《天文基础知识》

第二章 天体视运动

第二节 天球赤道坐标系和地平坐标系

了解了天球之后，我们要建立天球坐标系才能够精准地描述天体视运动。无论你之前基础如何，大家一定都有注意到这个现象：太阳、月亮地东升西落，引起这个现象的主要原因是地球自西向东的自转，根据相对运动，我们看到太阳、月亮自东向西“绕地球”旋转，也就是天球在围绕极轴自东向西每24小时旋转一圈。说到这里你是不是感觉很熟悉？（是的，没错，地心说）这与地心说有些类似但存在本质区别，天球的存在和天球赤道坐标系的建立都是为了研究天体视运动而建立的模型，而地心说则是把天体视运动当作天体实际运动，以地球作为参考系来研究宇宙中其他天体的运动。

一、赤道坐标系

接着说天球赤道坐标系，天球绕天轴24小时转一圈，其实就是说我们看到的星星自东向西绕地球一周（从我们的视角看）。

接下来有一些事情需要你去做：

在天球上找到春分圈，并以春分圈与天赤道的交点为起点，自西向东划为24h，确定赤经，以天赤道为基准向北为正向南为负，确定赤纬；这样就能用赤经和赤纬这组数据对天上星体进行定位。比如织女星，赤经:18h36min56.3s 赤纬:+38°47′1.0〃

到这里天球赤道坐标系就建立完成了，大家可以找时间感受一下星星的东升西落，有设备的话可以拍整晚星空做成延时视频，感受会更为震撼哦。

二、地平坐标系

当我们出门看星星的时候，会发现一个问题：北极星的确在北边，但并不在头顶。北天极也一样，只有在北极点才能看到北天极在头顶。这么说来，赤道坐标系和实际观测还是有差别的。我们引用《基础天文学》中一张图片来说明赤道坐标系和实际观测的差别，还记得天顶的概念吗？如果不记得了就翻一下前面的内容。

图2-2-1 天顶、天极、观测者的相对位置（引用自《基础天文学》）

在天球中，地轴延伸出去就是天轴，因此赤道和天赤道可以转化经纬圈和赤经赤纬圈都可以相互转化（第一节有相关描述）。你所处的位置是O点，EE’就是南北方向的地平线了，那么Z就是天顶。在图中不难发现P和Z有个夹角，这就是你看到的北天极和天顶的夹角了。P’和E 的夹角，就是你那里北天极的高度角，根据几何关系可以很简单的发现北天极的高度角等于当地维度，所以在北极点时，天顶和北天极P重合，北天极位于正头顶。

那么现在我们可以考虑在地球上每个点的天球的情况（天球一样，但加上地平线）既然北天极高度等于当地纬度，那我们全可以把头顶的天空看做是天球被大地截出来的半个天球（半球面）。那么地平线就是一个类似于赤道的球面大圆了，头顶是天顶，脚下对应的天球上那一点，我们叫它天底，这样的话，我们也可以仿照着赤道坐标系拟定一套坐标系：地平坐标系。

和赤经赤纬一样，在地平坐标系中，我们需要选取两个标尺来划定星星在天空中的位置，这两个标尺就是方位角和高度（地平高度），除此之位，还有四个基点，分别是东、南、西、北（没错就是你所处位置的东、南、西、北）。

下面一起看一张有意思的动漫图：

图2-2-2 星体旋转动漫图（来源于网络）

仔细看这张图，不难发现靠近北天极的一些星体无论怎么旋转都在视野范围内，都在地平线以上，而靠近南边的一些天体无论何时都在地平线以下，无法进入视野，这里就要说到两个概念：恒显圈和恒隐圈。顾名思义，永不落下的星星构成的区域，就是恒显圈，永不升起的星星构成的区域，就是恒隐圈---我们永远无法看到。图2-2-3所示为恒显圈和恒隐圈的范围

图2-2-3 恒显圈和恒隐圈示意图

以杨凌为例，杨凌维度为北纬34.28度（记住这个数值，使用赤道仪粗对极轴时用得到），那么从杨凌看北天极的高度角就为34.28度，那么赤纬大于90-34.28=55.72度的天体就在恒显圈内，对应的赤纬小于-55.72度的天体则位于恒隐圈内。

三、黄道坐标系、银道坐标系和时角坐标系

黄道坐标系：和赤道坐标系差不多，但是把基本大圆换成了黄道。黄道是太阳在天球上运行的轨道，因此黄道坐标系研究太阳系天体运动时很有用。

图2-2-4 黄道坐标系

银道坐标系：在我们视野中银河是带状的，我们划定了银道，把它当作基本大圆，来研究银河系内天体在天球中的分布。

时角坐标系：天子午线自东向西到天体所在赤经圈在天赤道上所夹弧度称为时角，使用时角和赤纬表示天体位置的坐标系称为时角坐标系。

图2-2-5 时角坐标系