第一章-天球坐标与时间课件

第二章北京师范大学天文系北京师范大学天文系张燕平张燕平天文观测知识天文观测知识 天文奥赛辅导天文奥赛辅导第二章北京师范大学天文系天文观测知识今晚，我们能观测到这颗星吗？今晚，我们能观测到这颗星吗？这是一个需要做出回答的重要问题，是和观这是一个需要做出回答的重要问题，是和观测绝对有关的。只有当下面四个问题的答案都测绝对有关的。只有当下面四个问题的答案都是是“肯定肯定”时，才能对这个问题做出肯定的回时，才能对这个问题做出肯定的回答。答。1.天气适合观测吗？天气适合观测吗？2.考虑我们拥有的观测设备的观测能力，这颗星考虑我们拥有的观测设备的观测能力，这颗星足够亮吗足够亮吗?3.天足够黑吗天足够黑吗?4.这颗星在地平线以上足够高吗？这颗星在地平线以上足够高吗？今晚，我们能观测到这颗星吗？这是一个需要做出回答内容内容n第一章第一章 天球坐标系天球坐标系n第二章第二章 时间与历法时间与历法n第三章第三章 天文望远镜天文望远镜n观测观测n题解题解 内容第一章天球坐标系第一章第一章天球坐标系天球坐标系第一章天球坐标系n在晴朗的夜晚，仰望天空在晴朗的夜晚，仰望天空,眼前像有一个眼前像有一个半球形的夜幕天穹半球形的夜幕天穹,上面点缀着无数闪烁上面点缀着无数闪烁发亮的明星，感觉自己仿佛是处在这个发亮的明星，感觉自己仿佛是处在这个天穹的中心天穹的中心,这就是人们对这就是人们对“天球天球”的印的印象。天文学家为了研究天体的位置和天象。天文学家为了研究天体的位置和天体的运动引入了体的运动引入了“天球天球”的概念和天球的概念和天球坐标。坐标。1.1 天天 球球在晴朗的夜晚，仰望天空,眼前像有一个半球形的夜幕天穹,上面点地理坐标纬度纬度()()：赤道以北为正、以南为负：赤道以北为正、以南为负 （范围：（范围：-90 90 -90 90 ）经度经度()()：英国格林尼治本初子午线：英国格林尼治本初子午线(=00(=000 0)，以东为正，以西为负（范围：以东为正，以西为负（范围：-180180-180180；有时也可能用有时也可能用03600360表示）表示）和和表示角分和角秒表示角分和角秒 hh、m m、s s表示时间中的小时、分钟、秒表示时间中的小时、分钟、秒 地理坐标用法的示例：地理坐标用法的示例：北京：北京：=+395727=+42.3606=+395727=+42.3606=1162736=7h45m22.4s=1162736=7h45m22.4s 地理坐标纬度()：赤道以北为正、以南为负天球是一个天球是一个假想的球，假想的球，它是以观测它是以观测者（或地心、者（或地心、日心）为中日心）为中心，以无穷心，以无穷远为半径的远为半径的球，所有天球，所有天体都投影在体都投影在这个球面上。这个球面上。天球天球天球是一个假想的球，它是以观测者（或地心、日心）为中心，以无天球特点：天球特点：1、与直观感觉相符的科学抽象，半径可任意选取、与直观感觉相符的科学抽象，半径可任意选取2、天体在天球上的位置只反映天体视方向的投影、天体在天球上的位置只反映天体视方向的投影3、天球上任意两天体的距离用其角距、天球上任意两天体的距离用其角距(对天球球心对天球球心的张角的张角)表示表示4、地面上两平行方向指向天球同一点、地面上两平行方向指向天球同一点5、任意点为球心、任意点为球心天球特点：1、与直观感觉相符的科学抽象，半径可任意选取south celestial poleSCP 南天极南天极north celestial poleNCP 北天极北天极 天球的轴是地球天球的轴是地球自转轴的延伸，自转轴的延伸，叫天轴，天轴与叫天轴，天轴与天球有两个交点，天球有两个交点，叫作叫作天极天极,地球北地球北极延伸的点叫极延伸的点叫北北天极天极,地球南极延地球南极延伸的那个点叫伸的那个点叫南南天极天极。