天球坐標系與時間計量第一頁，共八十七頁，2022年，8月28日第一章

天球:

坐標系與時間計量第二頁，共八十七頁，2022年，8月28日

當我們觀察星空，辨認星座時，會發現所有的恒星都象太陽、月亮一樣，有著東升西落的運動。§1.1地球自轉和天體的周日視運動

由于這種運動每天有規律地重復出現，故稱為天體的周日視運動。

恒星周日視運動的軌跡稱為周日平行圈。在周日視運動的過程中，恒星之間的相對位置和星座的形狀基本上看不出變化。

天體周日視運動是地球自轉的反映。第三頁，共八十七頁，2022年，8月28日天球（天穹）：

天球是一個假想的球。它是以觀測者為球心，半徑很大的球。以地球為中心的天球稱為地心天球。以太陽為中心的則稱為日心天球。

天體在天球上的位置，可以用球面坐標（如經緯度）來表示。如果再加上天體離開我們的距離，就給出了天體在空間的確定坐標。第四頁，共八十七頁，2022年，8月28日

將地球自轉軸延伸，與天球相交于P,P′，軸P,P′即為天軸。

大圓QQ′與地球赤道在同一平面，稱為天赤道。

點P與地球北極對應，稱為北天極，P′與地球南極對應，稱為南天極。第五頁，共八十七頁，2022年，8月28日

天球上所有的恒星都在24小時（地球自轉一周）內繞天軸旋轉一周形成周日平行圈，因此所有的周日平行圈都是平行的。

恒星離天極越近，周日平行圈的半徑就越小，最大的周日平行圈就是天赤道。

北極星離北天極很近，所畫的周日平行圈半徑極小，幾乎可以認為是不動的，因而被稱之為北極星。

北極星不是固定的。南天極附近沒有相應的南極星。第六頁，共八十七頁，2022年，8月28日南極天空的恒星周日平行圈軌跡第七頁，共八十七頁，2022年，8月28日乞力馬札羅山上的星光第八頁，共八十七頁，2022年，8月28日北極天空的恒星周日平行圈第九頁，共八十七頁，2022年，8月28日第十頁，共八十七頁，2022年，8月28日

由于地軸的進動，天極不能固定在某一個位置，而是在天球上繞一小圓緩緩移動，大約26000年移動一周。第十一頁，共八十七頁，2022年，8月28日

現在的北極星為小熊座a，公元前3000年為天龍座a，公元14000年，織女星（天琴座a）將成為北極星。第十二頁，共八十七頁，2022年，8月28日

決定天體在天球上的位置和決定地面上一點的位置所用的方法是相同的，都是采用球面坐標系。§1.2天球坐標系

在天球上選取兩個互相垂直的大圓，稱之為球面坐標系的基本圈。其中一個大圓相當于直角坐標系的X軸，另一個大圓則相當于Y軸。第十三頁，共八十七頁，2022年，8月28日第十四頁，共八十七頁，2022年，8月28日

通過天球中心與觀測點作與該點重力方向平行的直線ZOZ′，Z點正好在觀測者頭頂，稱為天頂。對應點Z′

則稱為天底。

通過天球中心O作一平面和ZZ′

垂直,在天球上截出的大圓稱為真地平。第十五頁，共八十七頁，2022年，8月28日

通過北天極P和天頂Z的大圓PZSZ′N稱為天子午圈，它和真地平相交于點N和S。靠近北天極P的N點稱為北點，和它相對的S點稱為南點。

觀測者面向北時，右邊距N、S各900的點E為東點，與之對應的W點為西點。E、W點正好是天赤道與真地平的交點。

E、S、W、N合稱四方點。第十六頁，共八十七頁，2022年，8月28日

通過天頂和東西兩點的大圓ZWZ′E稱為卯酉圈。

通過天球中心O作一平面和地球公轉軌道平面（即太陽周年視運動軌道平面）平行，稱為黃道面，它和赤道面的交角（黃赤交角）約為23027′

。

每個觀測點都有自己的天頂，真地平，子午圈和卯酉圈。第十七頁，共八十七頁，2022年，8月28日

黃道面在天球上截出的大圓稱為黃道。

黃道上距春分點90°且在赤道以北的點稱為夏至點，與之對應的點稱為冬至點。

黃道也有兩個極，靠近北天極P的黃極K稱為北黃極，靠近南天極P′

的為南黃極K′。

黃道和赤道的相交點稱為春分點和秋分點。第十八頁，共八十七頁，2022年，8月28日第十九頁，共八十七頁，2022年，8月28日1.地平坐標系

取真地平為基本圈，基本軸為天頂與天底的連線。南點S為原點（也可取北點N為原點），這樣建立的坐標系稱為地平坐標系。第二十頁，共八十七頁，2022年，8月28日

天體M的第一坐標為弧SM′，稱為地平經度（方位角），記為A。從南點S起，分別向西（規定為正）和向東度量。由00到±1800。E點的經度為-900，W點的經度為900。弧MM′

