[科普中国]-球面天文学-

简介

球面天文学是研究天体测量学、天体力学、恒星天文学和星系动力学等分支学科所必需的基础理论之一。球面天文学的具体研究内容一般包括：①天球坐标系的建立，天体的视运动；②视差、大气折射和光行差的理论及其应用；③岁差和章动对天体位置的影响；④以地球自转和公转周期为基础的时间计量系统（世界时和历书时）的建立原理和力学基础；⑤天体视位置的归算方法。1

研究概述天体测量学的分支学科。研究各种天球坐标系及时间系统的建立和转换。在天文学、大地测量学和宇宙航行等领域，必须计量天体(包括人造天体在内)的位置和运动，这种计量要以建立在天球球面上的某种坐标系为参考。运用一定的数学方法研究投影在天球上的天体位置及其因各种天文、气象或物理因素引起的变化是球面天文学所要解决的问题。

内容具体研究内容大致包括：①各种时间计量系统的建立。②各种天球坐标系的建立和相互关系。③大气和地球运动对天体观测位置的影响，即大气折射、视差和光行差。④天体位置的广义相对论改正。⑤各种归算方法及其精度的探讨等。是研究天体测量学、天体力学、恒星天文学、星系动力学和实测天体物理学等分支学科所必需的基础理论之一。

球面天文学也称为位置天文学，是天文学的一个分支，用于确定在任何一个日期和时间由地球上的任意地点所看见的物体在天球上的位置。这是天文学最古老的分支之一，依靠数学的球面几何学和测量的天体测量学为工具。

主要元素球面天文学的主要元素是坐标系统和时间。天体在天球上的位置最常使用赤道坐标系统，是以地球赤道在天球上的投影为基础建立的。天体在这个系统内的位置以赤经（α）和赤纬（δ）来标示，相对于地点和时间的位置则可以使用地平坐标系统以高度和方位来表示。

在星表中胪列出来的星系和恒星的位置，都是在特定年份中的位置。由于岁差和章动的双重影响，会使天体的位置随着时间而改变，而这些与地球的运动有关的位置改变，都会在周期性的出版品上予以修正。

天体历是确认太阳和行星位置使用的参考表，其中列出了这些天体在特定时间于天球上的位置，可以经由适当的转换得到在其他坐标中的位置。2

行星相互特定的位置合：从地球上观察两个天体在天球上黄经相同，主要标示太阳系中各天体的相对位置。

黄道面：地球绕行太阳的轨道平面，行星也都在黄道面的附近绕行太阳。

距角：由观测者所在位置测量行星和系统中心所夹的角度，通常这个中心就是太阳的位置。

外行星与内行星：轨道在地球内侧比地球更靠近太阳的行星称内行星（水星和金星）；在外侧，轨道比地球轨道更大的称外行星。

凌日：内行星在内合的位置在太阳前方经过的现象。

研究具体内容球面天文学研究的具体内容有：

(1)天球坐标系的建立，天体的视运动。天文坐标系是建立在天球上、与地球形状和大小无关的坐标系。它以地球自转轴为极轴，极轴延伸与天球的交点为天极，经过地心并同极轴垂直的面为赤道面，赤道面延伸与天球相交的大圆为天赤道；观测者的地方铅垂线为天顶方向，它是天文坐标系的基本方向；天顶方向和天球赤道面的夹角称为天文纬度ᵠ; 经过天极和天顶方向的平面为天文子午面，某地天文子午面与本初子午面之间的两面角称为天文经度λ。天文坐标是二维球面坐标系。为了测定天文经纬度，必须观测天体。在测定天文经纬度时，使用的仪器有：中星仪、棱镜等高仪、天顶仪和照相天顶筒。为了建立天文大地网的天文经纬度，大多用全能经纬仪测定。

天体的视运动是地面观测者直接观测到的天体的运动。天体在作周日视运动时，经过天球上一些特殊的圈(包括大圈和小圈)或点，这些现象在天体测量工作中具有重要意义。

(2)视差、大气折射和光行差的理论及其应用。视差是观测者在两个不同位置看到同一天体的方向之差。测出天体的视差，就可以确定天体的距离。天体视差测量是确定天体距离的最基本的方法。天体射来的光线通过地球大气层，受到大气的折射，这种现象和由此引起的折射量统称为大气折射。大气折射使天体向天顶方向偏折，在天体测量工作中必须修正大气折射的影响。在同一瞬间，运动中的观测者所观测到的天体的视方向与静止的观测者所观测到的天体的真方向之差，称为光行差。在天体测量时应消除光行差对测量精度的影响。

(3)岁差和章动对天体位置的影响。

在外力作用下，地球自转轴在空间并不保持固定的方向，而是不断地变化。地轴的长期运动称为岁差，而其周期运动则称为章动。岁差和章动引起天极和春分点在天球上的运动，对恒星的位置有所影响。

(4)以地球自转和公转周期为基础的时间计量系统(世界时和历书时)的建立原理和力学基础。

(5)天体视位置的归算方法。3

天体测量学研究和测定天体的位置和运动，建立基本参考坐标系和确定地面点的坐标的科学。天文学中最先发展起来的分支。天文学、地学、测量学交叉形成的学科。

天体测量学的起源可以追溯到人类文化的萌芽时代。远古时候，为了指示方向、确定时间和季节，先后创造出日晷和圭表。对星空划分出星座、编制出星表。早期天文学的主要内容就是天体测量学。天体测量的资料，为天体力学的建立创造了重要条件。在航天时代，天体测量技术的提高与天体力学方法的改进，更是相辅相成，互相推动。

天体测量学的内容包括确定天体的位置及其变化，包括球面天文学、方位天文学、实用天文学、天文地球动力学。

天体测量的手段，已从可见光观测发展到射电波段、红外、紫外、X射线和γ射线波段的观测；在观测方式上已由测角扩展到测距；观测所在地已由固定天文台发展为流动站、全球性组网观测以及空间观测；观测精度不断提高，角度测量已由十分之一角秒、百分之一角秒提高到千分之几角秒；对距离的测量，准确度已由公里级达到厘米级；观测的天体由明亮的恒星扩展到星等更暗的光学恒星、星系、类星体、射电源、红外源和X射线源。

现代天体测量学不但能以厘米级的精度完成实用天文学的任务，建立更理想的基本参考坐标系，进一步推动天文地球动力学的研究，而且还能为天体物理学、天体演化学和宇宙学的研究提供十分丰富的基础资料。