1.2 天球上的基本点圈天球上的基本点圈1 1、天极与天赤道、天极与天赤道southcelestialpolenorthcelesouth celestial polenorth celestial polen我们能想象我们能想象天球有一个天球有一个“天赤道天赤道”southcelestialpolenorthcelen我们能想象我们能想象天球有一个天球有一个“天赤道天赤道”south celestial polenorth celestial pole 这是地球这是地球赤道赤道的扩展的扩展我们能想象天球有一个“天赤道”southcelestial我们也能在天球上画我们也能在天球上画出假想的经度线出假想的经度线(longitude)south celestial polenorth celestial pole和纬度线和纬度线 (latitude)(latitude)相应的天球坐标是：相应的天球坐标是：经度经度 赤经赤经right ascension(RA)纬度纬度 赤纬赤纬declination(dec)我们也能在天球上画出假想的经度线(longitude)so平行天赤道的天球平行天赤道的天球上的小圆圈叫上的小圆圈叫纬圈纬圈平行天赤道的天球上的小圆圈叫纬圈垂直赤道并且过两垂直赤道并且过两个天极的大圆圈叫个天极的大圆圈叫经圈或时圈经圈或时圈。垂直赤道并且过两个天极的大圆圈叫经圈或时圈。2 2、天顶、天底和真地平、天顶、天底和真地平天顶：天顶：Z Z 过天球中心过天球中心做一直线与观测点的做一直线与观测点的铅垂线平行，交天球铅垂线平行，交天球于两点，位于观测者于两点，位于观测者头顶的一点称天顶。头顶的一点称天顶。天底：天底：Z Z 与天顶相对与天顶相对的另一交点为天底。的另一交点为天底。真地平：过天球中心做真地平：过天球中心做一与铅垂线垂直的平一与铅垂线垂直的平面，与天球相交的大面，与天球相交的大圆为真地平。圆为真地平。ZZ2、天顶、天底和真地平天顶：Z过天球中心做一直线与观测点NSWEnLookingup,thisnorthern hemisphereobserverwillsee:地平线地平线北极星北极星Polaris,位于北天极位于北天极注意星图上注意星图上东东,西的位置西的位置NSWELookingup,thisnorthernNSWhorizon从地平北点，通过从地平北点，通过天顶，到地平的南天顶，到地平的南点，这条假想的线点，这条假想的线称为：称为：天顶天顶“天子午线天子午线”天子午圈：过天极和天顶的大圆。天子午圈：过天极和天顶的大圆。NSWhorizon从地平北点，通过天顶，到地平的南点，这条卯酉圈：过天顶和东西卯酉圈：过天顶和东西点所做的大圆弧。点所做的大圆弧。NSWhorizon天顶天顶E卯酉圈：过天顶和东西点所做的大圆弧。NSWhorizon天顶3.3.黄道与黄极黄道与黄极黄道：过天球中心做一与黄道：过天球中心做一与地球公转轨道平面平行地球公转轨道平面平行的平面为的平面为黄道面黄道面，与天，与天球相交的大圆为球相交的大圆为黄道黄道。黄极：黄道所对应的两个黄极：黄道所对应的两个极点。极点。黄赤交角：黄道与赤道黄赤交角：黄道与赤道的交角的交角 23.53.黄道与黄极黄道：过天球中心做一与地球公转轨道平面平行的5、二分点、二至点 二分点：二分点：黄道与天黄道与天赤道的两个赤道的两个交点。交点。