《时间的天文学》 作者：黄驰

天文学，用数学、物理学准确的描述和解释每一种天文现象。是每一个中小学中都可以系统学习的自然科学。

天文学是现代科学中最尖端，最前沿的科学，也是现代科学中最基础、最简单的学科。其实天文学无处不在，从东、南、西、北，到太阳的东升西落，从日夜交替，到一年四季，甚至地面上的每一个影子都是天文学的一部分；而太阳系、银河系、黑洞、宇宙、宇宙大爆炸也都是天文学中的一部分。无论是最简单的天文现象，还是最复杂的天文现象，天文学都是用数学、物理学来描述和解释的。而学习天文学，我们还是需要从最简单的天文现象开始，并不是直接去描述黑洞、去解释宇宙大爆炸。

时间，是天文学的核心，是天文学中最重要的工具，也是开启天文学的钥匙。天文学对时间的定义是天文历法，描述的是天文学中最重要的天文现象--地球的自转和围绕太阳的公转。而学习天文学的过程，就是我们对时间认知、定义和利用的过程，甚至可以说天文学是一门关于时间的科学，是时间的天文学。但是学习天文学我们还是需要从最简单的开始，从认识东、南、西、北开始。

东、南、西、北四个方向。东方，太阳升起的地方。西方，太阳落下的方向。南、北方，中午太阳在南方，影子指向北方。正南，中午太阳到达一天之中的最高点，此时太阳在正南方。正北，中午太阳到达一天之中的最高点时，影子最短，指向正北方。正东--正西的连线和正南--正北的连线之间相差90°。

方向的真实测量，在天文学中，虽然太阳每天都从东方升起，但是寻找正东、正西并不是利用太阳的东升西落，因为太阳并不是每一天都是从正东方升起、正西方落下。在天文学中，测量、寻找的是正南方、正北方。因为每一天太阳的最高点，都是在正南方，而此时影子最短，指向正北方，这就是正南--正北的连线。而与正南-正北连线相差90°的是正东--正西的连线。

正南方，当我们观察太阳、月亮东升西落，星星、星座的东升西落时，一天之中所有天体东升西落的最高点都是在正南方。可以说在东、南、西、北四个方向中，对于天文学，正南方最重要，或者说正南--正北连线是最重要的，这是地球自转的结果。当我们拿出地球仪时，正南--正北的连线就是地球上的经度线。注意：南北半球的区别，南半球对应的是正北方。

天赤道，地球赤道在星空中的投影。我们将地球的赤道平面向太空中无线延伸投影，得到的就是天赤道。天赤道是天文学中是重要的标记线之一。当我们观察太阳的东升西落，星星、星座的东升西落时，所有的移动轨迹都是和天赤道平行的，这是地球自转的结果，而赤道平面正是地球的自转平面。

那么天赤道在哪里？如图所示，东、南、西、北的四个方向。天赤道是从正东E点，到正西W点，经过正南方上A点的一条半圆弧线EAW。天顶Z，是我们头顶的正上方，ZO是垂线，垂直于地面。天赤道弧线EAW与天顶Z之间，形成一个角度∠AOZ，而∠AOZ的角度值正是我们所在城市的纬度值。

PO垂直于天赤道平面O-EAW，OP指向北天极。北天极，也就是夜晚北极星的所在的位置。北天极（北极星）与地面的角度是∠PON，这也就是北极星的高度角。

∵ ZO垂直于地面O-ESWN，∴ OZ⊥NS，

∵ PO垂直于赤道平面O-EAW，∴ PO⊥OA。

∴ ∠POA=∠ZON=90°

∠AOZ=∠POA-∠POZ，

∠PON=∠ZON-∠POZ，

∴ ∠AOZ=∠PON

通过计算我们得到的北极星高度角∠PON，与∠AOZ相等（天赤道和天顶之间的夹角），两个角度都是我们所在城市的纬度值。

我们一般使用角度来描述星空与天赤道之间的位置关系。天顶与天赤道的角度是∠AOZ，北天极与天赤道之间的角度是∠POA=90°。正北地平线与天赤道之间的角度是∠NOA=∠POA+∠PON。正南地平线与天赤道之间的角度、是天赤道倾斜的角度∠SOA。通过计算，天赤道和天顶之间的夹角，与北极星的高度角是相等的。北极星的高度角也就是我们生活城市的纬度值。

