天体和天球及其坐标系统教材.ppt

第二章 天体和天球及其坐标系统 2.1 天体和天体系统 2.1.1 天体概念及主要天体介绍 1. 天体概念 目前把天体认为是宇宙间各种星体的总称包括：恒星（如 太阳）、行星（如地球）、卫星（如月亮）、彗星、流星体 、陨星、小行星、星团、星系、星际物质以及暗物质等 2. 主要天体介绍 恒星 是天体中的主体 ①恒星并非不动 ②由炽热的气体组成的仅是恒星的大气，恒星的内部 ，特别是内核密度都很大，显然不一定是由气体组成 ③恒星有许多种类，恒星有生有灭 行星 指绕恒星运行、自身不会发可见光的天体 卫星 指绕行星运行、自身不会发可见光、以其表面反射 恒星光而发亮 彗星 主要由冰物质组成，以圆锥曲线(包括椭圆、抛物线和双 曲线)轨道绕恒星运行，当靠近恒星时，因冰物质受热融化，蒸 发或升华，并在恒星粒子流（如太阳风）的作用下拖出尾巴的 天体至今人们也仅观察到太阳系内的彗星 Destruction of Sun-Grazing Comet C/2011 N3 (SOHO) Within the Low Solar Corona, C. J. Schrijver, J. C. Brown, K. Battams, P. Saint-Hilaire, W. Liu, H. Hudson, W. D. Pesnell,Science 20 January 2012,Vol. 335 no. 6066 pp. 324- 328 流星体 是绕恒星运行的质量较小的天体，其轨道千差万别。

在 太阳系中有些流星体是成群的，称为流星群当流星体或群进入 地球大气层时，由于速度很高，进入地球大气层因摩擦生热燃烧 发光，形成明亮的光迹，称为流星现象大流星体未燃尽而降落 在地面称为陨星陨星中含有许多种矿物元素，近年来还发现在 陨石中存在有机物 星云和星系 星云是指银河系空间气体和微粒组成的星际云 一般它们体积和质量较大，但密度较小；形状不一，亮暗 不等过去在星云性质不清楚之前，把星云分为河内星云和 河外星云两种河内星云实质就是“星云“，是银河系内的一 些星际物质；河外星云就是现在说的河外星系，简称“星系“. 星际物质 恒星之间的物质，包括星际气体、星际尘埃和各种各样 的星际云，还包括星际磁场和宇宙线，统称为星际物质在现代 天体物理中星际物质研究越来越受到重视 猎户座大星云 银河系全景图 人造天体 在1957年人造卫星上天以后才有的天体现有人造 卫星、宇航器（宇宙飞船）和空间站等虽然有的人造天体已 瓦解，失去设计时功能，但每一块小碎片（宇宙垃圾）仍然是 人造天体现运行在空间的人造天体已有上万个 可视天体和暗物质 在大量的宇宙物 质中，人类把看得见的（在可见光波段 ）称为可视物质，看不见的称为不可视 物质或暗物质。

据现代天文研究，宇宙 中存在大量暗物质 约有 12000块 太空碎 片围绕 地球运 转 2.1.2 天体系统 在引力的作用下，邻近的天体会集结在一起，组成互有联 系的系统， 这就是天体系统也可以表述为：天体系统是 互有引力联系的若干天体所组成的集合体 1. 天体系统概念 2． 主要天体系统 木星是人类迄今为止发现的天然卫星最多的 行星，目前已发现63颗卫星 地月系统 太阳系 银河系 星系群 星系团 超星系团总星系 2.2 天球和天球坐标 以观测者为中心，以任意长为半径的假想的球，称为天球 2.2.1 天球 视位置定义为：把不同远近的星星与观测者的 眼睛连成的直线延长，它们和天球相交的点， 即星星在天球上的投影 1. 天球是存在中心的 选择不同的天球中心： 观测者 → 观测者天球 地 心 → 地心天球（主要用于表示太阳系外天体的是 运动和视位置） 日 心 → 日心天球 （主要用于表示太阳系内天体的是 运动和视位置） 1. 天球的半径是任意的 它包容一切，不论天体如何遥远，天球上总有它的位置 1. 在同一视线上的不同远近的星球，在天球上的视位置是重 合的 2. 所有互相平行的直线向同一方向延长，和天球交于一点 这是因为天球半径无限大，所以观测者的任何位移都比圆 球半径小得多。

