马 壮
天文学是一门古老而又新兴的科学。说它古老，是因为早在五千年前的古代中国文明时期，我国劳动人民就已经运用太阳星辰的运动规律来指导农耕生产了。说它新兴，是因为即使是在科学技术高度发展的当今，天文学仍然是推动科技理论发展的两大原动力之一。（另一个是粒子物理学）。因此，完全可以说，天文学在整个自然科学体系中的地位并不亚于牛顿三定律在经典物理中的重要作用。
天文学既自成体系，又和其它学科，尤其是近现代物理相互融合，形成了她的特点和知识内容。她既博大精深，又细致通俗。这使得爱好并研究天文学的同学们都找到了自已合适的位置，并得到了无穷的乐趣和满足。
目 录
天文学基本知识 .......................................................................................................................................................................... 0 第一讲 天文学概念 .................................................................................................................................................................... 2
一、天文学概念 .................................................................................................................................................................. 2 二、天文学研究的特点 ...................................................................................................................................................... 2 三、天文学的研究对象 ...................................................................................................................................................... 4 4. 何谓天体、太阳系、天球、天体周日视运动、子午圈、中天、黄道、目视星等、太空? ........................................... 8 5.简述研究天文学的意义? ........................................................................................................................................................ 8 第二讲 天文学发展历史 ............................................................................................................................................................ 8
一、天文学发展历程 .......................................................................................................................................................... 8 二、天文学的分支学科 ...................................................................................................................................................... 9 第三讲 天文学内容概述 .......................................................................................................................................................... 11
二、 天体力学 .................................................................................................................................................................. 13 三、天体物理学 ................................................................................................................................................................ 13 四、光学天文学 ................................................................................................................................................................ 14
五、射电天文学 ................................................................................................................................................................ 15 六、 空间天文学 .............................................................................................................................................................. 15 七、天体演化学 ................................................................................................................................................................ 15 第四讲 四季星空 ...................................................................................................................................................................... 24
一、宇宙 ............................................................................................................................................................................ 25 二、银河系 ........................................................................................................................................................................ 25 四、四季星空 .................................................................................................................................................................... 38 第五讲 天文与时间 .................................................................................................................................................................. 57
一、太阳周年视运动 ........................................................................................................................................................ 57 二、月亮绕地球的运动 .................................................................................................................................................... 66 三、行星的视运动 ............................................................................................................................................................ 71 四、时间 ............................................................................................................................................................................ 78 第六讲 现代天文学成就 .......................................................................................................................................................... 90
一、航天器：包括宇宙飞船、航天飞机、空间站 ........................................................................................................ 91 二、实用天文学发展极至——全球星定位系统（Global Positioning System - GPS） ................................... 93 中国卫星定位系统，叫北斗，是双星系统，目前只能定位自己国家和附近的地区，而且只用于军方。 ............ 95 三、探测宇宙新视野——哈勃空间望远镜（HST） ................................................................................................... 96 第七讲 天文学家简介 .............................................................................................................................................................. 97
一、近代天文学的奠基人——哥白尼 ........................................................................................................................... 97 哥白尼（1473-1543），波兰天文学家、日心说创立者，奠定了近代天文学的基础。 哥白尼经过长期的天文观测和研究，创立了更为科学的宇宙结构体系——日心说，从此否定了在西方统治达一千多年的地心说。日心说经历了艰苦的斗争后，才为人们所接受，这是天文学上一次伟大的革命，不仅引起了人类宇宙观的重大革命，而且从根本上动摇了欧洲中世纪宗教神学的理论支柱。“从此自然科学便开始从神学中解放出来”，“科学的发展从此便大踏步前进”（恩格斯《自然辩证法》）。 ................................................................................................ 97 哥白尼著有阐述日心说的《天体运行论》（1543年出版），由于受到时代的局限，在日心说中保留了所谓“完美的”圆形轨道等论点。其后开普勒建立行星运动三定律，牛顿发现万有引力定律，以及行星光行差、视差相继发现，日心说遂建立在更加稳固的科学基础上。 ........................................................................................................ 97 二、天空立法者——开普勒 ........................................................................................................................................... 97 三、预报彗星第一人——哈雷 ....................................................................................................................................... 98 四、恒星天文学之父——赫歇尔 ................................................................................................................................... 98 第八讲 天文学若干问题 ........................................................................................................................................................ 100
一、恒星的“生”与“死” .......................................................................................................................................... 100 二、彗星或小行星的袭击对地球的影响 ...................................................................................................................... 103 三、关于外星人的问题 .................................................................................................................................................. 104 四、经度的故事：人类探索了两千年 .......................................................................................................................... 110
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第一讲 天文学概念
一、天文学概念
天文学属自然科学的基础学科。主要研究天体的分布、运动、位置、状态、结构、组成、性质及起源和演化。在古代，天文学还与历法的制定有不可分割的关系。天文学与其他自然科学不同之处在于，天文学的实验方法是观测，通过观测来收集天体的各种信息。因而对观测方法和观测手段的研究，是天文学家努力研究的一个方向。物理学和数学对天文学的影响非常大，他们是现代进行天文学研究不可或缺的理论辅助。
二、天文学研究的特点
天文研究工作不同于其它学科的研究，具有以下四个特点：
1.被动性
天文研究的手段主要是观测──被动地观测，它不能像其它学科那样，人为地设计实验，“主动” 地去影响或变革所研究的对象，只能“被动”地去观测，根据已经存在的事实来进行分析。天文研究的过程可以用来简单地概括：观测─→积累资料─→分析资料─→理论
2.粗略性
由于天文观测的被动性，不可避免地带来了天文观测的粗略性，我们不妨作一个比较。在地球上要证明一个理论是否正确，可以采用不同的方法，可以设计很多不同的方案或实验，达到理论要求的精度，而在宏观世界中，由于观测仪器的分辨度，灵敏度等的限制，
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以及观测手段的单一性──单靠望远镜，所以，在一定时期内，为了研究一个问题，只能依靠仅有的几种方法，或是仅有的几个不太准确的数据来粗略估计。这与在地球上的实验对比起来，表现出单一性和粗略性。而且，越是深远的天体，越是前沿的课题其粗略性就越严重。因此从某种意义上来说，天文学的发展与天文仪器（或更准确地说是观测手段）的发展直接相关。
3.瞬时性
让我们来比较下面三组数据：
天体的年龄 几百万年——百多亿年
人类文明 几千年
人的一生 几十年——百年左右
从比较中我们不难看出，人类研究天体的演化仅是短短地一瞬间，就像是在人类文明诞生的时候对宇宙拍了一张极高精度的照片，而人类文明发展和延续的过程，就是用不同倍数（越来越大）的放大镜来观察这张照片一样，人类为了征服自然获得自由，而不断研究周围的宇宙。他们观测天体的主要目的，就是想了解各种天体的形成或演化过程，以便以后很好地加以利用。
4.长期性和连续性
任何理论的形成都建立在大量的数据之上，天文学也不例外，而且对天文观测数据的积累则更是长期的、持续不断的。只有这样的数据才是有用的，才能在此基础上得出相对
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正确的理论。
开普勒正是在其老师第谷花费毕生精力留下的行星观测资料中发现了三大定律。第一颗脉冲星的发现正是在距今900多年的历史记载中找到了其形成的证据等等。即使是最平常的天文观测（如：太阳、月球、变星、双星）也需要几天以至于几十年的持续观测，才能有所收获，得出结论。因此，天文工作者必须要具有持之以恒的毅力和认真细致的工作态度，否则就连皮毛都不可能学到。
综上所述，我们可以给天文学下一个定义：所谓天文学就是在极其“短暂”的千百年的时间里，以基本上“被动”的观测方法面向广阔无边的宇宙空间，探索各类天体在漫长历程中的存在和演变的一门学科。
三、天文学的研究对象
天文学的研究对象是各种天体。地球也是一个天体，因此作为一个整体的地球也是天文学的研究对象之一。最初，古人观察太阳、月球和天空中的星星来确定时间、方向和历法，并记录天象。随着天文学的发展，人们已经探测到了200亿光年的范围，根据尺度和规模，天文学的研究对象可以分为：
1.行星系统
包括行星、围绕行星旋转的卫星和大量的小天体，如小行星、彗星、流星体。太阳系是目前能够直接观测的唯一的行星系。但是宇宙中存在着无数像太阳系这样的行星系统。
2.恒星系统
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现在人们已经观测到了亿万个恒星，太阳只是无数恒星中很普通的一颗。
3．星系系统
人类所处的太阳系只是处于由无数恒星组成的银河系中的一隅。而银河系也只是一个普通的星系，除了银河系以外，还存在着许多的河外星系。星系又进一步组成了更大的天体系统——星系团。
4.宇宙
一些天文学家提出了比超星系团还高一级的总星系。按照现在的理解，总星系就是目前人类所能观测到的宇宙的范围，半径超过了100亿光年。
在天文学研究中最热门、最前沿的课题之一就是关于宇宙起源与未来的研究。对于宇宙起源问题的理论层出不穷，其中最具代表性，影响最大，也是最多人支持的的就是1948年美国科学家伽莫夫等人提出的大爆炸理论。根据现在不断完善的这个理论，宇宙是在约137亿年前的一次猛烈的爆发中诞生的。然后宇宙不断地膨胀，温度不断地降低，星系开始形成，并逐渐演化为今天的样子。
5.现代天文学研究的领域非常广泛，有许多非常热门的研究课题。例如：引力的本质、脉冲星、 黑洞和γ射线暴等等。
四、天文学基本名词
任何一门学科，一个知识体系都是由一些较基本的概念和名词组成的。天文学也一样。下面为了能够初步接触天文学，先介绍若干天文学的基本名词，作为入门的第一步。
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1.天体又名星体：顾名思义为天空中的物体。更广泛的解释就是宇宙中的个体。
宇宙 - 银河系 - 星云、 太阳系:太阳 - 水星 - 金星 - 地球 - 月球 –行星- 彗星 - 卫星 - 小行星 - 陨石
2.太阳系：太阳系的中心是太阳，虽然它只是一颗中小型的恒星，但它的质量已经占据了整个太阳系总质量的99.85％。太阳以自己强大的引力将太阳系中所有的天体紧紧地控制在他自己周围，使它们井然有序地围绕自己旋转。同时，太阳又带着太阳系的全体成员围绕银河系的中心运动。太阳系内迄今发现了九颗大行星。有时称它们为“九大行星” 。按照距离太阳的远近，这九大行星依次是： 水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星以及最远的冥王星。水星、金星、地球和火星也被称为类地行星。除了水星和金星外，其他的行星都有卫星。在火星和木星之间还存在着数十万个大小不等，形态各异的小行星，天文学家将这个区域称为小行星带。此外，太阳系中还有超过1000颗的彗星，以及不计其数的尘埃、冰团、碎块等小天体。
太阳系中的各个天体主要由氢、氦、氖等气体，冰（水、氨、甲烷）以及含有铁、硅、镁等元素的岩石构成。类地行星、地球、月球、火星、木星的部分卫星、小行星主要由岩石组成、木星和土星主要由氢和氦组成，其核可能是岩石或冰。
3.天球
天球就是以观测者为球心，以无限大为半径所描绘出的假想球面，我们看到的天体（星星、月亮、太阳）是其在这个巨大的圆球的球面上的投影位置。
4.天体周日视运动
