第 2 課 : 星空 (I):認識地球公轉與自轉所造成的星空變換
教授者:陳輝樺
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課程主題

理解夜晚裡,目視到的星空為什麼會有所變換。

我們期望探討的主題:

  • 整夜星空的變化。
  • 每夜星空的差異。
名詞的定義:
  • 天球 (Celestial sphere)。
  • 黃道 (ecliptic)。
  • 黃道帶 (zodiac) 。
  • 黃道面 (ecliptic plane)。
  • 天頂 (zenith)。
  • 子午線 (meridian)。
建議參考網頁: AEEA 主題日誌 2001 年 9 月份主題

夜空中目視到的星象
高空中的熱氣球、飛機、人造衛星 (artificial satellites)。

流星 (meteors)。

極光 (aurora)。

彗星 (comets)。

小行星 (asteroids)。

太陽系裡鄰近地球的行星 (planets) 如金星、火星、木星、土星,和月球。

恆星:

  • 88 個星座 (Constellations)、星宿。
  • 雙星 (binaries)。
  • 變星 (variable stars)。
  • 星團。
  • 星雲。
  • 星系。
  • 星系團。

建議參考網頁: AEEA 主題介紹
        行星月球彗星星座梅西爾星體NGC 星體螺旋星系


你必須先確知的概念

我們生活在一個『旋轉』的「球形」世界上:

  • 觀察:1、找個視野遼闊的地方,遠望前後左右上下,你最遠可以看得多遠?它是呈現什麼樣的形狀,有玲有角的方形還是虹弧狀?
  •             2、在看看太陽、月亮的形'狀變化,它們是有玲有角的方形還是虹弧狀?
  •             3、靜觀四周有什麼現象會是「週而復始」地來回擺動、前後搖動、或是轉動?
  •             4、你觀察夠久了嗎?它又發生了什麼令你好奇的另一種「週而復始」新現象呢?
  • 提問:1、怎麼知道你所在的這塊大地是球形的呢?
  •             2、怎麼知道你所在的這塊大地是在旋轉呢?
  • 客觀靜思:月相的變化、日食和月食的形狀變化過程,其規則所在。
  • 推敲:1、太陽和月亮都是球形的嗎?那地球的形狀呢?
  •             2、吊燈和旋轉台上的來回週期性運動。
  • 表述:1、找出理由說明柱形或平面月亮和大地的不可能。
  •             2、怎樣描述問題現象的發生、思維的過程、推測可能的答案。
  • 評估:起身動一動、轉一轉,你最後的認定,你自己說服了自己了嗎?!
你認定的地球到底是圓的、是方的、是球狀的,直接影響著後續你在天文學上星體的形狀認知。

你感受到的地球到底是靜止的、是晃動的、是轉動的,直接影響著後續你對於星體的運動認知。



下圖『富可擺 (Foucault pendulum)』 說明著我們所居之地正在繞著一個軸轉動。


你必須先具備的態度

你今天所學習得到的智能和昨天的認知相同,那就表示你今天毫無所獲。

大膽假設、仔細觀察、細心推敲、簡明表述、勇於判斷。
建議你拋開自我為中心的思維,換個腦袋想一想,或許對於你的學習會有另一番海闊天空的新感受與收穫。

你是在何時、何處觀看星象

你所看到的星空會有所不同,乃是由於下列的因素所造成的:

  • 因為「地球的自轉」,使得你一整晚幾乎可以看到星點繞著北極旋轉 360 度 (除太陽附近) 的夜空景觀。
  • 你一整晚所能見到的星空僅是全天去星空的局部份,你無法看到整個星空的原因,和你所觀看星象地點的「緯度」有關。
  • 你 四季所看到的星空也會有所不同,乃是因為地球繞著太陽「公轉」過程中所在的相對位置的差異。 下圖示說明在四季的午夜時分,你頭頂的星座正是當日背對著太陽方向的星座。

尋找正確的方位

觀察星點的運動模式,你將發現它們似乎都繞著一個「不動點」旋轉。

  • 你所見到的這個不動點,在北半球它是「北極」;在南半球它是「南極」。
  • 我們稱這個不動點為『極』。
  • 你能見到這個不動點,乃因為你所居住的地球自轉軸延線在『天球』上所指標出的位置。


