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阅读 17911 次 历史版本 7个 创建者:和sky做邻居 (2011/2/10 11:09:55)  最新编辑:贪狼 (2015/6/19 11:07:43)
天球坐标系
拼音:tiānqiú zuòbiāoxì (Tianqiu Zuobiaoxi)
英文:celestial coordinate system
同义词条:celestial coordinate system
天球坐标系模拟图
天球坐标系模拟图
  
 
  天球坐标系:把整个天空假想为一个巨大的天球,为了确定天球上某一点的位置﹐必须引入天球坐标系。在天文学上,表示天体位置的坐标系统有赤道坐标系,侧重于描述太阳系天体位置的黄道坐标系、侧重描述银河系天体位置的银道坐标系、描述某时刻天体相对于地面位置的地平坐标系等等。


  

天球赤道坐标系

  
  天球赤道坐标系:天文学上用赤经和赤纬这一对数值表示天体在星空中的位置,这个坐标系即为天球坐标系。在各种天球坐标系中赤道坐标系是最常用的,也是与我们关系最密切的。

  我们知道,在地球上表示一个地点要用到经度纬度这一对数值,这对数值叫坐标,地球上任何一个地点的坐标都是唯一的,绝不会重复。只要具备小学地理课常识就知道,地球坐标系是以地球赤道为基圈,地轴的南北两端为两极,以通过英国格林尼治天文台的连接南北两极的子午线(也就是南北线)为0度经线构成的坐标系统。同理,天文学上用赤经和赤纬这一对数值表示天体在星空中的位置,这个坐标系把整个天空假想为一个巨大的天球,地球处于这个球的中心,天球上密密麻麻地布满了星星,还有太阳行星等天体也运行其中。由于地球本身的遮挡,我们只能看到天球的一半,而另一半总是在地平线以下。天球的南北两极就是地球自转轴的无限延伸,一直延伸到与天球相交,这两个交点分别叫南、北赤极,也可以叫南、北天极(北天极大致就是现在北极星的位置)。把地球的赤道向外无限膨胀,一直与天球接触,形成一个大圆圈,叫天赤道(在不会引起与地球赤道混淆的场合也简称为赤道),这就是天球赤道坐标系的纬度基圈。天赤道以北赤纬为正值,天赤道以南赤纬为负值,这样天球坐标系的纬度系统就构成了。
  
天球赤道坐标系
   天球赤道坐标系
  天球的经度系统是以黄道从天赤道以南向北的交叉点(赤纬从负到正,也叫升交点)为0度,从北天极看过去逆时针度量360度,不过天文学上更习惯用时、分、秒的方式描述天体的经线数值,即每15度为1小时,每小时为60分,整个圆周正好24小时。赤经0度这个黄道与赤道的交点有一个专门的名称——春分点。这样,任何一个在天球上的天体σ的位置就可以用赤经α、赤纬δ这一对数值来表示了。

  现在你已经大致了解了天文学上最常用的一种表示天体位置的方法,这也是进入天文学大门的第一把钥匙,懂得这个坐标非常有用,至少你就能看懂普通的星图了。

天球赤道坐标系在时间计算和航海中的用途

  有了这个赤道坐标系,天上所有星星的位置就都有了唯一的赤经和赤纬,通过天体的赤经值,可以很方便计算出这个天体什么时候通过该地区的南北线。在天文学上,当地上空连接南北两个天极的这条正南正北线叫子午圈。也可以通过测量天体通过当地子午圈的时刻(这在天文学上称为中天)来核对当地时间。有了天体的赤纬值,也可以很方便的计算它在天空中的高度,或者通过它计算当地地理纬度。航海者使用的六分仪就是通过测量天体位置来计算地理位置的仪器。中国是世界上最早使用赤道坐标系描述天体位置的国家之一,当然,古代的方位系统不可能与现代坐标系完全一致,但基本思路是一致的

  有了天体的坐标,可以计算出任意时刻这个天体在地面观测者看来的位置,也就是它的地平高度(天体所在位置与地平线之间的相对于观测者眼睛的夹角)和方位角(天体所在地平经线与子午线的夹角),由于任意时刻位置计算需要很多时间系统的数据和球面三角学的知识,比较复杂,这里不再介绍。下面我们就可以通过一个最简单的例子看看如何运用恒星的赤纬值来计算它的地平高度。

地平坐标

  
  地平坐标:以地面上观测者为中心,以该点的地平圈为基本平面的天球坐标系

  地平坐标系中的基本圈是地平圈,基本点是天顶天底,天顶就是从中心做基本平面的垂线与天球的交点。就是我们仰头看到的天穹的中心,最高点。天顶的地平高度角是90°。方位角以南点为0°,西点为90°,北点为180°,东点为270°。地平高度角就是天体目标与观测者连线与地平面所成的小于90°的角。地平坐标系用方位角和地平高度角来表示天体的位置。对于地球的自转公转产生的周日视运动周年视运动恒星的方位角和地平高度不断变化

