[科普中國(guó)]-球面天文學(xué)

簡(jiǎn)介

球面天文學(xué)是研究天體測(cè)量學(xué)、天體力學(xué)、恒星天文學(xué)和星系動(dòng)力學(xué)等分支學(xué)科所必需的基礎(chǔ)理論之一。球面天文學(xué)的具體研究?jī)?nèi)容一般包括：①天球坐標(biāo)系的建立，天體的視運(yùn)動(dòng)；②視差、大氣折射和光行差的理論及其應(yīng)用；③歲差和章動(dòng)對(duì)天體位置的影響；④以地球自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)周期為基礎(chǔ)的時(shí)間計(jì)量系統(tǒng)（世界時(shí)和歷書(shū)時(shí)）的建立原理和力學(xué)基礎(chǔ)；⑤天體視位置的歸算方法。1

研究概述天體測(cè)量學(xué)的分支學(xué)科。研究各種天球坐標(biāo)系及時(shí)間系統(tǒng)的建立和轉(zhuǎn)換。在天文學(xué)、大地測(cè)量學(xué)和宇宙航行等領(lǐng)域，必須計(jì)量天體(包括人造天體在內(nèi))的位置和運(yùn)動(dòng)，這種計(jì)量要以建立在天球球面上的某種坐標(biāo)系為參考。運(yùn)用一定的數(shù)學(xué)方法研究投影在天球上的天體位置及其因各種天文、氣象或物理因素引起的變化是球面天文學(xué)所要解決的問(wèn)題。

內(nèi)容具體研究?jī)?nèi)容大致包括：①各種時(shí)間計(jì)量系統(tǒng)的建立。②各種天球坐標(biāo)系的建立和相互關(guān)系。③大氣和地球運(yùn)動(dòng)對(duì)天體觀測(cè)位置的影響，即大氣折射、視差和光行差。④天體位置的廣義相對(duì)論改正。⑤各種歸算方法及其精度的探討等。是研究天體測(cè)量學(xué)、天體力學(xué)、恒星天文學(xué)、星系動(dòng)力學(xué)和實(shí)測(cè)天體物理學(xué)等分支學(xué)科所必需的基礎(chǔ)理論之一。

球面天文學(xué)也稱(chēng)為位置天文學(xué)，是天文學(xué)的一個(gè)分支，用于確定在任何一個(gè)日期和時(shí)間由地球上的任意地點(diǎn)所看見(jiàn)的物體在天球上的位置。這是天文學(xué)最古老的分支之一，依靠數(shù)學(xué)的球面幾何學(xué)和測(cè)量的天體測(cè)量學(xué)為工具。

主要元素球面天文學(xué)的主要元素是坐標(biāo)系統(tǒng)和時(shí)間。天體在天球上的位置最常使用赤道坐標(biāo)系統(tǒng)，是以地球赤道在天球上的投影為基礎(chǔ)建立的。天體在這個(gè)系統(tǒng)內(nèi)的位置以赤經(jīng)（α）和赤緯（δ）來(lái)標(biāo)示，相對(duì)于地點(diǎn)和時(shí)間的位置則可以使用地平坐標(biāo)系統(tǒng)以高度和方位來(lái)表示。

在星表中臚列出來(lái)的星系和恒星的位置，都是在特定年份中的位置。由于歲差和章動(dòng)的雙重影響，會(huì)使天體的位置隨著時(shí)間而改變，而這些與地球的運(yùn)動(dòng)有關(guān)的位置改變，都會(huì)在周期性的出版品上予以修正。

天體歷是確認(rèn)太陽(yáng)和行星位置使用的參考表，其中列出了這些天體在特定時(shí)間于天球上的位置，可以經(jīng)由適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)換得到在其他坐標(biāo)中的位置。2

行星相互特定的位置合：從地球上觀察兩個(gè)天體在天球上黃經(jīng)相同，主要標(biāo)示太陽(yáng)系中各天體的相對(duì)位置。

黃道面：地球繞行太陽(yáng)的軌道平面，行星也都在黃道面的附近繞行太陽(yáng)。

距角：由觀測(cè)者所在位置測(cè)量行星和系統(tǒng)中心所夾的角度，通常這個(gè)中心就是太陽(yáng)的位置。

外行星與內(nèi)行星：軌道在地球內(nèi)側(cè)比地球更靠近太陽(yáng)的行星稱(chēng)內(nèi)行星（水星和金星）；在外側(cè)，軌道比地球軌道更大的稱(chēng)外行星。

凌日：內(nèi)行星在內(nèi)合的位置在太陽(yáng)前方經(jīng)過(guò)的現(xiàn)象。

研究具體內(nèi)容球面天文學(xué)研究的具體內(nèi)容有：

(1)天球坐標(biāo)系的建立，天體的視運(yùn)動(dòng)。天文坐標(biāo)系是建立在天球上、與地球形狀和大小無(wú)關(guān)的坐標(biāo)系。它以地球自轉(zhuǎn)軸為極軸，極 軸延伸與天球的交點(diǎn)為天極，經(jīng)過(guò) 地心并同極軸垂直的面為赤道面， 赤道面延伸與天球相交的大圓為天赤道；觀測(cè)者的地方鉛垂線為天頂方向，它是天文坐標(biāo)系的基本方向；天頂方向和天球赤道面的夾角 稱(chēng)為天文緯度?; 經(jīng)過(guò)天極和天頂方向的平面為天文子午面，某地天 文子午面與本初子午面之間的兩面角稱(chēng)為天文經(jīng)度λ。天文坐標(biāo)是二 維球面坐標(biāo)系。為了測(cè)定天文經(jīng)緯度，必須觀測(cè)天體。在測(cè)定天文經(jīng)緯度時(shí)，使用的儀器有： 中星儀、 棱鏡等高儀、天頂儀和照相天頂 筒。為了建立天文大地網(wǎng)的天文經(jīng)緯度，大多用全能經(jīng)緯儀測(cè)定。