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由于地球自转（自西向东），所以地面上的观测者看到的天体在一天中在天球上自东向西沿着与转轴垂直的平面内的小圆转过一周。
5.子午圈
过观测者的天顶和南北天极的大圆。
6.中天
天体经过观测者的子午圈时，叫做中天。由于地球的自转，天体一天要穿过子午圈两次，其中离观测者天顶较近一次叫上中天。另外一次叫下中天。
7.黄道
简单的说就是太阳在天球中的运行轨迹。由于运动的相对性，所以黄道也就是地球公转轨道与天球的投影。
8.目视星等
公元前２世纪，希腊天文学家伊巴谷将恒星按照其亮度分为六等。亮度越大，星等越小。后来发现，一等星比六等星约亮100倍，所以定义“目视星等”每差一等，亮度差2.512倍。如果比一等星还亮2.512倍为0等，比0等星还要亮2.512倍的为－1等……依次类推。
下面是一些较亮天体的目视星等:
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天狼星（大犬座α） －1.6等、金星（大距时） －4.4等 、木星 －2.7等、满月 －12.7等 、太阳 －26.7等。
9.太空：外层空间简称指的是地球稠密大气层之外的空间区域，并沒有明确的界线区分。一般定义为大约距离地球表面100千米之外的空间。又称为宇宙空间。
思考题1
1.何谓天文学？
2.何谓天文学研究的特点?
3.何谓天文学的研究对象?
4. 何谓天体、太阳系、天球、天体周日视运动、子午圈、中天、黄道、目视星等、太空?
5.简述研究天文学的意义?
第二讲 天文学发展历史
一、天文学发展历程
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天文学的历史已经有几千年了。古代的天文学家通过观测太阳、月球和星星等天象，确定了时间、方向和历法。这也是天体测量学的开端。如果从人类观测天体，记录天象算起，天文学的历史至少已经有5、6千年了。天文学在人类早期的文明史中，占有非常重要的地位。埃及的金字塔、欧洲的巨石阵都是很著名的史前天文遗址。
在古代，人们只能用肉眼观测天体。2世纪时，古希腊天文学家托勒密提出的地心说统治了西方对宇宙的认识长达1000多年。直到16世纪，波兰天文学家哥白尼才提出了新的宇宙体系的理论——日心说。到了17世纪，意大利天文学家伽利略创制了天文望远镜，第一次看到了太阳、月球和一些行星的表面。也在同时代，牛顿创立的牛顿力学使天文学出现了一个新的分支学科——天体力学。天体力学的诞生，使天文学从单纯描述天体的几何关系和运动状况进入到研究天体之间的相互作用和造成天体运动的原因的新阶段，在天文学的发展历史上，是一次巨大的飞跃。
19世纪中叶天体摄影和分光技术的发明，使天文学家可以进一步深入地研究天体的物理性质、化学组成、运动状态和演化规律，从而更加深入到问题的本质，从而也产生了一门新的分支学科天体物理学。这又是天文学的一次重大飞跃。
20世纪50年代，射电望远镜开始应用，到了20世纪60年代，取得了称为“现代天文学四大发现”的成就：微波背景辐射、脉冲星、类星体和星际有机分子。而与此同时，人类也突破了地球的束缚，发射了太空望远镜，可以到天空中观测天体。除可见光外，天体的紫外线、红外线、无线电波、X射线、γ射线等都能观测到了。这些使得空间天文学得到了巨大的发展，也对现代天文学的成就产生了很大的影响。
二、天文学的分支学科
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天文学的分支主要可以分为理论天文学与观察天文学两种。
天文学观察家常年观察天空，并将所得到的信息整理后，理论天文学家才可能发展出新理论，解释自然现象并对此进行预测。
天文学中习惯于按照研究方法和观测手段来分类：
按照研究方法可分： 天体测量学、天体力学、天体物理学。
按照观测手段可分： 光学天文学、射电天文学、红外天文学、空间天文学。
其它更细分的天文学分支学科还有：天文学史-业余天文学-宇宙学-星系天文学-超星系天文学-远红外天文学-伽马射线天文学-高能天体天文学-无线电天文学-太阳系天文学-紫外天文学-X射线天文学-天体地质学-等离子天体物理学-相对论天体物理学-中微子天体物理学-大地天文学-行星物理学-宇宙磁流体力学-宇宙化学-宇宙气体动力学-月面学-月质学-运动学宇宙学-照相天体测量学-中微子天文学-方位天文学-航海天文学-航空天文学-河外天文学-恒星天文学-恒星物理学-后牛顿天体力学-基本天体测量学-考古天文学-空间天体测量学-历书天文学-球面天文学-射电天体测量学-射电天体物理学-实测天体物理学-实用天文学-太阳物理学-太阳系化学-星系动力学-星系天文学-天体生物学-天体演化学-天文地球动力学-天文动力学。
业余天文学 就是通常意义上的天文爱好者所从事的天文活动。一般采用天体观测的形式，通常使用可移动式望远镜和肉眼进行观察。 虽然对多数天文爱好者来说，科学研究不是其主要目的；但在对可见星的观测，小行星的追踪、彗星、流星的报告等等方面，都做出了贡献。而这些成果仍然是吸引其他爱好者们继续做出贡献的重要途径之一。一些天文
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爱好者常常进行集体观测活动，这样的集体活动被称为交流会（star party）。
初学者 在初次学习观测时，最好从辨认星座和行星开始。星座是在夜空中的一个很好的标志物，可以对很多肉眼可见的天体进行定位。
思考题2
1．简述古代天文学的成就？
2．简述近代天文学的成就标志？
3．简述现代天文学的成就标志？
4．简述天文学分支学科？
5．何谓业余天文学、初学者？
第三讲 天文学内容概述
一、天体测量学
天体测量学是天文学中最古老也是最基本的一个分支，主要是研究和测定天体的位置和运动，建立基本参考坐标系和确定地面点的坐标。测量天体就必须知道天体的位置和天体的距离。对天体位置的确定可以通过在天球上建立坐标系的方法来实现。
根据天球的理论，我们将地球的赤道面无限延伸，令其与天球相交的大圆为天赤道。
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地球自转轴与天球的交点分别为南北天极。过两天极的大圆称为赤经圈或时圈。黄道与天赤道有两个交点，其中的升交点（即春分点）被定为赤经零度。赤纬的定义方法与地球纬度的定位相同，天赤道以北为正，以南为负。这样，每个天体的位置就可以通过由赤经和赤纬构成的一对数表示。
关于天体的距离，这里仅介绍三个天文学中常用的单位──光年，天文单位和秒差距。
光年大家都比较熟悉，就是光一年所走的路程。
１光年＝365×24×3600×30万公里＝94605亿公里。
可见是多么远的一段距离。下面是一些典型的距离
比邻星（离太阳最近的恒星） 4.22 光年
银河系直径 10万光年
宇宙深度（大小） 150 亿光年
一个天文单位——为地球到太阳的平均距离约1.5亿公里。天文单位在研究太阳系内部天体时是比较常用的单位。
秒差距是由于一年中地球在轨道上的运动而产生的天体在天球上视位置的微小变化叫做周年视差，如果天体的周年视差为１角秒，那么定义它的距离就是一个秒差距。
1秒差距 ＝ 3.2616光年 ＝ 206265天文单位
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二、 天体力学
天体力学是建立在牛顿万有引力定律基础之上的，主要研究天体在引力作用下的运动状态问题。具体牵涉的是一些复杂的计算，在这里仅介绍两个小内容。
1.地球的岁差
由于地球的自转，我们可以把地球想象成一个旋转的陀螺。解决陀螺旋转的问题，力学上有专门的理论。地球的旋转满足刚体绕定点转动中的拉格郎日情况。
2.地球的章动
地球将既绕一中心轴进动，又在进动轨迹平均位置附近做微小摆动称章动。其中的进动就叫做地球的岁差，其周期大约是25800年，章动周期是18.6年。
•地球的岁差反映在天球上就是天极点的运动。也就是说，随着岁月的流逝，天极点将在天球上画出一个大圆。我们知道，现在的北天极几乎指向北极星，那么，再过1.3万年后，北天极将指向织女星（天琴座α），那时的人们在晚上将定义织女星为正北方, 大恒星织女亦称为北极星。
三、天体物理学
天体物理学用物理学的知识和手段来解释我们利用天文观测设备以及探测器所获得的天体的各种信息，是天文学和物理学的分支学科。天体物理学几乎包括了现代天文学的所有方面，对它的介绍被归入天体演化学部分。
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四、光学天文学
谈到光学天文学免不了要提及望远镜。从种类上分，望远镜主要有四种
1.伽利略式（折射式）
由凸透镜物镜和凹透镜目镜组成。由于放大率低，不适于天文观测。
2.开普勒式（折射式）
目镜和物镜都由凸透镜组成,视场较大。
3.牛顿式（反射式）
物镜是一个凹面镜。特点是口径一般较大。
4.施密特式（折反射式）
由于在物镜前加了一个改正镜，可以做到无球差，视场大，而且也可以制造得很大。目前世界上最大的施密特望远镜位于德国陶登堡史瓦西天文台，改正镜口径为1.34米。
下面我们再来了解一下绝对星等的概念
前面讲了目视星等，我们知道天体的视亮度不仅与天体本身的发光强度有关，还和天体离我们的距离有关。为了能够反映天体本身的真实发光强度，我们把天体假想置于距离地球10秒差距处所得到的目视星等就是该天体的绝对星等。
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太阳的目视星等是－26.74等，但如果假想把太阳移到离我们10秒差距处，我们将发现它只不过是一颗非常普通的五等小星。太阳的绝对星等是＋4.85，而天津四（天鹅座α）的绝对星等是-7.3。
五、射电天文学
射电天文学是通过射电天文望远镜接收到的宇宙天体发射的无线电波信号来研究天体的物理、化学性质的一门学科。 射电天文学诞生于20世纪30年代。1931年，美国贝尔实验室的央斯基用天线阵接收到了一个周期24小时的干扰电波。经分析，他认为这个无线电波来自银河系中心，并于1933年公布了这一发现。随后美国人雷伯在自家的后院建造了一架口径9.5米的天线，并在1939年接收到了来自银河系中心的无线电波。雷伯根据自己的观测结果绘制了第一张射电天图。射电天文学从此诞生。雷伯本人被尊称为“射电天文学之父” 。
六、 空间天文学
空间天文学是在高层大气和大气外层空间区域进行天文观测和研究的一门学科。从上一节的介绍我们知道，只有光学窗口和射电窗口波长范围内的电磁辐射可以无阻挡地到达地面。为了得到其他波段辐射的信息，就不得不在地球大气层以外进行接收。随着现代高科技的发展，我们可以通过向太空发射观测卫星，太空望远镜及建立空间站来达到目的，这就诞生了空间天文学。由于观测波段不同，可以分为Ｘ射线天文学，γ射线天文学，紫外天文学，行星际空间探测，红外天文学等。
七、天体演化学
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天体演化学可以说是近现代天体物理的中心。它包罗万象，近到地球，远到宇宙深空，几乎包括了全部观测和研究对象。下面将按由小到大，由低到高的层次顺序逐一简介。
1.太阳
其中光球层、色球层、日冕层统称为太阳大气，光球层之下的对流层、辐射区、核反应区称为太阳内部。从太阳中心至约四分之一太阳半径处，集中了太阳物质质量的一半，称此区域为核反应区。这个区域的温度高达1500万度，压强达2500亿个大气压，使氢核聚变为氦原子核成为可能。太阳所发射能量的99％就是从这产生的。从核反应区至0.8•太阳半径处存在着一个辐射区，这个区包含有太阳总物质的10％。再往外就是对流区。由热核反应所释放出的能量以辐射方式通过辐射区向外传输，而在对流区，能量向外传输的主要方式是对流。
光球是太阳最外面的一层，厚约500公里。由于光子在该层很少被再吸收或散射，因而能通过它上面的色球、日冕传播到周围空间。我们肉眼所直接看到的太阳表面层就是光球层。光球层上还有很多新的结构和现象，比如说黑子、光斑等。
色球介于光球层和日冕层之间，厚约2000公里。一般只有在日全食时才能看到，通常由于地球大气散射阳光而形成的较亮的背景光掩没了色球所发出的光。在日全食食甚的短暂时间中，日面边缘呈现出的狭窄的玫瑰红色的发光圈层就是色球层。色球层的很多现象都是现在所没有解释清楚的。如：日珥、耀斑、谱斑以及最令人难以置信的从色球层到色球－日冕过渡区的反常升温。
日冕层是太阳大气的最外层，由高温、低密度的等离子体组成。日冕层的气体温度继续反常上升，高达几百万开。使引力不足以束缚热电离气体粒子，从而导致其不断向外流
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出，形成被称为太阳风的粒子流。
2.太阳系
①太阳系位置
大家都知道，太阳系位于银河系内，其星体位置是在离银河系中心10千秒差距，偏银面向北约8秒差距处。
②太阳、行星、卫星
太阳是一颗很普通的恒星，恒星是由炽热气体组成的能自己发光的球状或类球状天体。在太阳系中只有太阳自身会发光，其它天体都是因为反射太阳光才被我们发现的。
在椭园轨道上环绕太阳运行的近似球状的天体被称为行星。太阳系目前有九大行星。按从内到外的顺序依次是水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王、海王和冥王星。为了研究问题方便以及按各行星本身特点不同，九大行星又有不同的分类:
┏━━━类地行星━━━┓ ┏━━━类木行星━━━┓
水星 金星 地球 火星 （小行星带） 木 土 天王 海王 冥王
┗地内行星┛ ┗━━━━━━━地外行星━━━━━━━━┛
由于行星质量、大小、密度以及化学组成不同可以把九大行星分为类地行星和类木行星；根据各行星与地球的相对位置，又将它们分成地内行星和地外行星；分布于火星与木
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星轨道之间，沿椭园轨道绕太阳运行的小天体构成一个小行星带。卫星是绕行星运行的天体。月亮就是地球的卫星。卫星的研究对太阳系的形成，地外生物存在的可能性等方面都有重大意义。
③太阳系其它天体
A、彗星：在扁长轨道上绕太阳运行的一种质量较小的天体，呈云雾状的独特外貌。彗星的外貌和亮度随着它离太阳远近而显著变化。当它远离太阳时，呈现为朦胧的星状小暗斑，其较亮的中心部分叫作“彗核”。它是在太阳的辐射作用下由彗核中蒸发出来的气体和微小尘粒组成的。彗核与彗发合称为“彗头”。当彗星走到离太阳相当近的时候，彗发变大，太阳风和太阳的辐射压力把气体和微尘推开生成\"彗尾\"。由于彗星的这种独特外貌，我国民间又称其为扫帚星。
B、流星：行星际空间叫做流星体的尘粒和固体块闯入地球大气圈,同大气摩擦后燃烧产生的光迹。流星体的体积一般都不大，但速度很高。据估计每年落到地球上亮度大于10等的流星约2000吨，一般认为后半夜看到的流星比前半夜多。
④太阳系的起源
关于太阳系的起源主要有三种学说。
A、灾变说：认为行星物质是因某一偶然的巨变事件从太阳中分出的。比如由于另一颗恒星走近或碰到太阳，或者由于太阳爆发，从太阳分出的物质后来形成行星。
B、俘获说：认为太阳从恒星际俘获物质。形成原始星云，后来演变成行星。
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C、共同形成说：认为整个太阳系所有形体都是由同一原始星云形成的，星云中心部分的物质形成太阳，外围部分的物质形成行星等天体。
3.恒星和星际物质
我们夜晚观星，所看到的几乎都是恒星。晴朗无月的夜晚，大约可以看到6000多颗。因为它们都离我们非常远，所以很难发现其在天球上的位置变化，因此，古人就把它们叫作恒星。下面将逐一介绍双星，聚星，星团，变星，星云。
①双星
两星互相之间因为引力的作用，每颗星绕两星的质量中心作旋转运动，这样的两颗星称为双星。双星系统在银河系中很普遍，约占总数的三分之一。目视双星是人眼通过望远镜可以直接分辩出的双星，这种双星系统中的两星之间的视角一般较大，从而能从光学上直接分辩出来。
少至三个多至十多个恒星依靠引力，彼此聚集在一起，这样的恒星集团称为聚星。
②星团
星团是由至少十个多至百万颗的恒星组成的集团，它们聚集在一个不大的区域里，有很多共同的物理性质，因此对研究恒星的起源和演化具有重要意义。
星团一般分为疏散星团和球状星团：
疏散星团一般形状不规则，结构较松散，全天共约1200多个，其中最出名的要算金
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牛座的昴星团和毕星团。冬天的夜晚，在南面星空可以看到一颗发红的亮星，那就是金牛座α，它是毕星团中最亮的星，在其西北方向一点，有一团模糊的星，它就是著名的昴星团。眼力好的人可以辨出其中的六颗亮星。
球状星团：是由很老的几万颗恒星所组成的具有紧凑的球对称外形的恒星集团。其核心部分恒星的密度很大，从照片上看就像是抱成一团的白蚁，最出名也是全天最亮的球状星团是位于武仙座的M13，质量约是30万个太阳质量。
③变星
变星是一种亮度随时间变化的恒星，它有很多特殊的性质，是天文爱好者观测的热门对象。
变星按亮度变化的原因可分为食变星和物理变星:
食变星即是食双星。物理变星又可分为脉动变星和激变变星。
脉动变星的光度成周期变化，其原因是由于自身的周期性的膨胀和收缩。其中造父变星（脉动变星的一种）在天文学中的地位不亚于射电望远镜，它被誉为“量天尺”。因为对造父变星结构和成因了解的比较透彻，即存在一个简单的周光关系（光变周期越长，光度──绝对星等就越大），所以只需要观测出遥远星系中造父变星的变光周期，就可以推算出星系的距离。
激变变星包括新星和超新星。亮度突然增大（爆发）的星称为新星。亮度增幅比新星大百倍至数千倍的星称为超新星。超新星爆发时光度增为原来的千万到亿万倍，非常壮观，
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使其它恒星黯然失色。超新星爆发是恒星死亡的象征，其爆发后剩余的物质由于强大的自身引力而急剧收缩，终于将原子核外的电子压入核内与质子结合成中子。根据泡利不相容原理，各简并态中子之间的简并压力顶住了引力的压缩，从而形成了中子星。1987年。国际上对银河系的伴系大麦哲伦星系中的一颗超新星的研究全面证实了恒星演化的理论。国际上第一颗中子星的光学认证与1054年的超新星爆发直接有关，我国在这方面的全面记载为其作出了不可磨灭的贡献。
④星云
星云即是由一些星际分子、离子和尘埃组成的非恒星状的气体尘埃云。星云有很多分类，在此就不一一赘述了。一般认为星云是恒星爆发瓦解后抛出的气体云，但更有人认为恒星正是由于星云的引力收缩才诞生的。全天最亮的星云是猎户座大星云，其视亮度在4等左右，是每一位天体摄影爱好者渴望拍好的首选对象。
⑤恒星的演化
我们以太阳为例。恒星形成理论认为恒星是由星云物质在引力作用下收缩形成的。在收缩过程中，引力势能转化为热能，使其中心的温度和压强不断增加，直至点燃了氢的核聚变反应。强大的辐射压制止了恒星的进一步收缩，并被我们观察到。从此在主序星开始了它漫长的一生。一般认为演化的起点都在主星序星带上，并在其上完成氢聚变成氦的核反应。随着恒星核心区氢燃烧的停止，核心区进一步收缩，直至氦聚变成碳的反应点燃。当氦也被用尽之后，核心区变成了一个富碳的区域，这时核心区之外壳层内的氦又被点燃，从而产生一定程序的爆发，恒星体积迅速膨胀，演变成红巨星。核心区进一步收缩，点燃碳聚变反应……，就这样一直聚变反应到铁元素。铁的聚变是吸热反应，这时没有什么再来抵制巨大的引力了，恒星将在一次急剧塌缩形成的大爆炸中走向衰亡。这就是超新星爆发。
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根据爆发后恒星质量的不同，它将最终演化成白矮星、中子星或者是黑洞。
4. 银河系
牛郎和织女的传说故事可能谁都有耳闻。夏夜星空，很容易找到牛郎星（天鹰座α）和织女星（天琴座α）。在两者之间，你就会发现一条由无数颗密密麻麻的小星连成的似云雾的带状体，它就是传说中的那条无情的天河。现在我们知道，它只是银河系的一部分在天球上的投影。太阳系就是存在于银河系这个典型的旋涡状星系中的一条旋臂上。
5.河外星系
在银河系之外，还存在许多发光天体，被称为河外星系。河外星系的研究始于本世纪20年代。哈勃（一位在天文学领域可与爱因斯坦齐名的天体物理学家）通过仙女座星云（M31）中的造父变星计算得出，M31是属于银河系之外的恒星系统。
最著名的是银河系的两个伴系──大麦哲伦云和小麦哲伦云。星系在宇宙中的分布并不是均匀的，而是表现出集结成大小不同的系统的倾向。按包含星系的多少和空间尺度的大小，从小到大依次称为星系群、星系团、超星系团。银河系和大小麦哲伦云构成了本星系群，并与附近的仙女座星系，以及1百万秒差距以内的40多个星系（矮球星系）集聚成本星系团。离本星系团较近的还有室女座大星系团（含2500多星系）和后发座星系团等。以室女座星系团为中心，在20兆秒差距的大尺度范围内的五十多个星系团构成了本超星系团。
正是由于星系分布的这种极度的不均匀性，使得有关星系起源和演化的理论屡屡受挫。按照现有的种种模型都无法完美的解释宇宙空间物质分布的如此大的不均匀度。这使得这
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方面的问题与宇宙学一并成为理论研究的热点。
6.宇宙学
在20世纪二十年代，从哈勃发现河外星系和谱线普遍红移开始，宇宙学理论模型逐渐发展并完善起来。从爱因斯坦的静态宇宙模型到现在公认的大爆炸宇宙模型（即著名大爆炸理论）；从单纯的应用广义相对论到现代较活跃的量子引力理论，人们正在慢慢地揭开所谓上帝那神秘的面纱，去了解宇宙的产生和演化。
1929年，美国著名天文学家哈勃通过对当时所能观察到的几十个星系的研究发现，它们所发出的谱线都普遍向红端偏移了，而且，星系离我们越远，红移量就越大。从开普勒位移的有关知识我们知道，这说明：所有的星系都在以一定的速度离我们远去，而且，红移量越大，退行的速度就越大。因此，我们就很自然地想到──宇宙正在膨胀，就像一只正在不断吹大的，上面点满花点的气球。
既然所有的星系都在彼此远离，而如果这种方式在过去任一时刻又并未改变的话，那就必然得出一个结论：回朔到过去某一时刻，即离现今约150亿年前，•宇宙中所有的物质都聚集在一个很小很小的区域内。在此区域内，温度极高，密度极大，不存在原子、电子，更没有什么银河系、太阳系；随着宇宙的膨胀，温度降到1000亿亿亿开尔文时，由于强相互作用，形成了夸克和电子等轻子，之后又出现了质子和中子等基本粒子。宇宙处于这一阶段的时间极短，约在宇宙诞生的1分钟之后，温度下降到可进行核聚变反应的程度，宇宙中逐渐形成了氘、氦以及少量的锂；到15分钟左右的时候，由于进一步膨胀，温度下降到不足以点燃核聚变反应。经过计算，那时宇宙中氢约占四分之三，氦约占四分之一，这与现在观测所得的数据完全一致；大约在大爆炸之后1万年，温度降到约为几千开，宇宙中主要是一些气状物质；随后有些气体聚成气云，形成原星系，进而演化为星系；最后
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伸缩并产生了各种各样的星的体系，成为我们今天所观察到的宇宙的样子。我们的太阳就是这亿万颗恒星中的一员。随着太阳系和地球的继续演化，在一定条件下出现了万物，并最终产生了能够认识宇宙的人类，产生了你我，产生了我们大家。我们在为宇宙的奥秘而
惊讶的同时，只有不断探索和学习研究，才能了解到宇宙的真正的和谐，真正的美！
思考题3
1.何谓天体测量学？
2.何谓天体力学?
3.何谓天体物理学?
4.何谓射电天文学?
5.何谓空间天文学?
6.何谓天体演化学?
7.何谓双星、聚星、星团、超新星、星云？
8.何谓宇宙学目前公认核心理论？
第四讲 四季星空
在我们生活着的地球之外，是高远无垠的星星世界，称之为宇宙。宇宙是一个没有
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边界、无始无终、充满了无穷奥秘的世界。探索宇宙的历史和未来是人类永恒的欲望。