寻找天赤道，天赤道，星空中最重要的标记线，虽然现实中我们看不见他，但是寻找他还是很方便的。面向正南方，从头顶(天顶)向正南方倾斜一个特定的角度就是天赤道，而这个角度就是我们生活城市的纬度值。现在我们可以通过手机、网络，或者GPS全球定位系统很方便地得到我们所在城市的纬度值，但是古人不行，古人是通过测量北极星的高度角，得到城市的纬度值，再通过计算，得到天赤道的位置。

计算天赤道倾斜的角度：每一个城市天赤道倾斜的角度都是不一样的，正如同我们每一个城市北极星的高度角也是不一样的。这个角度和我们生活城市的纬度有关，而计算这个角度就非常简单了。

天赤道和正南方的交点A，天赤道倾斜角∠SOA。

∠SOA=90°-∠AOZ = 90°-当地纬度。

通过计算公式，只要知道城市纬度，我们就可以非常方便地计算出每一个城市天赤道倾斜的角度。如果我们生活在赤道地区，天赤道就在我们头顶的正上方，北极星在地平线的正北方。如果我们生活在北极点，天赤道就是地平线，而北极星就在我们头顶的正上方。

太阳、星星、星座与天赤道，当我们观察太阳东升西落时，他的移动轨迹是和天赤道平行的。当我们观察星星、星座东升西落时，他们的移动轨迹也是和天赤道平行的。

星星、星座的东升西落，我们以猎户座为例，从猎户座的东升，正南，到猎户座的西落，猎户座和天赤道的位置关系都没有发生变化，当我们把猎户座，或者猎户座中的每一颗星星，东升西落的轨迹和天赤道对比时，他们都是平行的。1年365天，每一天，猎户座的移动轨迹都是和天赤道平行的，其实猎户座与天赤道之间的位置关系（距离、角度）是静止的，不会变化。

猎户座东升西落的移动是地球自转的结果，其实猎户座并没有移动。而且无论我们在地球上的哪一个城市观察猎户座和天赤道，虽然每一个城市天赤道倾斜的角度是不同的，但是每一个城市猎户座和天赤道之间的位置关系却始终不变。找到猎户座我们就找到了天赤道，找到天赤道我们就可以找到了猎户座。

太阳，太阳东升西落的移动轨迹和天赤道也是平行的，但是1年365天，太阳与天赤道之间的位置关系（角度）每天都在变化的，其实每时每刻都在变化，只是一天之内角度的变化值很小，用肉眼很难观察出这个变化，为了简化，一般我们忽略不计，简单描述成平行。严格地说，太阳东升西落的移动轨迹和天赤道是几乎平行。

为什么会是这样？这是地球自转的结果。

天空中除了太阳、月亮，还有星星，我们肉眼可见的星星就有6000多颗，天文学把星空分成88个区域，把每个区域中的亮星连在一起构成88个星座。其实太阳和所有恒星都是静止的，他们之间的位置也是相对静止的，只是地球在自转，而天赤道平面正是地球的自转平面。

地球就是一个巨大的旋转木马，只是转的很慢，24小时旋转一周360°。木马旋转一周，周围静止的房屋、树木是不会发生任何移动的；同样地球旋转一周，周围静止的猎户座和天赤道也不会发生任何移动。所以我们观测到的结果就是，无论猎户座的东升、正南、还是西落，他和天赤道之间的位置关系不变，他的移动轨迹也就和天赤道平行了。所有星星、星座的移动轨迹也都是和天赤道平行的，这都是地球自转的结果。东升西落是地球自转的相对运动产生的视觉效果。这就是我们物理学中相对运动，是由地球自转引起的相对运动。

