4.1: 地球和天空

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学习目标

在本节结束时，您将能够：

描述如何使用纬度和经度绘制地球地图
解释如何使用正确的上升和偏角来绘制天空图

为了创建精确的地图，地图制作者需要一种方法来唯一而简单地识别地图上所有主要要素的位置，例如城市或自然地标。同样，天文地图制作者需要一种方法来独特而简单地识别恒星、星系和其他天体的位置。在地球地图上，我们将地球表面划分为一个网格，使用其纬度和经度坐标可以轻松找到该网格上的每个位置。天文学家对天空中的物体也有类似的系统。了解这些可以帮助我们了解天空中物体从地球各个地方的明显运动。

在地球上寻找地点

让我们从确定我们在地球表面的位置开始。正如我们在《观测天空：天文学的诞生》中所讨论的那样，地球的旋转轴定义了其北极和南极以及赤道位于中间的位置。另外两个方向也由地球的运动定义：东是地球旋转的方向，西是地球旋转的方向。在地球上几乎任何地方，四个方向——北、南、东和西——都是明确定义的，尽管事实上我们的星球是圆形的，相当平坦。唯一的例外恰好是北极和南极，那里的东西方向模糊不清（因为正好位于两极点的点不会转弯）。

我们可以利用这些想法来定义附着在我们的星球上的坐标系。这样的系统，比如曼哈顿或盐湖城的街道和大道布局，可以帮助我们找到我们现在或想要去的地方。但是，球体上的坐标比平坦表面上的坐标要复杂一些。我们必须在球体上定义与你在城市地图上看到的矩形网格起着相同作用的圆圈。

大圆是指球体表面上中心位于球体中心的任何圆。例如，地球的赤道是地球表面上的一个大圆圈，位于北极和南极之间。我们还可以想象一系列横穿北极和南极的大圈子。每个圆都被称为子午线；它们都垂直于赤道，以直角交叉。

地球表面的任意点都会有子午线穿过它（图\(\PageIndex{1}\)）。子午线指定该地点的东西向位置或经度。根据国际协议（世界各国经过多次会议才达成共识），经度被定义为您的子午线与穿过英格兰格林威治的子午线之间沿赤道的弧度数，格林威治被指定为本初子午线。本初子午线的经度定义为 0°。

alt — 图\(\PageIndex{1}\)：我们使用纬度和经度在地球上查找像华盛顿特区这样的城市。纬度是赤道以北或以南的度数，经度是本初子午线以东或以西的度数。华盛顿特区的坐标为北纬 38° 和西 77°

你可能会问，为什么选择格林威治？每个国家都希望经度0°穿越自己的首都。格林威治是旧皇家天文台的所在地（图\(\PageIndex{2}\)），之所以被选中，是因为它位于欧洲大陆和美国之间，也是开发海上经度测量方法的大部分地点。经度是从格林威治子午线向东或向西测量的，测量范围为 0° 到 180°。例如，华盛顿特区美国海军天文台钟表基准的经度为西经77.066°

alt — 图\(\PageIndex{2}\)：在格林威治皇家天文台国际商定的零经度点，游客可以站立并跨过经度 “起点” 的确切线。（左图：修改 “pdbreen” /Flickr 的作品；右图：本·萨瑟兰对作品的修改）

您的纬度（或南北位置）是您沿子午线远离赤道的弧度数。纬度测量范围为赤道以北或以南 0° 到 90°。（赤道的纬度为 0°。）例如，前面提到的海军天文台基准的纬度为北纬38.921°。南极的纬度为南纬 90°，北极的纬度为北纬 90°

在空中寻找地点

天空中位置的测量方式与我们在地球表面测量位置的方式非常相似。但是，天文学家使用的不是纬度和经度，而是称为偏角和右上升坐标。为了表示天空中物体的位置，使用虚构的天球通常很方便。我们在《观测天空：天文学的诞生》中看到，天空似乎围绕着地球北极和南极上方的点旋转，天空中的点被称为北天极和南天极。天赤道位于天极之间，因此距离每个极点90°，是天球上的一个大圆，与地球赤道位于同一个平面上。我们可以使用天空中的这些标记来建立天体坐标系统。

天球偏角的测量方法与测量地球球体纬度的方法相同：从天赤道向北（正）或南（负）。因此，靠近北天极的恒星北极星的偏角几乎为+90°。

右上升（RA）就像经度，不同之处在于我们开始计数的任意选择的点不是格林威治，而是春分点，黄道（太阳的路径）穿过天赤道的天空点。 RA 可以用角度（度）或时间单位表示。这是因为当我们的行星转向轴线时，天球似乎每天绕地球旋转一次。因此，绕过天球一次所需的 RA 360° 也可以设置为 24 小时。然后，每个 15° 的弧线等于 1 小时的时间。例如，明亮的恒星 Capella 的近似天体坐标为 RA 5h = 75°，偏角为 +50°。

可视化天空中这些圆圈的一种方法是将地球想象成一个透明的球体，上面涂有深色油漆的地面坐标（纬度和经度）。想象一下我们周围的天球就像一个巨大的球，里面涂成白色。然后想象一下自己在地球的中心，中间有一个明亮的灯泡，透过透明的表面向外望向天空。地球极点、赤道和子午线将被投射为暗影投射到天球上，从而为我们提供了天空中的坐标系。

你可以在这个来自 ClassAction 的互动网站上浏览各种关于空中坐标和运动的基本动画。单击 “动画” 选项卡以获取选项列表。如果您选择菜单中的第二个选项，则可以玩天球并查看直观定义的 RA 和偏角。

转弯的地球

为什么每晚都有许多星星升起落下？换句话说，为什么夜空似乎在转动？我们已经看到，天球的明显旋转可以由天空每天围绕静止的地球旋转或地球本身的旋转来解释。自十七世纪以来，人们普遍认为是地球在转动，但直到十九世纪，法国物理学家让·福柯才明确地证明了这种旋转。 1851 年，他在巴黎万神殿穹顶悬挂了一个重约 25 公斤的 60 米钟摆，使钟摆开始均匀摆动。如果地球没有转动，摆锤的振荡平面就不会改变，因此它会继续沿着同样的路径行驶。然而过了几分钟，福柯就能看出钟摆的运动平面正在转动。福柯解释说，正在移动的不是钟摆，而是地球在钟摆下方转动（图\(\PageIndex{3}\)）。现在，你可以在世界各地的许多科学中心和天文馆中找到这样的钟摆。

alt — 图\(\PageIndex{3}\)：随着地球的转动，福柯钟摆的振荡平面逐渐移动，因此在 12 小时内，木制平台边缘圆圈中的所有目标都按顺序被击倒。

你能想到其他证据表明转动的是地球而不是天空吗？（参见本章末尾第 4.E 节 “协作小组活动 A”。）

关键概念和摘要

地面纬度和经度系统利用了称为子午线的大圆圈。英格兰格林威治皇家天文台的经度任意设置为 0°。类似的天体坐标系称为右上升 (RA) 和偏角，0° 的偏角从春分开始。这些坐标系帮助我们定位天球上的任何物体。福柯摆是证明地球正在转动的一种方式。

词汇表

赤纬: 天赤道以北或以南的角距离

大圈子: 球体表面上的一个圆，是球体与穿过其中心的平面的交点曲线

子午线: 地球或天球上穿过两极的大圆圈

向右提升: 测量天体东西向位置的坐标；从春分到穿过天体的小时圈沿天赤道向东测量的角度