到东,面（昏星）,?,由于靠太阳很近，只能在日出前或黄昏后看到,?,金星：天空中第三颗最亮的天体,?,晨星：日出前的金星,?,昏星：日落后的金星,金星：晨星和昏星,外行星的运动,?,火星、木星、土星、天王星和海王星,?,绕日公转，但轨道在地球轨道之外,?,在天球上相对于背景星的运动，基本上是由西,向东移动，称为顺行,?,由于地球公转速度较快，外行星有时被地球,“超过”，这时在地球上看来，它们在天球上,的运动完全倒转，变成自东向西，称为,逆行,?,外行星每次逆行数星期至数月不等，所以一夜,间不可能看到顺行和逆行的交替,?,内行星也有顺行和逆行,火星的顺行和逆行,东,西,4,。地球自转,?,天体周

10、日视运动,?,太阳每天东升西落,?,昼夜,?,夜晚,所有天体即星星（月球、行星和所有恒,星及其它天体）也都每天东升西落,?,天体的这类运动并非所有天体都眼巴巴地绕着,地球旋转，其实这是由于地球自转所造成的假,象，故称为天体的,周日视运动,天如张盖，笼罩四野,天顶,子午线,头顶的星空取决于你在地球,表,面,上,的,位,置,和,当,地,时,间,西,地平面（圈）,南,东,北,太阳的周日视运动,?,太阳每天东升西落，于当地正午通过子午线达,到最高点（上中天）,?,正午：太阳到达子午线，不是,12,点,?,太阳连续两次到达正午的时间为,24,小时，称为,一个太阳日（,the solar day,），即钟

11、表时间,*,时区,Time Zones,（自学）,*,Sunset,Sunlight,Midday,Earth,Midnight,Sunrise,*,为什么需要时区？,*,?,在任一相同时刻，地球上不同的地方有不同的,时间（相对于太阳）,?,在你东边的人早看到太阳到达子午线，而在你,西边的人则晚看到太阳到达子午线,?,经度每相差,1,度，太阳通过子午线（当地正午）,的时间相差,4,分钟,?,如果全世界用同一个时间，我们的时钟将不会,与太阳同步,?,如果每个城市都根据自己的正午制定时间，那,么事情将变得很复杂，你将忙于调整你的手表,时间,?,折衷且明智的办法：划分时区。全球分为,24,个,时区，

12、每个时区的经度宽度为,15,度，对应的时,差为,15,4 minutes/degree = 60 minutes =,1 hour,。每个时区采用本时区中央经度所对应,的时间,?,一个国家,/,地区通常采用一个时区,?,北京（东经,116,度,22,分）时间：东八区中央经度即,东经,120,度的时间,世界时,Universal Time (UT),?,天文事件通常用世界时（,UT,）,或,Coordinated Universal Time (UTC),，近似为,the local time for Greenwich,（,the,Greenwich Mean Time (GMT),格林尼治平

13、时）,?,世界时与本地时间的转换：,?,北京时间,=UT+8,小时,?,北京地方时和北京时间完全是两码事！,?,北京时间正午,12,点（东经,120,度）时，北京地方时（东经,116.5,度）即太阳时为,11,点,46,分，所以此时北京的太阳在子,午线以东约,3.5,度，再过约,14,分钟北京“真”正午,The Celestial Sphere,天球,北天极,天赤道,北极,把天空幻想为一个大水晶球，所有天体,包括太阳、月亮和星星等都镶嵌在天球,上，而地球则孤悬于天球的中央,南极,南天极,赤道,东,天体的周日视运动,?,地球自西向东自转，,造成天体每天东升,西落的错觉,拱极星：靠近南北天极，永不

