http://58.213.155.174:81/HTMLFile/320000/File/2011-08-23/bdae5b39-86cf-4ad9-856a-a5bec365c2b9/kexue-2/co3-2/3-2-2/03/009.htm
第二节 地球的公转
一、地球公转的特性
二、地球公转的证据
观测与实习〔五〕观察四季星空和大行星的视运动
第二节 地球的公转
地球除自身不停地旋转之外，还参与太阳系众行星共同的绕太阳运动，太阳是它们共同的中心天体。正因为如此，地球的绕太阳旋转被称为公转。地球的自转和公转是同时进行的，也就是说，地球在不停的自转过程中还环绕太阳公转。在宇宙空间，没有单纯的自转，也没有单纯的公转。但是，为了对于地球运动的深入认识和分析，又只能把地球的自转和公转分开来研究，在正确掌握了地球自转特点的基础上，再来了解地球的公转情况。
像地球的自转具有其独特规律性一样，地球的公转也有其自身的规律。这些规律从地球轨道、地球轨道面和黄赤交角、地球公转的周期和地球公转速度等几个方面表现出来。
1.地球公转轨道和方向
地球在公转过程中，所经过的路线上的每一点，都在同一个平面上，而且构成一个封闭曲线。这种地球在公转过程中所走的封闭曲线，叫做地球轨道。如果我们把地球看成为一个质点的话，那么地球轨道实际上是指地心的公转轨道。
严格地说，地球公转的中位位置不是太阳中心，而是地球和太阳的公共质量中心，不仅地球在绕该公共质量中心在转动，而且太阳也在绕该点在转动。但是，太阳是太阳系的中心天体，地球只不过是太阳系中一颗普通的行星。太阳的质量是地球质量的33万倍，日地的公共质量中心离太阳中心仅450千米。这个距离与约为70万千米的太阳半径相比，实在是微不足道的，与日地1.5亿千米的距离相比，就更小了。所以把地球公转看成是地球绕太阳（中心）的运动，与实际情况是十分接近的。
地球轨道的形状是一个接近正圆的椭圆，太阳位于椭圆的一个焦点上（如图3－15）。椭圆有半长轴、半短轴和半焦距等要素，分别用a、b、c表示（图3－16），其中a又是短轴两端对于焦点（F1、F2）的距离。
根据图3——16可见，半焦距与半长轴和平短轴之间存在着这样的关系：
即 c2=a2-b2
半焦距c与半长轴a的比值c/a，是椭圆的偏心率，用e表示，即e=c/a，
偏心率是椭圆形状的一种定量表示，e的数值大于0而小于1。椭圆越接近于圆形，则e的数值就越小，即接近于0；反之，椭圆越扁，e的数值就越大。经过测定，地球轨道的半长轴a为149600000千米，半短轴b为149580000千米。根据这个数据计算出地球轨道的偏心率为：
可见，地球轨道非常接近于圆形。
由于地球轨道是椭圆形的，随着地球的绕日公转，日地之间的距离就不断变化。地球轨道上距太阳最近的一点，即椭圆轨道的长轴距太阳较近的一端，称为近日点。在近代，地球过近日点的日期大约在每年一月初。此时地球距太阳约为147100000千米，通常称为近日距。地球轨道上距太阳最远的一点，即椭圆轨道的长轴距太阳较远的一端，称为远日点。在近代，地球过远日点的日期大约在每年的7月初。此时地球距太阳约为152100000千米，通常称为远日距。近日距和远日距二者的平均值为149600000千米，这就是日地平均距离，即1个天文单位。
根据椭圆周长的计算公式：
L=2πα（1-0.25×e2）
计算出地球轨道的全长是940000000千米。
地球的公转方向与自转方向一致，从黄北极看，是按逆时针方向公转的，即自西向东。这与太阳系内其它行星及多数卫星的公转方向是一致的（如图3－17）。
2.太阳周年视运动
地球公转是从太阳的周年视运动中发现的。为了说明太阳的周年视运动，我们首先用一个动点与一个定点的关系来进行分析。
假如，动点A在绕定点B做圆周运动，方向如图3－18。则在定点B看上去，A点的轨迹是一个圆形，A点的运动方向是逆时针的。这种情况，与从动点A看定点B的运动特征是完全相同的，B点的运动轨迹也是圆形的，运动方向也是逆时针的。但是，A绕B的运动是一种真运动，而B绕A的运动则是一种视运动，它是A绕B运动的一种直观反映。
