[科普中國]-子午圈

概念

子午圈是指天球上的一個(gè)大圓。指通過天極和天頂?shù)奶烨虼髨A，也是通過觀測點(diǎn)和地球南北極的地理經(jīng)圈擴(kuò)展后與天球相交的大圓，它是位于南北方向的地平經(jīng)圈，又稱南北圈。中國古代用十二地支表示方向，子表示北，午表示南，故名。子午圈是天體地平坐標(biāo)的基本圈之一，子午圈的方位角為0°和180°。有時(shí)把北天極以南的半個(gè)大圓稱為午圈，把北天極以北的半個(gè)大圓稱為子圈。天體周日視運(yùn)動(dòng)時(shí)兩次通過子午圈的狀態(tài)或時(shí)刻，稱為中天。通過午圈為上中天，通過子圈為下中天。

上下子午圈上子午圈是子午圈在地平圈上的一半，下子午圈是在地平圈下的另一半。通俗的說法是在天上從南→天頂→北順序通過的一個(gè)假想大弧，亦稱天球子午圈，而在地平線下通過天底，看不見的另一半大圓則稱下子午圈。因?yàn)橛^測者所在地固定的話，地平經(jīng)圈與天極也是相對固定的；夜空出現(xiàn)之星座以至恒星便會(huì)因?yàn)榈厍虻淖赞D(zhuǎn)依序東升、經(jīng)過子午線然後西落。

因?yàn)樾亲c天體在周日運(yùn)動(dòng)中，若經(jīng)過上子午圈之時(shí)（即上中天），地平方位角最高，天體經(jīng)過的大氣厚度最少，抖動(dòng)與消光也相對最少，因而也是最容易觀測的時(shí)候；在普通天文觀測上，觀星者可以活動(dòng)星圖來推測某星座或某目標(biāo)天體的最佳觀賞時(shí)間。我們亦可以利用恒星的赤經(jīng)來定義地方恒星時(shí)，并且精確測量或計(jì)算天體將於何時(shí)經(jīng)過子午圈。1

名稱來源子午圈名稱的由來可參考下面所示的羅盤簡化圖。子午其實(shí)就是北南向的意思。子午圈就是經(jīng)過法線，南北走向的平面與橢球面的交線。

天球天球是為研究太陽對地球上自然環(huán)境與人工環(huán)境的日射所引用的一個(gè)假想圓球。地球繞太陽運(yùn)行，但人在地球上的直觀感覺卻是太陽在天空中移動(dòng)。為表示太陽與地球之間的相對運(yùn)動(dòng)，假定地球不動(dòng)，以地球?yàn)橹行?、任意長度為半徑作一球面，天空中一切星體包括太陽在內(nèi)均分布在這一球面上繞地面而轉(zhuǎn)動(dòng)，這個(gè)假想的球體即稱為天球。太陽在天球面上的投影位置及其與地球上觀測點(diǎn)的關(guān)系可以用天球的地平坐標(biāo)系與赤道坐標(biāo)系共同確定。①地平坐標(biāo)系以觀測者所在的地平面與天球相交的大圓即地平圈為基本圈。沿觀測點(diǎn)的垂直軸向上與天球相交點(diǎn)Z為天頂，向下相交點(diǎn)Z′為天底。以通過天頂、天底，地平圈南端S和北端N的大圓即子午圈為副圈。經(jīng)過太陽位置L與天頂、天底的大圓為方位圈。過L點(diǎn)與地平圈平行的小圓為高度圈。太陽的位置可由高度角h=∠ROL和方位角α=∠SOR確定。②赤道坐標(biāo)系是以地球赤道在天球上的投影即天球赤道為基本圈。過天球中心作與地軸相平行的線，和天球相交的兩點(diǎn)為北天極P與南天極P′。以通過PQ′P′的大圓即子午圈為副圈。經(jīng)過太陽位置L點(diǎn)，平行于天球赤道的小圓為赤緯圈。經(jīng)過L和P、P′的大圓為時(shí)圈。L點(diǎn)的位置可由赤緯角δ=∠TOL和時(shí)角t=∠Q′OT確定。地球上某一地理緯度?的觀測點(diǎn)與太陽的相對位置則可通過地平坐標(biāo)系與赤道坐標(biāo)系中的太陽高度角、方位角與赤緯、時(shí)角、地理緯度等的球面三角關(guān)系計(jì)算得出。2