一、宇宙
宇是指空间的总体，宙是指时间的总体，一切物质都在不停地运动着，而且永远离不开它们的存在和运动的空间及运动和发展持续长短的时间。所以，宇宙是一切物质运动的空间和时间，是一切物质不可分离的存在形式；它处于不断地运动和发展中，在空间上无边无际，在时间上无始无终。我国早在2300多年前，就有关于宇宙的朴素辩证法的观念，《墨子》（战国时代）“宇，弥异所也，久（宙），弥异时也”，《尸子》（汉初成书）：“四方上下曰宇，往古来今曰宙”《灵宪》（东汉张衡）：“宇之表无极，宙之端无穷” 。这些，都科学地说明：空间的范围是无边无际的；时间延伸是无穷无尽的。
人类对宇宙的认识，是目视所及的天体开始的。何谓天体：天体是宇宙空间一切星辰的统称。如太阳、地球、月亮、行星和恒星等。发热发光的天体称为恒星；围绕着恒星运转的天体称为行星；而围绕着行星运转的天体称为卫星；还有近半个世纪，人类成功发射的人造地球卫星和人造行星等，称为人造天体。如太阳就是一个恒星，地球是它的九大行星之一，月球是地球的卫星。而太阳又是银河系里的一颗普通的恒星，银河系外又有河外星系、星系团、总星系。
二、银河系
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图4-2-1
如图4-2-1所示，太阳系所在的星系，是一个旋涡星系，称为银河系。银河系由2000亿颗以上恒星所组成。恒星以外，还有各种类型的银河星云和星际气体与尘埃。银河系在宇宙空间是一个扁率较大的扁球型旋转体，具有两个或更多的悬臂，其中心在人马座方向。旋转体的长径约为10万光年，短径约为1万光年。太阳约位于离银河中心3.3万光年的扁球体对称面附近。整个银河系在不停地绕其短径作旋转运动。太阳系里的一切天体都跟着太阳以每秒250公里速度环绕银河系中心转动，环绕一周约需2亿年之久。银河系扁球形旋转体的对称面称为银道面，而银道面扩大到天球上的大圆叫做银道。银河系除了自转以外，作为一个整体，还朝着麒麟座（在大犬座以北，小犬座以南）方向以每秒214公里的速度运动着，因此，银河系在宇宙间的旋转很象一个运动的车轮，一方面它本身在旋转，同时又在不断地前进。
银河系虽然很大，但在银河系之外。还有许多同银河系一样庞大或者更大的恒星系统，叫做河外星系。用肉眼能看到的只有银河系的几个近邻，其中最著名的要数仙女座大星系
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了。它距离地球大约200万光年。它的相貌几乎和银河系一模一样，体积大约比银河系大60%。用肉眼看去，也只不过像星星那样大的一个光斑。人类对河外星系的认识，经历了漫长的过程，直到二十世纪初才获得了肯定的结论。现在，人们已经把宇宙的“水天线”推到了150亿光年的深处，观测到的河外星系已在几十亿个以上，河外星系的形态丰富各异。有的像江河里的旋涡，有的像椭圆状、棍棒状和不规则状。银河系、仙女座星系等，都是发展很完整的旋涡星系，它们正处于生命力旺盛的中年时期。椭圆星系是太空中的“老人国”，所有的恒星都是遥远的年代产生的，这个星系再也不能制造出新的恒星，许多椭圆星系都非常巨大，如“室女座A”就是一个拥有两千亿颗恒星的椭圆星系。而巨大的椭圆星系往往发生过异常剧烈的大爆发，这种骇人的大爆发至今还是不解之迷。不规则星系中年轻的恒星很多，这种星系没有一定的形状，也没有明显的中心。
每个星系里有数以千亿计的恒星。离我们最近的一个河外星系叫大麦哲伦星云，它距离地球约16万光年，直径达5万光年，我们用肉眼都能看到它。在茫茫的宇宙海洋中，分布几十个星系的组合叫星系群；超过100个以上的星系的集合叫星系团。它们都归属于一个更大的太空集团——超星系团。银河系所在的超星系团称为本超星系团，它的核心是室女座星系团。无数超星系团组成了辽阔无边的宇宙——总星系。
1．银河
俗称天河。在晴朗的夏夜，总有一条气势磅礴的光带自南向北横贯天空，这就是银河。在我国民间至今还流传着牛郎织女渡天河一年一度相会的神话。欧洲人把银河称为“牛奶色道路”。因为太阳系是在银河系的银道面附近，且偏离银河系中心的地方，所以从地球上观看天空时，沿着银道面的各个方向所看到的恒星要比其它方向的恒星密集的多，形成一条亮带称为银河。天鹅座、天鹰座、天琴座、天蝎座等25个著名星座就分布在银河上或其两侧。
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2．恒星
在无数明星中，除了少数行星外，都是自己会发热发光、且相互之间的位置似乎不动的天体，称为恒星。太阳就是距我们最近的一颗恒星。其他恒星离我们都非常遥远，最近的比邻星也在4光年以外。夜间能见到的星，绝大多数系属恒星。恒星并非不动，而是以相当大的速度在不停地运动着，只因它们离地球极其遥远，故在天球上的视位移非常缓慢，其位移角距以“秒”为单位，通常每年不大于0.1〞，少数离地球较近的恒星，如：半人马座α星（南门二）每年位移3.7〞，1000年也仅位移1°；牧夫座α星（大角）每年位移仅略大于2〞。因此几百年内都看不出恒星相互间的位置有何明显变化。用肉眼能见到的恒星有6000多颗。《星历》恒星视位置表中列出的恒星有2000多颗。
恒星中主要是氢气，其次是氦。在700万摄氏度以上的高温下，四个氢原子聚变成一个氦原子核，同时放出巨大的能量。这就是热核反应。氢弹所以能发生威力无比的爆炸，正是这种反映的结果，在恒星内部，每时每刻都有许多“氢弹”在“爆炸”，使恒星长期不断地作为一个炽热的气体大火球而发热发光。恒星的温度从中心向表面逐渐降低。不过，即使是恒星的表面温度也仍然十分惊人，最低的有两千多度，最高的可达到4万度，太阳的温度是六千度。恒星的表面温度决定了恒星的颜色。这正如一块炽热的铁，当温度增高时，它的颜色由红变黄、变白、甚至变蓝。
恒星是宇宙中最基本的成员。恒星是有生命的，它既有出生的一天，也有消亡的一天。但一批恒星“死”去了，又会有一批新的恒星诞生。而且恒星的数量之多是我们难以想象的，据2003年来自天文学前沿的消息，英国和澳大利亚的天文学家公布了可见宇宙中恒星数量的最准确的计算结果：大约7×1022——700万亿亿颗，很明显，比世界上所有沙滩和沙漠中的沙粒还要多。所以宇宙中永远存在着无数个“太阳”。
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在恒星漫长生命旅程中，恒星最稳定、持续时间最长的阶段是壮年期，称为主序星。主序星阶段最短的有几百万年、最长的可达10万亿年。太阳正处于这个稳定阶段，它已经稳定地“燃烧”了足足50亿年了。太阳在主序星阶段的时间可长达100亿年 。恒星的晚年，称为红巨星。恒星在该阶段它内部的氢氦热核反应基本停止。这时，恒星的中心部分在引力作用下发生强力收缩，使温度升高，并且使外壳急剧膨胀，整个恒星就变成一颗亮度大，温度低的红色星——红巨星。像太阳这样的恒星，在红巨星阶段大约能停留10 亿年。一颗垂死的恒星爆炸后就彻底解体了，部分物质化为碎片和云烟，飘散到太空中，剩下的物质则迅速坍缩为很小的中子星或黑洞。
3．光年
由于恒星距离我们很远，用公里来计算恒星的距离很不方便。天文学上常采用“光年”作为计量相距甚远的天体间距离的一种单位。光每秒的速度299，792公里，光一年内所走的距离称为1光年，约等于9.46×1012公里。例如天狼星距离地球约为8.6光年，即它所发的光，在空间需行经8.6年才到达地球；任何时刻在地球上看到的天狼星的光是它在8.6年前该时刻所发出来的。牛郎与织女的距离是16光年，如果二者用无线电波通信，一来一往就需要32年。在太阳系里也可用“光分”作为计量太阳与行星间距离的一种单位。光在一分钟内所走的距离称为一光分，约等于17，987，520公里。例如太阳距离地球约为8.3光分，即太阳所发的光，在空间需行经8.3分钟才到达地球；太阳距离冥王星约为327.4光分，即太阳所发的光，在空间需行经327.4分钟即5小时27分才到达冥王星。
4．视星等
区分天体亮度强弱的等级。星越亮，星等的数字越小。亮度减少，等级降低。在实用天文中，以天体的视亮度分等级。其分等方法是以肉眼在晴朗黑夜能见到最暗的星为6等
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星，取亮度为6等星100倍的星为1等星。两相邻星等的亮度比率等于2.512(5√100 )。据此，亮度为6等星的2.512倍的星为5等星，亮度为5等星的2.512倍的星为4等星，以此类推。而亮度为1等星2.512倍的星为0等星，亮度为0等星2.512倍的星为-1等星。由于星与星之间亮度相差的倍数往往不正好是2.512倍，因此星等往往不是整数，而是带有小数。例如天蝎座α星的星等是1.2；大犬座α星(全星空最亮的恒星)的星等是-1.6。人们习惯上所谓1等星的星等为1.5以上(包括负星等)；2等星为1.51∼2.50；3等星2.51∼3.50。满月时月亮平均星等是-12.5；太阳的平均星等是-26.7；金星(全星空最亮的星星)最亮的星等为-4.4。
思考题4.2
1．何谓宇宙、天体、恒星、行星、卫星、人造天体？
2．何谓银河系、银河系的尺度、形状及太阳系在银河系中的位置？
3．按形状特点分类星系有哪几种？它们的区别是什么？
4．恒星的主要特征是什么？
5．为什么用光年作为天文距离单位？
6．何谓视星等、全星空最亮的恒星、星星？
三、太阳系
太阳和以太阳为中心、受其引力支配而环绕它运动的天体所构成的系统,称为太阳系。
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太阳系的成员包括太阳和9个大行星，从中心往外依次为水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星和冥王星；许多小行星，其中1600多个轨道以确定的；66个卫星以及无数的彗星和流星。它属于银河系。整个太阳系又以每秒250多公里的速度环绕银河系中心旋转。
1．太 阳
太阳是太阳系的中心天体，是银河系中一颗恒星。太阳是一个炽热的气体球，表面温度为6000°C左右，越向内部温度越高，中心温度约1500万度。太阳的主要成分是氢和氦。按质量计，氢约占71%，氦约占27%，还有少量氧、碳、氮、铁、硅、镁、硫等。它不停地进行氢聚变氦的热核反应，产生巨大的能量，以辐射的方式，由内部转移到表面，向空间发射。其中只有二十万分之一的能量辐射到地球,是为地球上光和热的主要来源,使地球上的生命得到生存。太阳的直径为139万公里，是地球直径的109倍；其质量为2×1030千克，是地球质量的33万倍，等于所有行星质量总和的745倍；平均密度为1.4克/立方厘米；太阳辐射的总功率可达4×10千瓦，如此巨大的辐射能量，是以消耗太阳自身的质量换来的。太阳的消耗程度400万吨/秒，维持这样的消耗太阳还能持续照耀我们50亿年以上，对于地球上万物生灵代代相传，真是日久天长啊！
太阳具有强大的引力，是控制太阳系中天体运动的主要力量源泉。其中九大行星有序地自西向东绕太阳运动。太阳至地球的平均距离为149，597，870公里（1976年国际天文学联合会规定为一个天文单位）。肉眼看到的表面层称为光球，光球上面的一层称为色球，最外层称为日冕，这几层组成太阳的大气。太阳视半径的平均值为16′（从地球上观测）。太阳上出现的斑点称为黑子，它对地面上的气候、磁场等均有影响。我国对黑子的记载最早，如汉代≪淮南子·精神训≫：“日中有踆乌”，踆乌即黑子。欧洲到十七世纪才明确认识到太阳黑子。太阳也在自转，其周期在日面赤道带约25天，越近两极越长（两极区为35天）。
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2．九 大 行 星
按照一定轨道绕着恒星运转的星球，称为行星。行星本身不发光，太阳系中已知有九大行星和许多小行星（目前已发现的小行星有1600多颗）。由于行星同地球一起绕太阳运转，使得它们在星空上的视位置变化较快。九大行星在各自的轨道绕太阳自西向东旋转，其中水星离太阳最近，依次是金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星、冥王星。按行星轨道位置分类：水星和金星位于地球轨道内侧称为地内行星，其余的行星均位于地球轨道外侧，称为地外行星。按构成行星物质分类：与地球一样具有岩石圈的水星、金星、火星。称为类地行星，木星与土星的表面都流动液态氢海洋，称为类木行星。木星和土星亦可称为巨行星。
①水星（Mercury）是太阳系九大行星中距离太阳最近的一颗行星，直径4872公里，质量0.33×1024千克，在九大行星中排行到数第二。水星至太阳的距离0.58×108公里（0.39天文单位）。水星上没有大气层，昼夜温差很大，白天经太阳暴晒后，表面温度可达500℃以上，夜晚热量很快散失，地表温度可降到零下170℃。水星公转周期88天，自转周期59天。它的自转方向与公转方向相同，据计算，水星上的一昼夜为176天，白天和黑夜各88天，那么水星上的“一天”就相当于水星上的“两年”，从地球上看水星，它略带红色，在星空中是一颗亮星。由于水星离太阳最近，明亮的阳光常常淹没水星的身影，所以肉眼很难看到。
②金星(Venus)直径12105公里，质量4.868×1024千克。金星至太阳的距离1.08×108公里（0.72天文单位）。金星的体积、质量都和地球相近，它也有大气层。人类为了探询金星是否存在生命，向金星发射了行星探测器，证明金星的大气中有一层又热又浓又厚硫酸云层。大气的主要成分是二氧化碳，占97%。 金星大气层形成了全球性的“大温室”效应，地面温度在480摄氏度以上。显然，在这样的环境中，生命是难以存在的。金星公
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转周期225天，自转周期243天。由于它的自转方向与公转方向相反，所以在金星上看到的太阳是西升东落。金星的逆向自转，使得金星上的一昼夜比它自转一周的时间要短得多。据计算，金星上的一昼夜为117天，白昼和黑夜各为59天。金星上的“一年”大约只有“两天”。金星离太阳较近，一般只能在清辰或黄昏才能看见，人们称它为晨星或昏星。金星是天空中除太阳和月亮以外最亮的星，星等可达-4.4。金星在东西距角附近时，在晴朗的白天有时也可看见，甚至用天文望远镜可观测到金星的盈亏现象。
③地球(Earth)在九大行星中，按离太阳近远的顺序排行，地球是第三，地球至太阳的距离1.4960×108公里（一个天文单位）；论大小，地球在太阳系大家庭中排列第五，它的直径12756公里，质量5.974×1024千克，全球5.1亿平方公里的表面积中，有70.8%为辽阔的海洋所覆盖，陆地和岛屿仅占29.2%。地球被一层厚厚的大气圈所包围，它的主要成分是氮气和氧气。按含量来分，氮占75%，氧占23%，其他惰性气体约占2%。地球上的“温室”效应很低，地面平均气温15摄氏度左右。地球公转周期365.26天，自转周期23小时56分。地球的自转产生了地球上的昼夜交替；地球的公转产生了星空的变化。地球自转轴与地球公转轨道面不垂直，夹角66°33′，产生了地球上的四季变化和地球五带（热带，南、北温带，南、北寒带）的划分。在太阳系的九大行星中，地球即是普通的一员，又是一颗极不平凡的星球。地球上有浩瀚的海洋、广袤的森林、洁白的雪花、温暖的阳光、可爱的动物、聪慧的人类......构成了一幅多么美妙的实景画面啊！在太空,由中国航天英雄——我国第一太空人杨立伟拍摄的地球画面，地球是一个极其秀丽的蓝色星球。地球上无与伦比的优越条件，是其他行星不具备的。所以人类一定要万分地珍惜、爱护地球——目前唯一的人间伊甸园。
④火星（Mars）又称小地球。火星比地球小得多，它的直径6786公里，体积只有地球的15%，质量0.642×1024千克,只有地球的11%。火星位于地球的外侧，它绕太阳平均轨道半径2.28×108公里（1.52天文单位）。用肉眼观测，火星呈火红色。火星公转周期
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687天，自转周期24小时37分。火星上看到的太阳也是东升西落。火星上也有大气，但极为稀薄，其中95%是二氧化碳，还有少量的氮气和氩气等。火星上有很强的“温室”效应。火星白天最高温度可达28摄氏度，而夜间即可降到零下132摄氏度。人类发射的飞船已成功地登上了火星，证明火星表面只是干燥、荒凉、寂寞、寒冷的旷野。到目前为止，还没有发现火星上有任何生命存在形式。尽管如此，人类对探索和研究的所有的星体中，只有火星最有可能是人类移居的星球。
⑤木星(Jupiter)堪称太阳系九大行星老大，其直径143760公里，它的体积是地球的1300多倍；质量1899.362×1024千克，质量是地球的318倍，是其余八大行星质量之和的2.47倍。天文学上把木星这类巨大的行星称为“巨行星”，西方把它称为天神“宙斯”，我国称它为“岁星”。它的轨道半径7.78×108公里（5.20天文单位），木星绕太阳公转一周约需12年时间，因此，几乎每年地球都有一次机会位于太阳和木星之间。在这些日子里，太阳落山时，木星正好升起，人们整夜都可见到它。木星轨道外的其它行星也有这一特征。木星与太阳此升彼降的现象每年推后约一个月。木星自转周期9小时50分，是九大行星中自转最快的。它呈明显的扁球状，赤道直径与两极直径之比100:93。自1973年以来，美国发射的“先驱者”10号等宇宙飞船相继飞往木星，观测资料表明，木星是一个流体行星，它的表面是一个高温高压的液态氢海洋，深度达5万多公里。木星大气主要由氢和氦组成，有1000多公里厚。目前发现木星共有16颗卫星，它们与具有强大引力的木星的组成类似一个小太阳系。在1994年7月17日～22日，苏梅克·利维彗星连续猛烈撞击木星，在人类有史以来是空前严重的太阳系天体撞击事件。天文学者提前一年对此作了预报。
⑥土星(Saturn)是九大行星中仅次于木星的另一颗巨行星，其直径120417公里，体积是地球的745倍；质量568.611×1024千克，是地球的95倍。土星至太阳的距离14.27×108公里（9.54天文单位）。土星的赤道直径与两极直径之比为100:90，是太阳系中最扁
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的一颗行星。土星有一个美丽的光环，厚度仅20公里、宽度却有20万公里，由无数的小石块和小冰块组成。土星作为太阳系中第二号巨行星，土星有不少地方与木星相似，土星也是一个没有大陆的流动液态氢的汪洋世界，土星浓密的大气层主要由氢和氦组成。土星的密度只有水的70%，如果宇宙有一个海洋，土星就可以漂浮在海面上，而其他行星则将沉入海底。土星公转周期29年，自转周期10小时14分。土星有多达23颗卫星围绕它旋转，其中土卫六是太阳系中第二颗大卫星，直径5150公里，比月球的直径还大1674公里,是冥王星直径的两倍多。
⑦天王星(Uranus)是人类在太阳系中发现的第一颗新行星。在此之前，人们只知道太阳系中有水、金、地球、火、木、土六颗行星。1781年3月13日晚，恒星天文学之父——赫歇尔用自制的大望远镜发现了天王星。这一发现，使人类第一次突破了太阳系以土星为界的范围，在天文学上具有深远的意义。天王星也是一个大行星，它的直径52300公里，体积是地球的60多倍。质量86.808×1024千克，是地球的14.5倍。至太阳的距离28.71×108公里（19.19天文单位）。由于距离太阳十分遥远，所以它从太阳得到的热量极其微弱。据测算，天王星的表面温度在零下200摄氏度以下。天王星的自转周期为15.5小时，公转周期84年。天王星奇特之处，它是躺着自转绕太阳公转的，赤道面与轨道面近于垂直。在“夏季”和“冬季”，天王星的自转轴朝着太阳，“夏季”天天是白昼，“冬季”天天是极夜。在“春季”和“秋季”，天王星上有了白天和黑夜之分。不过，愈靠近两极，有昼夜变化的年月就愈短。天王星有15颗卫星。
⑧海王星(Neptune)是经过天文学家们大胆地假设、复杂缜密地计算，在理论预告的位置上发现的。作为太阳系九大行星之一，海王星只是一颗普通的行星，直径49493公里，质量102.364×1024千克。与太阳的平均距离44.97×108公里（30.06个天文单位）。它的公转周期约为165年，自转周期19小时12分。海王星距离太阳遥远，接受到的光和热很少，因而它的表面又暗又冷，温度在零下200摄氏度以下。海王星大气层主要是氢，颜色
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呈淡绿色。海王星有8颗卫星环绕，其中海卫一体积比月球还大且顺行，海卫二很小（直径400公里）且逆行。
⑨冥王星(Pluto)是九大行星中最小、距离最远的一颗行星。它的直径2551公里，比月球还小。质量0.013×1024千克。质量仅为月球的六之一。它的公转周期248年，自转周期6天9小时。与太阳的平均距离约59.14×108公里(39.53天文单位)，太阳的光线需跑过约5个半小时才能抵达冥王星。因此冥王星是一个十分阴冷黑暗的世界，冥王星的名字就取自罗马神话“地狱”里的“阎罗王”神的名称。冥王星绕太阳公转轨道的偏心率比其他行星都大，远日距离与近日距离之比约3:2。冥王星在近日点附近，它的轨道在海王星轨道之内，距离太阳比海王星还近。由于两个轨道面不相合，因此不会两星碰撞。冥王星有一颗卫星，冥卫一的公转周期与冥王星的自转周期相同，都是6天9小时，它是迄今为止人们所知道的唯一的天然同步卫星。那么，冥王星是不是太阳系的尽头呢？有没有第十大行星？还需人类更深入地探测。
3．月 亮
月亮(moon)是地球唯一的天然卫星，不发光的固态天体。它的直径3476公里，是地球直径的四分之一，月亮的平均视半径约16′。与地球的平均距离384400公里(1.28光秒)，是距离地球最近的自然天体。月球本身不发光，我们看见的月光是它反射太阳的光，且有盈亏现象。月球的体积只有地球的四十八分之一，面积与亚洲面积差不多，质量为地球的八十一分之一，密度为地球的五分之一，重力是地球的六分之一。月亮的引朝力是太阳引朝力的2.17倍，因此地球上的潮汐现象主要随月亮的运动规律而变化。由于月亮的自转方向和周期与它的公转方向和周期相同，都是自西向东和27.32天，所以月亮总是以同一半球面对着地球，另一半球则永远背着地球。月亮上没有大气、水分和磁场。表面温差很大，太阳照到的一面，温度高达130摄氏度，而太阳照不到的一面温度低至零下180摄氏度。
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1969年7月21日（北京时间），美国宇航员阿姆斯特朗和奥尔德林乘坐的“阿波罗11号”宇宙飞船，在经过三天三小时五十分的飞行后，终于第一次成功地登上了月球，从此开辟了人类航天史上的新纪元。经多次考察表明，月球上没有生物。月球上的物质组成与地球很相似，月岩中含有铝、铁、钛、镁等诸多元素，可以相信在二十一世纪，人类一定会重返月球，开发月球资源，为全人类造福。
思考题4.3
1．简述太阳的主要尺度?
2．目前太阳正处于恒星发展的哪个阶段?
3．何谓天文单位？
4．行星的主要特征是什么?
5. 为什么水星上的“一天”就相当于水星上的“两年”?
6. 为什么金星上的“一年”大约只有“两天”?
7. 为什么地球是太阳系中目前唯一适宜生命繁衍的星球?
8. 为什么只有火星最有可能是人类移居的星球?
9. 作为九大行星中巨行星的代表木星主要特征是什么? 通过苏梅克·利维彗星猛烈撞击木星的事件,你有什么启示?
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10. 土星美丽的光环由什么组成?
11. 天王星绕太阳公转有什么奇特之处,且画出天王星绕太阳公转的轨迹?
12. 海王星的发现为什么被人们誉为科学预见的光辉典范?
13. 冥王星的轨道穿越海王星的轨道,那么两星会碰撞吗?
14. 从冥王星上观测太阳的视半径是多少?
15. 简述月亮的主要尺度？16. 从月亮上看地球的视半径是多少？
17. 人类重返月球有什么意义?