地球的绕日公转和在地球上的观测者见到的太阳视运动的特点与上述情况相同。如图3－19，尽管实际情况是地球绕日公转，但是作为地球上的观测者，只能感到太阳相对于星空的运动，这种运动的轨迹平面与地球轨道平面是重合的，方向、速度和周期都与地球的相同。太阳相对星空的运动，是一种视运动，称为太阳周年视运动。太阳周年视运动实际上是地球公转在天球上的反映。
3.地球轨道面和黄赤交角
如前所述，地球在其公转轨道上的每一点都在相同的平面上，这个平面就是地球轨道面。地球轨道面在天球上表现为黄道面，同太阳周年视运动路线所在的平面在同一个平面上。
地球的自转和公转是同时进行的，在天球上，自转表现为天轴和天赤道，公转表现为黄轴和黄道。天赤道在一个平面上，黄道在另外一个平面上，这两个同心的大圆所在的平面构成一个23°26′的夹角，这个夹角叫做黄赤交角（如图3－20）。
黄赤交角的存在，实际上意味着，地球在绕太阳公转过程中，自转轴对地球轨道面是倾斜的。由于地轴与天赤道平面是垂直的，地轴与地球轨道面交角应是90°——23°26′，即66°34′。地球无论公转到什么位置，这个倾角是保持不变的。
在地球公转的过程中，地轴的空间指向在相当长的时期内是没有明显改变的。目前北极指向小熊星座α星，即北极星附近，这
图3－20 黄赤交角
就是天北极的位置。也就是说，地球在公转过程中地轴是平行地移动的，所以无论地球公转到什么位置，地轴与地球轨道面的夹角是不变的，黄赤交角是不变的。
黄赤交角的存在，也表明黄极与天极的偏离，即黄北极（或黄南极）与天北极（或天南极）在天球上偏离23°26′。
我们所见到的地球仪，自转轴多数呈倾斜状态，它与桌面（代表地球轨道面）呈66°34′的倾斜角度，而地球仪的赤道面与桌面呈23°26′的交角，这就是黄赤交角的直观体现。
4.地球公转周期及岁差
地球绕太阳公转一周所需要的时间，就是地球公转周期。笼统地说，地球公转周期是一“年”。因为太阳周年视运动的周期与地球公转周期是相同的，所以地球公转的周期可以用太阳周年视运动来测得。地球上的观测者，观测到太阳在黄道上连续经过某一点的时间间隔，就是一“年”。由于所选取的参考点不同，则“年”的长度也不同。常用的周期单位有恒星年、回归年和近点年。
地球公转的恒星周期就是恒星年。这个周期单位是以恒星为参考点而得到的。在一个恒星年期间，从太阳中心上看，地球中心从以恒星为背景的某一点出发，环绕太阳运行一周，然后回到天空中的同一点；从地球中心上看，太阳中心从黄道上某点出发，这一点相对于恒星是固定的，运行一周，然后回到黄道上的同一点。因此，从地心天球的角度来讲，一个恒星年的长度就是视太阳中心，在黄道上，连续两次通过同一恒星的时间间隔。
恒星年是以恒定不动的恒星为参考点而得到的，所以，它是地球公转360°的时间，是地球公转的真正周期。用日的单位表示，其长度为365.2564日，即365日6小时9分10秒。
地球公转的春分点周期就是回归年。这种周期单位是以春分点为参考点得到的。在一个回归年期间，从太阳中心上看，地球中心连续两次过春分点；从地球中心上看，太阳中心连续两次过春分点。从地心天球的角度来讲，一个回归年的长度就是视太阳中心在黄道上，连续两次通过春分点的时间间隔。
春分点是黄道和天赤道的一个交点，它在黄道上的位置不是固定不变的，每年西移50″.29，也就是说春分点在以“年”为单位的时间里，是个动点，移动的方向是自东向西的，即顺时针方向。而视太阳在黄道上的运行方向是自西向东的，即逆时针的。这两个方向是相反的，所以，视太阳中心连续两次春分点所走的角度不足360°，而是360°—50″.29即359°59′9″.71，这就是在一个回归年期间地球公转的角度。因此，回归年不是地球公转的真正周期，只表示地球公转了359°59′9″.71的角度所需要的时间，用日的单位表示，其长度为365.2422日，即365日5小时48分46秒。