春分点春分点(升升交点交点)；秋分点秋分点(降降交点交点)二至点：二至点：黄道上与二分点相距黄道上与二分点相距90的另两个点：的另两个点：夏至点夏至点(天赤道以北天赤道以北)；冬至点冬至点(天赤道以南天赤道以南)春分点春分点秋分点秋分点夏至点夏至点冬至点冬至点北天极北天极黄道5、二分点、二至点二分点：二至点：春分点秋分点夏至点冬至 1.3 1.3 天球坐标天球坐标 地平高度地平高度(alt)h h ：由真地平沿过天体的地平由真地平沿过天体的地平经圈向天顶量度经圈向天顶量度(0-(0-90)90)天顶距天顶距z z:z z 9090h h 方位角方位角 A A(AZAZ):起始点：北点起始点：北点 由北点沿真地平顺时针由北点沿真地平顺时针(左手坐标系左手坐标系)度量到过度量到过天体的地平经圈天体的地平经圈(0-(0-360)360)一、地平坐标一、地平坐标 基本点：北点基本点：北点 基本圈：真地平基本圈：真地平1.3天球坐标地平高度(alt)h：一、地平天体的方位与高度天体的方位与高度天体地平高度天体地平高度h天体方位角天体方位角A天体的方位与高度天体地平高度h天体方位角A地平坐标是一个简单的坐标系，但它依赖地平坐标是一个简单的坐标系，但它依赖于观测者所在的地面位置，位置不同，地于观测者所在的地面位置，位置不同，地平线也不一样，地平坐标具有强烈的平线也不一样，地平坐标具有强烈的“地地方性方性”。我们可以使用天球的概念，来建立另一我们可以使用天球的概念，来建立另一种天球坐标系，这种坐标系不依赖于观种天球坐标系，这种坐标系不依赖于观测者所在的地面位置测者所在的地面位置地平坐标是一个简单的坐标系，但它依赖于观测者所在的地面位置，二、时角坐标（第一赤道坐标系）二、时角坐标（第一赤道坐标系）赤纬赤纬 ：由天赤道沿过天体的由天赤道沿过天体的赤经圈向两极方向度赤经圈向两极方向度量量(0-90)(0-90)时角时角 t t ：起始点：子午圈与天起始点：子午圈与天赤道南边的交点赤道南边的交点QQ。由起始点沿天赤道顺由起始点沿天赤道顺时针量至天体所在赤时针量至天体所在赤经圈（经圈（0 0h h2424h h）基本点：基本点：子午圈与天赤道南边的交点子午圈与天赤道南边的交点QQ基本圈：基本圈：天赤道天赤道南南二、时角坐标（第一赤道坐标系）赤纬：基本点：子午圈与 赤纬赤纬 用度用度,分分,秒来测量，位于天赤道的上秒来测量，位于天赤道的上下两面，上为正，下为负。例如，靠近北天下两面，上为正，下为负。例如，靠近北天极的恒星，其赤纬接近极的恒星，其赤纬接近+90,而靠近南天极而靠近南天极的恒星，其赤纬接近的恒星，其赤纬接近-90.时角时角 用小时，分，秒来度量用小时，分，秒来度量,因为恒星两次出因为恒星两次出现在天空中同一位置的时间间隔大概需一天现在天空中同一位置的时间间隔大概需一天(24h)(1 degree=60 arcmin,1 arcmin=60 arcsec)赤纬用度,分,秒来测量，位于天赤道的上下两面，上可证明，地球上任何观测点的天极高度等可证明，地球上任何观测点的天极高度等于当地的地理纬度于当地的地理纬度n在同一地点有：天极的高度(hp)=地理纬度()=天顶的赤纬(Z)；n人们正是根据这一原理来测定所在地的纬度。可证明，地球上任何观测点的天极高度等于当地的地理纬度在同一 当地的地理纬度等于北极星的高度北京地区地北京地区地理纬度理纬度4040北京地区北北京地区北极星的地平极星的地平高度高度h 4040在北极，北在北极，北极星的地平极星的地平高度高度=?在赤道上，北极星的地平高度在赤道上，北极星的地平高度=?