[科普中国]-天穹形状

简介

如果我们在开阔的地方注视天穹，就可以发觉，我们所看到的天穹不是半球形，却是略呈拱起的形状。

先用肉眼来估计天顶与地平线间距离的中点，或者我们所认为的位于地平线之上高度为45°的那一点；然而无论用什么量角仪器测量一下这一点的位置，那我们将亲眼看到这一点的高度并没有45度，而只有22°左右。

天穹与天球根据日月星辰的东升西落，可以推断有一个完整的球面把地球包围着，把直接看见的与地平线相接的半个球面称为“天穹”，把包围地球的整个球面叫做“天球”。天穹是天球的一部分，为半球、扁球，天球为整球、圆球。天球是一个虚拟球面，其含义是：假定以地球为球心，以无穷远为半径的一个遐想的球体。

天穹扁平率位于地平线附近的点，我们看来比位于头顶上（天顶）的点，距离观测员要远2-3倍。

右图中字母α表示的角，或是Ob与O3的比值，可以作为天穹扁平率的量度。只要量出α角后

α角越大，天穹的扁平率愈大。下表表示的是α角与扁平率Ob：O3之间的关系：

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只要量出α角后，就能按照上表来确定天穹的扁平率。1

视天穹与实际天穹实际天穹与我们感觉到的天穹情况如右图所示。天穹上各点的视高度位于弧A3b上，而实际高度却在半圆周上。天穹上各点的实际高度与视高度之间的关系如下：

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根据该表可以作出一系列有助于气象观测员实际工作的非常重要的结论。表中的数据表明，进行观测时，我们往往过高地估计了所见目标物的高度。例如，如果有个别云块实际位于高度5°处，而观测员记作云块位于高度13°处。对于高度为15°的云。观测员估计成34°等等。

在中纬度的正午时分，我们看到的太阳几乎在天顶，其实它的真正高度为60°左右。观测极光与流星时，我们也总是过高的估计了它们的高度。1

天穹扁平的原因如果云主要分布在地平线附近，那么在按照十成制估计云量时，我们往往将云量估计得过多。主要原因在于当我们向上看时，如果不把头往后仰，那么目标物看似比位于水平方向上的同样的目标物缩短一些。例如一颗砍倒的树木，看起来好像比长在地上的要长些。这是因为沿着水平方向，由于有空气远景的作用，物体被遮上一层雾色，看起来较为昏暗，因而也就显得遥远，而沿着垂直方向的空气则较为透明。

除此之外，目光向上看时遇不到什么物体，而沿着水平方向，视线必然会遇到大量物体，其中也有很远的，这样就造成地平线距离增大的印象，也就构成天穹扁平的概念。1

影响季节如果每天测量天穹上我们看来是位于天顶到地平线中点的角度α，那么我们将会发现这个α角是可以随着不同天气情况和季节，在18°到32°的范围中变化的。

α角的各季节平均值如下：

春季—20.4°；夏季—21.5°；秋季—22.0°；冬季—20.7°；

人们尚未对天穹的扁平率，特别是它与天气变化的关系，进行过有系统的观测。1

太阳和月亮地平线附近的太阳和月亮比在较高处时要大些，这是由于天穹在我们看来是扁平的缘故。我们可以把天穹看成一个大银幕，观测员所看到的就仿佛是已投影到银幕上的星球。假如天穹不是扁平的，那么距离观测员一样的星球，大小就应当相同。

观测的结果证明，当太阳和月亮在地平线附近时我们看到的大小可以把它们处于较高位置时大两倍。1