地球公转的近日点周期就是近点年。这种周期单位是以地球轨道的近日点为参考点而得到的。在一个近点年期间，地球中心（或视太阳中心）连续两次过地球轨道的近日点。由于近日点是一个动点，它在黄道上的移动方向是自西向东的，即与地球公转方向（或太阳周年视运动的方向）相同，移动的量为每年11″，所以，近点年也不是地球公转的真正周期，一个近点年地球公转的角度为360°+11″，即360°0′11″，用日的单位来表示，其长度365.2596日，即365日6小时13分53秒。
如图3－21为上述三种年的比较，由此可见只有恒星年才是地球公转的真正周期。在下面章节中，我们将学习到回归年是地球寒暑变化周期，即四季变化的周期，它与人类的生活生产关系极为密切。回归年略短于恒星年，每年短20分24秒，在天文学上称为岁差。
图3－21 三种年的比较
为什么春分点每年西移50″.29而造成岁差现象呢？这是地轴进动的结果。
地轴的进动同地球的自转、地球的形状、黄赤交角的存在以及月球绕地球公转轨道的特征，有着密切的联系。
地轴的进动类似于陀螺的旋转轴环绕铅垂线的摆动。当急转的陀螺倾斜时，旋转轴就绕着与地面垂直的轴线，画圆锥面，陀螺轴发生缓慢的晃动。这是因为地球引力有使它倾倒的趋势，而陀螺本身旋转运动的惯性作用，又使它维持不倒，于是便在引力作用下发生缓慢的晃动。这就是陀螺的进动。
图3－22 月球对赤道隆起带的吸引力
地球的自转，就好像是一个不停地旋转着的庞大无比的大“陀螺”，由于惯性作用，地球始终在不停地自转着。地球自身的形状类似于一个椭球体，赤道部分是凸出的，即有一个赤道隆起带。同时，由于黄赤交角的存在，太阳中心与地球中心的连线，不是经常通过赤道隆起带的。所以，太阳对地球的吸引力，尤其是对于赤道隆起带的吸引力，是不平衡的。另外，月球绕地球公转的轨道平面，与黄道面和天赤道面都不重合，与黄道面呈5°9′的夹角，也就是说，地球中心与月球中心的连线，也不是经常通过赤道隆起带。所以，月球对地球的吸引力，尤其是对赤道隆起带的吸引力，也是不平衡的。如图3－22，据万有引力定律,F1＞F2。
日月的这种不平衡吸引力，力图使赤道面与地球轨道面相重合，达到平衡状态。但是，地球自转的惯性作用，使其维持这种倾斜状态。于是，地球就在月球和太阳的不平衡的吸引力共同作用下产生了摆动，这种摆动表现为地轴以黄轴为轴做周期性的圆锥运动，圆锥的半径为23°26′，即等于黄赤交角。地轴的这种运动， 称为地轴进动。地轴进动方向为自东向西，即同地球自转和公转方向相反，而陀螺的进动方向与自转方向是一致的。
这是因为陀螺有“倾倒”的趋势，而地轴有“直立”的趋势（如图3－23）。
地轴进动的速度非常缓慢，每年进动50″.29，进动的周期是25800年。
由于地轴的进动，造成地球赤道面在空间的倾斜方向发生了改变，引起天赤道相应的变化，致使天赤道与黄道的交点——春分点和秋分点，在黄道上相应地移动。移动的方向是自东向西的，即与地球公转方向相反，每年移动的角度为50″.29。因此，年的长度，以春分点为参考点周期单位要比以恒定不动的恒星为参考点的周期单位略短，这就是产生岁差的原因。
由于地轴的进动，造成地球的南北两极的空间指向发生改变，使天极以25800年为周期绕黄极运动。所以，天北极和天南极在天球上的位置也是在缓慢地移动着。如图3－24，北极星在公元前3000年曾是天龙座α星，目前的北极星在小熊座α星附近，到了公元7000年，移到仙王座α星附近，到公元14000年，织女星将成为北极星。
由于地轴进动造成天极和春分点在天球上的移动，以其为依据而建立起来的天球坐标系也必然相应地变化。对赤道坐标系来说，恒星的赤经和赤纬要发生变化，对黄道坐标系来说，恒星的黄经要发生改变。但是，地轴的进动不改变黄赤交角，即地轴在进动时，地轴与地球轨道面的夹角始终是66°34′。
在这里还要说明一下，由于地轴进动而造成的天极、春分点的移动角度相对来讲是很微小的，在较长的时间里不会有很大的移动。所以，我们仍然可以说天极和春分点在天球上的位置不变，恒星的赤经、赤纬和黄经也可以粗略地认为是不变的，以此为依据而建立的星表、星图仍是可以长期使用的。
5.地球公转速度