14、落,北极星：最靠近北天极，似乎永远,静止不动,北极星（北天极）的高度,?,北极星（北天极）相对于地面的高度取决于观,测者所在的地理纬度，例如在北京，北极星在,正北离地面约,40,度高的位置,北京：,东经,116,度,22,分,北纬,39,度,58,分,地赤道,南北天极：不变的参考点,?,南北天极的高度等于观测者所在地的地理纬度,?,可幸的是，在北半球，在非常靠近北天极的地,方有一颗相当亮的星，即,北极星,，为我们指引,方向,?,在北半球有些星永远不会东升：居住在北半球,的人永远看不到接近南天极的星,?,居住在南半球的人永远看不到接近北天极的星,?,可惜的是，南天极附近没有亮星，所以没有,“南极

15、星”,为南半球居民指引方向（南十字座）,天赤道,不变的参考点,?,到天极的弧距离总是,90,度,?,所有恒星沿与天赤道平行的路径由东向西运动,（圆弧轨迹）,?,在地球上无论何时何地：,?,天赤道总是与地平面精确地相交于正东正西方向,?,总能看到,1/2,天赤道,?,在地球两极，天赤道,=,地平线,天顶、地平线和子午线：本地参考系,?,天顶和子午线的位置,不,随观测者的地平线移动,?,天顶总是与地平线成,90,度角,?,子午线由南到北平分半个天球,?,星星的位置相对于天顶和子午线在变：,?,天球在转动,?,观测者在地球上移动,?,任何通过子午线的天体都处于距离地平面的最,高位置（夜晚的星星，白天

16、的太阳）：,中天,?,天体的运行（圆弧）轨迹与地平面的夹角为：,?,90,度,-,观测者所在地理位置的纬度（,=,天赤道与地,面夹角）,在北极,天顶,=,北天极,NCP,头顶北极星,地,(,天,),轴,地平线圈,=,天赤道,所有星星沿与地平面平行,的圆轨迹运行，从不下落,在北京,! (40,N),=Latitude,纬度,90,度,-,纬度,在北京向东看,?,天体从东偏北方向升起,90,度,-,纬度,南,在北京向西看,?,天体向西偏北方向落下,90-,纬度,北,在北京向北看,?,可见北极星和拱极星,北天极,北极星,东,北极星（北天极）高度随地理纬度降低而,降低。星星环绕北天极转圆圈,北半球可见

17、的恒星视运动,北天极附近星星视运动轨迹,在地球赤道上,所有星在地平面,上,12,小时,所有星垂直于地,平面升起和下落,“可见所有星”,南半球的星空,?,自己想想！,英澳天文台,南天极附近星,星视运动轨迹,5,。地球公转,?,太阳周年视运动,?,在天球上，恒星的位置及其相对位置是“固定,不变的”,?,整个天球包括太阳一天转动一圈，但通过仔细,观察你会发现这个规律并不完全正确,1.,太阳每天都在星星中间向东缓慢游走,2.,每天晚上的任何特定时刻你所看到的每个,星星的位置（到子午线）也在缓慢变化,?,其实,2,正是,1,的结果！,答案是,?,太阳相对于恒星的移动是由于地球在绕太阳,公转：,?,每天晚

18、上看到不同的星星,?,假如白天能看到星星，太阳将有不同的背景星,When the Earth,is Here,When the Earth,is Here,these stars are,overhead at,midnight,these stars are,overhead at,midnight,黄道,ecliptic,?,太阳的周年视运动：地球的公转造成太阳在天,球上的位置时时刻刻,自西向东,移动，每年环绕,天球一周,?,太阳在天球上的视运动轨迹称为黄道,?,太阳向东缓慢移动（滞后于恒星）再回到原处,（相对于背景星）的周期为一年,365.24,天,?,共走了,360,度,?,太阳每天向

19、东移动大约,1,度, 2,个太阳视直径,恒星日与太阳日的图示解释,恒星日与太阳日,Sidereal and Solar Day,?,太阳日,=24,小时：太阳连续两次到达子午线的,时间,?,恒星日,23,小时,56,分：恒星连续两次到达子午,线的时间,?,一个恒星日比一个太阳日短约,4,分钟,?,?,结论：,相对于太阳日：恒星每天升起、上中天和,下落的时间都提前约,4,分钟,恒星回归原处的周期为一年：四季星空,?,恒星日是地球真实的自转周期，不随其绕太阳,公转而变化，均为,23,小时,56,分,?,一个特定星星一个月后升起的时间将提前约,2,个小时：,30 d,4,分钟,/,天,= 120,分