星球轉動、運行的規則:右手表示法
如何的方式可以來簡易地表示出地球的自轉、行星的自轉、太陽的自轉、以及行星繞行太陽的公轉方向?
  • 地球自轉的方式,可用你的右手拇指代表地球自轉軸只向北的方向 (也就是你的拇指平行於地球自轉軸且只向北方)、其他四指彎曲的方向代表地球自轉的方向。如下圖示。
  • 月球在以地球為中心的座標上,月球繞行地球的方向也是可以用「右手表示法」。
  • 太陽自轉的方向,也是可以用「右手表示法」。
  • 行星都近乎在太陽的赤道面,或說是在以太陽為中心的座標上,呈一個「黃道面」繞行太陽公轉,它們繞行的方向也是可以用「右手表示法」。
  • 行星自轉的方式,也是可以用「右手表示法」。
  • 銀河系的旋轉方式,也是可以用「右手表示法」。


星空的座標:天球

我們該如何地標示星空中星體的位置所在呢? 

  • 以人類的目視所及,除了能夠察覺太陽系內行星、衛星和彗星的位置移動外, 眾多恆星 (古人認為『』者似乎不變動的意思) 的距離與運動都是難以了解。
  • 研究天象者,將這些恆星假想是鑲勘在一個不必論述半徑大小、 且將我們所居的大地包含於核心的假想超大球面上 (如下圖示), 這個大球天文學家稱它為「天球 (Celestial sphere)」。
  • 為了描述恆星在天球上位置的所在,先民們首先將數顆恆星目視位置的連線, 與日常生活中所見到的事物如動物 (如大熊、獅子等)、工具 (如斗、杓、箕等) 或神話等聯想在一起給予命名, 而有了「星宿 」 或「 星座 」。
  • 再將這些「 星宿 」或「星座」的相關位置在天球上以不同的座標系統標示出來, 常用的座標系統有「黃道座標系 (Ecliptic coordinate system) 」、 「地平座標系 (Horizontal coordinate system)」、 「 赤道座標系 (Equatorial coordinate system)」等。

 


太陽的軌跡:黃道

何謂「黃道」?

  • 因為地球的自轉軸和以太陽為座標中心繞行太陽公轉的平面並不一致。
  • 因為地球的自轉軸和以太陽為座標中心繞行太陽公轉的平面並不一致,使得在地球上觀看太陽的運行, 會發現太陽的目視運行軌跡彷如在南北赤緯 23o 27' 之間來回地運動。
  • 也就是當「 太陽的視位置座標 (The apparent position of the Sun in Horizontal coordinates) 」在 + 23o 27' 時,北半球正處於是「 夏至日 (summer solstice)」、 而南半球正處於是「 冬至日 (winter solstice) 」;
  • 反之,當「太陽的視位置座標」在 - 23o 27' 時,南半球正處於是「夏至日」、 而北半球正處於是「冬至日」。
  • 當「太陽的視位置座標」在 0o 時 ,也就是陽光正照射在赤道上時, 南北半球正是「春分」或是「秋分」之際。

 

地平與方位角
        在地平座標系 (Horizontal coordinate system) 中, 需要標示出 天球 上兩個獨立的座標數據「地平高度仰角 (Altitude)」α 和「方位角 (Azimuth)」θ 。 但是該如何明確清晰地判定這兩個簡明易懂的座標參數, 就必須詳細地定義出何謂「地平 (線) (Horizon) 」 與「方位角 (Azimuth)」 這兩個名詞的意涵。

所謂的「地平線 (Horizon) 」:
  • 是目視遙遠處地面和天空交界的陵線。
  • 是你在所在的位置凝視四方, 你儘可能所能見到的地方與天空難以區辨的分界線。
  • 地平線 的視野容易被樹木、建築物或是山岳所阻擋,若是你能在海邊遙望遠處就可看到那天際間明顯的分界線。

所謂的「方位角 (Azimuth) θ」:

  • 方位角的基準點是以北方為 0 度 (或 360 度) 為準。
  • 依順時鐘量測 90 度為東方、 180 度為南方、 270 度為西方。

頭頂上星空:天頂與子午線
      「地平高度仰角 (Altitude) α 的定義是沿著「子午經線 (Prime Meridian)」 在正午時刻 (Local meridian) 、仰角 + 90 度時為 「天頂 (最高點) (Zenith)」; 相反的方向,仰角 - 90 度時為「天底 (最低點) (Nadir)」。 顧名思義,「天頂 (最高點) 」是在你的量測中,星體能達到的最大仰視角度, 而星體昇起時仰角為 0 度 (位於「地平線」上)、 落下時仰角也是為 0 度 (位於「地平線」上)。 換言之,仰角大小是介於 - 90 + 90 之間。 可是,我們所在的位置,目視星體並沒有經過我們頭頂上阿! 我們怎麼知道它的「仰角 (Altitude)」 呢? 這時或許需要利用三角函數來換算一下。

星象學

「星象學 (Astrology)」不是 一門科學!

