如何在夜空中确定一个星球天体的位置

确定天体的位置及其变化，首先要研究天体投影在天球上的坐标的表示方式、坐标之间的关系和各种坐标修正，这是球面天文学的内容。天体的位置和运动的测定属于方位天文学的内容，是天体测量学的基础。 　　天体测量依观测所用的技术方法和发展顺序，可以分为基本的、照相的、射电的和空间的四种。把已经精确测定位置的天体作为天球上各个区域的标记，选定坐标轴的指向，就可以在天球上确定一个基本参考坐标系，用它来研究天体（包括地球和人造天体）在空间的位置和运动。这种参考坐标系，通常用基本星表或综合星表来体现。 　　以天体作为参考坐标，测定地面点在地球上的坐标，是实用天文学的课题，用于大地测量、地面定位和导航。地球自转的微小变化，都会使天球上和地球上的坐标系的关系复杂化。为了提供所需的修正值，建立了时间服务和极移服务。地球自转与地壳运动的研究又发展成为天文地球动力学，它是天体测量学与地学各有关分支之间的边缘学科。天体测量学的这些任务是相互联系，相互促进的。 天体测量学的起源可以追溯到人类文化的萌芽时代。远古时候 ，为了指示方向、确定时间和季节，先后创造出日晷和圭表。对茫茫星空的观测，导致划分星座和编制星表，进而研究太阳、月球和各大行星在天球上的运动。当时的天体测量学既奠定了历法的基础，又确认了地球的自转和公转在天球上的反映，从而逐渐形成古代的宇宙观。因此，早期天文学的主要内容就是天体测量学。 　　根据浩瀚的天体测量资料，经过精心研究得出的开普勒行星运动三大定律，为天体力学的建立创造了重要条件。天体力学与天体测量学一向是密切配合的，依靠观测太阳、月球、大行星和小行星的大量资料和天体力学的研究方法，总结出太阳系天体（特别是地球和月球）的运动理论。它不但为太阳系演化的研究提供素材，而且是测定天文时间与导航工作的重要依据。 如果我们想完全明白天体的运行，以及在任何时候观测星星的位置的话，这些专门名词的意义都是很重要的。对于一位只想大致知道天界现象的读者，这一章并不是必要的。但我一定要请那想更深一点了解天象的人来一同作更深的研究，研究我们在第二章里所描写过的天球。我们现在回到图１上去，便可看出我们正在研究的两个球之间的关系。一个是真实的地球，我们住在它上面，它每天带着我们不停地旋转。另一个是天上看来仿佛存在的天球，它在极其辽远的距离之外从各方向围绕地球，它虽然不是实在的，我们却一定要想象着它，为的是知道到什么地方去寻找天体。要注意我们是在天球的中心，因此天球上的东西都好像是在球的内部表面上，而我们是在地球的外部表面上。这两球上的许多圈点都有类似的关系。我们已经说过地球的转轴指出我们的南北极，又从两个方向直横过长空，指出天球上的南北极来。我们知道地球的赤道环绕地球，离两极同样远。同样的，在天球上也有一条赤道环绕天球，与两天极各成９０度。假使能把它画在天上，那我们就日夜都能看见它永远在不变的位置上。我们可以准确地想象出它的形状来。它在正东正西两点上与地平线相交，实际上也便是当春分、秋分（３月、９月）时，太阳在地平线上的１２小时内，由周日运动在天上移动的那一条路线。在美国北部诸州看来，它正好横过天顶与南方地平线之间的正中间，越往南来，它也越近天顶——在中国的大部分地区看来，也是如此。 正像我们有平行于赤道而环绕地球赤道南北的纬度圈一样，天球上也有与天球赤道平行以两天极为中心的圈子。正像地球上的纬度圈越接近两极越小一样，天球上的纬度圈也越接近天极越小。 我们知道地上的经度是根据通过该地的从北极到南极的子午圈而定的。这子午圈与格林威治子午圈所成的角度便是当地的经度。 在天球上，我们也有同样的东西。也想象出一些线介于北天极到南天极之间在各方向散开，但都与天球赤道成直角正交，如图３所示。这便叫做“时圈”（ｈｏｕｒ ｃｉｒｃｌｅｓ）。其中之一叫做“二分圈”（ｅｑｕｉｎｏｃｔｉａｌ ｃｏｌｕｒｅ），图中也标示着。这条线正好通过春分点（这一点我们下一章就要讲到）。它在天上的作用与格林威治子午圈在地上的作用相同。 天球上一颗星的位置与地球上一座城的位置是用同样的方法来定的：由它的经纬度来表示。可是用的名词却不大一样。天文学中，等于地上经度的叫做“赤经”（ｒｉｇｈｔ ａｓｃｅｎｓｉｏｎ）等于地上纬度的叫做“赤纬”（ｄｅｃｌｉｎａｔｉｏｎ）。于是我们便有了下面这些定义，我要请读者把它们好好的记下来。 一颗星的赤纬便是它距离天球赤道在南北方向上的视距。图３中的星正在赤纬北２５度。 一颗星的赤经便是经过这颗星的时圈与经过春分点的二分圈所成的角度。图３中的星正在赤经３时上。 在天文学中，一颗星的赤经是用时分秒来表示的，正如图３中所示。可是它也可以用度数来表示，正像我们说地上的经度一样。用时表示的赤经化成度数只须乘以１５便可得。这是因为地球在每小时中旋转１５度角。从图３中还可看出，纬度的相差体现在直线距离上，全地球上都一样长短，而经度相差却不然了，它的直线距离从赤道到两极越来越小。在地球赤道上，一经度的相差约相距１１１．８千米，可是在南北纬４５度上，它只有６７．６千米了。在南北纬６０度上它已不到５６千米。在两极它便等于零了，因为在那儿各子午圈都相遇于一点了。 我们还可看到地球自转的线速度也依这一规律而减小。在赤道上经度相差为１５度则直线距离约为１ ６００千米，地球旋转线速度约为每秒钟４６０米。但在南北纬４５度上，线速度已减小到每秒３００米多一点了。在南北纬６０度上已只等于赤道的一半；到了两极上则减小为零了。 应用这种经纬到天上去，唯一的困难只是地球的自转。只要我们不旅行，我们便永在地球的某一经度上不动。可是因为地球的自转，天上任何一点的赤经（在我们看来是固定的）却不断的移动了。天球子午圈与时圈的差别仅仅在于前者随着地球旋转而后者却固定在天球上不动。 几乎在地球与天球的每一点上都有一种严格的相似。地球在它的轴上从西往东旋转，天球便好像从东往西旋转。如果我们想象地球正在天球中央，有一根公共转轴穿过它们（如图３所示），我们就可以对它们的关系得到一个明晰的概念了。 假如太阳也像星辰一样几乎年年岁岁都固定在天球上不动，那么要找一颗我们已知赤经和赤纬的星星肯定会比较容易一些。因为地球有每年一次的环绕太阳的公转，所以在每晚相同时刻，天球上的太阳视位置便永不相同。