星空的运行方式

只要你想，每个人都可以抬头仰望星空。

天空是我们共同的财富，白天可以欣赏丰富多彩的云，而晚上，可以看到无尽的繁星和深邃的宇宙。显然，天空不是一成不变的，太阳会东升西落，而夜晚的星空…自然也会东升西落，这是地球自转的结果。但星空的运动并不这么简单，日月星辰还会随着季节变化，好吧，这是地球公转的结果。但具体上，星空到底如何运作，镶嵌在天空上的星座又是如何排列的，就在这篇文章中做一个完整的解答吧。

这个主题的探讨意外的少见，当然天文学的入门书都会讲解地球轨道和坐标系的问题，很客观但主观上缺乏代入感。这个问题可以换成，活动星图怎么用，星图app怎么用，最终是，不借助工具如何在脑中建立起星空运行的模型。或许这个问题过于简单所以相关书籍懒得讲？但是对普通人来说，是否掌握相应的规律的主观感受是截然不同的。我百度了一下，也没看到对这个问题的理想解答，所以这里就从零开始，让每个人都能搞懂星空的运行规律。

首先介绍一下用来讲解的软件，毕竟这个时代人手一个手机非常方便。由于我不算天文爱好者，对这个问题也多年未关注，可能信息有点过时。最常用的星图软件应该是Stellarium，有电脑版和手机版，支持多种语言，并且是免费的，推荐使用。电脑上有个叫starrynight的星图软件，据说是最强大的星图软件，可以在宇宙中漫游，自带资料库，不过类似的软件如space engine可能可玩性更高一些。不过星图软件现在还是手机上使用更为方便，手机上类似app很多，有许多画面质量很好的，各有各的特点，还有支持VR的可以更立体的观看星空，可以去找一找。而我常用的软件是手机版的skysafari，优点是可调性比较好，缺点是没有中文，如果想记英文名词可以试试这个。当然文中用到的图我会注上中文的，这样还能突出重点。

进入正题。要观测星空，首先要有东南西北的概念，最主要是要有“南”的概念，如果要设想观测星空的姿势，就是躺在一个长椅上面向南方吧。这是北半球通用的方法，南半球相反。因为北半球有一个重要的参照物北极星，可以认为整个星空在围绕北极星逆时针旋转，当然事实上是地球在反向自转。北极星是地球自转轴指向的方向，或者说在北极的正上方，而北半球都可以在北方看到北极星，只是纬度越低北极星的高度越低，在赤道附近北极星可以说在地平线了。星空整体可以看做是镶嵌在一个旋转的球体上，有北极星作为北极，地球的地轴作为旋转轴，自然也有相应的赤道，叫做天赤道，相当于地球赤道在天球上的投影。假如人在北极，北极星就在头顶，天赤道在地平线一圈；假如人在赤道，北极星在北方地平线，天赤道在头顶贯穿东西。而北半球的任意地点，北极星都在天顶和北方地平线之间，具体高度同纬度有关。例如北京处于约北纬40º，北极星高度就是40º。在连接南北的子午线上，天顶处于90º头顶，北极星从北方地平线仰视40º，而天赤道与子午线的交叉点是40＋90＝130º，或者说是南方地平线仰视180—130＝50º。其中的关系如图所示，画下图也很容易推导出来。

天球同地球表面类似，也可以用经纬度确定位置，相应的叫做赤经(R.A.)和赤纬(Dec.)，之所以用赤是因为这是赤道坐标系下的定义。赤纬的定义同地球纬度对应，而赤经，因为地球自转，经度需要找一个固定参考点才能定义，天球上的参考点是春分点，由西向东划分，用小时标注，一圈24h，具体在后边的图标注。北极星的赤纬是+90º，而天赤道的赤纬是0º。由于北极星在北方有一定高度，所以天球旋转起来北极星附近的星座是随时都可以看到的。还是北京的例子，北京天顶的赤纬是+40º，所以移动90°最南可以看到天球南半球赤纬-50º的星星，而北面移动90°越过北极星，北极星附近赤纬+50º～+90º内的所有星星是一直可见的，可以以北极星为圆心，与北方地平线之间画出一个圆形区域。