几个天球相关的性质 球面的几何性质 1. 用任何一个平面切割球面，切痕都是圆如果切割平面过 球心，圆的直径最大，称为大圆不过球心时，圆的直径 较小，称为小圆； 2. 球面上任意两点之间的连线以大圆弧最短； 3. 通过球面上任意两点（与球心同在同一直线上的两点除外 ）可以做唯一的大圆； 4. 球面上任意两个不同的大圆必然相交与两点，该两点的连 线比过球心； 5. 通过大圆中心（球心）做大圆平面 的垂直线，与球面相交的两点称为 该大圆的极通过大圆的极的任意 一个大圆都与原来的大圆垂直从 大圆上任意一点到极的大圆弧长度 都是90°.两个大圆的交点是通过大 圆的极的大圆的极 2.2.2 常用的天球坐标系 建立球面坐标的三个条件 1. 选择一条通过球心的直线作为基本轴，或选择一个特 定的大圆作为基本大圆基本轴与基本大圆垂直，基 本轴与球面的交点就是基本大圆的极； 2. 选择球面上除极点外的任一点作基本点； 3. 约定坐标量度的方法和范围 球面坐标的基本要素地球坐标系统的基本要素 地球坐标系统： 基本轴：地球自转轴 基本轴与地球表面的两个交点是南北极 基本大圆：赤道 基本点：英国格林尼治天文台所在地G 地球表面任意地点A有两个坐标：地理经度和地理纬度。

通过 北极（或南极）和A点做大圆与赤道交于A’点，通过北极过G 点做大圆和赤道交与G’点，弧长AA’则为地理纬度，弧长G’A’ 为地理经度纬度由赤道向两极度量，正负各90°，约定北向 为正，向南为负；经度由G’点向东西度量，正负各180 °，约 定向西为正，向东为负合肥的坐标为北纬32°（+ 32° ）、 东经117°（- 117° ） 天球上的基本圈和基本点 天顶和天底 沿观测者头顶所指的方向作铅直线向上无限延 伸，与天球相交的一点称为天顶（Z）；天球上距天顶 180°的点，即铅垂线在观测者脚底向地平以下无限延伸， 与天球相交的另一点称为天底（Zˊ），观测者的眼睛则为 天球的中心 地平圈 通过地心，并垂直于观察者所在地点的垂线的平面 与天球相割而成的圆为地平圈，也就是人们平时所说的地平 线(不过平常所说的地平线没有如此严格的定义)或表述为 通过天球中心而垂直于天顶和天底联线的平面称为地平面， 地平面与天球相交而成的大圆NWSE，称为地平圈地平圈 把天球分成可见和不可见的两个半球天体在地平上以上可 见天体每日视运动运行到距地平圈以上最高点称为上中天 ，运行到距地平圈最低点称为下中天 北天极和南天极 地轴无限延伸，就成天轴。

天轴与天球相交的 点就是天极天极有两个：北向的称北天极（P）；南向的称为 南天极（Pˊ），有人称“天北极”和“天南极”离北天极约1°处有 一颗不太亮的星，即小熊座α，中名“勾陈一“，是北极星天南 极及其近旁没有亮星，故没有南极星，所谓“南极老人星“，其实 离天南极很远，离天赤道反而近，只因我国地处北半球，北方 根本看不到这颗星，南方看那颗星在南边天际故有人称它为“ 南极老人星“(即船底座α) 天赤道 与北天极和南天极距离相等，且垂直于天轴的大圆，称为 天赤道，即地球赤道平面任意扩展与天球相割而成的圆，称天赤道 实际上，它是地球赤道的无限扩大它把天球分成南北两个半球 四方点（或四正点） 通过天顶和天底，北 天极和南天极的大圈与地平圈相交的两点 中，靠近南天极的那一点称为南点（S）； 靠近北天极的另一点称为北点（N）从 北往南看，自北点顺时针旋转90°的那一点 为东点（E），与东点相距180°的点称为 西点（W）或表述为在某地看来地平圈 与天赤道相交的两点就是东点(E)和西点 (W)，它们在正东方向和正西方向地平圈 上与它们相距90°的两个点就是南点(S)和 北点(N)，分别在正南方向和正北方向。

