第二章 天球坐标和时间系统

第二章天球坐标和时间系统

一、星空与星座

1星空的划分

星空区划:仰望星空,繁星点点,聪明的古人将星空进行划分并与神话、图腾等相关联,这样便于记忆和观测

星座:二十八星宿和三垣

? 东方苍龙之象:角,亢,氐,房,心,尾,箕(ji)

? 南方朱雀之象:井,鬼,柳,星,张,翼,轸(zhen)

? 西方白虎之象:奎,娄,胃,昴,毕,觜(zi),参

? 北方玄武之象:斗,牛,女,虚,危,室,壁

? 太微垣紫微垣天市垣

1928年,国际天文学联合会将全天划分了88个星座,并为每个星座规定了赤经和赤纬界限(北天星座29个,黄道星座12个,南天星座47个)

2黄道十二星座(十二宫)

黄道带

? 以天球黄道为基准,南北各8°,合计16°的范围被称为黄道带

? 黄道带范围内星座的命名大都与古希腊神话中的动物有关,所以黄道带也被称为兽带

? 黄道带是日月行星等天体出没的场所,是它们经天而过的走廊

十二宫

黄道经过88个星座中的13个,除了蛇夫座的一小部分之外,春分点所在的双鱼座数起,它们是双鱼座、白羊座、金牛座、双子座、巨蟹座、狮子座、室女座、天秤座、天蝎座、人马座、摩羯座、宝瓶座,统称为黄道十二星座

黄道星座的大小也是各不相同

最大的黄道星座是室女座,。狮子座也是比较大的黄道星座。面积列在最后两位的黄道星座是白羊座和摩羯座。

思考:

? 为什么现在太阳经过十二宫的时间与星象定义的不符?

在公元前2000年,当巴比伦人建立守时系统的时候,春分点位在白羊座方向。也就是说,太阳进入”羊圈” 时,3月21日开始一个新的春天,标志着一个新的种植季节的来临。然而,由于地球自转轴缓慢的进动,

则春分点在黄道宫中以两千年退行一宫的速度缓慢的运动。自巴比伦人发现春分点在白羊座方向2000年以

后,春分点移到了双鱼座。再2000年以后,春分点开始走进宝瓶座(准确地说是公元2600年)。

3星图和星表

? 星图:将天体球面视位置投影于平面而绘制成的图,用来表示天体的位置、亮度和形态等。

? 星表:记载天体各种参数(如位置、运动、星等、光谱型等)的表册。恒星在星表中的编号相当于恒星的名字。

二、天球

1天球概念

以任意点为球心,任意长为半径,为研究天体的位置和运动而引进的一个与人们直观感觉相符的假想圆球。

2天球类型

? 站心天球

? 地心天球

主要用于表示太阳系以外的天体视位置和视运动

? 日心天球

主要用于表示太阳系内天体的视位置和视运动

3天球的性质

地球上所有相互平行射线相交于天球上同一点;地球上所有相互平行平面相交于天球上同一大圆

4天球上的基本点和基本圈

3月22日或3月23日,太阳经过春分点

练习:

天子午圈与地平圈的两个交点是北点和南点;天子午圈与卯酉圈的两个交点是天顶和天底;天赤道与黄道的两个交点是春分点和秋分点;天赤道与地平圈的两个交点是东点和西点。

三、球面三角初步

1球面上的圆

? 定理:任何平面和球面的交线都是正圆。

? 定义:

通过球心的平面与球面的交线,是直径最大的圆,叫做大圆。不通过球心的平面与球面的交线,叫小圆。

2球面上两点的距离(角距)

球面上任意两点A和B,可以做一个大圆ABC。A、B 两点间的大圆弧(小于180°的弧)可以用线长、也可以用角度计量,在天文上常用角度来计量,叫做A、B间的角距,它等于大圆弧所对的球心角∠AOB。

3球面上圆的极

垂直于球面上一已知圆(不论大圆或小圆)所在平面的球直径的端点,叫做这个圆的极。极到对应圆周上各点的距离都相等,这一距离称为极距。

4球面角

两个大圆弧相交所成的角,叫做球面角。它们的交点叫做球

面角的顶点。大圆弧叫做球面角的边。球面角以过顶点的圆弧的二切线所夹的角度来度量。

5极三角形

–设球面三角形ABC各边a、b、c 的极分别为A‘、B’、C‘,并设弧AA’、BB‘、CC’都小于90°,则由通过A‘、B’、C‘的大圆弧构成的球面三角形A’B‘C’叫做原球面三角形的极三角形。