关于地球自转的总结，地球从西向东自转，从北极上方看地球是逆时针自转。相应的，可以看到太阳东升西落，同时夜晚的星星也东升西落。天球看起来是从东向西旋转，北方可以看到绕北极星逆时针旋转。自转在软件中的演示可以以分或秒为单位播放。

但是，影响星空位置的不仅仅是地球自转，还有地球公转。这时我们要确认的是我们在什么时间观测星空。常见的时间比如晚上22点到0点，不过下面的说明以0时为准。首先，为什么我们能看到星星？因为没有太阳，或者说太阳在地球的另一面。在夜晚我们可以根据时间推算出太阳在地平线下的位置，而0时的位置太阳在正下方。换一种说法，0时看到的天空是从太阳到地球公转位置连线指向的星空。虽然行星轨道是椭圆，但是近似看的话已经是相当圆的圆了。每天晚上0时看到的星空取决于地球在轨道上的位置，相应的，每天0时看到的天空都是不同的，每过一天，天球会自东向西旋转一点，旋转一圈的周期是一年。星空中可以看到地球的公转轨道平面，即黄道，一般形容是太阳的运动轨迹，因为太阳相当于在轨道平面的圆心处。假如参考系不是地球，星空背景可以看作是不动的，太阳在星空中的位置就取决于地球在轨道上看太阳的角度。假如以正午12点为参考，可以看到每天太阳相对于星空背景向左运动，或者说沿着黄道自西向东运动。

地球的赤道平面和公转轨道平面不重合，或者说地球相对与轨道面是倾斜着自转的。虽然地轴倾斜，但在轨道上运动时，北极指向的位置始终指向北极星，这源自于角动量守恒，或者说地球就是个陀螺。我们可以在星空中看到地球赤道面投影，以及公转轨道平面投影，即天赤道和黄道，并且能直接看到黄赤夹角。我们知道这个夹角的存在导致了四季的变化。反应到星空上，首先影响的就是每天太阳高度的变化。夏至时最高，冬至时最低，我们可以沿着黄道的轨迹，看到太阳运行到天赤道以北是夏天，运行到天赤道以南是冬天，由下转上就是春分点。二十四节气对应于地球公转轨道上的各个位置，或者说地球公转轨道也是一个钟，刻度就是二十四节气，同时二十四节气也对应于黄道上太阳的位置。二十四节气是一种比较易懂的说法，实际标刻度的话一般是用一年的月份，或者也可以用西方式的黄道十二宫。由于地轴指向固定，所以星空并不会随季节改变高度，只会因为背对太阳的位置不同，在每天晚上0时面对的方向不同。但我们可以根据每天晚上黄道的位置推测太阳的位置，因为黄道在天球上也是固定不变的，所以可以在黄道上标上刻度，一般是以春分点为原点，即太阳从黄道自下而上越过天赤道的点，自西向东标注刻度。不过晚上我们只能看到与太阳位置相反的黄道，例如，太阳在春分点时，我们晚上0点看到的是相反的秋分点，而夏天太阳在天赤道上方，我们晚上0时看到的黄道在天赤道下方。当然，在软件上我们可以白天直接看太阳在星空中的位置。

由于地球自转，一天事实上可以环视天球一周的，但是由于太阳的影响，只能在夜晚看星星，所以每天晚上0时看到的星座相当于太阳在黄道运行位置相反的黄道位置的星座。而0时前后的星空，可以根据地球自转来推测天球东升西落的位置。另外，赤经的标度虽然以春分点为原点，但是是沿天赤道标注的，黄道上标注的是地球公转位置或一年中的日期。