天球坐標(biāo)天文學(xué)上的坐標(biāo)常用的有地平坐標(biāo)、黃道坐標(biāo)、赤道坐標(biāo)等。我國古代最常用的是赤道坐標(biāo)，有時(shí)也用地平坐標(biāo)與黃道坐標(biāo)，它們都是我國古代所特有的東西，在觀測恒星，確定天體的位置等方面，有獨(dú)特的作用。

(一)中國古代的赤道坐標(biāo)的建立至上可追溯到戰(zhàn)國時(shí)代，它承襲了古代二十八宿記位置的傳統(tǒng)，坐標(biāo)的兩個(gè)分量是入宿度和去極度。所謂入宿度，指二十八宿的距星與某一天體之間的赤經(jīng)差，對于二十八宿來說，與入宿度相當(dāng)?shù)牧渴蔷喽?，某一宿距星到下一宿距星之間的赤經(jīng)差叫該宿的距度。所謂去極度，就是所測的天體距北極的角距離，實(shí)際上是赤緯的余角。赤道坐標(biāo)系在中國古代天文學(xué)中得到了廣泛地運(yùn)用，這在世界天文學(xué)史上是一個(gè)典型。

(二)黃道坐標(biāo)。黃道是太陽在天球上的周年視運(yùn)動(dòng)的軌道。以黃道為基礎(chǔ)，用黃經(jīng)、黃緯表征天體位置，即黃道坐標(biāo)系。它的分量之一也是黃道入宿度，而另一個(gè)分量有時(shí)用去極度，有時(shí)則用黃道內(nèi)外度。最早明確提到黃道的是《石氏星經(jīng)》，東漢賈逵曾經(jīng)引述到：“石氏星經(jīng)曰：黃道規(guī)牽牛初直斗二十度，去極二十五度?！痹谶@里，黃道規(guī)即黃道圈，牽牛初就是冬至點(diǎn)，《石氏星經(jīng)》的黃道坐標(biāo)，冬至點(diǎn)的人宿度為斗20度，去極度為115度(二十五為一百一十五之誤)。漢末劉洪《乾象歷》中又出現(xiàn)了求月亮黃道內(nèi)外度的說法。應(yīng)該指出，我國古代給出的二十八宿黃道經(jīng)度差，不是現(xiàn)在天文學(xué)上的黃經(jīng)差，而是二十八宿距星的赤經(jīng)差在黃道上的投影。所謂某宿的黃道距度，就是量過本宿和下宿距星的兩條赤經(jīng)圈所夾的黃道弧長。所謂黃道內(nèi)外度，則指緯向方向的量，天體在黃道以北叫黃道內(nèi)，天體在黃道以南叫黃道外，它們都是以赤道圈為準(zhǔn)，沿著天體的赤經(jīng)圈，從所測天體量到黃道為止。

(三)地平坐標(biāo)。以地平面和天頂(頭頂方向)為基礎(chǔ)建立的坐標(biāo)叫地平坐標(biāo)，它的兩個(gè)分量分別取作地平方位和地平高度。中國古代最初的地平坐標(biāo)只有地平經(jīng)度，它廣泛用于以日晷測量太陽出沒運(yùn)行的方位角上，在漢代，常用十二地支來表示方位，如子代表北方，午代表南方等。后來用四維、八干、十二支來代表二十四個(gè)方位。四維是：用艮表示東北，巽表示東南，坤表示西南，乾表示西北。八干是：甲、乙、丙、丁、庚、辛、壬、癸。十二支是：子、丑、寅、卯、辰、巳、午、未、申、酉、戌、亥。它們合在一起，就是所謂的二十四山，表示二十四個(gè)方位(如圖示)這二十四山，只是方位區(qū)域，并不表示連續(xù)的量度。后來的渾儀上都裝有地平環(huán)，一般使用這二十四個(gè)方向。地平坐標(biāo)的另一個(gè)分量，大約是同渾天說一起產(chǎn)生的。唐僧一行發(fā)明復(fù)矩圖(儀器)，來測量地平高度，到了元代郭守敬才發(fā)明了立運(yùn)儀，既能測量地平高度，也能測量地平經(jīng)度。3