  天体都按照一定的轨道在天空旋转(周日视运动),从东方升起从西方落下,当升到最高时,也就到了正南方,这时我们称天体上中天,简称中天
 
地平坐标与赤道坐标比较
 地平坐标与赤道坐标比较
  我们前面说了,天极是地轴的延伸,我们可以设想一下,如果我们站在地球的北极点上,那么头顶中央应该是北极星,此时北极星的高度是+90度,我们所在的纬度也是90度,所有的星星都是在四周水平旋转,而不会落到地平线以下。当我们沿经线向南走,北极星就会越来越底,星空出现东升西落的现象。当我们到达赤道的时候,北极星已经在正北的地平线上了,此时北极星的高度是0度,地理纬度也是0度。如果我们再向南走,北极星就会落到地平线以下看不到了,而南天极附近的星空会在南部天空升起,可见天极的高度正好等于地理纬度。现在我们假设有一个天体σ正好在中天位置(正南方向),也就是在当地子午圈上,此时它的地平高度最高,也最容易计算。为了表示赤道坐标与地平坐标的关系,我画了一张比较直观的图。

  图中这个圆形就是天球,O是观测者的眼睛,SN是地平南北线,Z和Z‘分别是天顶和天底,P和P’分别是北、南天极,而与天轴PP‘垂直的平面X就是天赤道面。φ是北天极的地平高度,也就是当地地理纬度,而δ是天体相对与天赤道的张角,就是赤纬。现在我们要计算天体σ的地平高度h,从图中可以看出,经过很简单的推导,我们就可以得出:h=90-φ+δ。比如计算北京地区织女星中天的高度,织女星的赤纬是+38度,北京的地理纬度是+40度,于是我们有h=90-40+38=88度,也就是说当织女星中天的时刻,它位于我们的正南方88度高的位置,几乎就在头顶了。

黄道坐标系

黄道坐标系的圆圈系统

  
黄道坐标系
    黄道坐标系
黄道坐标系是同黄道相联系的,黄道的两个极点为黄北极和黄南极,黄道的辅圈为黄经圈,是一切连接黄北极、黄南极而垂直于黄道的大圆,其中通过二至点的为二至圈,通过二分点的为无名圈。黄道、无名圈、二至圈两两相互垂直把整个天球等分成八个内角和边都是90°的球面三角形。

黄道坐标系的三要素

  三圈:基圈—黄道;始圈—过春分点的黄经圈;终圈—天体所在的黄经圈。

   四点:极点—黄北极(K)、黄南极(K');原点—春分点;介点—天体所在的黄经圈同黄道的交点。

  二角:纬度—黄纬(β):天体相对于黄道的方向和角距离,以黄道为起点向北、向南两个方向度量,从0°~±90°,黄道以北为+、黄道以南为-;经度—黄经(λ):是天体所在的黄经圈相对于春分点的方向和角距离,是以春分点为起点,在黄道上按逆时针方向度量的,从0?~360?。

用途

  用于测定太阳、月球及行星的位置及视运动。

银道坐标系


  银道座标系是以太阳为中心,并且以银河系明显排列群星的平面为基准的天球座标系统,它的“赤道”是银河平面。相似于地理座标,银道座标系的位置也有经度和纬度。

  许多的星系,包括我们太阳和地球所在的银河系皆为盘状结构:我们能看到的多数银河系物质(除了暗物质)都紧挨着这个银道面。银河系本身也像地球一样有着自转轴,银道座标系利用本身特性来定义座标系统,也就是以太阳相对于银心(银河系中心)转动来决定银河系自转。

  在任何天球座标系都需要定义赤道和极点。银道座标系也一样,需要一条垂直于赤道的子午线作为银经的起点。经由国际会议决定银道坐标系的银纬和银经分别以b和l标示,银极的银纬(b)是90°(b=+90°或b=-90°)。银纬~0°的天体,就位在银河系的盘面(亦即银道面)上,也就是在银河座标的赤道附近。

  如此一来,银道座标系是在银道面及其自转的体系下划定天体位置,所以当这些天体随着银河系一起自转时,其座标位置是固定的,然而一旦这些天体不随着银河系自转时,就会造成相对位置的改变,其银道座标值也将随之改变。在银河系内的天体位置(具体说就是银道座标)会保持着相对稳定,但是对系外天体而言,因为并未随着银河系一起自转的关系,便会在银道座标系上产生显着的位置改变。例如考虑一个位置在银道面,并在自转轴后方的星系,也就是位置在银经l=180°。经过1亿1千万年,这个星系的位置将因银河系自转而变成银经l=0°(银纬不变)。因银道座标系是以银河系决定的座标系,在系外天体都会以银河系的自转周期,约2亿2千万年环绕银河系一周(不考虑星系自身运动)。
 

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