18.作为地球上司空见惯现象即生命体存在形式,你认为在宇宙中也是普遍现象吗？
四、四季星空
德国著名哲学家伊曼努尔·康德在1788年其名著《实践理性批判》有一段名言“世界上有两件东西能够深深地震撼人们的心灵，一件是我们心中崇高的道德准则，另一件是我们头顶上灿烂的星空”。时光流逝200多年，至今都在启迪人类纯洁的灵魂。在漫长的人生旅途中，岁月沧桑，一切都在变化。惟有仰望星空，灿烂的日月星辰始终向我们展示它那和谐、恬静而又神秘的宇宙画面，令人心驰神往、净化心灵，感悟真正的永恒、忠诚。
星移斗转、日月轮回，目视辨认恒星，认识整个星空，在航海、航空、航天等多领域有着重要实用价值。还可以增加日常生活中的无穷乐趣。目视认星的办法，一是先识别具
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有某种特殊形状且容易辨认的星座及其明亮的恒星，再从几个明亮恒星间的相互位置（几何图形）关系去寻找其它星座的星体；二是根据恒星的颜色、亮度来辨认。
1．星座与星名
为了认识恒星，把分布在天球上肉眼能看到的恒星，按照它们排列的形状，分为若干星群或区域，称为星座。每一个星座多按想象形态，取古代希腊神话中的人物，禽兽或物品等名称，如猎户、狮子、天琴座等而命名，称为星名。南天的一些星座是17世纪人类环球航海以后才取名的，所以出现了一些科学技术名词。如显微镜、六分仪、罗盘、望远镜等。
恒星的命名有几种做法，最通用的是，星座中每一恒星按照亮度在星座名称后面按次序附以希腊字母或数字，最亮的是α，其次是β，再次是γ等等。如大熊座α星、仙女座β星。较亮的星还有专名，如天琴座α星，专名叫织女一、牧夫座α星，专名叫大角、大犬座α星，专名天狼。希腊字母不够用则以阿拉伯数字编排，如天鹅座61星、天兔座27星。有极少数例外，因为有些是变星，有些则是当时星等测量有误。如双子座β星（北河三）比双子座α星（北河二）要亮，因为北河三星等为1.2,而北河二是双星,星等分别为2.0、2.8。此外，则用它所在星表的简称和星号来命名，如GC2504、BD+35°3930等。GC代表美国总星表，BD代表德国波恩天图星表。星表简称后面的数据是某星在该星表中的编号。+35°表示该星北赤纬35°。
我国是世界上最早绘制星图的国家，我们的祖先根据太阳视运动的黄道带（zodiac），赤经每30°划分为一宫，共分为黄道十二宫（zodiacal signs）。按宫序为白羊(Aries)、金牛(Taurus)、双子(Gemini)、巨蟹(Cancer)、狮子(Leo)、室女(Virgo)、天秤(Libra)、天蝎(Scorpio)、人马(Sagittarius)、摩羯(Capricornus)、宝瓶(Aquarius)和双鱼(Pisces)。在
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1928年国际天文会议上，规定将全天星空统一划分为88个星座，并以子午圈和赤纬圈构成划分出互相衔接的星座的边界线。凡在这个区域内的恒星皆属于该星座。如牧夫座、大熊座、天鹰座等等。在88个星座中，北天星座有29个，南天星座有47个，黄道星座有12个，在天津地区可以看到60多个星座。
2．全天最亮的21颗
即21颗一等或一等以上的恒星，按亮度从大到小依次排列为 ：1.天狼（大犬座α ）星等-1.6；2.老人（船底座α）-0.9；3.南门二（半人马座α）三合星0.3——1.7；4.大角（牧夫座α）0.1；5.织女（天琴座α）0.1；6.参宿四（猎户座α）变星0.1——1.2；7.五车二（御夫座α）0.2；8.参宿七（猎户座β）0.3；9.南河三（小犬座α）0.5；10.水委一（波江座α）0.6；11.马腹一（半人马座β）0.9；12.河鼓二（天鹰座α）0.9；13.毕宿五（金牛座α）1.1；14.十字架二（南十字座α）1.2；15.心宿二（天蝎座α）1.2；16.角宿一（室女座α）1.2；17.北河三（双子座β）1.2；18.北落狮门（南鱼座α）1.3；19.十字架三（南十字座β）1.3；20.天津四（天鹅座α）1.3；21.轩辕十四（狮子座α）1.3。
3．四季星空
晴朗夜间所看到的星罗棋布的天空，称为星空(starry sky)。由于太阳周年视运动和天体周日视运动的缘故，在不同季节里相同时间内所见到的星空也不一样，人们把每季度内各月份夜间所看到的2100颗左右那一部分星空，即与太阳赤经相差180°附近的星空，称为该季度星空。
思考题4.4
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1．何谓星座？
2．简述恒星的几种命名方法？
3．何谓全天最亮的21颗恒星?
4．何谓星空?
5．何谓黄道十二宫?
春 季 星 空
春分前后全夜所见到的是以大熊座—狮子座—室女座—南十字座为中心的星空。见图4-4-1 “春季星空图”。辨认恒星时，举起星图，把图面朝下，使图上的北极星与天空的北极星一致。便可按星图认星。
（1）大熊座：在天北极附近，由七颗亮星组成象水杓状的星座，称为大熊星座，简称大熊座，俗称北斗。杓口由大熊座α（天枢）星等2.0、β（天璇）2.4、γ（天玑）2.5、δ（天权）3.4四星组成。斗柄由大熊ε（玉衡）1.7、ζ（开阳）2.4和η（摇光）1.9三星组成。北斗七星中，“玉衡”最亮，亮度几乎接近一等星（星等1.7）。“天权”最暗，是三等星，其余五颗都是二等星。在“开阳”附近有一颗很小的伴星，叫“辅”，它一向以美丽、清晰的外貌引起人们的注意。古代阿拉伯人征兵时，把它当做测验士兵视力的“试验星”。从“天璇”(Merak)通过“天枢”(Dubhe)向外延伸一条直线，大约延长5倍多些，就可见到一颗和北斗七星差不多的星星，这就是北极星（Polaris）。北极星是二等星，北极星的方向，就是地球的正北方。大熊星座是北天极区最亮、最重要的星座，在北纬41度以北地
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区，终年可见大熊星座围绕北极星旋转而不隐没。大熊星座是我国人民非常熟悉的星座，早在周朝的典籍中就载有“斗柄指东，天下皆春；斗柄指南，天下皆夏；斗柄指西，天下皆秋；斗柄指北，天下皆冬”。这说明我国劳动人民很早就注意观察北斗七星斗柄的指向来判断季节的交替。
（2）小熊座：北极星是小熊座α星(Polaris)，星等2.1。小熊座和大熊座形状相似，也由七星组成，俗称小北斗。小熊座比大熊座小些，北极星在斗柄的末端，略带黄色，小熊座其余各星较暗，均为三、四等星。杓柄的弯曲方向与北斗七星相反，杓口与大熊座的斗口相对。
（3）狮子座：由大熊座α、β星连线向南延伸，大约在这两星距离的七倍处，便可找到一形状象卧伏的狮子，称为狮子座。大熊座α、β二星连线向南正好拦腰通过狮子座中部。其中，西边的六颗星组成反写的问号“？”，这就是狮子的头部和前爪。其中最南面、在问号的一点上，一颗最亮、呈蓝白色，是狮子座α星，也是这个星座中唯一的一颗一等星，专名叫轩辕十四（Regulus），星等为1.3。由于轩辕十四位于黄道上被中外称为“春星之王”。靠东边的另外三颗星，构成一直角三角形，最东面的淡橙黄色二等星是狮子座β星，专名五帝座一（Danebola），星等2.2，它是狮子的尾部。春季星空的中央线（秋分点赤经）就在这附近通过，将狮子座两颗亮星和连线向东延长便可找到牧夫座α星（大角），向西延长则可找到冬季的小犬座α星（南河三）。
（4）牧夫座顺大熊座的斗柄南延，或连接狮子座α和β星向东延长至该两星间的距离1.5倍处，有一颗橙白色的一等星，即牧夫座α星，专名大角。大角星是北天一颗著名的亮星，呈橙黄色，星等0.1，属于一等星，它的亮度为全天第四。被称为春夜第一亮星。
（5）室女座沿着北斗星的斗柄弧形，经过大角继续延伸大约相同的距离，可见一颗蓝
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白色的亮星，是室女座α星，专名角宿一，星等1.2，属一等星。连接角宿一，大角和五帝一座构成一个大等边三角形。室女座和狮子座都在黄道上，若把狮子座α星（轩辕十四）和室女座α星（角宿一）连接起来，便可看出黄道的大致走向。在室女座西南方附近有四颗三等星构成的船帆状的四边形，是乌鸦座，其帆桁指向室女座α星（角宿一）。
（6）长蛇座连接狮子座γ星和α星向西南方向延长至该两星间距离的两倍半处，可看到一颗二等星，它是长蛇座α星，专名星宿一(Alphard)，星等2.2。
图4-4-1
（7）南十字座在室女座α星的正南偏西，距室女座α星与大角星间的角距约1.5倍处，
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可见到有四颗较亮的星，连接其对角线，象一个十字，称南十字座。最南的一颗呈蓝色的一等亮星，叫南十字座α星，专名十字架二，星等1.2。在它东面的一颗蓝色一等星为南十字架座β星，专名十字架三，星等1.3。靠北的γ星为十字架一，是颗二等星，星等1.6。西面的δ星为十字架四，是三等星，星等3.1。南十字架座是南天极附近最著名、最小的星座，很容易辨认。它在南半球如同北斗星在北半球一样重要，为过往的舰船、飞机、行人指引方向。其中十字架二是最南的亮星，称为近南极星。澳大利亚、新西兰等南半球国家的国旗，都以南十字星座为基本标志，可见它的意义的重要。
（8）半人马座紧挨南十字座的东面，有两颗并列的一等星，便是半人马座。东面的一颗为半人马座α星，专名南门二。南门二是一颗三合星。在恒星世界中，南门二离太阳最近。距离我们有40万亿公里即4.26光年。因此,天文学家称它“比邻星”。西面的一颗为半人马座β星，专名马腹一，呈蓝白色，最亮时星等可达0.6。半人马座和南十字星座只有在北纬23度以南的地区，才有可能看到它。
思考题4.4.1
1. 画出春季星空图并说明辨认恒星的方法？
2. 何谓“试验星”，且说明它的名称、位置、星等？
3. 何谓“春星之王”、“春夜第一亮星”，且说明它们的名称、位置、星等？
4. 如何识别北极星？
5. 何谓“近南极星” 、“比邻星”且说明它们的名称、位置、星等？
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夏 季 星 空
夏至前后，全夜所见到的是以天琴座——天鹅座——天鹰座——天蝎座为中心的星空，见图4-4-2 “夏季星空图”。
图4-4-2
（1）天鹅座：从北极星向东南方向，可见一条白茫茫的轻纱般的银河由东北向西南奔泻而下，在银河的北段，有五颗星组成一个漂亮的大十字形星座，形如天鹅，称为天鹅座。它与初夏南天的南十字座遥遥相对，因而人们又称之为“北天十字架”，较短的横轴可以看作天鹅的两翼，横跨银河，较长的轴可以看作鹅身，天鹅座居银河上。其中北侧的一颗亮
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星（长轴顶端）是天鹅座α星，专名天津四。我国古代把天鹅的身子看作一只渡船，因而有“天津”的名字。天津四呈白色，星等1.3。它距离我们大约1700光年，是全天最亮的恒星中距离我们最远的一颗。它的直径是太阳直径的100多倍，质量是太阳的22倍，发光本领比太阳强10万多倍，是恒星中名副其实的“超级巨人”。大约再经过8000年，天津四将成为北极星。
(2)天琴座：天琴座是夏夜星空中一个美丽的小星座。它是“夏季大三角”的一个组成部分。在天鹅座附近，银河的西北边有一颗银白色的亮星，这就是人们所熟悉的织女星，即天琴座α星，专名织女。它是夏夜星空中最著名的亮星之一。在西方称为“夏夜的女王”。在我国牛郎织女每年的七月初七跨过由喜鹊搭的桥相聚的神话故事家喻户晓。织女星旁边有四颗星组成的小平行四边形，人们传说这是织女用来织布的梭子，我们可以把它作为辨认织女星的标志。织女星的直径是太阳直径的3.2倍，体积为太阳的33倍，表面温度为8900摄氏度，呈青白色，星等0.1。它是北半球天空中三颗最亮的恒星之一，距离地球大约26光年。织女星有较高的北赤纬，在北方地区，夏季常可以看见它傍晚时在西边，而次日早晨它又已经从东方升起了。13000年后织女将成为北极星。
（3）天鹰座：与织女星遥遥相对，在织女星的东南方向，银河的东边的一颗呈黄色亮星，就是民间称为牛郎星的天鹰座α星，专名河鼓二，俗称“牛郎星”，是夏季夜空中十分著名的亮星。牛郎星距离地球大约16光年，星等0.9。我国民间把牛郎星和它“一”字形排列的二颗小星叫扁担星，好似牛郎挑着他的两个小孩，这是识别牛郎星的极好标志。连接天琴座α星（织女一），天鹰座α星（河鼓二）和天鹅座α星（天津四），构成一个巨大的直角三角形，这就是著名的“夏季大三角形”，织女星位于直角顶端处，牛郎星位于大三角形的南端。这三颗星的位置关系，恰如民间歌谣中称：“牛郎东，织女西，天鹅就在河中飞”。
（4）蛇夫座是连接天鹅座α星和β星向西南方向伸延，与河鼓二、织女组成近似的等
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腰三角形的一颗二等星，星等2.1，即为蛇夫座α星，专名侯。
（5）天蝎座：顺看天鹅飞来的方向，在银河的南段，由一颗一等亮星——天蝎α星（心宿二）、5颗二等星和10颗三等星蜿蜒排列着一个形状象横写的“S”形的星座，这就是天蝎座。天蝎座是著名的夏季星座，在整个夏季天蝎座雄距在黄昏的南天夜空中，十分醒目。西边有三颗星构成蝎子头部，居中最亮的一颗星是天蝎座α星，专名心宿二，呈火红色，星等1.2，是全天最红的恒星。在希腊语中称它为“火星之敌”。我国古代，把心宿二称为“火”或“大火”。专门设置人员观测确定季节。如《尧典》中说：“日永星火，以正仲夏”。意思是说，在白天长的时候，黄昏时，大火在南天空，就知道夏历五月到了。每年从夏到秋，心宿二在黄昏后的星空中逐渐西沉，于是“大火西流”便表示秋季的到来。东南方一串弯曲地排列的星，恰似蝎子带刺的尾巴，天蝎座是夏季南方天空整夜能见到的最显著的星座。连接天蝎座α星（心宿二）和春季星空中的牧夫座α星（大角）以及室女座α星（角宿一）是一个特别巨大的直角三角形，直角顶端在室女座α星（角宿一）处。
（6）人马座在天蝎座尾部东北面银河中最明亮处，闪烁着一群几乎与天蝎座尾部相连接的星，这是人马座。夏季星空的中央（赤经）线就在天蝎尾与人马座之间通过，人马座无明显的亮星，只有人马座σ星，专名斗宿四（Nunki）,星等2.1。还有人马座ε星，专名箕宿三,星等2.0。
（7）南三角座在天蝎座头部的正南方，也在半人马座并列两巨星南门二和马腹一的东南方，有三颗星组成小直角三角形，叫南三角座。其中靠东面较亮的星是南三角座α星，专名三角形三，星等1.9。是夏季星空中最靠南的亮星，它也是整个星空中最靠近南天极的两颗二等星之一。另一颗是冬季星空船底座β星（南船五）。
（8）北冕座连接牧夫座α星（大角）和天琴座α星（织女一）的直线上，有一个马蹄
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形小星座，很象一顶皇冠，叫北冕座。居中的一颗是北冕座α星，专名贯索四，星等2.3，是一颗二等星。
思考题 4.4.2
1．画出夏季星空图并说明辨认恒星的方法？
2．何谓“北天十字架”？
3．何谓“夏夜女王” ，且说明它的名称、位置、星等？
4．何谓“夏季大三角 ”？
5．何谓“大火西流”？
6. 8000年后、13000年后谁将成为北极星？
秋 季 星 空
秋分前后，全夜所见到的是以仙后座——飞马座——南鱼座——波江座为中心的星空。见图4-4-3“秋季星空图”。
（1）飞马座和仙女座在夏季星空天鹰座的东侧，可找到一个大正方形，是由飞马座α、β、γ和仙女座α四星组成，亦称“方座”，它是秋季星空的中心。仙女座α（壁宿二）在东北角上。由方座西侧两星α、β连线向北延伸可指向北极星，由方座东侧两星即仙女座α星和飞马座γ星向南延伸约一倍处，差不多就是春分点（Υ）的位置，此二星靠近赤经等于0°
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的时圈
（2）南鱼座由方座西侧两星β、α连线向南延伸约3.5倍处，有一颗红色一等亮星，星等1.3，这就是南鱼座α星，专名北落师门在南鱼座α星附近宽阔的天空中没有其它一等亮星了，因而这颗星极易辨认。航海者经常用它来定位，它与另外八颗常用亮星共称“航海九星”。其余八颗星是：天鹰座α星（河鼓二）、天蝎座α星（心宿二）、室女座α星（角宿一）、狮子座α星（轩辕十四）、小犬座α星（南河三）、金牛座α星（毕宿五）、白羊座α星（娄宿三）、飞马座α星（室宿一）。这九颗星的赤纬都不超过南北30°，而且每两颗星之间的赤经间隔都约为3小时左右，在全球除两极附近外，各个大洋上都能观测到这九颗星。
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图4-4-3
（3）鲸鱼座由方座东侧的仙女座α星和飞马座γ两星连线向南，在春分点附近越过天赤道，约在距边长2.5倍处，是一颗半空中唯一亮星鲸鱼座β星，专名土司空，星等2.2,是一颗二等星。
（4）波江座和船底座由飞马座找到南鱼座α星（北落师门）后，向东南引一直线可指向波江座α星，专名水委一。再往东南继续延伸便是星空中第二颗最亮的恒星，船底座α星，专名老人。呈青色，星等-0.9。水委一和老人在南天球赤纬50°以上，北纬30°以南的地方才能见到它们。
（5）仙后座由方座东侧两星向北延伸，可找到由五颗亮度几乎相同的连成一个不规则的“W”或“M”字形的星座，这就是仙后座。它与北极星为准，与大熊座遥遥相对，在天空中甚为显著。仙后座西侧的β、α、γ三星所构成的角平分线可指向北极星（三星均是二等星）。仙后座的赤经与大熊座相差将近12小时，当看不到大熊星座时，也是识别北极星的好方法。这个星座的重要性在于它接近北极星，对于中北纬以上的地区来说，它是拱极星。
（6）白羊座连接方座北侧两星向东延伸，在不远处有两颗并列的星，靠北的一颗是二等星白羊座α星，专名娄宿三，星等2.2。靠南的一颗是三等星白羊座β星，专名娄宿一，星等2.7。
（7）凤凰座是由鲸鱼座α星向南延伸，有一颗二等星，便是凤凰座α星，专名火鸟六，星等2.4。它与土司空和北落师门组成一等腰三角形。其顶点在土司空。
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（8）天鹤座是在南鱼座的南面，有一颗二等星，即天鹤座α星，专名天鹤一。它与凤凰座α星和南鱼座α星构成一个近似正三角形。
思考题4.4.3
1. 画出秋季星空图并说明辨认恒星的方法？
2. 何谓“方座”？
3. 何谓“航海九星”？
4. 何谓“拱极星”？
5．秋季辨认北极星的方法？
冬 季 星 空
冬至前后，全夜所见到的是以猎户座——御夫座——大犬座——船底座为中心的星空。见图4-4-4 “冬季星空图”。冬季星空是亮星最多的季节，包括8颗一等星和19颗二等星。
（1） 猎户座面向南方，可以见到由七颗亮星组成的猎户座。猎户座横跨天赤道南北，其中四颗亮星组成一个大的四边形，其余三颗小星紧排于四边形的中央，俗称三星，像猎人的腰带，靠西边的猎户座δ（参宿三）就位于天赤道。星座东北角的一颗红色一等星是猎户座α星，专名参宿四,西南的白色一等星是猎户座β星，专名参宿七。猎户座是全天88个星座中最华丽、最明亮的星座。它拥有两颗一等星，5颗二等星，3颗三等星，和15颗四
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等星。可谓明星的荟萃之地。
（2）金牛座沿猎户座中的三颗小星向西北方向延伸，可看到组成拉丁字母V形状的星座，便是金牛座。其中有一颗橙红色的一等星是金牛座α星，专名毕宿五，是黄道中最亮的一颗恒星，星等1.1。继续延伸可指向淡蓝色星群，叫昂星团，俗称七姐妹，是识别金牛座的明显标志。
（3）大犬座大犬座是南天的一个小星座，但因星座中有一颗全天最亮的恒星天狼星，所以十分引人注目。沿猎户座三星向东南方向延长，便可见到一颗清白色的亮星，这就是著名的大犬座α星，专名天狼，星等-1.6。它是全天最亮的恒星。大犬座ε星，专名弧矢七，亮度如一等星，星等1.6。大犬座内共有122颗六等星以上的恒星。
（4）小犬座在大犬座北面、猎户座的，有一颗一等星，便是小犬座α星，专名南河三。它与大犬座α星、猎户座α星组成一个巨大的等边三角形，十分醒目地挂在冬季的夜空中，这就是著名的“冬季大三角形”。
（5）双子座沿着连接大犬座α星和小犬座α星的弧线向北延伸，在猎户座的东北方，有两颗亮星，便是双子座。在小犬座α星（南河三）的正北方向上有一颗黄色一等星，便是双子座β星，专名北河三。在北河三的西北方有一颗二等星，便是双子座α星，专名北河二。
（6）御夫座在双子座的西北方向、猎户座的北面，可见到由五颗亮星组成一个巨大五边形的星座，除最南的一颗二等星是金牛座β星外，其余称御夫座。星座的西北有一颗呈黄白色的一等亮星，便是御夫座α星，专名五车二。它的星等0.2，五车二的亮度几乎与织女的亮度一样，是全星空恒星中的第五亮星。御夫座α星和金牛座α星、双子座α星组成一个大等腰三角形。
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（7）船底座顺着猎户三星、天狼组成的弧线继续向西南方向延伸，或连接毕宿五、参宿七南延至该两星的距离的二倍处，便可见到一颗呈蓝白色的亮星，叫船底座α星，专名老人。它是全天恒星中第二颗最亮的星。12000年后，老人星将成为南极星。自老人星向东南方向延伸，可见一颗二等星，它是船底座β星，专名南船五。
图4-4-4
（8）船帆座在老人星的东面，与船底座α星和β星组成一个正三角形的二等星，是船帆座λ星，专名天记，星等2.2。
53
思考题4.4.4
1. 画出冬四季星空图并说明辨认恒星的方法？
2. 何谓“冬季大三角形”？
3. 何谓“巨大五边形”？
4. 在全星空中，可谓明星的荟萃之地星座是？
5．12000年后,谁将成为南极星?