当地的地理纬度等于北极星的高度北京地区地理纬度在北极，赤纬赤纬：同：同时角时角坐标坐标 赤经赤经：起始点：春分点起始点：春分点 由春分点沿天赤道由春分点沿天赤道逆时针方向逆时针方向(右手坐标右手坐标系系)量至天体所在赤经量至天体所在赤经圈（圈（0 0h h 24 24h h)春分点的时角：春分点的时角：t tr r (t t)三、赤道坐标（第二赤道坐标系）三、赤道坐标（第二赤道坐标系）基本点：基本点：春分点春分点(位于白羊座位于白羊座)基本圈：基本圈：天赤道天赤道赤纬：同时角坐标三、赤道坐标（第二赤道坐标系）基本点：SWEhorizonN我们能填加恒定的我们能填加恒定的赤经线赤经线 right ascension(RA)和和赤纬线赤纬线(dec)SWEhorizonN我们能填加恒定的赤经线righta 因春分点本身也在作周日运动，它相对因春分点本身也在作周日运动，它相对于天体而言，基本上静止不动。于天体而言，基本上静止不动。因此一颗恒星的赤道坐标基本不变，可表因此一颗恒星的赤道坐标基本不变，可表示为示为:12:52:03,-47:34:43意思为：意思为：赤经赤经(RA)=12 h 52 m 3 s,赤纬赤纬(DEC)=-47o 34 43”赤经也用小时，分，秒来度量赤经也用小时，分，秒来度量,因为恒星因为恒星出现在天空中同一位置大概需一天时间出现在天空中同一位置大概需一天时间因春分点本身也在作周日运动，它相对于天体而言，基本上织女星（天琴座），在以1986.5年的天赤道和春分点建立的坐标系中的坐标值为：需要注意的是：从长周期的运动来讲，天赤道需要注意的是：从长周期的运动来讲，天赤道和春分点相对于恒星不是固定不变的（因为春和春分点相对于恒星不是固定不变的（因为春分点存在着一种缓慢的运动现象，叫分点存在着一种缓慢的运动现象，叫“岁差岁差”）。因此，天球坐标系所参考的天赤道和春）。因此，天球坐标系所参考的天赤道和春分点是某一特定日期特定时刻（如分点是某一特定日期特定时刻（如2000.0年或年或1950.0年）的天赤道和春分点。年）的天赤道和春分点。织女星（天琴座），在以1986.5年的天赤道和春分点建立的四、黄道坐标四、黄道坐标基本点：春分点基本点：春分点基本圈：黄道基本圈：黄道 黄纬黄纬：由黄道沿过天体的黄经由黄道沿过天体的黄经圈向两边度量圈向两边度量（090090）黄经黄经 ：由春分点沿黄道逆由春分点沿黄道逆时针量至天体所在黄时针量至天体所在黄经圈与黄道的交点经圈与黄道的交点（0360)0360)四、黄道坐标基本点：春分点2.4 天体的周日视运动天体的周日视运动 由于地球是自西向由于地球是自西向东自转，由相对运动东自转，由相对运动原理，人们不觉地球原理，人们不觉地球在运动，却看到所有在运动，却看到所有天体都围绕着天轴天体都围绕着天轴(地球自转轴的延伸地球自转轴的延伸)自东向西运动，自东向西运动，24小小时运转一周，这就叫时运转一周，这就叫天体的周日视运动。天体的周日视运动。2.4天体的周日视运动由于地球是自西向东自转，天体的周日视运动天体的周日视运动对着北天极对着北天极附近天区连附近天区连续曝光，可续曝光，可看到恒星周看到恒星周日视运动的日视运动的轨迹轨迹天体的周日视运动对着北天极附近天区连续曝光，可看到恒 这是北天恒星这是北天恒星周日视运动的照周日视运动的照片。每条弧线都片。每条弧线都是一颗恒星穿过是一颗恒星穿过夜空的轨迹。图夜空的轨迹。图(a)(a)的曝光时间的曝光时间约为约为1 1小时，图小时，图(b)(b)约为约为5 5小时。小时。在在地地球球的的南南、北北极极地地区区看看到到所所有有天天体体都都平平行行于于地地平平圈圈做做圆圆运运动动，在在北北极极只只看看到到北北半半天天球球的的星星，永永远远看看不不到到南南半半天天球的天体，球的天体，不同纬度不同纬度处的天体处的天体视运动：视运动：在地球的南、北极地区看到所有天体都平行于地平圈做圆运动，在在地地球球赤赤道道地地区区看看到到所所有有天天体体都都垂垂直直于于地地平平面面做做圆圆运运动动,可可看看到到全全天天球球的的天天体。