关于地球公转的总结，从北极上方看地球，地球沿公转轨道逆时针旋转，相应的，太阳在黄道上自西向东运动。就天球来说，每天天球都自东向西运动一点，一年转一整圈，可以以太阳为参照物想象地球的公转，地球的方向就是晚上看到的天球的方向。可以在屏幕前伸出手指模拟太阳，头向右移动一点，可以看到屏幕的背景相对手指也向右移动。公转在软件中的演示可以以天为单位播放，参考时间中午12点或晚上0点。

关于地球运动的问题说的差不多了，下面来看一下具体的星座。简单起见先看一下北极星附近始终能看到的星座，其他大多数星座都要在南方寻找。如图所见，小熊座(Ursa Minor)，大熊座(Ursa Major)，仙王座(Cepheus)，仙后座(Cassiopeia)，天龙座(Draco)。不起眼的星座可以稍后再查，先记主要内容更容易些。北极星是小熊座α星，而北斗七星属于大熊座，七颗星星都有相应的名字。仙后座的W形在北斗七星相对的位置，结合北极星可以作为识别星空的标识。北斗七星在北极星上方的话是春天，仙后座W形在北极星上方的话是秋天，其他类推。

实际对星空的观感的话，因为视野较大，所以实际看起来也大，并且地平线附近大多有障碍物阻碍，地平线附近大气状况影响较多，所以最适合观看的还是天顶附近的星空。相当于从北天极的范围再向外扩展了一圈。南方地平线附近还能看到天赤道以南的星座，不过夏季限定。同北天极附近不同，这些星座都只是赤纬一圈的一部分。或者说这些就是背对太阳看到的星空。根据地球在轨道的位置，看到的天球区域也不同，一般用四个季节来描述当时能看到的星座，即四季星座。从天球上来看，从西向东依次是春季星座，夏季星座，秋季星座，冬季星座，正好是地球的一年。下面的图中，可以看到外围的刻度，一个是一年的日期，可以看到四季的区分，一个是赤经，可以看到一圈24h。不过作为0h原点的春分点在上方秋季的位置，因为太阳在秋分点，我们才能在夜空看到春分点，这个日期标注是我们看到相应星空的日期。

春季星座

春季星空的主要星座有牧夫座(Bootes)，室女座(Virgo)，狮子座(Leo)。牧夫座一般说像个风筝，国内某著名天文论坛也叫牧夫座，牧夫座最亮的星叫大角(Arcturus)。狮子座大家都很熟悉，而且在北斗七星的下方或南方，形状也很容易分辨，当然光污染下可能只能看到两端的亮星，其中最亮的是前足的轩辕十四(Regulus)。室女座，很多时候也会被称为处女座，其中最亮的蓝色恒星角宿一(Spica)还是很有名的。后发座(Coma Berenices)，这个区域能观测到大量河外星系。春季由于北斗七星转到北极星上方，或者说接近天顶，所以在北方很容易看到。黄道上太阳由右向左，或由西向东运动，可以看到黄道星座依次是狮子座，室女座，天秤座(Libra)。黄道向下穿越天赤道，所以这是秋分点，此时太阳正运行在地球背后的春分点附近。半人马座(Centaurus)在天赤道以南，是南天比较有名的星座。

这是0时的春季星座，傍晚可以看到部分冬季星座，凌晨可以看到部分夏季星座，天球由东向西转动。

夏季星座

夏季星空的主要星座是天琴座(Lyra)，天鹰座(Aquila)，天鹅座(Cygnus)。其中的最亮星织女星(Vega)，牛郎星(Altair)，天津四(Deneb)组成夏季大三角，这是夏季星空最重要的标志。你所不知道的物语。由于夏季星空面向银河中心，所以非常璀璨，而牛郎星和织女星正好在银河的两侧。武仙座(Hercules)和蛇夫座(Ophiuchus)虽然占的地方很大，但相对来说很暗淡，在光污染的城市很难分辨出来。蛇夫座手里抓着那条叫巨蛇座(Serpens)。接下来看黄道星座，黄道由右向左依次是天蝎座(Scorpius)，人马座(Sagittarius)，摩羯座(Capricornus)。天蝎座还是比较知名的，特别是其中最亮的红巨星心宿二(Antares)，红色容易和火星弄混。人马座的形状像一个茶壶。这里黄道处于天赤道以下，说明背后的太阳在北天球，即夏天。