以上分别介绍了春夏秋冬四季的星空，为了便于记忆可概括为四季星座之歌：
春 夏
小熊偎大熊， 天鹰慕天琴，
牧夫舞狮子， 天鹅携人马，
乌鸦伴长蛇， 蛇夫斗天蝎，
室女南十字。 北冕南三角。
秋 冬
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仙后牧白羊， 猎户有双子，
飞马仙女骑， 金牛双犬护，
凤凰钓南鱼， 船帆船底上，
鲸鱼波江游。 御夫望繁星。
以上我们分别介绍了四季星空，实际上全天星空是一个整体，所有的恒星时刻在作视运动。由于地球的公转，全天所有的恒星都遵循一个规律，即恒星升起、中天、降没的时间逐日提前4分钟。只有将四季星空衔接起来，掌握季与季星座相互的关系，才能完整地认识星空，做到心中有数。首先记住全星空最亮的21颗恒星，再利用星图或星球仪逐步扩展识别其它的星座和星。为了记忆四季星空的衔接用四句话来概括：
春夏大熊携天琴；夏秋天鹰落飞马；秋冬鲸鱼猎户餐；冬春双子牵狮子。
行星的辨认
根据开普勒定律：太阳系的九大行星以一定周期沿椭圆轨道自西向东地围绕太阳运行；行星公转周期的平方和它们轨道长半径的立方成正比，所以各行星公转的周期和距离又各不相同。由于行星视运动的情况不同，行星绕太阳运动的相对位置也不同，所以行星的赤经和赤纬也在不断地变动。由于行星在天球上的位置时常变动，我们不能从它与恒星的相互位置关系中去辨认，但是行星总是在黄道带中运行，它们的赤纬不会超过南北约26度以内。如果在天赤道南北约26度以内发现一颗陌生的星，与四季星图对不上，它便有可能是，用肉眼能看到四大行星，即金星、火星、木星和土星，其中之一个。其余的行星因
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为距离太阳太近（水星被太阳光淹没）、或因为距离地球太远，用肉眼看不到（天王星、海王星、冥王星）。另外观察星体是否闪烁来区分行星或恒星，因为大气的不稳定，恒星闪烁而行星的光则较稳定。
四大航用行星可根据它们的亮度和光色来辨认：
金星：是全天空最亮的星，呈青色。星等从-3.0～-4.4。因为金星是内行星，它与太阳最大角距不会超过47°，所以观察金星，它总是在太阳附近的方向上，日出前三小时内出现在东方天空或日没后三小时内见于西方天空。在晴朗无云的白昼，当金星与太阳的角距较大时，可以用肉眼观测到。
火星：亮度次于金星和木星，呈红黄色，星等+1.5～-2.4。当火星离地球近时，其亮度超过天狼星，离地球远时，亮度相当于一等星。
木星：亮度仅次于金星，呈银白色，星等从-1.5～-2.4。用望远镜，可以观测到木星的一些卫星。
土星：是四大行星中最暗的，呈黄色，星等从+0.8～+0.3。相当于零等星。
这四颗航用行星可从《航海天文历》“四星纪要”中查到它们在每个月的概略位置，如有时是晨星，有时是昏星或全夜可见，可以提供观测时机。
思考题4.4.5
1. 何谓四大航用行星？及如何辨别？
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2. 如何区分行星和恒星?
判断对错
3．清晨在东方天空闪烁的金星作为晨星一定在太阳的西边？
4．傍晚在西方天空闪烁的金星作为昏星星一定在太阳的东边？
第五讲 天文与时间
一、太阳周年视运动
地球上测者见到太阳在天球上每年自西向东运行一周的现象。它是地球绕太阳公转所引起的相对运动现象。太阳在周年视运动中从一个星座移到另一个星座，致使各季节夜间所见星空都不相同。
1.开普勒定律
行星运动所遵循的定律。由德国天文学家开普勒在总结第谷、布拉赫多年观测资料的基础上于1609年发现的三大定律：
第一定律——行星轨道是椭圆，太阳在其一个焦点上；
第二定律（面积定律）——在相等的时间内，行星和太阳的联线（向径）所扫过的面积相等；
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第三定律（调和定律）——任何行星公转周期的平方和它的轨道长半径的立方成正比例。
行星运动三定律的发现，揭示了行星运动的规律，开普勒定律以后又由牛顿从力学上加以证明。
2.太阳周年视运动及其成因
太阳除了有周日视运动外,还有一种自西向东以一年(365.2422日)为周期的视运动，称为太阳周年视运动。产生太阳周年视运动的原因是地球的公转。地球是太阳的一颗行星，所以地球绕太阳运动同样遵循开普勒定律。地球绕太阳自西向东运动,太阳位于椭圆轨道的一个焦点上.因此,地球和太阳之间的距离在一年里随时变化。每年的1月3日前后，地球离太阳最近，称为近日点；7月4日前后，距太阳最远，称为远日点。地球公转时，地轴和公转轨道面的夹角为66°33′，而地轴所指的方向几乎不变。因此太阳光照射在地球上的角度产生了周期性的变化。有时直射北半球，有时则直射南半球，形成了春夏秋冬四季的变化。
但是，我们在地球上感觉不到地球在公转，而只察觉到它的相对运动。如图5-1-1所示，地球位于公转轨道上的位置1时，我们看到太阳位于天球上的ν点；地球向东运动到位置2时，看到太阳位于天球上的τ点；公转到位置3和4时，相应看到太阳位于天球上的χ和ξ点。这样，当地球沿轨道1 2 3 4位置公转一周，我们看到太阳在天球上向东沿ντχξ运行一周，称为太阳周年视运动。太阳周年视运动的方向和地球公转的方向相同，都是自西向东。周期相同，都是一年。太阳在天球上运动的轨道，称为黄道。它是地球公转轨道在天球上的投影。由于天轴和黄道面的夹角为66°33′，所以黄道和天赤道的夹角（ε）为23°27′，称为黄赤交角。人们把黄道两侧各8°的范围，称为黄道带。黄道带内的恒星被分成
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十二个星座，称黄道十二宫。每宫长度约30°，每一个月太阳占据一宫，每一季太阳经过三宫。每季（天文季节）太阳所在的星座是:春季包括双鱼座、白羊座和金牛座；夏季包括双子座、巨蟹座和狮子座；秋季包括室女座、天秤座和天蝎座；冬季包括人马座、摩羯座和宝瓶座。
3.四季成因
在图5-1-1中，由于太阳在黄道上做周年视运动，使太阳赤经不断变化（由0°～ 360°）。另外黄道与天赤道间有23°27′的夹角，使太阳赤纬也发生变化（由23°27′N～23°27′S），由此而形成天文春、夏、秋、冬四季。
黄道与天赤道相交的两个交点，称为分点。其中太阳从南天半球（太阳赤纬为南）进入北天半球（太阳赤纬为北）的一点，称为春分点（ν）（从仙后座α星向仙女座α星作连线，向南延长一倍，即为春分点在天球的位置）。另一点为秋分点（χ）。黄道上两分点间的中点，称为至点。其中，北天半球的至点，称为夏至点（τ）（在双子座附近）；南天半球的至点，称为冬至点（ξ）（在人马座附近）。
太阳每年于3月21日通过春分点，这时太阳的赤经RA = 0°，太阳赤纬DEC =0°，昼夜相等。此后太阳进入北天半球，太阳赤经、北赤纬逐渐增大，北半球开始昼长夜短，阳光照射时间渐长，天气愈来愈暖，因此每年3月21日，在地球的北半球进入天文春季，在南半球进入天文秋季。
于6月22日太阳到达夏至点，太阳赤经RA=90°。因为黄赤交角为23°27′，所以太阳于夏至这一天的北赤纬达到最大值DEC=23°27′N，且北半球昼最长、夜最短，太阳照射时间最长，天气更热，因此每年6月22日，在地球的北半球进入天文夏季，在南半球
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进入天文冬季。以后太阳赤经增加北赤纬逐渐减小。
图5-1-1
于9月23日太阳到达秋分点，这时太阳赤经RA=180°，赤纬DEC=0°，且昼夜相等。此后太阳进入南天半球，太阳赤经、南赤纬逐渐增大，北半球开始昼短夜长，阳光照射时间渐短，天气愈来愈冷，因此每年9月23日，在地球的北半球进入天文秋季，在南半球进入天文春季。
于12月22日太阳到达冬至点，太阳赤经RA=270°，太阳于冬至这一天的南赤纬达到最大值DEC=23°27′S，且北半球昼最短、夜最长，太阳照射时间最短，天气更冷，因此每年12月22日，在地球的北半球进入天文冬季，在南半球进入天文夏季。次年的3月21日太阳又回到春分点，又将完成一次周年视运动。
从上述的讨论可以看出，太阳在周年视运动中，赤经、赤纬不断变化。赤经从0°～360°，赤纬在南北23°27′之间变化。
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4．太阳全年周日视运动的现象
太阳既有周日视运动,又有赤经、赤纬不断变化的周年视运动.因此,在一年中,对某一固定地点的测者,看到太阳周日视运动的现象是不同的.现在，以测者在天津市（φ=39°N）为例来分析所见一年中太阳周日视运动现象。在图5-1-2所示，小圆bb′为夏至日太阳的赤纬圈（DEC=23°27′N）亦称北回归线。小圆cc′为冬至日太阳的赤纬圈（DEC=23°27′S）亦称南回归线。一年中，太阳周日视运动的赤纬圈在23°27′S～23°27′N之间变化。从图中可以看出下列现象：
图5-1-2
① 太阳出没方位是变化的
每年3月21日太阳到达春分点以后至9月23日太阳到达秋分点以前，太阳位于北天半球，赤纬为北。这期间，太阳赤纬小于测者纬度且同名。因此，太阳升出于NE象限，
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过正东圈到SE象限，上中天后进入SW象限，再过正西圈到NW象限降没；从9月23日以后至次年的3月21日以前，太阳位于南天半球，赤纬为南。这期间，太阳赤纬与测者纬度异名。因此，太阳升出于SE象限，上中天后进入SW象限降没。
② 太阳的子午高是变化的
每天太阳的子午高是不同的。太阳北赤纬时的子午高比南赤纬时的高。冬至时，太阳子午高最低。对纬度在23°27′以北地区的测者来说，夏至时，太阳子午高最高。在天津市，夏至日子午高，达74°.5；冬至日最低，只有27°.5。
③ 昼夜长短是变化的
太阳赤纬的变化，使太阳每天经过上天半球和下天半球的时间不相同。因而昼夜长短相应发生变化。太阳赤纬为北时，昼长夜短。夏至时白天最长；冬至时，白天最短。在天津，夏至日昼长约15小时，夜间只有9小时。冬至的白天只有9个半小时，而夜间则长达14个半小时。
④ 四季可见星空是不同的
由于太阳赤经的变化，使四季所见星空不相同。因为太阳沿黄道运动到哪里，在它周围的星体就被阳光所淹没而看不见。例如，冬天晚上在南天将看见那绚丽夺目的“参宿”（猎户座），夏天晚上则看不到；而夏天能看到体积庞大的心宿二（古代称为商星），到冬天却又不见了。所以，我国古代有“参商不想见”，就是根据太阳周年视运动的现象总结出来的规律。
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5．举例分析不同纬度处的测者在一年中所见太阳周日视运动现象
分析的方法，首先按测者纬度作出天球图，在图上作出23°27′S和23°27′N的赤纬圈，按照这两个赤纬圈间的范围及天体周日视运动一节中所述的分析方法进行，即一年中划分若干时段，根据测者纬度与太阳赤纬的关系分析太阳周日视运动现象。
例1如果我们对生活在北极地区的因纽特人感兴趣的话，试分析测者在北极（φ=90°N）所见一年中太阳周日视运动现象，以帮助我们模拟体验一下北极因纽特人视觉里的星空。
分析：在图5-1-3中，小圆bb′为夏至日太阳的赤纬圈（DEC=23°27′N）亦称北回归线。小圆cc′为冬至日太阳的赤纬圈（DEC=23°27′S）亦称南回归线。一年中，太阳周日视运动的赤纬圈在23°27′S～23°27′N之间变化。从图中可以看出下列现象：
图5-1-3
① 太阳赤纬DEC≧90°-φ=0°，所以，太阳全年均无出没现象。在3月21日——9月
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23日，太阳赤纬（DEC）与测者纬度（φ）同名，太阳“永”不降没，太阳高度在0°～ 23°27′变化，但太阳每日高度变化却不大（不超过0°.4），太阳周日平行圈几乎与真地平圈平行，运动的方向是顺时针方向。由于太阳高度不超过23°27′，虽然北极地区半年为“极昼”，但太阳光线大部被反射，所以该地区仍处于冰雪世界，是地球上最寒冷地区之一。在9月23日——3月21日期间，太阳赤纬（DEC）与测者纬度（φ）异名，太阳“永”不升出，该地区处于“极夜”状态。
② 在北极不仅太阳没有出没现象，在半年黑夜中，所见北天半球的星体周日平行圈都与真地平圈平行，运动方向也是顺时针的方向。北极星总是高悬头顶（北极星高度h=90°），真可谓“斗顶星转”。
例2试分析测者在悉尼（φ= 33°47′.0S）所见一年中太阳周日视运动现象。
在图5-1-4中，小圆bb′为夏至日太阳的赤纬圈（DEC=23°27′N）亦称北回归线。小圆cc′为冬至日太阳的赤纬圈（DEC=23°27′S）亦称南回归线。一年中，太阳周日视运动的赤纬圈在23°27′S～23°27′N之间变化。从图中可以看出下列现象：
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图5-1-4
由于太阳赤纬DEC﹤90°-φ，所以，太阳全年均有出没现象。
② 3月21日——9月23日，太阳赤纬（DEC）与测者纬度（φ）异名，太阳在上天半球经过与测者纬度异名的两个象限，即在北东（NE）象限升起，过中天后在北西（NW）象限降没，且昼短夜长。太阳上中天方位为正北（N）
③ 在9月23日——3月21日，太阳赤纬（DEC）小于测者纬度（φ）且同名，太阳在上天半球经过四个象限，即在南东（SE）象限升起，过东圈进入北东（NE）象限，中天后进入北西（NW）象限，过西圈后在南西（SW）象限降没，且昼长夜短。太阳上中天方位为正北（N）。
思考题5.1
1．何谓开普勒定律?
2．何谓太阳周年视运动?
3. 何谓黄道十二宫?
4．何谓两分点、两至点？
5．太阳在两分点、两至点赤经、赤纬日变量是多少？
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6．何谓太阳视运动，其轨迹是什么？
7．分析讨论在青岛（φ=36°N）太阳全年周日视运动的现象？
8．分析讨论在海口（φ=20°N）太阳全年周日视运动的现象？
9．分析讨论在赫尔辛基（φ=61°N）太阳全年周日视运动的现象？
10．分析讨论在开普顿（φ=34°S）太阳全年周日视运动的现象？
11.分析讨论在南极（φ=90°S）太阳全年周日视运动的现象？
二、月亮绕地球的运动
1．月亮绕地球的运动
月亮是地球的唯一的天然卫星。它和地球一起构成一个天体系统，叫做地月系，地球是地月系的中心天体。地月系的运动，就是地球和月球共同绕着地月系的质心的转动。由于地球的质量是月球的81倍，地月系的质心位于地球和月球中心的联线上，离地球中心约4728公里，且在地球的内部，以致地球绕地月系质心的运动极不明显，因此，一般将地月系的运动说成是月球绕地球的旋转。
月球即绕地球旋转，又随地球绕着太阳作公转。月球绕地球运动的轨道是椭圆，地球位于该椭圆的一个焦点上，运动方向自西向东。月球轨道上距地球最近的一点，称为近地点，距离356，400公里；距地球最远的一点，称为远地点，距离406，700公里。两者相差50，300公里。地球和月球的平均距离为384，400公里。由于月球距离的变化，月
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球的视半径的最大值为16′46″，最小值为14′41″。
2．月相
月球本身不发光，它只能反射太阳的光辉。在太阳光的照耀下，迎着太阳光的月面为亮面，背向太阳的月面为暗面。但是，从地球上观察，月球亮面的形状呈现出周期性的圆缺变化，这种现象，叫做月相或月之盈亏。月相变化的原因，一是月球只能反射太阳光，二是太阳、地球和月球三者的相对位置的变化，因此，测者从地球上观看月球的亮面，有了圆缺不同形状。如图5-2-1所示，中间是地球，外圈是月球绕地球运动的轨道，里圈是在地球上看到的月球亮面的圆缺形状。
图5-2-1
新月（朔）月球在L1，与太阳在同一方向上，位于太阳和地球之间。月球的暗面朝向地球，亮面背向地球，所以看不见它。这时的月相叫新月（朔）。这天，月球与太阳同出同没，约在中午12h00m上中天。
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上弦 新月后，月球向东渐渐离开太阳，约经三、四天，月球到L2，亮面为蛾眉状，凸面向西，日没时悬挂于西天。新月后约7.5天，月球运行到L3，位于太阳之东90°，看见月球亮面为半圆状。这时的月相叫上弦。这天，月球约在18h00m上中天。
满月（望） 上弦后，月亮面继续扩大，约再经7.5天，月球到达L5，它与太阳遥遥想望，看见月球亮面为整圆形。这时的月相叫满月（望）。这天，一轮明月在傍晚从东方升起，翌日晨西落，夜半00h00m上中天。
下弦 满月后，月球亮面西部日益亏缺，其凸面朝东，月球从西边逐渐接近太阳。约经7.5天,月球到达L7,亮面又呈半圆形。这时的月相叫下弦。这天，月球于夜半升出，约在06h00m上中天。
下弦以后，亮面继续亏损，于黎明前以一丝残月挂于东天。随着月球的继续运行，月球从西边接近到与太阳方向相合，月相变化一周，如此不断循环。
3．月球绕地球运动的周期
月球绕地球运动的周期，依所取用的测算基准的不同而异。这里只介绍恒星月和朔望月。
恒星月 取某一遥远的恒星为测算基准，月球在恒星间运行一周所需要的时间，叫做恒星月,平均值为27.3217日（27日7时43分11.47秒）。它是月球绕地球运动一周的真正周期。因此，月球绕地球运动的平均周日角速度为：
360°／27.3217=13°10′.6=13°.2
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朔望月 取月相变化周期为测算基准,月球连续两次通过同名月相时所需要的时间，如从新月到下一次新月的时间,叫做朔望月,平均值为29.5306日（29日12时44分2.78秒）。它比恒星月长2.21日。
4．日食和月食
日食——朔月时，月亮在地球和太阳之间，如果日、月和地球三者恰好或接近处于一直线时，太阳被月亮全部或部分掩蔽的现象。日食有全食、偏食、环食三种。如果地球在月影之内，即发生日食，若月亮在近地点附近，月亮的本影和半影均能投射到地球，在半影内的人只能看见太阳的一部分，叫做偏食；在本影内的人完全不见太阳，叫做全食。若月亮在远地点附近，月亮的本影不能到达地面，只有半影和伪本影投射到地面，在半影内的人能见偏食；在伪本影内的人不见太阳中心但能看见太阳的边缘，叫做环食。
由于黄道和白道不相合，平均约有5°09′交角，朔日，月亮多数均不位于地球和太阳的连线上，不发生日食。只有当月亮在黄道和白道的交点附近某一范围内时，才会发生日食。早在公元前350年，石申就已指出日月食的原理是因天体互相遮掩而产生的。汉代张衡在《灵宪》中已清楚地阐明了日、月食的原理。我国《书经》中记载了世界上最早一次的日食（公元前2000余年）。我国历代关于日食的记载共达1100余次，所载资料是世界上较为完整的。
月食——满月时，地球在太阳和月亮之间，如果日、月和地球三者恰好或接近处于一直线时，月亮被地球本影全部或部分掩蔽的现象，即发生月食。由于地球比月亮大，地球本影长度远远大于地球和月亮的距离，因此月亮只能进入地球的本影和半影。如果月亮进入地球本影内就会出现月全食；进入地球半影内，出现月偏食。月食时半个地球同时可以看见。月食只发生于满月时，但不是每逢满月时均会发生月食，只有当月亮和太阳同在黄
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道和白道的交点附近某一范围内时，才会发生月食。月食时，在朝向月亮的半个地球的表面上，各地的观测者所见到情况完全相同。
5．月球中天时间每天约推迟49m 月亮在恒星月中每天东行13°.2（360°／27.3），太阳每天东行1°，那么月亮每天向东超前太阳12°.2，换句话说，月亮每天向西落后太阳12°.2，因此，月球每日的中天时间就较太阳平均每日推迟49m(12.2×4)。实际上，月球中天每日推迟的时间在37m ～65m范围内变化。月球从新月起运行到各月相出现时所经过的日数，叫做月令(age of the Moon)。月令的计算由0——29.5，计到小数下一位，以日为单位。新月时，月令为0；新月后第一天，月令为1日；新月后第二天，月令为2日，余类推。我国阴历的日期是月令的近似值，利用它可以近似计算月球的中天时间，计算式为：月球的中天时间=0.h8×月令±12h
当0.h8×月令＜12h 就加12h
当0.h8×月令＞12h 就减12h
思考题5.2
1. 月亮围绕地球运转符合开普勒定律吗?