20、,= 2,小时,?,一年后这颗恒星将在同一时刻升起：,2,小时,x 12,月,/,年,= 24,小时,?,对于夜晚某给定时刻，例如冬季的一月夜晚，,观测者可见猎户座、金牛座等，但半年后，它,们将不可见，可见星座变为天蝎座等,黄道上的星座：黄道十二宫（,Zodiac,）,?,冬季星空：每年,一月太阳进入人,马座，晚上九时,金牛座、双子座,等高挂夜空,?,其它类推,?,北斗七星指季节,?,个人星座的定义,月球在天球上的视运动,?,月球相对于背景恒星也向东漂移（滞后于恒星）,但是月亮的漂移非常快，,24,小时大约,13,度,?,月球回到原处（相对于恒星）的周期约为,27.323,天，此为恒星周期（,

21、sidereal period,）,?,类似于太阳日大于恒星日，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：图解,新月,非新月,!,再次新月,*,熟悉的四季交替（自学）,*,?,一年有,4,个季节：春夏秋冬,?,温度变化,?,太阳从地平线升起和落下的位置（时间）随四,季在变化，这种变化在北极地区非常显著,?,原因,?,?,太阳辐射能力（）,?,日地距离（）,?,阳光入射角（,）,*,列子汤问：小儿辩日,*,?,季节的错误解释：日地距离的变化。地球公转,轨道近似为圆轨道，日地距离的微小变化改变,不了地球的温度（南北半球的季节不同）,Far from the

22、,Sun, the,planet,experiences,winter,Close to the,Sun, the,planet,experiences,summer,Not!,Elliptical orbit,* *,?,地球的自转轴与其公转轨道面（黄道面）不垂,直，成,23.5,度夹角,?,如果地球的自转轴和公转轴平行，就不会有季,节,!,Right Angle,*,季节的成因：地球公转,+,自转轴倾斜,*,?,一年中，地球的倾角不变，变化的只是地球和,太阳之间的相对位置,?,地球的倾斜造成太阳,的直射和斜射，从而形成一年四季的更替,当地球在右,上角时（近,日点），大,部分阳光直,射南半球

23、，,因而北京是,冬天,Right Angle,23.5 degrees.,* *,?,当地球在左下角时，大部分阳光直射北,半球，因而北京是夏天（远日点）,黄道与春、秋分，夏、冬至,(,节气）,?,天赤道与黄道面的,夹角为,23.5,度,?,相交的两点分别称,为春分点和秋分点,?,在黄道上距春分点,和秋分点最远处则,称为夏至点和冬至,点,黄道与春、秋分，夏、冬至,3. At the autumn (Sep 23),equinox the Sun is again,on the celestial equator.,2. At the summer (Jun 21),solstice the Su

24、n is north,of the celestial equator.,23.5 degrees,4. At the winter,(December 22),solstice the Sun is,south of the,celestial equator.,1. At the vernal (Mar 21),equinox the Sun is on the,celestial equator.,?,在地球绕日运动中,太阳东升和西落的,方位角不断变化,?,并造成一年一度四,季的更迭,6,。天球坐标系,?,恒星的视位置不仅随观测点而变化，也随观测,时间而变化,?,要找到一颗星你要把望远镜

25、指向哪里？,?,天球坐标系有助于快速找到你所要找的星,角距和角大小,?,在假想的天球上描述天体相对于参考点的距离,（即天体的坐标），天文学家使用“角距离”,而非长度单位（千米等）,?,两个天体之间的距离常用它们与观测者之间的,夹角表示，即角距,?,天体的大小则用天体两个边缘与观测者之间的,夹角表示，即角大小：以角度表示的视直径,角度、角分、角秒,?,一个圆周,=360,角度,?,1,角度,= 60,角分,?,1,角分,= 60,角秒,月亮看起来其,实比手指还小,主要天球坐标系,?,地平坐标系,?,地平面，天顶,?,赤道坐标系,The equatorial coordinate system,?