地球公转是一种周期性的圆周运动，因此，地球公转速度包含着角速度和线速度两个方面。如果我们采用恒星年作地球公转周期的话，那么地球公转的平均角速度就是每年360°，也就是经过365.2564日地球公转360°，即每日约0°.986，亦即每日约59′8″。地球轨道总长度是940000000千米，因此，地球公转的平均线速度就是每年9.4亿千米，也就是经过365.2564日地球公转了9.4亿千米，即每秒钟29.7千米，约每秒30千米。
依据开普勒行星运动第二定律可知，地球公转速度与日地距离有关。地球公转的角速度和线速度都不是固定的值，随着日地距离的变化而改变。地球在过近日点时，公转的速度快，角速度和线速度都超过它们的平均值，角速度为1°1′11″/日，线速度为30.3千米/秒；地球在过远日点时，公转的速度慢，角速度和线速度都低于它们的平均值，角速度为57′11″/日，线速度为29.3千米/秒。地球于每年1月初经过近日点，7月初经过远日点，因此，从1月初到当年7月初，地球与太阳的距离逐渐加大，地球公转速度逐渐减慢；从7月初到来年1月初，地球与太阳的距离逐渐缩小，地球公转速度逐渐加快。
我们知道，春分点和秋分点对黄道是等分的，如果地球公转速度是均匀的，则视太阳由春分点运行到秋分点所需要的时间，应该与视太阳由秋分点运行到春分点所需要的时间是等长的，各为全年的一半。但是，地球公转速度是不均匀的，则走过相等距离的时间必然是不等长的。视太阳由春分点经过夏至点到秋分点，地球公转速度较慢，需要186天多，长于全年的一半，此时是北半球的夏半年和南半球的冬半年；视太阳由秋分点经过冬至点到春分点，地球公转速度较快，需要179天，短于全年的一半，此时是北半球的冬半年和南半球的夏半年。由此可见，地球公转速度的变化，是造成地球上四季不等长的根本原因。
地球的公转较之自转现象具有更加抽象的特征。自从哥白尼日心体系建立起以后，人们就试图从各种角度来证明地球的公转。例如，人们找到了地球公转的物理证据，天文观测证据，它们是地球与行星共同绕日公转的必然结果，因而也是地球公转的有力证据。
1.地心体系和日心体系
人类对于地球公转的正确认识是与太阳系的发现密切相关的。太阳系的发现是人类正确认识宇宙过程中的一次飞跃，使我们对于周围附近的宇宙空间的结构和运动有了正确的了解，对于地球上一些天文现象有了正确的理解，更重要的是人们认识到地球的绕日公转。
日月星辰东升西落，周而复始地运行着。古人看到这种现象，便认为地球是宇宙的中心，太阳、月球和所有其它的星体都绕地球转动。我国古代的盖天说和浑天说都是建立在地球中心说的基础之上的。盖天说认为地是静止不动的，天是罩在地上的盖子，地为圆拱形，天地可以相接；浑天说认为天是圆的，像个鸡蛋壳，地是圆球形的，好像蛋黄，天大地小，日月星辰附在天壳上，随天周日旋转。据此东汉的张衡制做了一个“浑天仪”，在一个圆球上刻上星体，使其绕轴转动，可以演示天体的升降，预告天体的出没。张衡曾在《浑天仪注》中说：浑圆的天地像个鸡蛋。天大而地小，天之包地，犹如蛋壳包裹着蛋黄。天壳里有水，地浮在上面。天就像车轮围绕着车轴一样，周而复始，不停地旋转。
古希腊学者亚里士多德是地球中心说的积极倡导者，他认为的运行天体是物质的实体，地是球形的，是宇宙的中心。
古代也有过地球运动的看法。成书于西汉末年的《春秋纬·无命苞》有：天左旋，地右动的相对运动观点。并且在《春秋纬·运斗枢》中进一步指出：地动则见于天象。在《尚书纬·考灵曜》一书中，有：地体虽静，而终日旋转，如人坐舟中，舟自行动，人不能知。这是明确的地球日转的概念。又说：一年之中，地有四游，冬至地上北而西三万里，夏至地上南而东复三万里，春秋二分其中矣。这是比较模糊的地球公转的概念。
公元前3世纪，古希腊哲学家阿利斯塔克不同意亚里士多德的地球是宇宙中心的观点。他认为地球每日绕自己的轴自转一周，每年沿圆周轨道绕日一周，太阳和恒星是不动的，行星和地球一样以太阳为中心，沿圆周轨道运动。他在《论日月大小和距离》一文中，应用几何学的方法，首次测量和计算了太阳、月球和地球的直径比例和相对距离。他已认识到太阳比地球大得多。他的太阳中心说走在了时代的前面。遗憾的是这些论断未被重视。在古代，中外均盛行地心说。
公元2世纪古希腊天文学家托勒密总结了前人关于行星运动的观测结果和前人关于行星运动规律的看法，提出一个完整的地心宇宙体系，简称地心体系。