–定理1:如果一球面三角形为另一球面三角形的极三角形,则另一球面三角形也为这一球面三角

形的极三角形。

–定理2:极三角形的边和原三角形的对应角互补;极三角形的角和原三角形的对应边互补。

结论

? 球面角∠APB可以用∠A'OB'量度,又因为∠A'OB' 可以用A'B'量度,所以最后得到的球面角∠APB是以A'B'弧量度的

? 如果以球面角的顶点为极作大圆,则球面角的边或延长线在这个大圆上所截取的那个弧段便是球面角数值

四、天球坐标系

? 坐标系统定义的三要素:–坐标原点位置的定义–坐标轴的指向–长度单位

? 坐标(位置)的表达形式–(笛卡儿)直角坐标系(XYZ)–球面坐标系(BLH, etc)

? 天球坐标系

–定义:天球坐标系是以天球及天球上的点线圈为基础所建立的坐标系

思考:

? A、B两地同时观测某一恒星,得其时角tA =5h,tB =8h,若λ B =E120°,求A点的天文经度。

? 地理纬度为42o处,天顶的赤纬等于多少?

作业:

1、天球上赤经和赤纬皆为零的点是();

2、天球上地平高度和赤纬皆为零的点是()()。

3、北天极的黄经和黄纬是()(),北黄极的赤经和赤纬是( )()。

4、在地球北纬30°处,当春分点位于西点时,北点的赤经是(),时角是(),赤纬是(),方位角是(),地平高度是()。

5、

五、天体的视运动

1天体的视运动

? 天体的真实运动反映在天球上的运动形式称为天体的视运动。(地球上观测到的天体在天球上的运动)

? 周日视运动

每天,由于地球自转,天体都有规律地作东升西落的周期运动(绕着天轴自东向西的旋转)。

? 周年视运动

受地球绕太阳公转的影响,天体有相对于恒星背景的周运动,这个周期为一年。

2不同纬度处天体的周日视运动

? 极点?=±90°(以北极为例)

天赤道与地平圈重合;所有天体都逆时针沿与地平圈平行的周日平行圈作周日视运动(不存在升落现象);北半天球的天体(赤纬δ>0°)永不下落;南半天球的天体(赤纬δ<0°)永不上升

? 赤道?=0°

天赤道垂直与地平圈;天体的周日平行圈都垂直于地平圈(直升直落);所有天体12小时在地平之上,12小时在地平之下;赤道上,可以看到全天的星

? 其他纬度地区?≠0°, 90°

天体的周日平行圈与地平圈的倾角为(90°-?);当δ>90°-?天体永不下落;当δ

3天体的出没、中天

天体的出没、中天是天体在作周日视运动的过程中在天球上的一些特殊位置。

(1)天体的出没

? 天体从地平圈升起和下落

? 永不下落天体δ≥90°-?;永不上升天体δ≤-(90°-?)

地理纬度越高不升不落天体也多

赤道:没有极点:一半

(2)天体通过子午圈称为中天

4天体的周年视运动

太阳每年经过:春分-夏至-秋分-冬至-春分,两次经过春分点完成一次周年运动,称为一个回归年。

公转和自转轴倾斜是四季变化的原因

思考:

? 在北半球,一年中昼夜长短如何变化?

六、时间及其计量

1时间和时间计量

(1)时间定义

物质运动有一个连续不断的过程表现为时间。时间是物质存在和运动的基本形式之一,也是量度物质运动过程的基本参数

(2)时间的含义:

时刻——指无限流逝时间中的某一瞬间

时间间隔——任意两个时刻之间的间隔

(3)如何测量时间?

通过物质的运动形式来计量。运动必须具有:周期性、稳定性和可测性

就是把某种物质的运动周期作为测量时间的尺子(时间标准)。时间标准选取的不同,产生不同的时间计量系统。

(4)基本时间计量系统

世界时系统:地球自转历书时系统:地球公转原子时系统:能级跃迁

(5)时间测量

相对时间测量和绝对时间测量

2时间计量系统

(1)恒星时

定义:以春分点的周日视运动为依据建立的时间系统。

时间单位:恒星日—春分点连续两次上中天的时间间隔。

起始点:上中天

恒星时在数值上等于春分点的时角s= tr= α+ t当任一恒星上中天时t=0 即s =α

(2)真太阳时

定义:以太阳视圆面中心的周日视运动为依据建立的时间系统。

时间单位:真太阳日—真太阳连续两次上(下)中天的时间间隔。

起始点:下中天

以真太阳的时角度量:m⊙=t⊙+12h

真太阳时的缺陷:太阳在黄道上的运动不均匀。(地球公转轨道为椭圆);即使太阳在黄道上运动均匀,由于黄赤交角的存在,投影在赤道上的太阳时角变化也不均。

(3)平太阳:

为克服真太阳时的缺陷,引入的一个假想参考点。

-在黄道上建立第一个辅助点:在黄道上均匀运动,其速度等于真太阳的平均速度,并与真太阳同时过近日点和远日点。

-在赤道上建立第二个辅助点:在赤道上匀速运动,其速度等于真太阳的平均速度,与一辅助点同时过春分点和秋分点。

第二个辅助点为在赤道上做匀速运动的平太阳。

定义:以平太阳的周日视运动为依据建立的时间系统,简称平时。

时间单位:平太阳日—平太阳连续两次上中天的时间间隔。

起始点:下中天

平太阳时以平太阳的时角度量m = tm+ 12h

平太阳是个假想的辅助点,无法观测

(4)时间间隔换算

回归年:

平太阳连续两次过春分点的时间间隔。

1回归年=365.2422平太阳日=366.2422恒星日

1恒星日=(1-1/366.2422)平太阳日=0.9972696平太阳日m=s(1-1/366.2422)

1平太阳日=(1+1/365.2422)恒星日=1.0027379恒星日s=m(1+1/365.2422)

平时时刻与恒星时时刻的换算

格林尼治的时刻换算(λ=0o)

1)已知平时求恒星时:M→ S

S=So+M(1+1/365.2422)

2)已知恒星时求平时:S→ M

M=Mo+S(1-1/366.2422)或[ M=Mo+S(1-1/366.2422)-24]

So是世界时为零时所对应的格林尼治恒星时。Mo是格林尼治恒星时为零时所对应的世界时。

3地方时、区时、世界时

(1)计量系统的地方性(以地球自转为基础)

恒星时、真太阳时、平太阳时是以春分点、真太阳、平太阳为参考点,以过当地子午圈的时刻为起算点,以时角度量的。

对于观测者,只要位于不同的地理经圈,就对应不同的天子午圈,因此,参考点过的天子午圈不同,所得时刻也不同。

(2)地方时

以本地子午面为起算平面,根据任意量时天体所确定的时间。(s地方恒星时、m⊙地方真时、m地方平时)

地方时与地方经度的关系:在同一计时系统内,任意两地同一瞬间测得的地方时之差,在数值上等于这两地的地经度之差。

(3)区时

把全球分成24个区,每区跨经度15°,各区把中央经线的地方时作为本区统一使用的准时。这样的区域称为时区;这样的时间称为区时(Tn )。中央经线:15°的整数倍

国际日期变更线(日界线)

? 理论日界线:180°经线

? 实际日界线:把180°经线作了几处偏折处理

? 自东向西越过日界线要加1日(相当于由西12区进入东12区)

? 自西向东越过日界线要减1日(相当于由东12区进西12区)

思考:

1已知某地经度,求其所在时区?

经度除以15,所得商四舍五入取整。例如西经117°:117/15 ≈7.8,故在西八区。

2设某地经度为λ,处于第N时区,某一瞬间该地地方平时为m,区时为TN,则有m=TN +(λ-N) 东时区:N取正西时区:N取负

求武汉(λ=7h37m)地方平时m=19h03m时的区时(T8)

Tn=m+( n-λ) T8=19h03m+(8h-7h37m)=19h26m

3已知A地(西经132°)的地方时为4月4日10时50 分,求B地(东经167°)的区时是多少?

解: (1) A地所在时区:132°/15°= 8.8,故为西9区

(2)西9区中央经线:-9×15°= -135°,即西经135°

(3)西9区的区时,即西经135°的地方时:

T-9=4月4日10时50分+[-135°-(-123°)]×4m= 4月4日10时38分

(4)B地时区:167°/15°≈11.1,即东11区

(5)B地区时:T11= T-9+(11+9)×1小时=4月4日30时38分即4月5日6时38分

(4)世界时

零时区的区时,即格林尼治地方平时,特称为世界时(UT)。另外一层含义,即以地球自转为标准的时间计量系统。世界时不是一个均匀的时间计量系统。

-地球自转的不均匀性

? 长期变化:由于地球表面的潮汐摩擦(海水的潮汐对地球自转产生的阻力)的影响,地球自转速度逐渐变慢,日长约每百年增长1-2ms ? 不规则变化:

? 季节性变化:上半年慢,下半年快,1年内约有0.001s的变化

-极移:地球瞬时自转轴在地球本体内的运动

显然,地球自转速率的不均匀性和极移的影响都包含在世界时中。

1956年起,把世界时划分为三种:

(1)UT0:天文台直接测量的结果

(2)UT1:对UT0做极移改正UT1=UT0+△λ

(3)UT2:对UT1做季节变化的改正UT2=UT1+△Ts

UT2系统不仅含有地球自转的长期变化及不规则变化,同时还受经验改正△Ts不够严格的影响,它并非是一个均匀的时间计量系统。(地球钟的稳定度0.7×10-9秒)

练习

1、格里历的置闰规则是:400年置闰()次,闰年多()天,加在()月份。其具体做法是凡是公元年号能被()整除的为闰年,否则为平年。凡是世纪年能被()整除的为闰年,否则为平年。

2求公元2008年的干支纪年。

3、我国古代说的“午时三刻”相当于现在的哪个时段?(注:明末以前将一昼夜分为100刻)

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