#时间的天文学#作者：*驰
一~五.正南方~时间的规律
六~九.天赤道~计算太阳的东升西落
十一.*道
十二.计算二十四节气
天文学，用数学、物理学准确的描述和解释每一种天文现象。
天文学中的坐标系
太阳东升西落，星星、星座东升西落，面对复杂的天文现象，简化、多角度的描述，是天文学最常用的方法。为此，天文学建立了多个坐标系统，而主要解决的问题，就是天体移动的时间规律。这里我们将介绍６个坐标系，以及他们是如何简化描述天体移动时间规律的。
1.地平坐标系统，2.时角坐标系；
3.赤道坐标系、4.*道坐标系；
5.最后一个坐标系，地球坐标系；
6.被遗忘的坐标系，时间坐标系
1.地平坐标系、2.时角坐标系
地平坐标系，（如同日规）以水平面为0°纬度平面，天顶为90°，地底为-90°，以正南-正北为经度平面，将地平面等分，正北0°-正南°。地平坐标系统，在描述山川、河流、树木、房屋、街道，非常方便，我们的地图就是地平坐标系统的一种。但是用地平坐标系统描述太阳的东升西落，星星、星座的东升西落就非常不方便了，是一个复杂的三角函数。
在长期的天文观测中，我们发现太阳的东升西落，星星、星座的东升西落都是和天赤道平行的，我们建立了以天赤道为基准平面的时角坐标系。用来描述天体东升西落的时间规律。
时角坐标系，（如同日晷）以天赤道为0°纬度平面，北天极为90°，南天极为-90°，以正北-正南为的经度平面，正北0°(0:00)-正南°(12:00)。用时角坐标系统，描述太阳的东升西落，星星、星座的东升西落就非常简单了。
这是夏至日，太阳移动轨迹的坐标变化。一天之中，太阳和天赤道之间的角度是不变的（由于变化很小，一般我们忽略不计）。而太阳和正南方角度的变化规律就是15°/小时。这种描述非常简单，是我们使用日晷观察太阳移动规律的结果。猎户座的东升西落也是这样，每个星星、星座东升西落的移动都以用时角坐标系描述。
共同点：地平坐标系、时角坐标系，两个坐标系是一组，都是以大地静止，正南-正北静止，天赤道静止为基础的（参照物）坐标系统。两个坐标系之间相差一个倾斜的角度，而这个角度和我们所在城市的纬度相关。两个特殊的地点，在北极点，这两个坐标系是重合的；在南极点，这两个坐标系也是重合的。两个坐标系中大地都是静止的，但是时角坐标系的建立，还原了地球自转的本质，正确的描述了太阳、星星东升西落位置变化的时间规律，每小时15°。这是地坪坐标系无法简单描述的。这也正是日规和日晷之间的区别。
现在我们已经有了两个坐标系了，但是在这两个坐标系中，所有的天体都在移动。但是在我们的长期观察中，星星与星星，星座与星座之间的位置关系却是静止的。我们需要一个新的、静止的坐标系来描述星星与星星，星座与星座之间静止的位置关系。
3.赤道坐标系、4.*道坐标系
星空中所有的星星（恒星）、星座和太阳都是静止的，是地球在自转，并围绕太阳公转。星星与星星之间、星座与星座之间的位置关系是静止的。天赤道是地球自转的结果，*道是地球公转的结果，天赤道和*道两个圆相交等分，天文学把春分点定义为0°，秋分点为°。
赤道坐标系，以地球自转平面（天赤道平面）为0°纬度平面，北天极为90°，南天极为-90°，以春分-秋分连线为基准线，将赤道平面24等分，春分(0h)-秋分(12h)。建立球面坐标系统。赤道坐标系统描述了星星、星座和天赤道之间的角度，这和时角坐标系是一样的。赤道坐标系还描述了所有星星之间、星座之间与春、秋分点连线之间的角度关系。我们站在地球上，看见的是整个星空（赤道坐标系）在旋转，其实这些都是地球自转的结果。
*道坐标系，以地球公转轨道平面（*道平面）为0°纬度平面，北*极为90°，南*极为-90°，以春分-秋分连线为基准线，将*道平面等分，春分(0°)-秋分(°)，建立球面坐标系统。*道坐标系是赤道坐标系旋转了一个特定的角度23.5°的结果。这和时角坐标系和地平坐标系的关系类似，只是这个特定角度是固定值23.5°。
共同点：赤道坐标系、*道坐标系，两个坐标系是一组。两个坐标系中，星星、星座都是静止的，春分、夏至、秋分、冬至，4个点都是静止的。*道坐标系是赤道坐标系旋转一个固定的角度23.5°得到的。两个坐标系都可以描述星星与星星之间，星座与星座之间的位置关系。只是在实际应用中赤道坐标系更简单，在计算行星轨道时*道坐标系更简单。
时角坐标系、赤道坐标系，相同点：两个坐标系的建立都是以天赤道为基础的。不同点：时角坐标系，以正南-正北为基准线（以大地静止为参照物，星空在移动）；赤道坐标系，以春、秋分点连线为基准线（以星空静止为参照物）。这是物理学中相对运动参照不同的结果。由于都是使用天赤道，时角坐标系在天文学中还有第一赤道坐标系的名称，赤道坐标系在天文学中还有第二赤道坐标系的名称。