天體的視運(yùn)動(dòng)是地面觀測(cè)者直 接觀測(cè)到的天體的運(yùn)動(dòng)。天體在作周日視運(yùn)動(dòng)時(shí)，經(jīng)過(guò)天球上一些特殊的圈(包括大圈和小圈)或點(diǎn)，這些現(xiàn)象在天體測(cè)量工作中具有重要意義。

(2)視差、大氣折射和光行差的理論及其應(yīng)用。視差是觀測(cè)者在兩個(gè)不同位置看到同一天體的方向之差。測(cè)出天體的視差，就可以確定天體的距離。天體視差測(cè)量是確定天體距離的最基本的方法。天體射來(lái)的光線通過(guò)地球大氣層，受到大氣的折射，這種現(xiàn)象和由此引起的折射量統(tǒng)稱(chēng)為大氣折射。大氣折射使天體向天頂方向偏折，在天體 測(cè)量工作中必須修正大氣折射的影響。在同一瞬間，運(yùn)動(dòng)中的觀測(cè)者所觀測(cè)到的天體的視方向與靜止的 觀測(cè)者所觀測(cè)到的天體的真方向之差，稱(chēng)為光行差。在天體測(cè)量時(shí)應(yīng) 消除光行差對(duì)測(cè)量精度的影響。

(3)歲差和章動(dòng)對(duì)天體位置的 影響。

在外力作用下，地球自轉(zhuǎn)軸在空間并不保持固定的方向，而是不 斷地變化。地軸的長(zhǎng)期運(yùn)動(dòng)稱(chēng)為歲差，而其周期運(yùn)動(dòng)則稱(chēng)為章動(dòng)。歲差和章動(dòng)引起天極和春分點(diǎn)在天球 上的運(yùn)動(dòng)，對(duì)恒星的位置有所影響。

(4)以地球自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)周期為基礎(chǔ)的時(shí)間計(jì)量系統(tǒng)(世界時(shí)和歷 書(shū)時(shí))的建立原理和力學(xué)基礎(chǔ)。

(5)天體視位置的歸算方法。3

天體測(cè)量學(xué)研究和測(cè)定天體的位置和運(yùn)動(dòng)， 建立基本參考坐標(biāo)系和確定地面點(diǎn)的坐標(biāo)的科學(xué)。天文學(xué)中最先 發(fā)展起來(lái)的分支。天文學(xué)、地學(xué)、測(cè)量學(xué)交叉形成的學(xué)科。

天體測(cè)量學(xué)的起源可以追溯到人類(lèi)文化的萌芽時(shí)代。遠(yuǎn)古時(shí) 候，為了指示方向、確定時(shí)間和 季節(jié)，先后創(chuàng)造出日晷和圭表。對(duì)星空劃分出星座、編制出星表。 早期天文學(xué)的主要內(nèi)容就是天體測(cè)量學(xué)。天體測(cè)量的資料，為天體力學(xué)的建立創(chuàng)造了重要條件。 在航天時(shí)代，天體測(cè)量技術(shù)的提 高與天體力學(xué)方法的改進(jìn)，更是相輔相成，互相推動(dòng)。

天體測(cè)量學(xué)的內(nèi)容包括確定天體的位置及其變化，包括球面天文學(xué)、方位天文學(xué)、實(shí)用天文學(xué)、天文地球動(dòng)力學(xué)。

天體測(cè)量的手段，已從可見(jiàn)光觀測(cè)發(fā)展到射電波段、紅外、 紫外、X射線和γ射線波段的觀測(cè)；在觀測(cè)方式上已由測(cè)角擴(kuò)展到測(cè)距；觀測(cè)所在地已由固定天文臺(tái)發(fā)展為流動(dòng)站、全球性組網(wǎng)觀測(cè)以及空間觀測(cè)；觀測(cè)精度不斷提高，角度測(cè)量已由十分之一 角秒、百分之一角秒提高到千分之幾角秒；對(duì)距離的測(cè)量，準(zhǔn)確度已由公里級(jí)達(dá)到厘米級(jí)；觀測(cè) 的天體由明亮的恒星擴(kuò)展到星等更暗的光學(xué)恒星、星系、類(lèi)星體、 射電源、紅外源和X射線源。

現(xiàn)代天體測(cè)量學(xué)不但能以厘米級(jí)的精度完成實(shí)用天文學(xué)的任 務(wù)，建立更理想的基本參考坐標(biāo)系，進(jìn)一步推動(dòng)天文地球動(dòng)力學(xué)的研究，而且還能為天體物理學(xué)、天體演化學(xué)和宇宙學(xué)的研究提供十分豐富的基礎(chǔ)資料。