托勒密地心说认为：大地是球形的，地球是宇宙的中心；太阳和月球和圆形轨道上绕地球转动，月球轨道最靠近地球，其次是水星、金星轨道，太阳轨道是第四层，火星、木星和土星轨道依次是第五、六、七层，所有的恒星都在第八层轨道上；行星在所谓“本论”上旋转，本轮的中心又在所谓“均轮”上绕地球旋转；旋转的轨道都是正圆，轨道大小各不相同，运转速度也不一样。至此，一个旋转的多层天球体系便建立了起来，它是人类正确认识太阳系的先声，是日心说的基础（如图3－25）。
由于托勒密地心体系不仅能够说明行星的运动为什么有进有退，有快有慢，而且能够用来推算行星的位置，符合当时航海的需要，特别是后来被宗教所利用。所以，它长期以来被封建宗教统治者所支持和宣传。一直到中世纪，它是最有影响的宇宙学说。
1543年，波兰天文学家哥白尼发表了一部光辉著作——《天体运行论》，在这部具有历史意义的著作里，哥白尼提出了一个新的宇宙体系——太阳中心说，简称为日心体系。
哥白尼日心说认为：地球不是宇宙的中心，太阳才是宇宙的中心；所有的行星都是沿圆形轨道绕着太阳旋转，而不是绕地球旋转；地球只是一颗普通的行星，和其它行星一样一起绕太阳公转；日月星辰的东升西落是地球自转的反映，地球每天自转一周，天穹实际上是不动的；月球是地球的卫星，每月绕地球一周，同时也跟着地球绕太阳公转；恒星离地球比太阳远得多（如图3－26）。
虽然，哥白尼日心体系也有不少不足，如他认为太阳是宇宙的中心，行星运动的轨道都是完美的正圆等。但是，哥白尼日心体系一开始就显出了它的优越性。它的威力不仅在于它的充分有力的证据、体系的协调性和完美性，而且在于，按照这个体系计算出来的行星位置，比繁琐的地心体系的本轮方法算出来的要精确得多。（到了中世纪，用托勒密地心体系来计算行星的位置，需要在本轮上再加八十多重小本轮，才能与实际观测到的行星位置勉强符合。这种计算是相当繁琐的）。同时，还可以说明四季的成因等过去不能理解的许多天文现象。
哥白尼日心体系是人类认识史上一次伟大的革命，之后，意大利物理学家、天文学家伽利略首次利用望远镜观测到了木星的卫星，为日心体系提供了新的论据。德国天文学家开普勒用丹麦天文学家第谷和他自己的观测结果，进行了大量的分析和计算总结出行星运动的三条重要定律，更准确地描述了日心体系。17世纪末，牛顿总结出万有引力定律，回答了行星为什么要这样运动的问题，为天体力学奠定了坚实的基础。1848年根据理论推算，发现了海王星，天体力学的这一成就，成了日心说取得胜利的重要标志。
哥白尼之后，天文学大踏步地发展，才有今天人们对于太阳系以及对宇宙的正确认识，人们才真正地认识了地球的公转，也找到了许多证据证明这种运动。
2.四季星空变化和黄道十二宫
天体的周日视运动是地球自转的最直观的证明。同理，太阳和其它恒星以一年为周期，在天球上的位置变化，是地球公转运动的证明。而太阳和其他恒星在天球上的位置周年变化的直观表现，就是四季星空的变化。因此，四季星空的形象变化就是地球公转的直观证据。
地球每年自西向东绕太阳公转一周，在理论上讲，作为地球上的观测者，应该可以感受到太阳的每日自西向东的移动情况，如果不是因为地球大气散射太阳光的话，我们连续观测几天，将能看到太阳在恒星背景上每天都有自西向东的移动，即太阳在恒星之间的向东移动。这种移动的速度是与地球绕日公转的速度相同的，并且与地球公转速度的改变相一致。可惜耀眼的太阳光芒掩盖了群星，我们白天无法直接看到天空中的众多星座，很难直接观测到太阳在天球上的移动，感觉不到太阳的周年视运动现象。自然界给人们的直接感觉是太阳及其它天体绕地球旋转，当人们明确地认识到了地球在自转之后，很容易理解天体的周日视运动，而对于太阳在天球上缓慢的周年运动感受得却不深刻。
长期的天文观测实践过程，人们找到了一种间接的观测方法，来说明地球的公转。那就是，每天日落以后的某一时刻，观测西方天空的星座，发现原来能看见的星座不见了，而原来在东方的星座在渐渐地西移。长期观测可以看到，一年中的四季，每个夜晚的星空形象总是不相同的。实际上，日落以后所见到的西方天空的星座，在太阳的东方，每天日落以后星座的西移，表明太阳在星座之间每日向东移动，它的光芒掩盖了原来我们能看见的星座。所以，四季星空的变化是太阳周年视运动的结果，太阳周年视运动则是地球公转的反映，表明地球在绕太阳自西向东地旋转。