为什么？赤道坐标系已经可以描述星星与星星之间、星座与星座之间的位置关系，为什么我们还要建立*道坐标系？*道坐标系统。*道，太阳影像在星空移动的轨迹，是地球轨道在星空中的投影，这是我们使用*道坐标系统的主要原因之一。而我们使用*道坐标系最主要的作用是为了解决行星移动时间规律（轨道）的问题，月亮移动的时间规律（轨道）的问题。
当我们使用赤道坐标系描述太阳影像周年移动时间规律时，遇到了和日规描述太阳东升西落时一样的问题，他是复杂一个三角函数。1年天，太阳和天赤道之间的位置变化关系是一个复杂的三角函数。而地球在*道上移动的时间规律更接近每天1°，更接近°/。
除了地球，太阳系的其他七大行星，水星，金星，火星，木星，土星，天王星，海王星，他们移动的轨迹和时间规律，也都是以*道为基础的。还有月亮移动的轨迹和时间规律也是以*道为基础的。虽然月亮围绕地球公转，但是月亮和地球是作为一个整体围绕太阳公转的。所以月亮的公转轨道更接近*道，而不是赤道。其实天文学中，对于*道的研究比赤道要多很多很多。在行星轨道的计算中，*道坐标系是不可缺少的基础坐标系。
简化，无论数学还是物理学在解决空间问题时都是将空间问题简化成平面问题再解决的。在解决地球围绕太阳公转问题时，*道坐标系，我们只需要计算太阳*经的变化，而太阳的*纬一直是0°。如果使用赤道坐标系，太阳赤经、赤纬都在变化，都是一个复杂的三角函数。所以地球轨道计算中，我们需要的是*道平面，而赤道平面不行。
天文学，一门关于时间的科学，所有天体移动的规律都是时间的规律。为了解决太阳、星星、星座东升西落时间规律的问题，我们建立了时角坐标系。为了解决地球、行星围绕太阳公转时间规律的问题(轨道)我们建立了*道坐标系。
全天星图
以赤道坐标系为基础，将星空中所有的星星（可见恒星）、星座，绘制成星图。而太阳、月亮、所有的行星，在星图中无法绘制的，因为他们的位置是一直变化的。在星图中只能绘制太阳影像移动的轨迹，*道。
南天星空图，以天赤道为界，天赤道以南星空的星图。
北天星空图，以天赤道为界，天赤道以北星空的星图。
星图的坐标
星图的坐标就是赤道坐标系的坐标，以天赤道平面为0°纬度平面，北天极为90°，南天极为-90°，以春、秋分连线为基准线，将天赤道平面24等分，春分(0h)-秋分(12h)。为什么使用"小时"为单位？这和地球的自转有关。地球的正南方连续两次扫过春分点（同一颗恒星），是1个恒星日的24小时（°）。所以赤道坐标系经度坐标也使用"小时"，一是为了和*道区分，二是也表示了正南方扫过一点到扫过另一点需要的时间。注意：恒星时、太阳时是不一样的。在十五《太阳时、恒星时》，十六《追踪一颗恒星》中我们会详细介绍。
这里我们同时列出"h"和"°"，24小时=°。
参宿一（猎户座ζ）赤经值5h40m45.53s，表示正南方扫过春分点以后还需要5小时40分45.53秒扫过参宿一。这比我们用角度"85.°"表示位置更直观、更简单。参宿二、三的赤经都可以这样解读。
猎户座，由于猎户座是赤道星座，一般在两个星图链接处以便完整表示。星图坐标系中除了0~24小时刻度外，还有一圈12个月份的刻度。猎户座对应的月份刻度是12月份，这表示在十二月的午夜0:00点，正南方扫过猎户座。天蝎座对应的月份刻度是六月份，这表示在六月的午夜0:00点，正南方扫过天蝎座。狮子座、北斗七星对应的月份刻度是三月份，这表示在三月的午夜0:00点，正南方扫过狮子座，北斗七星。月份刻度和星图中*道上太阳的位置相差°。
5.最后一个坐标系，地球坐标系
地球的坐标系统，是我们最熟悉不过的的球面坐标系统，买一个地球仪，我们就可以看到。以赤道平面为0°纬度平面，北极90°，南极-90°，以经过英国伦敦东南格林尼治天文台的经线为地球的0°经线，将赤道平面等分，东西各°。
我们最熟悉的地球坐标系统，却是天文学中最后一个建立起来的坐标系统。太阳是圆的、月亮是圆的，早在天文学建立之前，我们就有了这样的认知。但是地球是一个圆的（球体）在天文学中是最后才被确立的，而地球坐标系的确立就更晚了。公元前多年的古希腊哲学家、天文学家亚里士多德提出地球是一个球体，并且很快被其他科学家所证明，但是地球坐标系统的最终确立却是多年后的事情了，直到才最终确立了0°经线的位置。年在华盛顿举行的国际子午线会议决定，采用通过英国伦敦格林尼治皇家天文台埃里中星仪的子午线作为时间和经度计量的标准参考子午线，称为本初子午线。