2. 何谓朔、望、上弦、下弦？
3. 何谓恒星月、朔望月？
4. 何谓日食、月食？
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5. 简述夜晚能根据月亮的月相来判断方向的方法？
6. 在白昼，大约在农历几日前后可见日月同辉?
7．何谓白道、升交点、降交点、交点西退？
8．一个朔望月中，月球赤经和赤纬的变化是多少？
9．为什么月球中天时间每天约推迟49m ，作图示之？
判断对错
10．月食现象一定发生在阴历十五、而阴历十五也一定能发生月食现象？
11．日食现象一定发生在阴历初一、而阴历初一不一定能发生日食现象？
三、行星的视运动
在太阳系中的九大行星，它们都是以同一方向即自西向东围绕太阳运动。它们的轨道成椭圆形，但极近似于圆形。由于地球本身是围绕太阳运动的九大行星之一。在其上观察其它行星围绕太阳运动而引起的视运动现象，就比观察其它的星体更为复杂，并具有独特的性质。
1．行星视运动的轨迹总在黄道附近
行星绕太阳运动的轨道平面与地球轨道平面之间的夹角，除水星和冥王星外，其它的
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都很小，在3°.5以内，因此，从地球上看到行星视运动的位置，总在黄道的附近。
2．行星视运动的方向有顺行、逆行和“留”的现象
行星视运动的路径是一条复杂的曲线，特点是：
① 行星有时向着赤经增加的方向（向东）运动，叫做顺行；有时又向着赤经减小的方向（向西）运动，叫做逆行。
② 行星由顺行转为逆行，或由逆行转为顺行，看见它们在天球上的位置停留不动，这种现象叫做“留”。
③ 行星顺行的时间长，逆行的时间短。
④ 这些现象的出现，具有周期性。
由此可见，行星视运动的方向，有时顺行，有时逆行，由顺行转为逆行，或由逆行转为顺行，要发生“留”的现象。
3．外行星视运动现象
如图5-3-1，设S为太阳，以它为中心作同心圆，内圈表示地球的轨道，外圈表示外行星的轨道。地球距太阳近速度大，外行星距太阳远速度小。因为地球和外行星都绕着太阳运动，速度一快一慢，它们和太阳的相对位置就不断改变，因而引起外行星的视运动具有独特的现象。
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图5-3-1
当外行星的黄经和太阳的黄经相等时，即地球在E，看见外行星在P1，与太阳在同一方向上，这时的外行星、太阳和地球间的相对位置，叫做合。合时，外行星在太阳的背面，看不见它，即使在合的附近，外行星的星光被阳光淹没，也看不见它。因为在合时，地球的运动方向和外行星的方向正相反，根据相对运动原理，设地球不动，则外行星相对于地球的运动速度，等于外行星本身的速度V加上地球运动的反向速度U′。因此，外行星的视运动向东加速离去，叫做顺行。由于在合时，太阳的黄经增加得比外行星的快，使得外行星的视位置偏离于太阳之西，在经过合前后一段不可见的时间后，于日出前见外行星于东天。
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外行星继续在恒星间向东顺行，向西偏离太阳越来越远，当外行星的黄经与太阳的黄经相差270°时，外行星位于P2在太阳之西90°。这时的相对位置，叫做西方照。外行星在西方照时，于日出前见于中天。
外行星过了西方照以后，向东顺行的速度逐渐缓慢，当外行星的速度V和地球运动的反向速度U′的合速度方向，正好落在测者视线方向上时，看见外行星在P3，它在恒星间的视位置保持静止不动，这种现象叫做“留”。
外行星经过“留”以后，向东顺行转为向西逆行，开始逆行速度慢，以后逐渐增快。当外行星的黄经和太阳的黄经相差180°时，看到外行星在P4，地球正好位于太阳与外行星之间；这时的相对位置，叫做冲。外行星在冲时，由于地球的运动方向与外行星的运动方向相同，且地球的速度大于外行星的速度，所以看见外行星是向西逆行，速度达到最大。外行星在冲时，日没时升起，子夜时中天，日出时降没。
外行星经过冲日以后，继续向西逆行，速度开始减速，逐渐从东边接近太阳。当外行星的速度V和地球运动的反向速度U的合速度方向，又正好落在测者的视线方向上时，看见外行星在P5再次保持静止不动，发生“留”。
外行星经过“留”以后，由向西逆行转变为向东顺行，速度开始增大。当外行星黄经与太阳黄经相差90°时，看到外行星在P6，位于太阳之东90°；这一相对位置叫做东方照。外行星在东方照时，日没后见于中天；继续向东顺行。
外行星经东方照以后，向东顺行速度愈来愈大，距太阳愈来愈近，直至外行星黄经与太阳黄经相同，外行星又回到合的位置。外行星新一轮的顺行逆行周期又开始，不断循环反复。
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4．内行星视运动现象的解释
如图5-3-2，设S为太阳，内圈为内行星的轨道，外圈为地球的轨道。内行星距地球近速度大；地球距太阳较内行星远，速度小。从图中看出，当内行星的黄经与太阳黄经相同，且内行星位于太阳的背面P1时，叫做上合；而内行星位于太阳之前P4时，叫做下合。上合时，内行星运动方向与地球运动方向正相反，见内行星向东顺行。下合时，内行星和地球的运动相同，而地球运动的速度慢于内行星，于是见内行星向西逆行。
内行星在上合附近，因其距太阳太近，星光被阳光淹没，不能观测。但是，内行星在上合时，内行星黄经增加得比太阳黄经快，于是内行星向东顺行离开太阳，在经过一段不可见的时间以后，于日没后见内行星在西天。此后，内行星继续向东顺行，离太阳愈来愈远。当它向东偏离太阳达到最大角距时，见内行星于P2，它的视线正好是过P2点的内行星轨道的切线；这一相对位置，叫做东大距。东大距时，日没后见内行星高悬于西天。
图5-3-2
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内行星经过东大距后，向东顺行速度愈来愈慢。不久，当它运动到P3，内行星的运动速度V和地球运动的反向速度U′的合速度方向，正好落在测者的视线方向上，内行星顺行速度等于零，看到它在恒星间的位置静止不动，发生“留”的现象。
内行星经过“留”以后，由向东顺行转为向西逆行，速度逐渐增大，直至下合，逆行速度达到最大，内行星又回到太阳方向上。下合前后，因内行星距太阳近，星光被淹没，这时看不到它。下合以后，内行星逆行速度逐渐减小，向西偏离太阳的角距逐渐增大；在经过一段不可见的时间以后，于日出前见于东天。当内行星到达P5，内行星速度V和地球运动反向速度U′的合速度方向，又正好落在测者的视线方向上，看见内行星在恒星间的位置静止不动，再次发生“留”的现象。
内行星再次经过“留”的以后，由向西逆行转变向东顺行，速度逐渐增大，向西偏离太阳的角距愈来愈大。待内行星到P6，向西偏离太阳的角距达到最大；这时的相对位置，叫做西大距(greatest western elongation)。西大距时，日出前见内行星高悬于东天。
内行星经过西大距后，顺行速度愈来愈大，偏离太阳的角距逐渐减小，直至上合，内行星又回到太阳同一方向上；顺行逆行完成一周。
5．行星视运动中偏离太阳的角距的范围
内行星偏离太阳的角距范围 内行星的视运动总是在太阳两边来回运动，偏离太阳的角距不超过一定值。
如图5-3-2，在上合和下合时，太阳和内行星在同一方向上；在东、西大距时，内行星偏离太阳的角距达到最大。金星的最角距为48°大，水星的最大角距为28°。因为内行星
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和地球的轨道都是椭圆，太阳又位于这些椭圆的一个焦点上，因此，内行星在大距时，它们偏离太阳的最大角距在一定范围内变动，金星的最大角距为45°～ 48°，水星的最大角距为18°～ 28°
虽然水星的星等为-1.2～+2.5,但因离太阳太近,最远也不超过28°,常隐匿于太阳光中,所以水星不能用于航海定位。金星的星等-4.4～-3.3，离开太阳最远可达48°，是航海定位的常用行星之一。下合前后各36日，是金星最亮的时间。上合后为昏星，下合后为晨星。
外行星偏离太阳的角距范围 外行星和太阳间的角距不受限制，从图5-3-1看出，合时外行星和太阳间的角距为0°，冲日时为180°，东、西方照时为90°。除了在合日前后，看不到外行星以外，其它各个情况都可看到，特别是在冲日前后，全夜可见。用于航海定位的外行星是火星、木星和土星，天王星、海王星和冥王星，星光太暗，不能用于天文航海。
思考题5.3
1. 何谓行星视运动中的顺行、逆行、留？
2.何谓外行星视运动中的合、冲、东方照、西方照？
3.何谓内行星视运动中的上合、下合、东大距、西大距？
4.画出内行星视运动轨迹图?
5.画出外行星视运动轨迹图?
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6.内、外行星偏离太阳的角距范围是多少?
四、时间
物质运动过程的持续性和顺序性。是运动着的物质的存在形式。它和空间是互相联系的。物质运动永远是在时间和空间中进行的，也没有脱离运动的时间和空间。同物质一样，时间和空间是不依赖于人的意识而存在的客观实在，是永恒的。时间和空间都是无限和有限的统一。就宇宙而言，空间和时间是无限的，空间无边无际，时间无始无终；就每一具体的个别事物而言，则空间和时间都是有限的。
时间是物质存在和运动的基本形式之一。因此，可以选择适当的物质运动过程来计量时间。选择不同的物质运动过程，相应地得到不同的时间单位。人们很早就以地球自转周期作为日的时间单位；以地球公转周期作为年的时间单位。但是，由于选择用来测定地球自转周期的起算点不同，使日的时间单位亦有所不同。
1．世界时系统
世界时系统是以地球自转一周为基准的时间计量系统。包括恒星时、视太阳时和平太阳时。
①恒星时(ST)
春分点上中天时为恒星日的开始.这时的春分点西行时角为0°。当春分点向西转动15°即春分点西行时角为15°时，恒星时为1h；春分点西行时角为90°时，恒星时为6h，依次类推。我们把春分点上中天后所经过的时间,称为恒星时。恒星时在数值上等于以小时为单
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位的春分点西行时角。
② 视太阳(⊙)时（LAT）太阳下中天以后所经过的时间，称为视太阳时，用LAT表示。，当太阳下中天即太阳在子圈上时为太阳日的开始，视太阳时为0h；太阳上中天即到达午圈上时，视太阳时为12h。从子圈起，沿天赤道向西算到太阳时圈止，以时、分、秒表示的弧距，称为视太阳时LAT。
③平太阳时（LMT） 平太阳下中天以后所经过的时间，即子圈与平太阳时圈在天赤道上所夹的弧距，从子圈向西算，称为平阳时，用LMT表示。
当平太阳下中天即平太阳在子圈上时为平太阳日的开始，平太阳时为0h；平太阳上中天即到达午圈上时，平太阳时为12h。
平太阳(⊕)是一个假想的太阳，它在天赤道上，以视太阳的平均速度由西向东作匀速的周年视运动，周期与太阳的周年视运动的周期相同，都是365.2422天。这样，平太阳的赤经日变量是一常
平太阳日的不均匀性
根据前述，平太阳日是平太阳周日视运动一周所经历的时间。而平太阳周日视运动是地球自转的反映。因此，平太阳日的长短是否固定，完全取决于地球自转速度是否均匀。
现代科学和技术的发展，已经发现，地球自转的速度并不是均匀不变的，而是既有长期减慢又有季节性变化，而且还有目前尚未掌握的不规则变化。由于种种原因，使平太阳日误差可达千分之三秒左右。因此，根据地球自转而建立的平太阳时的秒就不是固定不变
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的了。这个数值虽然不大，但日积月累下来，数字就相当可观。因此，以平太阳日作为时间单位，已不能完全满足现代科学技术迅速发展的需要了。
思考题5.4.1
1. 恒星每天提前几分钟上中天?画图说明?
2. 为什么恒星日不能作为日常生活的时间单位? 画图说明?
3. 3月22日恒星日开始于几时?
4.何谓视太阳时？
5.何谓平时？
6.日常生活采用的是什么时间？
2.原子时与协调世界时
①原子时(AT) 由原子钟导出的时间,称为原子时(AT)。
随着科学技术的发展,1955年出现了世界上第一个铯原子钟.以后不断改进,如今,许多国家所创造的原子钟日益完臻。目前已广泛应用于科学技术领域中。原子时是利用铯（CS133）原子的能级跃迁所辐射或吸收的电磁波频率，作为计量时间的标准。因为这种原子的微观运动周期非常稳定，因此由它定义的时间单位也就十分稳定。
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1967年10月第十三届国际度量衡会议决定，以铯（CS133）原子基态两个超精细结构能级跃迁的相应辐射的9，192，631，770周所经历的时间为一原子秒，由此计量的时间称为原子时。并取1958年1月1日世界时（0°经度线的平太阳时）00h00m00s为原子时的起点。在这一瞬间，原子时与世界时的时刻一致。
②协调世界时(UTC)
协调世界时的建立 原子时建立后,由于原子时秒非常稳定,这对于要求使用均匀的时间间隔的部门来说,是很重要的.但是,原子时的时刻却没有实际的物理意义.而对于大地测量、天文导航等与地球自转有关的工作部门来说，却很需要世界时。因为世界时时刻反映地球自转的角度，而且与人们的日常生活息息相关。因此，世界时不因原子时的建立而失去它特有的作用。
但是，由于地球自转的不均匀性，世界时比原子时一年大约要慢一秒。从1958年起到1986年止，原子时已超前世界时达27秒以上。随着时间的推移，两者间的差别将越来越大。因此，为了同时满足这两种性质不同的要求，国际天文学会国际无线电咨询委员会于1971年决定采用一种新的时间标准，这种时间是在原子时和世界时之间加以人为协调的结果，因此，称为协调世界时，用UTC表示。协调世界时采用原子时秒长，而时刻则要求和世界时之差保持在±0.s9以内。
③跳秒的调整
为了使协调世界时与世界时之差保持在±0.s9以内，就需要在隔一段时间后采用跳秒的方法来调整。跳秒的调整一般在每年的6月30日或12月31日实施。增加一秒时叫正跳秒（或正闰秒）。正跳秒时，当日的23h59m60s 之后，下一秒是次日的00h00m00s ；
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若去掉一秒时叫负跳秒（或负闰秒）。在负跳秒时，当日的23h59m58s 后面的一秒，即为次日的00h00m00s。跳秒调整的具体日期，由国际时间局在两个月之前预先通知各国的授时台。
思考题5.4.2
1. 何谓原子时、协调世界时？
2. 何谓正跳秒、负跳秒、每年跳秒的时间？
3．时区时
地方时是从测者子圈起算的。因此，同一时刻，不同经度线上的测者，就有不同的地方时。在社会活动中，若各自使用自己的地方时，将给生产和生活带来不便。于是，在19世纪中叶，欧美一些国家开始采用一种全国统一时间。这种时间，多以本国首都或重要地方的子圈为标准。例如英国采用格林威治时间，法国采用巴黎时间，美国采用华盛顿时间等等。随着大陆桥、洲际航空、远洋航海事业的发展，国际交往频繁，各国采用的未经协调的地方时，将给人们带来许多不便。1884年，国际子午线会议确定，在全世界按统一标准时区，实行按时区计时，这就是时区时。
①时区的划分
目前全世界原则上依照经度线划分25个时区。如图5-4-3
15h05m16／11 19h05m16／11 03h05m17／11 11h05m17／11 15h05m17／11
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图5-4-3
以0°经度线为中线，向东、向西各取经度7°30′，共15°的经度范围为零时区。由零时区的东边界线开始，向东每隔经度15°，依次为东一区、东二区……东十二区，共十二个时区。其中，东十二区只含经度7°30′。从零时区的西边界线开始，向西每隔经度15°，依次为西一区、西二区……西十二区，共十二个时区。其中，西十二区只含经度7°30′。180°经度线是东、西十二区的时区中线。零时区的时区中线是0°经线，其余时区的中线为15°倍数的经度线。例如东一区的时区中线为15°E；东二区的时区中线为30°E（15°×2）；东八区的时区中线为120°E（15°×8）类推。25个时区的区号按顺序编为+12、+11、+1、0、-1、-11、-12，东经为（-）时区，西经为（+）时区。零区区时就是世界时，各区时之间或区时与世界时之间相差都是整小时数，其关系式为：
世界时（GMT）= 区时（ZT）+区号（ZD）
时区中线的经度可按下式计算：
λ=15°×ZD
式中，ZD——区号
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若计算所在时区，即求测者所在的时区号数。测者经度被15°除，如余数小于7°30′，则所得的商数就是测者所在的时区号数；如余数大于7°30′，则商数加一，才是时区号数。
求天津λ=117°09′.0E所属时区。
解： 117°09′.0÷15°= 7……余数12°09′.0大于7°30′，所以天津属东八区，即ZD=-8
求华盛顿λ=77°08′.6W所属时区。
解： 77°08′.6÷15°= 5……余数2°08′.6小于7°30′，所以华盛顿属西五区，即ZD=+5
以上只是时区划分的一般原则。各个国家和地区，大都根据国界、政治、经济和地理等情况，对时区的划分作一些具体的规定。
②时区时和世界时的关系
时区时和世界时的关系 在同一时区内，采用时区中线的地方时，作为该时区的统一时间，称为时区时，用ZT表示。0°经度线的地方时，就是零时区的时区时，亦称世界时。
由于各时区中线都是15倍数的经度线，因此，同一时刻，各时区的时区时相差恰为整小时数，而且东边的时区时比西边的时区时大。例如，东八区的时区时ZT= 19h00m00s ，则东九区的时区时ZT= 20h00m00s，而东六区的时区时ZT= 17h00m00s。因此，旅行者向东航行过时区界线进入另一时区时，应将指示时区时的钟拨快1h ；向西航行过时区界线进入另一时区时，应将指示时区时的钟拨慢1h。
时区时与世界时的关系，同一时刻，东经的时区时与世界时之差为时区中线的经度，
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亦即相差时区号数（ZD）的小时数，即：
GMT = ZT + ZD
已知λ=117°09′.0E处的4月9日的时区时ZT= 18h36m48s，求世界时。
解： ZT=18h36m48s 9／4
+） ZD=-8
GMT=10h36m48s 9／4
已知λ=77°08′.6W处的2月5日的时区时ZT= 22h30m00s，求世界时。
解： ZT=22h30m00s 5／2
+） ZD=+5
GMT=27h30m00s 5／2
=03h30m00s 6／2
我国海关于1901年开始采用时区时，1919年全国实行时区时。许多国家和地区不完全按上述原则实行时区时。大多根据本国的情况作出具体的规定。如我国幅员辽阔，从西到东横跨从东五区到东九区共五个时区。规定采用首都北京所在的东八区的时区时，作为全国统一使用的时间。又如韩国，跨越东八区和东九区，他们使用东九区区时作为全国统
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一使用的时间。
目前，有些国家仍采用其首都或适中地点的地方时为全国的统一时间。这样，它与世界时的差数就不是整小时数，而有时、分之差。例如印度，与世界时相差5h30m。
有些国家规定在夏季将时间提前一小时或半小时，到了冬季，又恢复到原来的统一时间，称为夏令时。例如美国、加拿大、埃及等国家，在夏季提前一小时。我国于1994年以后的几年，曾使用过夏时制，即将北京时间提前1小时。
4.日界线
地球不停地自西向东自转，地球上新的一天从哪里开始，到哪里结束？国际上规定以经度180°为日界线，它是东、西十二时区的时区中线。称为国际日期变更线。
同一时刻，例如11月17日世界时GMT=11h05m，则按时区时与世界时的关系得：
东十二区的ZT=11h05m+12H=23h05m 17／11
西十二区的ZT=11h05m-12H=23h05m 16／11
由此看出，东、西十二区的时钟所指示的时间完全相同，但日期不同。东十二区的日期比西十二区的日期多一天。就是说，新的一天应从东十二区开始，西十二区结束。 因此，旅行者航行穿越180°经度线时，应更换日期。向东航行过180°经度线，即由东十二区进入西十二区，日期应减少一天；向西航行过180°经度线，即由西十二区进入东十二区，日期应增加一天。
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180°经度线虽然正好在太平洋的洋面上，但也穿过一些岛屿和国家。如果严格按照180°经度线更换日期，也会给该地区的居民带来不方便。因此，国际上规定的日期变更线，是基本按照180°经度线划出的一条折线。
思考题5.4.4
1．何谓时区、时区时、时区号?
2．何谓国际日期变更线?
3．何谓夏令时、冬令时？
4．已知2月6日北京时间ZT=10h00m00s (-8),求华盛顿(+5)时间?