為天體的第二坐標，稱為地平緯度（或高度），記為h。由真地平向上為正，向下為負。從00到±900。第二十一頁，共八十七頁，2022年，8月28日

地平坐標系比較直觀。只要找到北天極，就可以確定地平坐標系的基本圈和基本點。

但是，地平坐標系顯然與觀測者的地理位置有關。每個觀測點都有自己的基本圈和基本點。

由于天體的周日視運動，天體的地平坐標隨時間在不斷變化之中。第二十二頁，共八十七頁，2022年，8月28日2.赤道坐標系

取天赤道為基本圈，基本軸為天軸。基本點為春分點和秋分點，夏至點和冬至點。

天體M的坐標為赤經a

赤緯d。赤經從春分點起算，由西向東度量，從00到3600，或者從0h到24h，換算關系為1h=150

，1m=15ˊ，1s=15〞赤緯從赤道起算，分別向北和向南，±900

。第二十三頁，共八十七頁，2022年，8月28日

赤道坐標系沒有地平坐標系那樣直觀。我們憑感官無法判斷天赤道在天球上的位置，也無法判斷春分點的位置。

但是，天體的赤道坐標與觀測者的地理位置無關，對任何地點都是相同的。

并且，由于春分點隨著天體一起作東升西落的周日視運動，天體的赤道坐標不會因為周日視運動而改變。

在天文學中更多使用的是赤道坐標系。第二十四頁，共八十七頁，2022年，8月28日3.黃道坐標系

取黃道為基本圈，基本軸為北南黃極的連線。基本點也是春分點。天體M的坐標為黃經λ和黃緯β。

黃道坐標系主要用于描述太陽系天體的運動。天體在不同坐標系中的坐標可以互相轉換。還可以取銀河坐標系。第二十五頁，共八十七頁，2022年，8月28日

天體的周日視運動現象，隨觀測點和時間的變化而變化。1.不同緯度處的周日旋轉

在地球上緯度不同的地方，可以觀察到的天體情況是不同的。§1.3天體的周日視運動第二十六頁，共八十七頁，2022年，8月28日觀測者位于地球兩極（f=900）

天極P與天頂Z重合，天赤道與真地平重合。所有恒星的周日平行圈都和真地平平行，所有恒星都不升不落，且高度不變。第二十七頁，共八十七頁，2022年，8月28日

北極的觀測者只能看到北半天球的恒星，南半天球的恒星完全看不到;

