《时间的天文学》作者：黄驰。
第一课.正南方、天赤道。（本文数学内容较多，学习建议使用Pad，PC大屏浏览）
天文学，用数学、物理学准确的描述和解释每一种天文现象。时间，是天文学的核心，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。学习天文学，是我们对时间的认知、定义和利用的过程，甚至可以说是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。因为每一天太阳的最高点，都是在正南方，此时影子最短，指向正北方，这是正南--正北的连线。而与正南-正北相差90°的是正东--正西连线。
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在正南方。可以说东、南、西、北四个方向中，在天文学中正南方最重要，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。当我们观察太阳的东升西落，星星、星座的东升西落时，他们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，到正西W，经过正南方上A点的一条半圆弧线EAW。天顶Z，我们头顶的正上方，OZ垂直地面。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。
OP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，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
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。从头顶（天顶）向正南方倾斜一个角度就是天赤道，而这个角度值就是我们城市的纬度值。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。现在就很简单了，我们可以通过手机、网络，或者GPS全球定位系统很方便的得到我们的纬度值，不用去测量北极星的高度角。
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=∠SOZ-∠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的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，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。
太阳
猎户座
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，当我们把猎户座东升西落的轨迹和天赤道对比时，他们是平行的。1年年，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）是固定的，不会变化。猎户座的移动是地球自转的结果。
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，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始终不会发生变化。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是平行的，但是1年天，太阳与天赤道之间的位置关系（角度）每天都在变化的，其实是每时每刻都在变化，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。严格的说是，太阳东升西落的移动轨迹和天赤道是几乎平行的。
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，我们肉眼可见的恒星就有多颗，我们把星空分成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°。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年天太阳和天赤道之间的角度在天赤道±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年天都在变化，而这个周期是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。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。在物理学中，我们一般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°，整个星空就构成一个完整的球体，我们称为天球。如本文示图，我们可以看见东、南、西、北和天顶就构成的半个天球。
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°，是正南方扫过整个星空°。更准确描述是中天扫过整个星空°，这里我们用简化的方式描述（普通人也便于理解），正南方扫过整个星空°。
地球的自转和公转，地球自转一周°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。地球围绕太阳公转一周是1年，1年天，正南方扫过太阳次，扫过猎户座也是次。
1年天，正南方扫过太阳次的规律是什么？
1年天，正南方扫过猎户座次的规律是什么？
天文学记录的就是这每一次的规律。但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？
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