【学术知识】天球的坐标体系

当你脑中建立了一个天球之后，你还要在这个布满星星的天球中加个概念：周日视运动。
好，现在请你停留在这个图中，不要跳出地球，也不要去看地球仪，看图
渐渐地，你会发现星星、太阳和月亮东升西落（我是不是在说废话？）
天体东升西落的现象就叫做周日视运动
（如图，太阳在夏至、春秋分、冬至所做的周日视运动）

周日视运动是地球自转引起的天体运动，我们站在地球上看，天体都好像每天绕地球一圈，但它们在太空中并不是真正地在绕地球运转。（这是我们眼睛的错觉，但是在研究天球时，你还是得相信你的眼睛）

为啥它们东升西落？因为地球自转啊。地球自西向东自转，导致天体东升西落。
所以当我们用相机长时间曝光时，可以看到它们划出了星轨

我们开始来讲赤道坐标系：
地球自西向东自转，根据相对运动的原理，天空上的星星自东向西（东升西落）运转。地球绕着地轴转动，那么天球呢？
我们先把这张图：
转化为这张图：（如图，点O代表地球）
天球一定是绕着一个和地轴很像的东西转动着，这个东西，叫做天轴，而天轴和天球球面的两个交点，就是极点了，分为北天极和南天极。我们熟悉的北极星，就在北天极附近。

然后剩下的事情，你来做吧，仿照地球仪的各部分概念，给天球仪各部分确定名字。

看上面那个图，以下内容你需要在天球以上找到，而且自己能画出：
1. 天赤道
2. 赤经圈（和经线圈差不多）
3. 赤纬圈（和纬线圈差不多）
4. 春分圈（和本初子午线差不多）
这样的话，用角度作为标尺，向北为正向南为负，从春分圈和天赤道的交点（春分点）自西向东（南顺北逆）划为24h，我们根据这个坐标表示体系就可以精确定位每颗恒星在天上的位置。比如织女星，赤经: 18h36m56.3s赤纬: +38°47′1.0〃。当然，也可以拿小数表示，自己换算一下就好了，赤经的24h对应360°，慢慢倒呗。
哈哈，像不像地球仪上的经纬度呢？很容易掌握对吧？但你还是要记住一点：别把地球仪用的经纬度和赤道坐标系弄混了，要不你们的地理老师是不会放过我的。。。。。。
这样，赤道坐标系我们就说完了。绕着这个天轴，天球转动，导致了东升西落现象的发生。我们会进一步的讲其他常用坐标系，然而，你要做的，是先休息一下，回味一下赤道坐标系的概念，最好出门找个地方看看星星，找找东升西落的感觉，实在不行咱就打开stellarium模拟一下，看看是不是东升西落。

地平坐标系——和观测有关
当你出门看星星的时候，你会发现一个问题：北极星在北边不假，但并不在头顶。
（图片：汕头地区北极星的位置）

北天极也差不多，在北边，但只有在北极点才能看到北天极在头顶（为啥我随后说）。这么说来，赤道坐标系和实际观测还有点差别，怎么回事？怎么修正？

谈到这里还需要大家动用一下数学的几何思想：
地球是个球，而你不在北极点，下面这张图片可能会帮你解决疑虑，引用自基础天文学。
（看图，图中那个圆表示地球）

在这张图片中你需要注意的是：
1、假设你在O’点
2、EE’表示南北方向的地平线
3、Z表示正头顶（叫天顶）。（这里要注意的一点是：天顶和观测者的连线ZO’与O’E’的夹角∠ZO’E’一定为90°）
4、QQ’表示赤道和天赤道
5、N表示北极点，P和P’表示北天极
我们说，地轴和天轴很像。其实地轴延伸出去，就是天轴。同理，赤道和天赤道是对应的，赤纬圈和纬线圈神马的都是一一对应的。

地理书上有一个内容：测量北极星的地平高度就知道当地的纬度。因为北极星十分靠近北天极点，北极星既可以测量高度，又可以测量当地纬度。
所以对于以上内容可以这样说：【北天极高度等于你当地纬度。】
[对于这句话不信的同学可以继续探究下去→为啥是这样？相信的话你可以跳过【证明】并死记硬背那句话]
【证明】

1、还记不记得我前面说的【在地球上哪一点看这些恒星位置都是一样的】了？所以由上面那句话可以得到：PO平行于P’O’。
2、已知在地理上，你所在的位置（观测点O’） 的纬度等于∠ZO’Q’的度数
3、∵∠ZO’E’=∠POQ’=90°
4、∵PO平行于P’O’，
∴∠PO’Z=∠POZ。
∴∠ZO’Q’=∠P’O’E’
∴北天极高度等于你当地纬度
（额……貌似我在教数学……）
“北天极高度等于你当地纬度”这个结论很有用的。现在开始，把宏观放回微观。我的意思是，你可以考虑在地球上每个点的天球的情况（天球一样，但加上地平线了呢？）
既然我们知道了北天极高度等于当地纬度，那我们想想一个问题：天似穹庐，笼盖四野，我们完全可以把头顶的天空看做是天球被大地截出来成了一个半个的天球（半球面）。那么地平线当然就是一个类似于赤道的球面大圆了，头顶是天顶，脚下对应的天球上那一点，我们叫它天底，这样的话，我们也可以仿照着赤道坐标系拟定一套坐标系：地平坐标系。
（图片还是老规矩，O表示观测者）

和赤经赤纬一样，我们需要选取两个标尺来划定星星在天空中的位置。这两个东西就是：方位角，高度角（与地平圈的夹角）。而且，还有四个基点，分别是：东南西北

但是地平坐标系的标度有点闹心，
第一，有时候我们用的方位角零点（原点）不确定。有喜欢从北点算起的，也有喜欢从南点算起的，但都是顺时针；
第二，很多时候，我们运用的不是地平高度，而是天顶距（某颗恒星与天顶的距离）。很简单，90°-地平高度就是天顶距了。至于为什么用这个东西，我可以告诉你，在研究大气消光时，天顶距很好使。

赤道坐标系和地平坐标系的区别是：
1、赤道坐标系在表示某天体时，用的是赤经、赤纬度数
地平坐标系在表示某天体时，用的是方位角、高度角度数
2、赤道坐标系表示某天体时，不管星星如何东升西落，数值一般不发生变化（数值不随着周日视运动的变化而变化。）
地平坐标系表示某天体时，星星东升西落，高度角和方位角时刻发生着变化（数值随着周日视运动的变化而变化。 ）
3、赤道坐标系：随着观测者的地理纬度变化，北天极、南天级的高度发生变化（在北半球，越往北北天极高度越高，越往南高度越低。越过赤道，北天极沉入地平下；南天极升起。在南半球却与北半球相反）
地平坐标系：随着观测者的地理纬度变化，天顶、天底永远不发生变化（天顶永远在头上，天底永远在脚下。）

地平与赤道坐标系的变换我称之为天顶变换，黄道与赤道坐标系的变换我称之为黄赤变换 这些我在几年前独立推算出来的，后来手稿丢了，去年又重推了一遍