5.已知11月17日北京时间ZT=11h05m00s (-8),求伦敦时间?
5.历法
在日常生活中，除了日、时、分和秒外，常用到的还有年和月，作为计量更长的时间间隔的时间单位。由于日、月、年这三种时间单位不存在简单的整倍数的关系，因此，为了适应日常的需要，必须按照一定的规则把它们协调在一起，编排成历，以作为判别季节、记载时日的依据。于是产生了历法。
①恒星年与回归年
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太阳在黄道上由西向东运行360°所经历的时间，称为恒星年，换句话说,若黄道上有一恒星，则太阳中心连续两次通过该恒星所需要的时间，为一恒星年。一恒星年等于365.2564日或365日6h09m09s。
若以春分点为基准，则太阳连续两次通过春分点所经历的时间，作为地球绕太阳公转的周期，称为一回归年。一回归年等于365.2422日或365日5h48m46s。
恒星年与回归年之差等于0.0142天，称为岁差。由于岁差，春分点每年沿黄道西移50″.2。所以，一回归年的时间要比恒星年短了0.0142天[（50″.2×365.2422）÷(365×60×60)]。
历法的种类很多，但若按其定历的依据来分，主要有太阴历、太阳历和阴阳历。
②太阴历 太阴历是以月亮的月相变化周期即朔望月为依据所制定的历法。它是人类历史上出现最早的历法。一个朔望月为29.530588日。于是，该历取大月30日，小月29日，大小月相同，积12个月为一年。全年共354日。但是，12个朔望月应有354.367056日。这样，一个历年比12个朔望月少了0.367056日，如果长期不加以调整，就会出现日期和月相明显不一致。例如，开始朔发生于初一，若不调整，过了40年，朔就要发生于十五了。这就失去了以月相为定历依据这一特点。因此，以30年为一周期，在30年内，有11年在最后一个月多加一日，称为闰年。闰年应有355日。这样，30个历年共有10631日（354×30+11=10631），按朔望月计算30年应有10631.0117日(29.530588×360=10631.01168)。即30年只相差16m49s，要2568年才差一日。
不过，由于太阴历完全没有考虑地球的公转，而季节是根据地球公转所处的位置来确定的。因此，太阴历的岁首日期与季节很不吻合。因为一个太阴历年与一回归年相差11
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日多，三年相差一个多月，长期下去，则有时冬天过春节，而有时则要在夏天过春节。显得很不方便。
③太阳历 以太阳周年视运动的周期即回归年作为定历依据的历法，称为太阳历，简称阳历。太阳历分平年和闰年。每年的1、3、5、7、8、10、12月为大月，各31日；4、6、9、11月为小月，各30日。二月平年28日，闰年29日。所以，平年共365日，闰年366日。因一回归年为365.2422日，与平年相差0.2422日。每四年需置一闰年。为了方便，凡年数能被4整除的称为闰年。这样，一个历年的平均日数为365.25日[（365×4+1）÷4=365.25]，比一回归年的日数还长了0.0075日。积400年就比回归年多了三日。必须在400个历年中再扣出3日，历年的平均日数才与回归年日数基本相同。于是，又规定世纪年，如1700、1800、1900年等，虽能被4整除，也不置闰，只有被400整除的世纪年才置闰。如2000年和2400年为闰年。就是说，每400年中，实际上只有97个闰年。因此，一个历年的平均长度为：
（365×400+97）÷400=365.2425日
与回归年的长度很接近，一年只差0.0003日，换句话说，要3333年方月差一天。该历的精度是很高的。太阳历是现在国际通用的历法，它是1582年创立的。我国于1912年起亦开始使用。
④阴阳历 我国自有历史以来，就采用阴阳历。阴阳历兼顾月亮和太阳的运动，即同时考虑到朔望月和回归年的周期。一方面使每个历月即符合月相的变化周期，同时又要基本符合季节交替的周期。因此，阴阳历兼有太阴历和太阳历的优点。
阴阳历一个历年分为12个月。大月30日，小月29日，全年共354日。但回归年为
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365.2422日，两者差11日多。为了使平均历年的长度接近回归年，历日与季节基本相适应，必须相隔一段时间后，安插一个月，称为闰月。这一年就称为闰年。闰年有13个月。多长时间设置闰月呢？从理论上说，只要找出回归年与朔望月日数的最小公倍数就行了，我国早在公元前六百年的春秋中叶，就发现19年增加7个朔望月，亦称19年7闰。其日数与19个回归年的日数就基本相同了。
因为19年加7个朔望月的日数为：
12×19+7=235个朔望月=29.530588日×235=6939.68818日
而19个回归年的日数有:
365.2422×19=6939.6018日
19年才相差0.09日
思考题5.4.5
1．何谓恒星年、回归年？
2．何谓太阴历、太阳历、阴阳历？
3. 世纪年一定是闰年吗？
第六讲 现代天文学成就
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一、航天器：包括宇宙飞船、航天飞机、空间站
1．神舟号飞船
是由我国研制的一种卫星式宇宙飞船。飞船由推进舱、返回舱、轨道舱和附加段构成，总长8.86米，总重7790公斤。
飞船的轨道舱位于飞船前端，外形呈两端带有锥角的圆柱形，两侧装有太阳能电池阵、太阳敏感器、天线和对接机构。轨道舱是宇航员在轨飞行期间的生活舱、试验舱和货舱。轨道舱具有留轨能力，可继续在轨工作半年以上。上次发射的轨道舱可以同与下一个飞船进行交会对接，这样就节省了交会对接的发射次数，降低了载人航天计划的总体费用。
飞船的返回舱位于飞船中部，外形呈大钝头倒锥体，直径2.5米，空间约6立方米，可容纳3名航天员，是目前世界上可利用空间最大的飞船。飞船采用圆顶降落伞回收方案，降落伞面积1200平方米，是世界上最大的降落伞。
飞船的推进舱位于飞船后部，外形为圆筒状，装有4台主发动机和平移发动机，两侧装有20多平方米的主太阳能电池阵。推进舱主要用于飞船的姿态控制、变轨和制动。
到目前为止，中国已经发射了从神舟一号到神舟五号五艘系列飞船，其中只有神舟五号、神舟六号实际载人。
神舟五号（2003年10月15日）首次成功载人飞行，承载中国宇航员杨利伟围绕地球十四圈。
神舟六号（2005年10月12日-10月17日成功载人飞行，承载中国宇航员费俊龙和
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聂海胜围绕地球飞行5天。
2．航天飞机
是一种有翼、可重复使用的航天器，由辅助的运载火箭发射脱离大气层，作为往返于地球与外层空间間的交通工具，外形酷似飞机。
虽然世界上有许多国家都陆续进行过航天飞机的开发，但只有美国与前苏联实际成功发射并回收过这种交通工具，目前仅有美国的航天飞机是可以实际使用并执行任务。
美国的航天飞机包括如下：
正在服役中的航天飞机
发现号
亚特兰提斯号
奋进号
已停役的航天飞机
挑战者号——发射过程中爆炸
哥伦比亚号——返回时解体
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3．空间站
国际空间站，又名“阿尔法”空间站，它由美国、俄罗斯、日本、加拿大、巴西和欧洲航天局的11个成员国共16个国家联手筹建，是世界航天史上第一次由多国合作建造的最大的空间工程。
国际空间站的结构非常复杂、体积庞大，预计投资总额将超过630亿美元，计划在2004年建成，完工后由6个实验舱、一个居住舱、两个连接舱、服务系统及运输系统等组成，是一个长88米，重约430吨的庞然大物。
建成后的空间站参数如下：1 200 m3
能源 110 kW
长108 m 宽 74 m 质量 415 t 居住空间
舱数 6个实验舱 2个居住舱 2个后勤舱 宇航员6或7
人 轨道高度400 km 轨道倾角51.6
国际空间站可为21世纪的太空提供一个前所未有的研究场所，一个长期运行的在轨实验室。世界各地的生物、化学、物理以及其他学科的研究将在6个实验舱中进行，这些实验舱不仅可为地球上的科学、工业和医药带来持续的效益，而且将开启未来人类进一步探索太阳系之门。
二、实用天文学发展极至——全球星定位系统（Global Positioning System - GPS）
GPS是美国从本世纪70年代开始研制，历时20年，耗资200亿美元，于1994年全面建成，具有在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统。
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全球定位系统(Global Positioning System,缩写GPS)是美国第二代卫星导航系统。是在子午仪卫星导航系统（NNSS）的基础上发展起来的，它采纳了子午仪系统的成功经验。和子午仪系统一样，全球定位系统由空间部分、地面监控部分和用户接收机三大部分组成。按目前的方案，全球定位系统的空间部分使用27颗高度约2.02万千米的卫星组成卫星星座。24+3颗卫星均为近圆形轨道，运行周期约为11小时58分，分布在六个轨道面上（每轨道面四颗），轨道倾角为55度。卫星的分布使得在全球的任何地方，任何时间都可观测到四颗以上的卫星，并能保持良好定位解算精度的几何图形（DOP）。这就提供了在时间上连续的全球导航能力。
GPS全球定位系统具有性能好、精度高、应用广的特点，是迄今最好的导航定位系统。随着全球定位系统的不断改进，硬、软件的不断完善，应用领域正在不断地开拓， 目前已遍及国民经济各种部门，并开始逐步深入人们的日常生活。
1．人类研究导航的发展过程
人类最初的导航，只能通过石头、树、山脉等作为参照物，渐渐发展到天文观测法，即通过天上的太阳，月亮和星星来判断位置。而中国四大发明之一的指南针是人类导航领域的一个里程碑。无线电导航的发明，使导航系统成为航行中真正可以依赖的工具，因此具有划时代的意义。
2．GPS系统组成
GPS主要分三部分，地面的控制站、卫星系统、接收机。
①地面的控制站——在美国的本土，在科罗拉多。三个地面天线，五个监测站，分布
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在全球。主要是收集数据，计算导航信息，诊断系统状态，调度卫星。
②天上有27颗卫星，距离地面20200公里。27颗卫星有24颗运行，3颗备用。这些卫星已经更新了三代五种型号。卫星发射两种信号：L1和L2。L1:1575.42MHZ, L2:1227.60MHZ。卫星上的时钟采用铯原子钟或铷原子钟，计划未来用氢原子钟。
③接收机大大小小，千姿百态，有袖珍式、背负式、车载、船载、机载什么的。一般常见的手持机接收L1信号，还有双频的接收机，做精密定位用的。
3．定位精度
GPS的信号有两种C/A码，P码。
C/A码的误差是29.3米，一般的接收机利用C/A码计算定位。美国在90代中期为了自身的安全考虑，实施SA政策，即在信号上加入了SA (Selective Availability)，令接收机的误差增大，到100米左右。
P码的误差为2.93米到0.293米是C/A码的十分之一。但是P码只供美国军方使用。
俄罗斯有自己的卫星定位系统，全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System)。
欧洲也要发展自己的卫星定位系统——伽利略全球星定位系统。
中国卫星定位系统，叫北斗，是双星系统，目前只能定位自己国家和附近的地区，而且只用于军方。
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三、探测宇宙新视野——哈勃空间望远镜（HST）
空间望远镜发明以前，人们观测太空受到很大限制，因为地球大气层对电磁波传输有较大的影响，而太空望远镜的出现，使得天文学家成功地实现了对宇宙天体电磁波段的观测，并获得突破性进展。因而一些科技强国纷纷研制和发射形形色色的太空望远镜，美国发射的“哈勃”太空望远镜和“钱德拉”Ｘ射线望远镜就是其中的代表。当代天文学新视野首推哈勃空间望远镜——HST，以美国天文学家哈勃的名字命名，1990年4月25日由航天飞机发现者号送入太空。
HST望远镜，长13.3米，镜筒直径4.3米，望远镜主镜口径2.4m，重11.6吨，造价近30亿美元， HST运行轨道距地面614公里，每96分钟绕地球飞行一周。HST目前正以2.8万公里的时速沿太空轨道运行，默默地窥探着太空的秘密。
HST在太空彻底摆脱了地球大气的干扰，不受气候变化和阳光散射的影响，可以不分昼夜、不间断地连续工作，分辨角比地面望远镜宽3倍。 HST其本身在太空处于失重状态，无须任何支架系统，跟踪精度、天体测量精度空前提高。 HST被列为当年世界10大科技新闻之一。
HST望远镜是有史以来最大、最精确的天文望远镜。它上面的广角照相机可拍摄上百个恒星的照片，其清晰度是地面天文望远镜的10倍以上，1.6万公里以外的一只萤火虫都难逃它的“法眼”。它创造了一个个太空观测奇迹，包括发现黑洞存在的证据，探测到恒星和星系的早期形成过程，观测到迄今为止人类已发现的最遥远、距离地球130亿光年的古老星系。
思考题6
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1．简述航天器的种类及其作用？
2．简述GPS的作用？
3．简述哈勃空间望远镜（HST）较之地面望远镜的优势？
第七讲 天文学家简介
一、近代天文学的奠基人——哥白尼
哥白尼（1473-1543），波兰天文学家、日心说创立者，奠定了近代天文学的基础。 哥白尼经过长期的天文观测和研究，创立了更为科学的宇宙结构体系——日心说，从此否定了在西方统治达一千多年的地心说。日心说经历了艰苦的斗争后，才为人们所接受，这是天文学上一次伟大的革命，不仅引起了人类宇宙观的重大革命，而且从根本上动摇了欧洲中世纪宗教神学的理论支柱。“从此自然科学便开始从神学中解放出来”，“科学的发展从此便大踏步前进”（恩格斯《自然辩证法》）。
哥白尼著有阐述日心说的《天体运行论》（1543年出版），由于受到时代的局限，在日心说中保留了所谓“完美的”圆形轨道等论点。其后开普勒建立行星运动三定律，牛顿发现万有引力定律，以及行星光行差、视差相继发现，日心说遂建立在更加稳固的科学基础上。
二、天空立法者——开普勒
开普勒(1571-1630)是德国近代著名的天文学家、数学家、物理学家和哲学家。他以数学的和谐性探索宇宙，在天文学方面做出了巨大的贡献。开普勒是继哥白尼之后第一个
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站出来捍卫太阳中心说、并在天文学方面有突破性成就的人物，被后世的科学史家称为“天上的立法者” 。
开普勒在丹麦天文学家第谷研究资料基础上，在大量观测和计算开创了行星运动两定律，其一将火星轨道确定为椭圆，并用三角定点法测出地球的轨道也是椭圆，断定它运动的线速度跟它与太阳的距离有关，并且总结了“行星的向径在相等的时间内扫过相等的面积。”这两条定律，刊登于1609年出版的《新天文学》一书。书中他还指出，这两条定律同样适用于其他行星和月球的运动。
后来经过长期繁复的计算和无数次失败，他终于发现了行星运动的第三条定律：“行星公转周期的平方等于轨道半长轴的立方。”这一结果发表在1619年出版的《宇宙和谐论》中。行星运动三定律的发现为经典天文学奠定了基石，并导致数十年后万有引力定律的发现。
三、预报彗星第一人——哈雷
哈雷(1656-1742)，英国天文学家和数学家。1705年，哈雷出版了《彗星天文学论说》,书中阐述了1337-1698年出现的24颗彗星的运行轨道，他指出，出现在1531、1607和1682年的三颗彗星可能是同一颗彗星的三次回归，并预言它将于1758年重新出现，这个预言被证实了，这颗彗星也得到了名字－哈雷彗星。1682年英国年轻天文学家哈雷（Edmund Halley）观测到这个太阳系中最明亮最活跃的慧星，并推算哈雷慧星每隔76年到达离地球最近点一次。它的回归是人们十分关注的一种天文现象。1986年2月9日哈雷慧星再一次回归地球。
四、恒星天文学之父——赫歇尔
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德意志诞生的英国天文学家威廉·赫歇尔（1738年-1822年），在1781年3月13日，这是一个很平常的日子，晴朗而略带寒意的夜晚，跟往常一样，在其妹妹加洛琳（1750年-1848年）的陪同下，用自己制造的口径为16厘米、焦距为213厘米反射望远镜，对着夜空热心地进行巡天观测。当他把望远镜指向双子座时，他发现有一颗很奇妙的星星，乍一看象是一颗恒星，一闪一闪地发光，引起了他的怀疑。第二天晚上，他又继续观测。原来这颗星还在移动，尽管这颗星没有朦胧的彗发，也没有彗尾，肯定不是一颗彗星，也不是一颗恒星。
经过一段时间的观测和计算之后，这颗一直被看作是“彗星”的新天体，实际上是一颗在土星轨道外面的大行星，一下子太阳系的范围被扩大了整整一倍之多。天王星离太阳系约28亿8千多公里，而土星离太阳系约14亿公里。天王星的发现使赫歇尔闻名于世，并被英王任命为皇家天文学家。此后，他致立于天文学，一生中作出过许多贡献。威廉·赫歇尔主要业绩：
（1）制造了许多大型望远镜。磨制出售的望远镜至少有76架。自用的反射望远镜最大口径1.2米，为当时世界之最；
（2）发现了天王星。1781年，威廉·赫歇尔用自制望远镜作巡天观测时偶然发现了天王星，后又发现了天王星和土星各自的两颗卫星，为此荣获英国皇家学会科普利奖章，并被选为会员；
（3）进行了银河系结构的研究，用统计法首次确认了银河系为扁平状圆盘的假说；
（4）从事星团、星云和双星的研究，集20年观测成果，汇编成3部星云和星团表，共记载了2500个星云和星团，其中仅100多个系前人已知，还发现了双星、三合星和聚
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星848个；
（5）发现了太阳的空间运动。他发现并测定出太阳的向点位于武仙座λ附近，与现代的公认值十分接近。因威廉·赫歇尔在天文学特别是恒星观察领域业绩卓著，后人将他誉为“恒星天文学之父”。
思考题7
1． 1．简述波兰天文学家哥白尼在近代天文学发展的贡献？
2． 2．简述德国天文学家开普勒在近代天文学发展的贡献？
3． 3．简述英国天文学家哈雷在近代天文学发展的贡献？
4． 4．简述英国天文学家赫歇尔在近代天文学发展的贡献？
5． 5．试推算哈雷彗星下一次飞临地球的时间？
第八讲 天文学若干问题
一、恒星的“生”与“死”
1．恒星的诞生
作为恒星诞生地的星际气体云团十分稀薄而且温度极低，云团中与引力相抗衡的气体压力很弱，引力的作用使得云团缓慢地收缩。超新星爆炸产生的冲击波或云团周围一些亮
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星向外喷射的高热气流都会使云团中出现不均匀的密度分布，造成云团中出现多个密度中心，这些密度中心周围的气体分别向这些中心收缩，形成一个个小云团。收缩过程中，小云团中心温度升高，旋转加快，密度越来越大，演变成中心有核，周围由盘状物质包围的形状，云团的表面温度一般为绝对温度2000－3000度，质量与太阳相仿，只发出红外辐射，不发射可见光，所以还只是恒星的胚胎，或形象地称之为“星卵” 。
不同大小的云团演化快慢大不一样，象太阳这样典型大小的恒星，其处于星卵的状态的大约要维持100万年，在此期间云团继续复杂的收缩过程，中心温度则持续升高，一直到超过100万度，在这种极高的温度下将出现由氢原子核变成氦原子核的“核聚变”反应，这是恒星的根本特征，星球只有到了能由核聚变反应而释放能量，才算是真正进入了“成年恒星”的阶段，也只有此时才真正变得灿烂夺目。此时的恒星中心密度和温度都很高，巨大的气体压力足以抵抗引力收缩，所以恒星也不再继续收缩了，恒星的性质变得十分稳定，就象我们的太阳一样，恒星一生中90％以上的时间都处于这一阶段。
2.恒星的青壮年－从主序星到红巨星
恒星发光发热的源泉是由氢原子核转变为氦原子核的核聚变反应，维持核反应的阶段就是恒星的壮年期，天文学上称为“主序星”阶段。质量不同的恒星维持核反应的时间大不一样，大质量恒星的核心温度更高，核反应消耗氢的速度比小质量恒星快得多，因此其生命历程相对来说要短得多，比如象10个太阳质量那样大的恒星只能维持一千万年左右的生命，而太阳却能维持100亿年。
太阳这样大小的恒星是宇宙中最为典型的，它们生命中80％－90％的时间都处在稳定的主序阶段，当中心的氢逐渐燃烧完后，一颗恒星的生命就接近尾声了。此时星体核心会迅速收缩，相反地，外层的氢却开始燃烧并迅速膨胀，这是恒星生命中一个十分有趣的阶