四季星空形象的变化是连续的和周期性的，每个晚上所见的星座向西移动的量与地球公转运动量是相同的，即每日59′8″。每个晚上一定时刻所见的星空形象，一年过后，在相同的日子里又重复出现。这表明，太阳在星座之间每年运行了一周，也就是说地球绕太阳公转了一圈。
我国古代劳动人民早已注意到太阳的周年视运动，他们发现每个晚上一定时刻所见的星座，大约每隔一个月改变一次，即太阳每隔一个月，在天球上穿过一个令人注目的星座，一年刚好穿过12个星座。这12个星座分布在黄道南北两侧各8°宽的带内。于是，人们从春分点开始，将黄道带分为十二等份，每一份所占的范围叫做一宫，共计有十二宫，称为黄道十二宫。每宫的名称是根据其所在星座的名称而命名的，以不同的符号表示，如图3－27。
由于地轴的进动，春分点每年都有西移现象。现代，十二宫已同相应的星座分离，但是，其名称仍不变。公元初年，春分点曾在白羊座内，当时的白羊宫与白羊座位置是相同的。目前，春分点已经移到了双鱼座，但是它的标记仍沿用白羊宫的符号，也就是说，现在的白羊宫不在白羊座，而在双鱼座。同理，其它各宫也都与名称相同的星座不同程度地错开了。
表3－1 黄道十二宫
黄道十二宫的等分点，分别称为某宫第一点。例如，白羊宫和双鱼宫的分界点，叫做白羊宫第一点，其黄经是0°，它就是春分点。巨蟹宫与双子宫的分界点，叫做巨蟹宫第一点，其黄经是90°，它就是夏至点。天秤宫与室女宫的分界点，叫做天秤宫第一点，其黄经是180°，它就是秋分点。摩羯宫与人马宫的分界点，叫做摩羯宫第一点，其黄经是270°，它就是冬至点。各宫第一点用不同的符号表示，两相邻的宫的第一点之间相距30°，各宫第一点的黄经是不同的。
兹将黄道十二宫的宫名、所在的星座和各宫第一点表示符号，及各宫第一点黄经，列如表3－1。
由图3－27可见，地球公转处于A、B、C、D，在天球上，相应的太阳视位置分别在a、b、c、d，即由于地球公转，视太阳在恒星之间的位置是不断变化的，但是在白昼我们看不到太阳在恒星之间的位置变化，在夜晚却可以看见与太阳相反方向星空的变化。例如，在春分日，地球在A，可以看到c附近的星空，半夜里所看到的正南方星座是室女座，天秤宫位于此星座。在夏至日，地球在B，可以看到d附近的星空，半夜里所看到的正南方星座是人马座，摩羯宫位于此星座。在秋分日，地球在C，可以看到a附近星空，半夜里所看到的正南方星座是双鱼座，白羊宫位于此星座。在冬至日，地球在D，可以看到b附近的星空，半夜里所看到的正南方星座是双子座，巨蟹宫在此星座。每年都是这样循环返复。这就是由于地球公转所造成的星空随季节交替的过程。
由上述分析可见，四季星空的变化是太阳周年视运动造成的，而太阳周年视运动则是地球绕日公转的反映。因此，和天体的周日视运动是地球自转的直观证据一样，四季星空的变化是地球公转的直观证据。
3.恒星的周年视差位移
我们知道，在不同的地点观测同一目标，这个目标就会有不同的方向，即在它的背景上有不同的位置；反之，如果我们连续观测同一个恒定的目标，发现它在背景上发生了移动，则我们可以认为观测者的位置是变化的，或者说观测者随着某个物体在运动。这就是说，恒定目标在背景上的移动，真实地反映了观测者位置变化情况。这种现象叫做视差位移。
人类在地球上观察恒星，而地球在轨道上的位置又因季节而不同。因此，恒星在天球的背景上，也应有视差位移。地球的公转以一年为周期，所以恒星视差位移也以一年为周期，这称为恒星的周年视差位移（如图3－28）。
设想在地球上观测黄极附近的恒星，在一年内，地球沿着轨道1、2、3、4走一周，对地球上的观测者来说，恒星在一年的时间内，在天球上画出圆1、2、3、4，这就是恒星的周年视差位移。对于不同的恒星，圆的半径也不同，恒星愈远，半径愈小。不在黄极上的恒星，在一年内画出一个椭圆，叫做恒星周年视差椭圆。而在黄道上的恒星，恒星的周年视差椭圆变成了直线。事实上，位于黄极的恒星的圆和位于黄道上的恒星的直线，分别是恒星的周年视差椭圆的特例。