太阳东升西落的移动轨迹和天赤道几乎平行，而1年365天太阳和天赤道之间的角度在±23.5°之间变化。这是因为地球除了自转，地球还围绕太阳公转，所以太阳和天赤道之间1年365天都在变化，而这个变化的周期是1年，每一年都是重复的。

这些都是我们用肉眼观察的结果。如果用天文望远镜放大观察，我们可以看到更多的细节。用望远镜观察猎户座的东升、正南、西落和天赤道也不是绝对平行的，这是因为我们的观测还受到大气光线折射的影响。只是这个变化值也很小，在数学计算中，为了简化计算，一般我们忽略这些微小的变化。而在物理学中，我们还需要解释这些微小变化产生的原因，根据计算精度要求判断是否需要忽略。

天球，仰望星空，星空如同倒扣在地面上的半个球体，地球自转一周360°，整个星空就构成一个完整的球体，我们称为天球。如本文图示，我们可以看见东、南、西、北和天顶就构成了半个天球。

正南方--中天，太阳东升西落，一天的最高点在正南方，此时影子最短指向正北方；星星、星座东升西落，一天的最高点也是正南方，这些都是地球自转的结果。正南--正北的连线SN就是我们地球上的经度线，而正南-正北经过天顶的连线SZN，是经度线在星空中的投影，在天文学中称为“中天”。地球自转一周360°，是正南方扫过整个星空360°。更准确描述是中天扫过整个星空360°，这里我们用简化的方式描述（便于每一个普通人的理解），是正南方扫过整个星空360°。

地球的自转和公转，地球自转1周360°是1天，随着地球的自转，1天时间，正南方扫过整个星空。正南方扫过太阳1次，也扫过猎户座1次。地球围绕太阳公转1周360°是1年，1年365天，正南方扫过太阳365次，扫过猎户座也是365次。

1年365天，正南方扫过太阳365次的规律是什么？

1年365天，正南方扫过猎户座365次的规律是什么？

天文学记录的就是这每一次的规律。但是在了解这些规律之前，我们首先要了解一下时间，天文学是如何描述和定义时间的？

请看下一章：时间--(真)太阳时

《时间的天文学》，浏览全部章节请微信公众号"时间的天文学"。天文学，用数学、物理学准确的描述和解释每一种天文现象，是每一个中小学生都可以学习的科学。时间，天文学的核心，也是开启天文学的钥匙。学习天文学建议使用Pad、PC等大屏浏览器浏览。

www.time-dot.com 一个关于时间的网站。

学习天文学还是需要一些基础知识的，需要我们简单的了解地球（地球仪）。城市的纬度，我们生活城市在地球仪上的位置，城市的纬度是如何定义的。我们以地球赤道为0°，北极为90°，南极为-90°，城市的纬度是城市位置和赤道平面间的夹角。

小学生天文学，天文学是每一个中、小学生都可以系统学习的自然科学。本文中的几何部分对于小学生有些难，不是学习的重点，天赤道在哪里才是重点，仰望星空找到天赤道才是重点。面向正南方，从头顶(天顶)向正南方倾斜一个特定的角度就是天赤道，而这个特定的角度就是我们生活城市的纬度值。找到天赤道，我们就可以找到猎户座；找到猎户座，我们就找到了天赤道。

计算猎户座的高度角，关于猎户座的详细介绍我们会在第五章《365天，时间的规律》中详细介绍，本章节的重点是我们如何找到天赤道。当我们找到天赤道，再找猎户座就方便了。找到猎户座，我们就找到了天赤道；找到天赤道；我们就可以找到猎户座，因为猎户座和天赤道之间的位置关系是固定的。猎户座的高度角，和计算每个城市天赤道倾斜角度一样，我们也可以计算出每一个城市正南方扫过猎户座时的高度角。