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段，星体的体积大大增加，比如太阳这样的恒星会膨胀数百倍，膨胀的结果导致恒星表面温度下降，颜色变红，同时其表面亮度却会大大增强，天文学上习惯于将光度（即恒星的本质亮度）大的天体称为“巨星”，因此这一阶段的恒星的典型特征就是“红巨星” 。
相对而言，“红巨星”阶段是很短暂的，此后由于核心的收缩导致温度进一步升高而引发氦原子核聚变为碳原子核的反应以及此后一系列更为复杂的核聚变反应，恒星快速地走向死亡。
3.恒星走向死亡
恒星走向死亡的途径因其质量的不同而有很大的不同，象太阳这种中等质量的星体其死亡是比较“温和”的，在红巨星阶段之后，恒星的外壳一直向外膨胀，核心则持续收缩，发出紫外光或X射线，高能射线激发外层气体发出荧光，形成美丽的行星状星云。外壳气体逐渐消散在星际空间，成为下一代恒星的原料，而中心部分在收缩到一定程度后，停止了一切核反应过程，变成一颗冷却了的、密度却极大的白矮星，其中1个方糖大小的物质，重量可与一辆卡车相当。
质量较大的恒星走向死亡的途径往往是十分壮烈的，通常质量大于太阳8倍以上的星球，不会平静地演化为白矮星，而是引发一场震天动地的大爆炸，星体的亮度突然增亮几十倍甚至几百倍，这就是所谓的超新星爆发，星体粉身碎骨，核心遗留下来两种特殊形态的天体－中子星或黑洞。中子星的质量和太阳差不多，但半径只有10公里左右，可见其密度更比白矮星高得多了。超新星爆炸后，如果残留的核心质量仍较大，则会形成密度更为惊人的黑洞，任何物质甚至连光线都无法逃脱它强大的引力场，我们无法直接看到它，这也正是其名为“黑洞”的由来。
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4．恒星的“生死循环”
正如动、植物的死亡将成为下一代生命的原料一样，恒星的死亡也都有一个共同的特征，即将其本体中的大量物质抛射到星际空间中，这些物质逐渐弥漫在宇宙空间中，以气体或尘埃的形式成为新一代恒星的原材料。同时正是在恒星的演化过程中通过核聚变形成了许多构成生命所必需的重元素，这些重元素在恒星死亡后弥散在宇宙空间中，才有可能导致新的星球生命的诞生。
二、彗星或小行星的袭击对地球的影响
当地球受到彗星或小行星袭击时将会出现什么样的情景呢？让我们先来看看以往的事实，最有名的当推1908年6月30日早晨发生在苏联西伯利亚叶尼塞河上游通古斯地区的一次大爆炸，即所谓通古斯事件。最近有人认为这次爆炸是由一次彗星撞击地球引起，而这颗彗星又可能是业已瓦解的恩克彗星的一部分。计算表明，如果彗星碎片总质量为350万吨，平均密度为每立方厘米0.003克，以每秒40公里的速度和30°的入射角进入地球大气层，那就可以引起通古斯事件那样规模的爆炸。
但太阳穿过或接近分子云时又可能出现什么样的结构呢？如果前述理论成立，那么每经过一亿年左右，即有大批彗星天体进入太阳系的范围，其中最大的彗核直径超过10公里，撞击速度可达每秒30公里。要是有这么一颗彗星到达地球，其后果是不堪设想的。首先，彗星进入地球大气层内就会引起巨大的冲击波，可以一下子杀死半个地球上的全部生物。这时，空气温度上升到500℃左右。因落地撞击引起的阵风，在离撞击点2000公里处的风速仍可达每小时2500公里。结果，整个地球上空将会覆盖一层厚厚的尘埃幕布，太阳光线无法穿过它到达地面。这层尘埃云将会延续好几个月。另一方面，这颗巨大火流星中的一氧化氮会破坏大气中的臭氧层，因而在尘埃云最终沉息下来之后，地球表面就会
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直接受到太阳的紫外光照射，其强度是致命的。此外，撞击时会引起全球性大地震，由此导致的陆地起伏一般可达10米。
地球表面大部分地区是海洋，所以彗星击中海洋的可能性也许更大一些，其后果同样是极其严重的。首先，溅落中心区部分可能产生高度达几公里的巨浪，即使在离中心区1000公里处，大浪的高度还可以到达500米。涛涛巨浪最终将进入大陆架并冲上陆地。这时，地核中的内部流动情况受到强烈的干扰，并影响到地球磁场，而这种磁场扰动时，就可能同各类生命的大批死亡联系在一起。另一方面，原来支配大陆漂移的是一种缓慢的、带粘滞性的推进式运动。在彗星的猛烈撞击下，这种运动便会受到极大的干扰，结果引起板块运动。地壳上会出现10～100公里宽的大裂缝，造山运动十分剧烈，同时引起普遍性的火山爆发，地球最后变得面目全非；一旦重新平息下来之时，其生物学和地球物理学环境已与撞击发生之前大不相同了。
根据上述理论可以作出一项预言，那就是从银河系的时间尺度来看，许多地球物理现象应该是间歇性的。不仅如此，地球上生命的大规模消亡应该与剧烈的造山运动和大规模火山爆发同时发生，而且应当发生在磁场受干扰的时期之内。实际上不少史实也正说明了这一点。比如：恐龙的灭亡在时间上与地质史上最大规模火山爆发开始时期相一致，而且在这之前约500万年出现了延续时间长达2000万年的地磁扰乱。在二迭纪～三迭纪间的生物大规模绝灭期内，有96％的海洋生物突然死亡，它同样也发生在一场地磁场扰乱期内。这些是不能用偶尔一次彗星对地球的撞击所能解释的，而正好同上面有关彗星对地球大规模轰击的概念相一致。
三、关于外星人的问题
1．人类试图与外星人联系的努力
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在地球之外是否还有像人类那样、或者更高级的智慧生命呢？如果有，又能否同他们建立联系呢？今天，人们已开始提出这样一类的问题，甚至着手进行试验性的探索。人们力图和外星人联系，1960年5月，美国一些天文学家用射电望远镜观测恒星鲸鱼座，试图收到外星人发来的讯号。这颗星距我们11光年，它在许多方面都同太阳相似。如果它周围一颗行星上栖居了一批技术水平同我们相仿的外星人，那他们也许正在向外发射无线电讯号以求与外部同类取得联系。正是这样的合乎逻辑的推理，促使人们进行了这项称之为“奥兹玛”的探索计划。计划进行了3个月，结果一无所获。
人类也有过向外界发送讯息的尝试。1974年11月，美国阿雷西博天文台的大射电望远镜向武仙座星团发送了3分钟无线电讯号。讯号将在2.4万年后到达目的地。如果届时某一类文明生物已有了大射电望远镜，并恰好指向地球，那也许就会收到我们的讯号。当然，要通过这样的发射来达到目的可能性实在太小了。不过，这毕竟是人类力图把自己的存在告诉别的同类的一次尝试。就在这次发射之前不久，先驱者11、12号飞船上携带了两块特别的镀金铝盘离开地球。铝盘上刻有男女裸体人像，以及地球在银河系中的位置和有关太阳系的一些信息。后来旅行者1号宇宙飞船又携带着“地球之音”的人类信息飞向太空，其中有115幅照片和图表，近60种语言的问候语，35种自然声音，以及27首古典和现代音乐等。科学家们希望有朝一日这些“信物”会落入外星人之手，从而使他们知道我们的存在，并设法同我们联系。
2．生命产生的条件
生命只能出现在能发出光和热的恒星周围的行星上，但并非所有恒星都必然带有行星。星云说认为，恒星是从自转着的原始星云收缩形成的。收缩时因角动量守恒使转动加快，又因离心力的作用星云逐渐变为扁平状。当中心温度达700万度时出现由氢转变为氦的热核反应，恒星就诞生了。盘的外围部分物质在这过程中会凝聚成几个小的天体——行星。
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生成智慧生物的漫长过程，生物的进化是一种极为缓慢的过程，所经历的时间之长完全可以同太阳的演化过程相比。化石的研究发现，早在35亿年前地球上就已有了一种发育得比较高级的单细胞生物，称为蓝——绿藻类。根据恒星演化理论以及对地球上古老岩石和陨星物质的分析知道，太阳和地球的形成比这种生物的出现还要早10～15亿年。太阳系形成后大约经过50亿年之久地球上才有人类。
现在设想把每50亿年按简单比例压缩成1“年” 。用这样的标度1星期相当于现实生活的1亿年，1秒钟相当于160年。从宇宙大爆炸起到太阳系诞生，已经过去了大约2年时间。地球是在第3年的1月份中形成的。3、4月份出现了蓝——绿藻类这种古老单细胞生物。以后，生命在缓慢而不停顿地进化。9月份地球上出现了第一批有细胞核的大细胞，10月下旬可能已有了多细胞生物。到11月底植物和动物接管了大部分陆地，地球变得活跃起来。12月18日恐龙出现了，这些不可一世的庞然大物仅仅在地球上称霸了一个星期。除夕晚上11时北京人问世了，子夜前10分钟尼安特人出现在除夕的晚会上。现代人只是在新年到来前的5分钟才得以露面，而人类有文字记载的历史则开始于子夜前的30秒钟。近代生活中的重大事件在旧年的最后数秒钟内一个接一个加快出现，子夜来临前的最后一秒钟内地球上的人口便增加了两倍。
由此可见地球诞生后大部分时间一直在抚育着生命，但只有很短一部分时间生命才具有高级生物的形式。
3．行星上诞生生命的苛刻条件
现在我们看到了，智慧生物的诞生要求恒星必须至少能在约50亿年时间内稳定地发出光和热。恒星的寿命与质量大小密切相关。大质量恒星的热核反映只能维持几百万年，这对于生命进化来说是远远不够的。只有类似太阳质量的恒星才是合适的候选者，银河系
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内的恒星约有2000亿颗，除双星外单星大约是400亿颗。单星是否都有行星呢？遗憾的是我们对其他行星系统所知甚少，但是确已通过观测逐步发现一些恒星周围可能有行星存在。考虑到太阳系客观存在，甚至大行星还有自己的卫星系统，不妨乐观地假定所有单星都带有行星。
有行星不等于有生命，更不等于有高等生物。关键在于行星到母恒星的距离必须恰到好处，远了近了都不行。由于认识水平所限我们只能讨论有同地球类似环境条件的生命形式，特别要假定必须有液态水存在。太阳系有九大行星，但明确处在能有条件形成生物的所谓生态圈内的只有地球。金星和火星位于生态圈边缘，现已探明在它们的表面都没有生物。
对一颗行星来说，能具有生命存在所必须满足的全部条件实在是十分罕见的。太阳系中地球是独一无二的幸运儿。详细计算表明，在上述400亿颗单星中，充其量也只有100万颗的周围有能使生命进化到高级阶段的行星。
另一个限制条件是地外生命应该与地球上生命有类似的化学组成。天文观测表明，除少数例外，整个宇宙中化学元素的分布相当均匀，因而完全有理由相信在遥远行星上也能找到构成全部有机分子所需要的材料。事实上已经在不少地方发现了许多比较复杂的有机分子。因而可以认为，生命在某个地方只要理论上说可以形成，实际上也确实会形成。于是银河系中就会有100万颗行星能有生命诞生，不过每颗行星上的生命应当处于不同的进化阶段。
4．能找到外星人吗？
如果我们为100万这个大数目感到欢欣鼓舞，认为找到外星人不成问题，那就高兴得
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太早了。对于地外高级生物只有当能同他们建立联系时才有意义。就人类目前的认识来看，无线电讯号是建立这种联系的唯一可行的途径，因而必须进一步探讨有多少个行星上居住了有能力发送这种讯号的文明生物。如果他们从存在以来一直在发送这种讯号，那就应该有100万个正在进行无线电发射的行星。但事实上不要说藻类，就是人类在100多年前也还没有这种能力。另一方面，技术已遭到破坏，以及本身已遭到毁灭的生命形态也是不会这样做的。请不要忘记，差不多在能发射无线电讯号的同时，人类也研制成了大规模核武器，它们足以把地球上全部生物彻底毁灭掉。外星人会不会为失去理智的战争狂所支配而毁掉自己呢？这种可能性也许不能完全排除。
让我们又一次乐观地认为外星人有能力、有理智解决那些我们所担心的问题，并假定他们在和平繁荣的环境中生活了100万年。由于科学技术极为发达，生活充分富裕，他们必然会想到、也完全有能力耗费巨资来从事有重大意义的开创性研究，其中包括试图同外部世界同类建立联系。他们在100万年内不停顿地向外界发送强有力的无线电讯号。如果它们均匀地分布在银河系中，则相邻两颗之间的距离约为4600光年。人类发出的讯号要经过4600年才能送到离我们最近的外星人那儿。如果他们收到了并随即发出回答，那要收到他们的回音我们还得再耐心地等上4600年。奥兹玛计划的联系对象离开我们只有十几光年，这样做实在没有多大意义。要使计划变得有实际意义，必须监听4600光年范围内每一颗类似太阳的单星是否在发出有含义的讯号。
要是更实际一点，想想人类有历史记载的只有4000年。如果外星人只是在4000年长的时间内有能力进行无线电发播，那么今天在向外界播发讯号的就只有一颗行星。于是，整个银河系中除地球外充其量也就再有一种文明生物在发送讯号，我们用射电望远镜在银河系内留心倾听这种讯号的种种努力就完全是徒劳无功之举。
你也许会为这一结论深感失望。那么实际情况同这里所估计的会有多大差异？上面的
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讨论中有许多不确定因素。每颗单星周围都有行星吗？生命是否只能在地球这样的环境下诞生？还有，实际上我们并不知道一种智慧生物到底能生存多久，他们能一直生存下去吗？这些问题恐怕在相当长时间内还无法作出明确的回答。然而原始人又何尝想到今天的大型客机、彩色电视、快速电子计算机和登月飞行呢？只要人类能在和平繁荣的环境中一直生活下去，科学的发展会逐步回答这些问题。不过就目前来看，外星人即使存在，我们也暂时无法同他们进行有效的联系。因而，把不明飞行物同天外来客的宇宙飞船联系在一起恐怕是不可信的。
5．人类寻找地外生命的最新动态
为了寻找地外生命，1999年5月24日，一个名为“相遇2001”的公司借助克里米亚半岛的乌克兰叶夫帕托里亚直径70米的射电望远镜，朝4颗50－70光年远的类太阳恒星方向发射了一系列射电信号，这是人类25年来第一次有意识的星际广播。
早在1974年11月16日，美国射电天文学家德雷克曾用阿雷西博直径305米的射电望远镜向24000光年以外的球状星团M13发送过信号。可那次信息的长度仅为3分钟，由1679个字节组成，其中包括了地球在太阳系中的位置、人类的外形和DNA资料、5种化学元素的原子构成形式以及一个射电望远镜的图形。
华盛顿大学98年9月份宣布，它将启动一项由国家科学基金资助的研究生教育项目，该项目旨在培养研究地外生命的博士研究生，这在宇宙生命学方面尚属首次。这门专业看起来似乎挺有意思，但真的学起来并不那么轻松。学生们必须先要了解地球上的生命是如何形成的，这就涉及到天文学、大气科学、海洋学以及微生物学。负责此项目的微生物学家简姆斯·斯特雷说：“我们想在地球的环境中研究生命，因此必须要研究地球上诸如火山口、海冰和地下玄武岩的形成过程，因为这些都是形成微生物的极好环境，而且很可能与
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其它星球上的环境相类似”。
四、经度的故事：人类探索了两千年
用经纬度来表示一个地方在地球表面上的位置，这已成为人们的一种常识。为了确定这种认识并付诸实用，人类为了测定经度差不多花费了两千年的时间。
1．最早的认识
所谓测定经度，就是测定某个地方在地球表面东西方向上的位置。我们知道，同一瞬间位于同一纬度不同经度上的地方，有着不同的时间。例如，当北京是晚间8点钟时，伦敦却是中午12点钟，这种差别启示了人们，只要知道了某地的当地时间是多少，将它与世界标准时间比较，就可以推算出当地的经度是多少。因此，测定经度的本质就是测定时间。
2．怎样来确定两地的时间差呢？
古希腊天文学家喜帕恰斯提出，可以用观测月食来解决这一问题。因为无论对地球上的哪一点来说，月亮进入地球的影子区，是严格在同一瞬间发生的，或者说月食是同时开始的，这起着标准时间的作用。只要记下两地观测到的月食开始时刻，也就是两地看到月食开始的当地时，人们就可以求得两地的经度差了。
由于月食发生的机会很少，一年中最多不超过二、三次。为了不放过任何一次机会，据说喜帕恰斯曾编篡了一本六百年月食一览表，真是精神可嘉。
3．托勒密的贡献
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一提到托勒密，人们自然就想起他的“地球中心说”。这学说是他在他的巨著《天文学大成》里详加阐述的。托勒密一生主要有两部巨著，另一部是八卷本的《地理学指南》。这是他编制的一本地名辞典和地图集。书中给出了几千个地方的地理位置，堪称是一项伟大成就。
在《地理学指南》这部巨著中，托勒密谈到了地理位置的确定问题。他提出了一种等间距的坐标网格，用\"度\"来进行计算。托勒密可算得上是第一个明确提出经纬度理论的人。他的理论中，纬度从赤道量起，而经度则从当时所知道的世界最西地点? 从幸运岛算起。这一切已经和今天的经纬度概念很相接近了。
在托勒密之后的一千多年内，关于确定经度的问题，一直没有获得重大进展。
4．航海业的需要
从十三世纪起，欧洲的航海事业获得蓬勃发展。在这些大规模的航海活动中，由于要到达一些距离出发港口十分遥远的陌生地方，用罗盘、铅垂线及对船速的估计，来确定这些陌生地方的地理位置，就很不可靠了，航海家们必须求助于天文方法。当时已经有了航海历，能够比较准确地预报太阳、月亮和诸行星的位置，以及日食、月食等天象发生的较精确的时间。哥伦布就曾利用1494年9月14日的月食，测得了希斯帕尼奥拉港的经度。也有人曾用月掩火星的机会来测定经度。
然而，所有的天文方法都得依靠月食等一类天文现象，而这些天象却是很难见到的。因此，依靠天象来测定经度，一年中也只能进行几次。而航海事业的发展，却要求随时测定船舶位置的经度。正是这种客观需要，把测定经度的理论和实践大大推进了。
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实际上，测定经度的关键也在这里：一方面需要有一架走得很准的钟，以记录起算点的时间，另一方面必须用天文方法精确地测出当地的地方时。这两点在十六世纪时都做不到，因此，\"时计法\"再好也只能停留在理论上。然而，随着欧洲各国与印度的海上贸易越来越频繁，确定海上船舶位置的经度变得更为迫切了，以至一些有关国家不得不采用悬赏来寻求解决办法。
5．伽利略的努力
应征西班牙经度奖最有名的人物，当数意大利天文学家伽利略。
伽利略用他制作的望远镜，发现了木星的卫星和卫星食现象。卫星食出现的时刻，对地球上任何地方的人来说几乎是严格相同的，因而就可以利用这一现象来测定两地的经度差，其原理同月食法是一样的。而且木星卫星食的现象，平均每个晚上可以发生一、二次，比一年只有一、二次的月食要常见得多，因此，只要能对木星的卫星食现象作出准确预报，测定经度的问题也就基本解决了。
1642年，伽利略与世长辞，他发现的测经度方法也无法付诸实现。但是，人类在解决经度测定问题上，仍然朝着既定的目标在一步一步迈进。
6．建立天文台
1657年，一个新的转折点出现了。著名的荷兰天文学家、物理学家惠更斯发明了摆钟，从而为测定经度提供了高精度的计时仪器。
在这之前，巴黎皇家学院的医生兼数学家莫林，由于考虑了月亮视差的效应，从而对
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测定经度的月距法作了重大改进。他提议要使他的这一建议付诸实用，应该建立一个天文台来提供必要的资料。莫林的提议推动了经度测定工作的进展，因为天文台的建立，对解决经度测定问题起了重大的作用。
十七世纪下半叶，法国国王路易十四决心使法国在科学上及海上处于世界领先地位。1666年，成立了法国科学院，1667年，建立了巴黎天文台。
在英国，1662年建立了伦敦皇家科学院。1667年初，皇家科学院开始制订建立天文台的计划，经过好多人的努力，终于在1676年9月15日建成了格林尼治天文台。天文学家约翰·弗兰斯提德为第一任台长，并于第二天立即开始用台上的大六分仪进行天文观测。
各国天文台的相继建立，为编制高精度的天体位置表铺平了道路。1757年，船用六分仪问世。这是一种手持的轻便仪器，它可以测量天体的高度角和水平角，将所得结果与天文台编制的星表对照，就可以测定船舶所在地的当地时间，从而最终解决了海上船舶的经度测定问题。此时距离喜帕恰斯的月食法，已经有两千年之久。
人类最终找到了测定经度的方法，但这个领域的发展并没有就此止步。特别是进入二十世纪后，随着卫星、激光、无线电等技术手段的出现，经度的测定正在朝着更高精度的方向发展。
思考题8
1．简述恒星生命发展历程？
2．简述彗星或小行星对地球的影响？
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3．简述人类探索地外文明的各种努力？
4．测定精确的经度方法是？
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