  • 星象學認為個人的一生之生老病死,皆與出生年月日時辰 (也就是所謂的「八字」) 有關。
  • 星象學所述的上述論點,並未經科學的探究,顯然也與實際的事實不符,而且極有可能是具負面的影響。
  • 星象學既非科學,也不是宗教的信條,希望你將它視為僅可能具休閒娛樂的消遣效果而已。

赤道座標系
何謂「 赤道座標系 」? 
  • 赤道座標系在方位概念生成過程中,先由太陽昇落的運動軌跡觀察定出「東西」方向, 然後才觀察到星辰看起來似乎繞著不動點(北天極,鄰近北極星)運行, 而又定出「南北」方向。
  • 天赤道 (Celestial equator)」是地球赤道面向外延伸而與天球相交形成的大圓環。 
  • 以指向北「天球北極 (Celestial pole)」軸和「天赤道 建立的座標系統稱為 「 赤道座標系 (Equatorial coordinate system)」。如上圖示。
  • 在古代中國的赤道座標系裡, 是以天球上天體位置的兩個座標分量,用「去極度」和「入宿度」來表示的赤道座標。

它是如何標示出天球 (Celestial sphere)上的星體座標呢?

  • 我們比照地理的座標方式建立赤道座標系統, 以 24 小時 時區制的 經度 和從南緯 90 度到北緯 90 度的 180 度的 緯度 來表示, 而建立了「赤經 (Right ascension) 」和「赤緯 (Declination)」 的現代 赤道座標系 (Equatorial coordinate system) 。
  • 唯一最大的差異在於地理上的時區是以英國格林威治天文台所在的位置為零時起算, 而在赤經的時區起算點, 是以「黃道 (面) (Ecliptic) 」和天赤道 在雙魚座內的交點 (也就是「春分點 (Vernal equinox)」) 為零時起算, 將一環天的星空分成 24 等分,每等分相當於 1 個小時時區。


地平座標系
何謂「地平座標系 」? 
  • 以天球上天體位置的兩個座標分量, 用「 地平高度 (或稱為 頂垂線高度 ,Altitude)」和「方位」 來表示的地平座標系。 以頭頂正上方的「天頂 (Zenith)」和「地平圈 (或稱為 天底 ,Nadir)」 而建立的座標系統稱為「 地平座標系 (Horizontal coordinate system) 」。
  •  地平高度 (即仰角 α ,常以『 + 』號表示地平面以上的角度, 而以『 - 』號表示地平面以下的角度)和 方位角 (Azimuth) θ

它是如何標示出天球 (Celestial sphere) 上的星體座標呢?

  • 無論是 地平高度 仰角 (Altitude) α 或是 方位角 (Azimuth) θ , 需要量度的並不是距離長度、而該是角度的大小。
  • 但是在目視觀測中如何簡易地就能辨識它們角度的大小呢? 在方位概念發展的古代中國, 以「二十四方位」表示。
  • 現代都可以 度數 (degree) 或是 弧度 (radian) 來表示。 因此, 角秒 (Arc-sec) 、度、弧度等成了 地平座標系 中量測角度的基本單位了。


赤道面與黃道面
黃道 (面) (Ecliptic) 」:
  • 若我們考慮以太陽為座標的中心,則地球繞行太陽公轉的軌道,可視為一個以太陽為中心的平面, 我們稱此軌道 (面) 為「 黃道 (面) (Ecliptic) 」。 如下圖示。

赤道面 」:

  • 垂直於地球自轉軸的平面。

赤道面」與「黃道 (面)」的夾角:

  • 因為地球的自轉軸的傾斜,使得地球在繞行太陽公轉時, 會發現太陽的目視運行軌跡彷如在南北赤緯 23o 27' 之間來回地運動。換言之,「 赤道面」與 「 黃道 (面)」有  23o 27' 的夾角。

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