S 、N、E、W合称为四方点 子午圈 通过天顶和北天极同时又过北点和南点的大圈 PZSPˊZˊNP，称为子午圈 卯酉圈 通过天顶和天底同时又过东、西点的大圈ZEZˊW，称 为卯酉圈 六时圈 通过北天极和天南极，同时又过东、西点的大圈 PEPˊW，称为六时圈 地平圈、天赤道、黄道、子午圈、卯酉圈 和六时圈均为大圆其中地平圈、天赤道 、黄道为基本圈（简称基圈）；子午圈、 卯酉圈和六时圈为辅圈 黄道和黄极 通过天球中心作一与地球公转轨道面叠加的无限平面，这 一平面叫黄道面，黄道面与天球相交的大圆，称为黄道即地球绕日 公转轨道平面任意扩展，与天球相割而成的圆为黄道通过天球中心 作一垂直于黄道面的直线，使该线与天球相交于两点，其中靠近北天 极P的那一点为北黄极（K）；靠近南天极Pˊ的另一点则为南黄极（Kˊ ） 银道和银极 在天球上沿着银河中 心画出的大圆称为银道，它是银 河系平均平面与天球相交的大圆 ，它与天赤道相交成约63. 5°的 交角银河所在的平面称为银道 面，在银道两侧与银道相距90° 的两点，称为银极靠近北天极 的那一点称为北银极（NGP）， 靠近南天极的那一点称为南银极 （SGP） 二分二至点 3/19，20，21，春分； 6月21日或22日，夏至 9/22或23，秋分 12月21日至23日之间，冬至 2.2.2.1 地平坐标系 基本轴： 铅垂线 基本大圆：与铅垂线垂直的地平圈E-S-W-N 天顶：观测者头顶正上方 地平圈：观测者所见的天与地相接的大圆就是地平圈 基本点：天北极（对于南半球的观测者就是天南极）,也就是地球 自转轴延长后与天球的交点。

天北极旁（实际相差1度左右）刚好 有一颗小恒星-小熊座α，称为北极星 坐标量度方向和范围：通过天顶Z和 天北极做一大圆与地平圈相交于N和 S，称为北点和南点，这是定义地面 南北方的基准点，与之垂直的为东 点和西点，东西南北按顺时针方向 排序 地平坐标系的一对坐标是高度h（也叫地平纬度）和方位角A （也叫地平经度）约定高度从地平圈向天顶（或天底）度 量，正负各为90°，向上为正，向下为负;方位角从南点（S 点）向东向西量度正负各180°，向东为负，向西为正 思考题：对于图中的星M，假设其高度角大小绝对值为h，方 位角为A，其地平坐标为？ （h,A） 2.2.2.2 第一赤道坐标系（时角坐标系） 基本轴： 地球自转轴 基本大圆：天赤道，也就是地球赤道平面延展以后与天球相交的 大圆，自然天体东升西落的运动总是沿着与天赤道平行的小圆进 行的 基本点：上点Q（子午圈与天赤道存在两个交点，在天赤道上方的 为上点，下方的为下点 天体如M在第一赤道坐标系系中的坐标用赤纬δ和时角t 表示赤纬角度以天赤道开始度量，往北为正，往南 为负时角以上点Q为原点，沿天赤道向西度量以时 、分、秒的单位代替度、分、秒的单位，从0h到24h。

注意：这里的时、分、秒仍是角度量， 也称为时角、时分和时秒只是名称和 换算比例改变一下因为地球自转一周 为24小时，转过一周为360，故有 1h=15°，1m=15’,1s=15’’ 思考：北京的经度为:116°20’，其也可以表示为? 7h45m20s 2.2.2.3 第二赤道坐标系 基本轴： 地球自转轴 基本大圆：天赤道，也就是地球赤道平面延展以后与天球相交的 大圆，自然天体东升西落的运动总是沿着与天赤道平行的小圆进 行的 基本点：春分点 天体，在赤道坐标系中的一对坐标是赤纬δ和赤 经α 约定赤纬从赤道向天北极和天南极度量，正负各 90°，向北为正赤经从春分点算起，沿天赤道 向东度量 赤道坐标系没有地平坐标系直观，因为人们很难凭感官判断天 赤道在天上的位置，更无法确定春分点是天上哪一点但第二 赤道坐标系与观测者所在的地面位置无关，对任何地点都是一 样的但第二赤道坐标系的基本大圆和基本点都和天体一样参 与东升西落的周日视运动，因而天体的赤道坐标不因东升西落 而变化，是相对固定的第二赤道坐标系与地平坐标。