自然起点，在所有的天文坐标系中，起点都是自然起点，只有地球的经度不是。地坪坐标系统中，地平面是0°纬度的自然起点，正南-正北是经度的自然起点。时角坐标系中，天赤道平面是0°纬度的自然起点，正南-正北是经度的自然起点。赤道坐标系，天赤道平面是0°纬度的自然起点，春-秋分连线（*道交点）是经度的自然起点。*道坐标系，*道平面是0°纬度的自然起点，春-秋分连线（天赤道交点）是经度的自然起点。地球坐标系，赤道平面是0°纬度的自然起点，而0°经线的起点是我们人为定义的了，不是自然起点。
"赤道"、"天赤道"，天赤道，地球赤道在星空中的投影。但是天赤道的发现、记载要比地球赤道要早上千年。“赤道”本是天球赤道的名称，由于地球使用的需要，天文学将“赤道”用于地球，而将“天赤道”用于天球。实际上无论天球赤道，还是地球赤道，都是地球自转的结果，南北极是地球的自转轴，南北天极，是地球自转轴在星空中的延伸。赤道平面垂直于地球自转轴，并且平分地球的南北极，也平分天球的南北极。"赤道"、"天赤道"的根本意义是平分线。
星空只有一个，但天文学却建立了多个坐标系来描述它，其实每一个坐标系的作用都不相同，每一个坐标系都有自己的特长。地平坐标系：地图的应用，描述城市街道，山川河流是非常方便的。时角坐标系：描述太阳东升西落、星星、星座东升西落的时间规律非常方便，这时地球自转的结果。赤道坐标系：描述星星、星座之间的位置关系，描述他们和天赤道之间位置关系非常方便。*道坐标系：描述太阳周年运动（地球绕日轨道），太阳系行星绕日轨道计算，*道坐标系是最方便的。
6.被遗忘的坐标系，时间坐标系
时间虽然看不见、摸不到，但是我们能够清晰的感觉到他。时间，天文学的核心，天文学中最重要的要素，天文学中最重要的工具。时间，天文学一直在使用，但是由于一个小小的时间刻度的错误，天文学却遗忘了建立时间的坐标系，几百年来我们甚至都没有去修正这一个小小的错误，堪称"完美"。建立时间的坐标系是非常简单的，只需要我们还原时间的刻度24小时=°。
时间坐标系，以天赤道平面为0°纬度平面，北天极为90°，南天极为-90°，以日-地-影连线在天赤道平面投影为基准线(太阳刻度是12:00，地球影子刻度是0:00)，将天赤道平面24等分。
时间的坐标系中，日-地-影连线是他的基准线。地球上所有的影子，无论你在地球上的那一座城市，上海、北京、东京、伦敦、华盛顿；无论南半球还是北半球；无论是早晨、中午，还是晚上，地球上所有的影子都指向一个地方，太阳的反方向，是日-地-影连线的一部分。1年天，每一个天正南方扫过太阳的时间都是中午12:00点整，这正是我们对时间的定义，对时间刻度的定义。
星空，我们可以把整个星空(天球赤道坐标系)放入时间的坐标系，我们可以看见正南方扫过每一颗星星、每一个星座的时间。1年天，我们可以看见每一天正南方扫过太阳的时间规律，1年天，我们也可以看见正南方扫过猎户座的时间规律，天蝎座的时间规律，每一个星座的时间规律。
地球，我们也可以把整个地球(地球坐标系)放入时间的坐标系。随着地球的自转，我们可以看见每一个城市的正南方（经度线）扫过太阳的时间都是当地时间的中午12:00点整，这也是我们对时间的定义。我们也可以看见每一个城市正南方（经度线）扫过猎户座的时间规律，扫过星空中每一个星座的时间规律。
天赤道、赤道。时角坐标系中我们使用了天赤道，赤道坐标系中我们也使用了天赤道，地球坐标系中我们使用了赤道，时间的坐标系也使用了天赤道。赤道、天赤道是天文学中的最重要的过度参照物。而时间坐标系描述了所有坐标系和时间之间最根本的关系。
天文学为什么建立这么多坐标系？解决天文学的核心问题，天体移动的时间规律。时角坐标系，解决的是太阳东升西落，星星、星座东升西落的时间规律。而*道坐标系的建立，解决的是地球移动的时间规律（绕日轨道），月亮移动的时间规律（绕地球轨道），八大行星（金、木、水、火、土、天王星、海王星）移动时间规律（绕日轨道）等等问题。天文学对于天体移动时间规律的研究则推动了现代天文学、数学、物理学、以及整个现代科学的大发展。
天文历法，时间天文学的核心，天文学对于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，这里还应该有月亮围绕地球的公转。天文历法，天文学是如何定义时间的，是如何定义年、月、日、时、分、秒的。
请看下一章：天文历法
十四.天文历法
《时间的天文学》，浏览全部章节请