某一特定恒星的周年视差位移量的大小，是有季节变化的，当日地连线同地球与恒星连线相垂直时，位移量最大，这个最大值叫做恒星的周年视差，即当日、地、星三者构成以地心为直角三角形的顶点时，日地连线对于有关恒星所张开的角度。换句话说，恒星的周年视差就是，当日、地、星构成一个直角三角形时，地球轨道半径对于某恒星所张开的角度（如图3－29）。
自哥白尼日心说提出之后,人们就开始寻找上面的现象，欲从对于恒星周年视差的观测，为日心体系的确立提供观测依据。但是，多数恒星都太遥远了，在观测技术落后的时代，很难观测到这个角度。直到19世纪，观测技术发展成熟了，1838年德国天文学家白塞尔首次成功地测得了恒星周年视差。但是至今多数恒星的周年视差也无法测到，只有少数较近的恒星可以测得出来。这个角度非常小，例如，离太阳最近的恒星——比邻星，它的周年视差只有0″.76，织女星周年视差只有0″.12，天狼星为0″.37。
恒星的周年视差的测定为日心体系提供了观测依据，从而证实了地球的公转现象。同时，在已知日地距离的基础上，利用恒星的周年视差可以计算出恒星的距离。如前所述，这也是得到恒星距离的一种方法。
4.恒星的光行差
地球在轨道上的运动，使得地球和周围天体发生相对运动。地球自西向东公转，公转速率约为每秒30千米，这使来自于恒星的星光具有相对的运动，运动的速率和地球公转速率相同，即约每秒30千米，而方向却相反，即平行于黄道面的自东向西的运动。这样，在地球上看起来，来自这颗恒星的光线，既以每秒30千米的速率做平行于黄道面的运动，又以每秒30万千米的速率投向地球。所以，我们看到的恒星的视方向，是两种运动方向的合成。视方向同真方向之间，存在着一个差角，叫做恒星的光行差位移（如图3－30）。
它使得恒星在天球上的视位置（方向）总是偏离于恒星的真实位置（方向）。偏离的方向，就是地球公转的方向，这个方向又因为地球公转方向的变化而有季节变化。
恒星因为光行差位移，每年在天球上画出一个椭圆，叫做光行差椭圆。光行差椭圆的形状，因恒星的黄纬不同而不同。愈近于黄极（黄纬的绝对值增大方向），愈接近于圆形，相反则愈接近于一条直线（如图3－31）。
恒星光行差椭圆的半长轴，叫做恒星的光行差常数。其值大小决定于地球公转速度和光速的相对大小，而与恒星的距离无关。如地球公转速度为V，光速为c，则光行差常数的正切值为：V/c。据此计算，恒星的光行差常数为20″.496。因此，位于黄极的恒星，光行差轨迹是以20”.496为半径的圆，位于黄道的恒星，光行差轨迹是一条长为20″.496×2的直线，位于其它天空中的恒星，其光行差轨迹则是以20″.496为半长轴的椭圆。
5.行星的会合运动和逆行
地球上的观测者观测行星，行星存在着两种运动，一种是相对于太阳的运动，即行星与太阳在天球上的角距离的周期性变化；另一种是行星相对于恒星的运动，即行星在星座之间的穿行。我们把前一种运动，即行星相对于太阳的周期性运动，称为行星的会合运动。
从地球上来看，行星与太阳的方向夹角在天球上的投影，叫做行星距角。当行星与太阳在同一方向时，距角为0°，称为合；当行星与太阳在相反方向时，距角为180°，称为冲；当行星与太阳方向相垂直时，距角为90°，称为方照（如图3－32）。
地内行星轨道在地球轨道以内，不会出现冲和方照现象。它们在天球上位于太阳以东时，就是昏星（例如，金星此时称为长庚星）。在北半球中纬地区，日落以后在西南天空可见。当它们距角最大时，称为东大距。例如，水星东大距的距角为28°；金星东大距的距角为48°。当地内行星处于东大距时，日落以后在西南天空可见的时间最长。当然由于水星和金星在大距时的距角不同，因此可见时间的长短也不一样。地内行星在天球上位于太阳以西时， 就是晨星，（例如金星此时称为启明星）。在北半球中纬地区，日出以前在东南天空可见。当它们的距角最大时，称为西大距。水星和金星的西大距的距角亦分别为28°和48°。当地内行星处于西大距时，日出以前在东南天空可见的时间最长。
地内行星在一次会合运动中，有两次合，而没有冲。当太阳在地球和地内行星之间时，叫做上合；当太阳位于地球和地内行星之外时，叫做下合。地内行星在上合时，与地球的距离最远，在下合时，与地球距离最近。