南極的觀測者只能看到南半天球的恒星，北半天球的恒星完全看不到。第二十八頁，共八十七頁，2022年，8月28日觀測者位于地球赤道（f=00）

北天極P位于真地平的北點N，南天極Pˊ位于真地平的南點S。天赤道通過天頂Z。所有恒星的周日平行圈都和真地平垂直。

全天的恒星都可以看見。每天有12小時看得見，12小時看不見。第二十九頁，共八十七頁，2022年，8月28日觀測者位于兩極和赤道之間（00

<

f<900）

天軸和地平有傾角f，恒星的周日平行圈和地平有傾角900–f。

當觀測者在北極附近時，北天極P靠近天頂Z，周日平行圈和地平的交角很小。能看到的南天恒星很少。第三十頁，共八十七頁，2022年，8月28日

當觀測者向赤道方向移動時，天極P的高度逐漸下降，周日平行圈和地平的交角逐漸增大，可以看到的南天恒星也逐漸增多。

類似可以討論南極附近的情形。第三十一頁，共八十七頁，2022年，8月28日2.永不落的天體和永不升起的天體

設觀測者位于地球北半球，緯度為f。以北天極P為中心，PN為半徑畫小圓，則所有在球帽PN內的天體永不下落，因為它們的周日平行圈始終位于地平之上。

以南天極P′

為中心，P′S為半徑畫小圓P′S，則所有在球帽P′S內的天體永不升起，因為它們的周日平行圈始終位于地平之下。第三十二頁，共八十七頁，2022年，8月28日

在小圓PN和P′S之間的天體，周日平行圈的一部分在地平之上，另一部分在地平之下。所以有升有落。

天赤道以北的天體，周日平行圈的大部分位于地平之上，所以每天在地平線以上的時間超過12小時。每天從東北方升起，在西北方落下。

天赤道以南的天體情況正好相反，所以每天在地平線以上的時間少于12小時。每天從東南方升起，在西南方落下。第三十三頁，共八十七頁，2022年，8月28日

對于天赤道上的天體，由于地平面平分天赤道，所以周日平行圈的一半位于地平之上，一半位于地平之下。

天體有12小時在地平之上，12小時在地平之下。每天從東點升起，在西點落下。第三十四頁，共八十七頁，2022年，8月28日

很早以前，人們就注意到，太陽除了作周日視運動外,還作周年視運動，即相對于恒星，太陽由西向東移動，每年在天球上沿黃道移動一周。§1.4地球公轉和星空周年變化

通過長期觀測研究，人們認識到這是地球公轉的反映。第三十五頁，共八十七頁，2022年，8月28日

地球繞太陽公轉，我們的感覺似乎是太陽繞著地球旋轉。第三十六頁，共八十七頁，2022年，8月28日

當地球繞太陽沿a、b、c、d旋轉一周時，我們看到的似乎是太陽繞著地球沿C、D、A、B旋轉了一周。

太陽在天球上移動的方向和地球公轉的方向是一致的，即由西向東轉。

當地球位于a點時，我們看到太陽是位于星座C的方向，由于太陽的照耀，星座C的天體被淹沒。第三十七頁，共八十七頁，2022年，8月28日

在地球上用肉眼無法看到星座C的天體。它和太陽同時東升西落。星座A與太陽方向相反，太陽落下后它正好升起，因此晚上可以看見。

當地球運行到b點時，晚上可以看見星座B的天體，而星座D的天體由于和太陽同時東升西落無法用肉眼看到。

由于地球的公轉，我們每天晚上看到的星座都略有不同。在短時間內，這種變化難以察覺，長時間的變化則很明顯。第三十八頁，共八十七頁，2022年，8月28日第三十九頁，共八十七頁，2022年，8月28日

夏天晚上看到的星座和冬天晚上看到的星座完全不同。在夏天，晚上可以看到織女星和牽牛星，而在冬天，晚上則可以看到全天最亮的恒星——天狼星，以及獵戶座大星云。春夜獅子趕天狼，夏夜牛郎會織女，秋夜仙女騎飛馬，冬夜獵戶斗金牛。第四十頁，共八十七頁，2022年，8月28日一年的不同時間在地球上能看到的黃道星座。第四十一頁，共八十七頁，2022年，8月28日夏季星空天津四第四十二頁，共八十七頁，2022年，8月28日

金牛座中的蟹狀星云，1054年超新星爆發遺跡。第四十三頁，共八十七頁，2022年，8月28日蟹狀星云第四十四頁，共八十七頁，2022年，8月28日獵戶座星云第四十五頁，共八十七頁，2022年，8月28日獵戶座星云第四十六頁，共八十七頁，2022年，8月28日獵戶座大星云第四十七頁，共八十七頁，2022年，8月28日獵戶座反射星云第四十八頁，共八十七頁，2022年，8月28日獵戶座中的馬頭星云第四十九頁，共八十七頁，2022年，8月28日近看馬頭星云第五十頁，共八十七頁，2022年，8月28日更近些看馬頭星云第五十一頁，共八十七頁，2022年，8月28日銀河系和哈雷彗星第五十二頁，共八十七頁，2022年，8月28日銀河系全貌第五十三頁，共八十七頁，2022年，8月28日銀河夏季大三角織女(天琴座a)，牛郎(天鷹座a)，天津四(天鵝座a)第五十四頁，共八十七頁，2022年，8月28日法國阿爾卑斯山上空的銀河系。第五十五頁，共八十七頁，2022年，8月28日長城嘉峪關的日全食：2008年8月1日第五十六頁，共八十七頁，2022年，8月28日時間的計量是天文學的一個基本課題。我國的國家授時中心（原陜西天文臺）是專門進行測時、授時的機構。國際地球自轉服務局IERS和國際計量局BIPM（國際時間局）負責為全世界提供標準時間。什么是時間？§1.5時間的計量第五十七頁，共八十七頁，2022年，8月28日時間是物質運動延續性的度量。