26、,地球赤道，北极，南极,?,天赤道为坐标平面，北,天极，南天极,?,黄道坐标系,?,地球绕太阳运动轨道平面为坐标平面，黄极,?,银道坐标系,?,银道面为坐标平面，银极,地球表面的经纬度,?,纬度,?,经度,?,本初子午线,（,格林尼治天文台）,?,赤道,?,南极,?,北极,?,纬度：从赤道面起算,?,到北极,0,90,o,北纬,?,到南极,0,90,o,南纬,?,经度：从本初经圈（定义零度经线）起算（通,过格林尼治天文台）,?,向东方向，东经,0,180,o,?,向西方向，西经,0,180,o,?,北京：东经,116,度,22,分；北纬,39,度,58,分,赤道坐标系,?,受到在地球表面用来表

27、,示地理位置的经度、纬,度坐标系的启发,?,把地球的经度、纬度投,影到天球上便成为天球,的赤道坐标系,?,恒星的赤道坐标固定不,变：,?,不依赖于观测者的位置,和时间,?,只依赖于相对于北天极,和天赤道的位置,赤道坐标系的表示法：赤经和赤纬,东,赤纬,Declination (Dec),?,地球的纬线在天球上的投影,常用,表示,?,从天赤道开始至两极,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,?,北天极,=,+90,度,?,南天极,=,-90,度,赤经,Right Ascension (RA),?,地球的经线在天球

28、上的投影,常用,表示,?,赤经的计算和地球经度（,-180,至,180,度）不同,?,因为地球的自转导致时间自然追踪天体的运动，,（即恒星可以用来测量时间），所以时间是计,量赤经的自然单位,?,赤经用小时、分和秒的时间单位来表示，并由,西向东由,0,增加到,“,24,小时”,（“恒星日”为,24,小时,?,23,小时,56,分）,?,比太阳日的,24,小时短约,4,分钟,赤经的起点,?,赤经的计算起点为春分点，在天赤道上由西向,东分为,24,小时，每小时又分为,60,分，,1,分再细,分为,60,秒，,.,?,地球“,24,小时”自转一周,360,度,?,赤经“,1,小,时”对应地球自转,15

29、,度,赤道坐标系的例子,?,北极星,Polaris,：,RA = 2,小时,31,分，,Dec = 89,度,15,分,?,天狼星,Sirius: RA,=,6,小时,45,分, Dec,=,16,度,43,分,东,星图,南,用时间表示赤经的含义,?,如果某时某刻位于子午线上的恒星的,RA=6,，,那么,1,2,个小时后位于子午线上的恒星的,RA=7,8, ,?,对于赤经相差,1,小时的两颗恒星，例如，,RA2-,RA1= +1,小时：,?,恒星,1,比恒星,2,早,1,小时通过你的子午线（上中天）,?,如果不是拱极星，恒星,1,比恒星,2,早,1,小时从东方升,起,恒星时,sidereal time,?,(,为知道每个时刻一颗恒星相对于子午线的位置，定,义恒星时：一个地方的“子午圈,=,赤经,”与天球的,春分点,赤经,=0,之间的时角,赤经差,?,),?,即：,某地某时刻的恒星时等于此时此刻位于子,午线上的恒星的赤经（天球上与子午线重合的,赤经）,?,赤经小于（地方）恒星时的恒星位于子午线以西,?,赤经大于（地方）恒星时的恒星位于子午线以东,?,地球上每个（经度）地方的恒星时与其经度有,关：相同时刻西边的地方恒星时,小于,东边的,恒