地外行星轨道在地球轨道以外，距角可以从0°变化到180°。当地外行星处于合的位置时，它距离地球最远；处于冲的位置时，与地球距离最近，此时整夜可见；方照是根据太阳的照射方向而定义的，西方照时的地外行星，是中午东升，当日半夜西没；反之，东方照时的地外行星，则是子夜时东升，次日中午西没。
行星的会合运动，正是众行星绕太阳公转的结果。因此也是地球绕日公转的证据。
行星在地心天球上，相对于恒星的运动，即在星座之间的穿行，一般是向东的，即与行星本身的绕日公转方向相同，称为顺行；反之，有时行星运动的方向相反，即是向西的，与行星本身的绕日公转方向相反，称为逆行；行星从顺行转而为逆行，或从逆行转而为顺行的瞬间，称为留。发生留的时候，行星在天球上相对于恒星是静止的。行星在天球上的运动表现为：顺行—留—逆行—留—顺行的依次出现和反复出现，其中，顺行时间总是长于逆行时间，留的时间则很短暂。
行星的逆行现象是地球和众行星共同绕日公转的必然结果，是由各行星的公转速度不同而造成的。
根据开普勒行星运动定律，行星运动速度与轨道半径有关，轨道半径愈小，公转速度愈大。所以，地内行星的公转角速度和线速度，都比地球的大，地外行星则相反，公转角速度和线速度都比地球的小。
如图3－33，假如当地球从E1行至E2，地外行星从P1行至P2，则
P2′，相对于星空是顺时针的，即自东向西的，表现为逆行。由图可见，此时地外行星是处于冲附近的，即与地球位于太阳的同侧的。当地球与地外行星位于太阳的两侧时，即地外行星处于合附近时，例如，地球从E1行至E2，
空视位置则由K1′变为K2′，相对于星空是逆时针的，即自西向东的，表现为顺行。
如图3－34，地内行星与地球分别位于太阳的两侧，地球从E1行至E2，
位置是由P1′变为P2′，即为顺行。图3－35表示地内行星与地球位于太阳的同侧时，地内行星表现为逆行。
因此，地外行星逆行发生于冲附近，地内行星的逆行发生于下合附近。
不论是地内行星还是地外行星，顺行和逆行的转折时，总要经过留的过程，此时行星好像停留在天球上的某个位置不动。
由上可见，行星的逆行是地球和行星环绕太阳公转，在天球上的一种反映。因而成了地球公转的一种有力证据。
以上从不同的侧面证明了地球的公转，对于我们正确认识地球的运动具有重要的意义。
观测与实习〔五〕观察四季星空和大行星的视运动
一、目的 1.掌握四季星空的主要星座，理解四季星空的变化与地球公转的关系。2.学会通过长期观察，正确区分行星与恒星的方法，正确理解行星的逆行、留和顺行的现象。
3.学会正确记录行星在恒星之间运行的方法。
二、准备工作
1.选定时间：四季星空的观察一般应长期进行，至少每个月要观察一两次。每次观察的时刻应是相同的，例如，选在每月的1、2日的21时左右进行。大行星的视运动要选在大行星最易观察的时期内进行，如地外行星在冲日，地内行星在大距时。这种观察应坚持经常，每次观察的时刻也应相同，如每天21时。
2.仪器备品：活动星图、手电筒、记录簿、当年的《中国天文年历》等。
三、方法步骤
1.观察四季星空
首先要在室内认识和熟悉每个季节的主要星空，可以对照活动星图、天球仪或天象仪等进行。在观察时间内，记录下该次实地观察所见的主要星座，画出主要亮星的相对位置，并能正确区别每次观察所见的主要星座。
2.观察大行星的视运动
首先对照当年的《中国天文年历》，找出大行星易观察的时期，并初步了解，其所在的星座和它未来的视运动情况。实地观察可与观察四季星空同时进行。要区别出行星与恒星，行星总是在黄道附近运行，一般比恒星亮，星光闪烁小，亮度较稳定。观测时要有一张黄道带星图，在星空中找到要观测的行星，估测它与周围恒星的角距离，在星图上标出该行星所在位置，并记下观测日期及时刻。
四、总结
1.整理观察记录。
2.分析四季星空的变化规律，绘出各季节所见到的主要星座，说明四季星空的变化原因。
3.绘出大行星在恒星之间的视运动路径，分析其顺行、留和逆行的变化规律，说明大行星运动的规律。
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