為了計量時間，必須觀測物質的某種運動。沒有物質的運動，就沒有時間的計量。以不同的物質運動為依據，就產生了不同的計時系統。

以天體的運動為依據，我們有恒星時、太陽時等計時系統。其他計時系統有歷書時、力學時、原子時、協調世界時。第五十八頁，共八十七頁，2022年，8月28日第五十九頁，共八十七頁，2022年，8月28日古代計時工具：日晷第六十頁，共八十七頁，2022年，8月28日銅壺漏刻報時裝置沙漏滴漏第六十一頁，共八十七頁，2022年，8月28日渾儀

圭表第六十二頁，共八十七頁，2022年，8月28日水運儀象臺燕肅蓮花漏香漏第六十三頁，共八十七頁，2022年，8月28日水運儀象臺的內部結構第六十四頁，共八十七頁，2022年，8月28日西漢漏刻紅木星圖節氣天文鐘

第六十五頁，共八十七頁，2022年，8月28日美國國家標準局的銫原子鐘NISTF-1中科院國家授時中心的銫原子鐘第六十六頁，共八十七頁，2022年，8月28日紀元朝代計時儀器史主要文獻公元前2357~2258年堯圭表、日晷測時已達相當高的精度殷墟出土卜辭“尚書·堯典”公元前722~221年春秋戰國中國的漏壺記時已達很高的水平“周禮”、“初學記”、唐孔款達“詩疏”公元前201~公元9年西漢日晷和漏刻計時同時使用“前漢書”、“中國科學技術史”滴、清·梅文鼎“日晷”備考三考公元85年東漢浮子和漏箭“玉函山房輯佚書”、張衡“漏水轉渾天儀制”公元132年東漢張衡制漏水渾天儀“晉書”公元450公元450李蘭制“停表刻漏”，又名“馬上奔馳”“初學記”第六十七頁，共八十七頁，2022年，8月28日公元502~557年梁殷夔制漫水或恒定水位漏“初學記”，殷夔“漏刻法”公元660年隋耿詢、宇文愷制大稱式刻漏，獻于隋煬帝“玉海”卷十一、“國史志”、“宋史”公元665年唐呂才制“多壺式受水壺刻漏”“事林廣記”、“六經圖”公元618~906年唐唐代盛行赤道式日晷，并于十七世紀前傳入歐洲元·楊禹“山居新話”、“中國科學技術史”、清·梅文鼎“日晷”備考三考公元725年唐梁令瓚，一行制擒縱機構“新唐書·天文志”、“中國科學技術史”公元1030年北宋燕肅制“蓮花漏”初學記公元1135年金出現復式多壺漫流刻漏“六經圖”、“大清會典”公元1050年北宋舒易簡、于淵、周宗制皇祐刻漏“初學記”公元1074年北宋沈括革新皇祐漏刻沈括“夢溪筆談”、“浮漏儀”第六十八頁，共八十七頁，2022年，8月28日公元1090年北宋蘇頌、輔公濂制水運儀像臺“新儀像法要”公元1250年南宋“香篆”鐘和燈鐘記時在中國廣為流行洪芻“香譜”、楊禹“山居新話”公元1260年元地平式日晷由西方傳入（攜帶式日晷）“元史·天文志”、“中國科學技術史”公元1276年元郭守敬制“周公測景臺”、“大明殿燈漏”“元史·天文志”公元1313年宋宋代農夫已開始使用田漏王禎“農書”、“中國刻漏”、梅曉臣“田漏”公元1316年元杜子威、冼運行制廣州銅壺滴漏“廣州延祐銅壺記”公元1360年元詹希元制五輪沙漏“明史·天文志”、宋濂“五輪沙漏銘”第六十九頁，共八十七頁，2022年，8月28日公元1580年明西方傳教士羅明堅將自鳴鐘傳入中國“中國天主教史”公元1600年明明末吉坦然制“通天塔”（自鳴鐘）“宣城縣志”卷二十七公元1745年清丁傅欲重建廣州鎮海樓自鳴鐘“雪橋縣志”卷九公元1773年清清宮“作鐘處”仿制改造機械時鐘清史檔案公元1796年清馮義和制“更鐘”存南京博物院第七十頁，共八十七頁，2022年，8月28日恒星時