体。在地球赤道地区看到所有天体都垂直于地平面做圆运动,可 在在 中中 纬纬地地区区看看到到的的天天体体的的周周日日视视动动地地理理纬纬度度越越高高,天天极极离离地地面面越越高高,可可看看到到的的南南半半天天球球的的星星就就越少。越少。在中纬地区看到的天体的周日视动地理纬度越高,天极离地面越nsouth celestial polenorth celestial pole一个地球表面的观测者一个地球表面的观测者看到地平线以上的看到地平线以上的夜空夜空但看不到地平线下但看不到地平线下面的面的observers horizon因此这个观测者能看因此这个观测者能看到北天极和大部分天到北天极和大部分天空空(随着地球的自转随着地球的自转),但看不到靠近南天极但看不到靠近南天极附近的南部天空。附近的南部天空。southcelestialpolenorthce永不上升与永不下落天体永不上升与永不下落天体1 1、永不下落天体：、永不下落天体：（9090）永不上升天体：永不上升天体：（9090）2 2、地理纬度越高，、地理纬度越高，这类天体越多：这类天体越多：极区：各半；极区：各半；赤道：无赤道：无在北京，北极星的高度约在北京，北极星的高度约40度，度，=40 50 ，永永不下落，不下落，5050，永不上升，永不上升永不上升永不上升永不下落永不下落永不上升与永不下落天体1、永不下落天体：在北京，北极星的高度天体的中天天体的中天 1 1、上中天：在天极以南过子午圈。、上中天：在天极以南过子午圈。2 2、下中天：在天极以北过子午圈。、下中天：在天极以北过子午圈。1 1、上中天：、上中天：在天顶以南：在天顶以南：；Z Z 在天顶以北：在天顶以北：；Z Z2 2、下中天：、下中天：Z Z180180（）Z Z（9090）（9090）子午圈子午圈天体的中天1、上中天：在天极以南过子午圈。子午圈2.5 2.5 天体的周年视运动天体的周年视运动 地球的公转地球的公转 天体的周年视运动天体的周年视运动 太阳自西向东在黄道上每年运行一周，每天在黄道上向太阳自西向东在黄道上每年运行一周，每天在黄道上向东运动约东运动约1度度(与周日视运动方向相反与周日视运动方向相反)造成四季星空的不同。造成四季星空的不同。2.5天体的周年视运动地球的公转 太阳的周年视运动轨迹：太阳的周年视运动轨迹：黄道黄道 运动方向：运动方向：自西向东自西向东当太阳位于：当太阳位于：春分点时春分点时:（3 3月月2121日左右）日左右）0 0h h 00夏至点时夏至点时:（6 6月月2222日左右）日左右）6 6h h 23.523.5秋分点时秋分点时:（9 9月月2323日左右）日左右）1212h h 00冬至点时冬至点时:(12:(12月月2222日左右）日左右）1818h h 23.523.5太阳的周年视运动轨迹：黄道运动方向：自天球仪是一个表述各天球仪是一个表述各种天体坐标和演示天种天体坐标和演示天体视运动的天球模型。体视运动的天球模型。球面上标有亮星的位球面上标有亮星的位置、星名、国际通用置、星名、国际通用的星座以及几种天球的星座以及几种天球坐标系的标志和度数。坐标系的标志和度数。天球仪上还绘有赤道天球仪上还绘有赤道圈、赤经圈、赤纬圈圈、赤经圈、赤纬圈和黄道圈。和黄道圈。天球仪天球仪天球仪是一个表述各种天体坐标和演示天体视运动的天球模型。球面用星空软件来显示各种天球坐标用星空软件来显示各种天球坐标用星空软件来显示各种天球坐标