如果我们生活在赤道，猎户座会移动到我们的头顶。如果我们生活在北极点，猎户座一直在地平线上移动。只要知道城市的纬度，我们可以非常方便的计算出每一个城市正南方扫过猎户座时的高度角。注意：南北半球的差别。

天体的真实测量，在天文学中，我们一般不测量天体与地面之间的角度值，因为随着天体的东升西落，高度角一直在变化，我们一般只是记录他们的在正南方时的最大值（其实这个值大多也是计算出来的）。在天文学中，测量最多的是天体和天赤道之间的角度值，因为这个值一般是一个固定值，一般不会随着天体东升西落而变化。我们的星图也是根据天体和天赤道之间的位置关系来制作的。这些都是地球自转的结果，而赤道平面正是地球的自转平面。

1. 恒星的测量，我们以猎户座为例，我们测量猎户座东升、正南、西落时和天赤道之间的角度，三个值都是一样的。更准确的说，我们测量的是猎户座中的每一颗恒星和天赤道之间的角度值。而且1年365天，每一天都是一样的。星空中每一个星座都是和猎户座一样的。

2. 太阳的测量，所有恒星中，太阳是个例外。我们分别测量太阳东升、正南、西落时和天赤道之间的角度，三个值并不一样，是有细微变化的。1年365天，太阳和天赤道之间的角度是一直在变化的，这是因为地球除了自转，还围绕太阳公转的结果，只是每天的变化值很小。所以更准确的描述应该是太阳移动的轨迹和天赤道之间几乎是平行的。由于每天的变化值很小，我们一般的描述是，太阳东升西落的移动轨迹和天赤道也是平行的。

简化，学习天文学的必然方法。

天文学，用数学、物理学准确的描述和解释每一种天文现象。天文学更像是一道道的数学、物理题，学习天文学的过程就是拆解、简化这些数学题的过程。简化，将复杂的问题简单化，是所有学科学习的必然方法，天文学更是如此。太阳东升西落，月亮东升西落，星星、星座东升西落，站在地球上观察所有的天体都在移动，这是地球自转的结果。这么多的天体我们需要简化学习。

星星，星座，星空中肉眼可见的星星约有6000多颗，记住每一颗星星的名字几乎是不可能的事情，这不是我们学习天文学的方法，简化是必须的。6000多颗星星中有行星和恒星，首先我们将行星简化，因为行星的移动规律比恒星复杂。恒星，天文学将整个星空分成88个区域，把其中明亮的星星连成线，构成88个星座，记住每一个星座的名字也是非常困难的，也需要简化。简化后，我们剩下1个星座，猎户座星空中最容易辨认的星座，而且他的位置在天赤道附上。其实天文学可以简化为1颗恒星，但有些过度简化，为了防止过度简化，我们再保留1个参考星座，天蝎座也是星空中容易辨认的星座之一，而且他和猎户座之间的空间位置相差约180°。

东、南、西、北四个方向，每一个方向我们都能看见星星，简化后剩下正南方。因为太阳、月亮东升西落、星星、星座东升西落的最高点都在正南方，这是地球自转的结果。或者说随着地球的自转，是正南方扫过整个星空。

太阳和月亮，简化后剩下太阳。因为太阳是天空中最亮的天体，太阳是太阳系的核心，地球围绕太阳公转。其实月亮的移动规律更复杂些，同时学习会增加我们学习的难度，一个一个的学习，可以简化我们学习的难度。

地球只有一个，但地球上的城市有很多，依然可以简化，但简化成一个城市太少了。正如本文天赤道的位置，通过几个城市的对比，我们可以更全面的了解天赤道在哪里，他和城市纬度之间的位置关系。

简化后，剩下太阳、正南方、猎户座，我们再寻找其中的规律就简单很多了。

时间，天文学中最重要的要素，无处不在，其实本章中最简单的东、南、西、北也和时间有关。早晨，太阳升起的方向是东方；中午，太阳在的方向是南方，而影子指向是北方；晚上，太阳落下的方向是西方。