春分點連續兩次通過某觀測地子午圈的時間間隔稱為一個恒星日。這種由春分點的周日視運動確定的時間計量系統稱為恒星時計時系統。1恒星日=24恒星時1恒星時=60恒星分1恒星分=60恒星秒第七十一頁，共八十七頁，2022年，8月28日

恒星時只在天文工作者中使用。在日常生活中，自古以來都是用晝夜交替，即太陽的周日視運動來計算時間的。也就是太陽時。

太陽兩次通過子午圈的時間間隔稱為一個真太陽日。一個太陽日包括了地球自轉和公轉的效應。1真太陽日=24真太陽時1真太陽時=60真太陽分1真太陽分=60真太陽秒第七十二頁，共八十七頁，2022年，8月28日地球每365天繞太陽旋轉，平均每天在黃道上移動約。因此，太陽日要比恒星日稍長。相差約4分鐘。第七十三頁，共八十七頁，2022年，8月28日

太陽在黃道上的運動不是均勻的，因此真太陽日的長度不是固定的，不宜作為計量時間的單位。

假設一個在黃道上作勻速運動的輔助點，其運行速度等于太陽在黃道上的平均速度，并且和太陽同時經過遠地點和近地點。相當于把地球的公轉勻速化。第七十四頁，共八十七頁，2022年，8月28日

在天赤道上引入作勻速運動的第二輔助點，其運行速度和黃道上的第一輔助點速度相同，并且同時通過春分點。

這第二個輔助點稱為平太陽，它在天球上的運動是均勻的。

由此決定的計時系統稱為平太陽時，簡稱平時。

日常使用的就是平時。第七十五頁，共八十七頁，2022年，8月28日1平太陽日=24平太陽時1平太陽時=60平太陽分1平太陽分=60平太陽秒

地球上不同地理經度的兩點有各自的子午圈，因而得到的時間也不同。

恒星時、真太陽時或平太陽時具有地方性，稱為地方時。

按平太陽計量得到的時間就稱為地方平時。第七十六頁，共八十七頁，2022年，8月28日

英國的Greenwich為地理經度的起算點（本初子午線），因此，Greenwich的地方時被稱為世界時。

為了日常使用方便，1884年采用加拿大鐵路工程師Fleming的建議，將整個地球分為24個時區，每150為一個時區，時差為1小時。同一時區使用同一時間，稱為區時。第七十七頁，共八十七頁，2022年，8月28日

我國地跨5個時區，但統一使用東8時區標準時間，即北京時間。

美國本土使用東部、中部、山地、太平洋和阿拉斯加時間等5個時間。夏威夷使用自己的時間。

東經1800

線規定為日期變更線，由西向東越過此線時，日期重復一天，而由東向西越過時則要略去一天。第七十八頁，共八十七頁，2022年，8月28日世界各國時區示意圖第七十九頁，共八十七頁，2022年，8月28日第八十頁，共八十七頁，2022年，8月28日國際日期變更線附近的國家

湯加和薩摩亞位于同一時區，但位于日期變更線的兩側，故湯加的日期比薩摩亞要早一天，即先進入新世紀。基里巴斯是新的一天最先開始的國家。1月1日12月31日第八十一頁，共八十七頁，2022年，8月28日

平太陽在天球上作周年視運動，連續兩次通過春分點的時間間隔稱為一個回歸年。一回歸年的平均長度為365.2422平太陽日。回歸年長度短于恒星年。

1582年教皇格里高利13世采納意大利醫生利里奧的改歷建議，將當年10月5日到10月14日一筆勾銷。改革后稱為格里歷，即目前通用的公歷，一年分為12個月，平年365天，閏年366天。每4年置1個閏年，但在400年中要去掉3個閏年。400年的平均年長度為365.2425日。經過3300多年后和回歸年相差一天。

年和日之間不是簡單關系。這給制訂歷法帶來了困難。公元前46年羅馬最高統治者儒略·凱撒邀請在亞歷山大的希臘天文學家索西琴尼制定新歷，稱為儒略歷。但儒略歷誤差較大，到1582年，春分點已經提前到3月11日。第八十二頁，共八十七頁，2022年，8月28日

恒星時或平太陽時是建立在天體的周日視運動基礎上的。而天體的周日視運動是地球自轉的反映。

歷書秒的秒長規定為1900年1月0日12時的回歸年長度的1/31556