这是0时的夏季星座，傍晚可以看到部分春季星座，凌晨可以看到部分秋季星座，天球由东向西转动。

秋季星座

秋季星空的主要星座有仙女座(Andromeda)和飞马座(Pegasus)。仙女座与仙王座，仙后座，英仙座(Perseus)是一家子在一起，隔着北极星与春天的北斗七星和狮子座相对，英仙座如果能看清的话还是非常漂亮的。仙女座中有著名的仙女座星系(M31)，是离银河系最近的巨大星系。仙女座和飞马座是连在一起的，飞马座的标志就是中间的四颗星，被称为秋季四边形，算是秋季星空的标志吧。飞马座四边形在天顶附近实际看起来还是相当大的。继续看黄道星座，从右到左依次是宝瓶座(Aquarius)，双鱼座(Pisces)，白羊座(Aries)。这三个星座都不太起眼。我们可以在图上看到黄道由下至上穿越天赤道，这个点就是春分点，一般用白羊座的符号♈标注。不过会发现春分点不在白羊座，而在双鱼座附近。这是因为由于岁差导致地轴的指向会周期性变化，使得春分点向西移动，直至绕天球一圈，周期约26000年，目前的十二宫体系是数千年前确立的，现在已经偏移很多了，有兴趣可以查找岁差的资料。至于太阳运行到背后的秋分点就不用多说了吧。鲸鱼座(Cetus)也比较容易看到，南鱼座(Piscis Austrinus)算南天星座了，最亮星是北落师门(Fomalhaut)。

这是0时的秋季星座，傍晚可以看到部分夏季星座，凌晨可以看到部分冬季星座，天球由东向西转动。

冬季星座

冬季星空也算是相当璀璨了，就是外面很冷。主要星座有猎户座(Orion)，金牛座(Taurus)，御夫座(Auriga)，双子座(Gemini)，小犬座(Canis Minor)，大犬座(Canis Major)。各个星座中的最亮星连在一起组成冬季大六边形，是冬季星空的标志。猎户座是其中最容易辨识的，因为腰间有三颗离得很近的亮星，加上上面两个亮星，下面两个亮星，组成一个8字形。猎户座在中国叫参宿。猎户座亮星太多了，有兴趣可以查一查。在猎户座腰的下方有一条星迹，被当成猎户的剑或刀，这里有著名的猎户座大星云(M42)，是天文摄影的常客。金牛座最亮星是毕宿五(Aldebaran)，在牛角的根部。图中金牛座右上有一团星星，这是著名的昴星团(Pleiades)(M45)，能看到六七颗亮星，一般也被称为七姊妹星团，肉眼也很容易看到的。在毕宿五附近有毕星团(Hyades)，也是著名的疏散星团。在金牛座下面的牛角那颗亮星和上面的黄道之间，有另一个著名天体，蟹状星云(M1)，是超新星爆发的遗迹，中心有颗脉冲星。这些星体把星图软件放大点就能看到了。上面是御夫座，最亮星是五车二(Capella)。左上是双子座，头部的两颗亮星下面较亮的是北河三(Pollux)，上面的是北河二(Castor)。左下是小犬座，最亮星南河三(Procyon)。下面是大犬座，最亮星是天狼星(Sirius)，全天最亮恒星。冬季星空也算一等星扎堆了，可以查下一等星列表。接下来我们看一下黄道星座，从右到左依次是金牛座，双子座，巨蟹座(Cancer)。巨蟹座很不起眼，但是其中有著名的鬼星团(Praesepe)(M44)，也是疏散星团。可以看到黄道在天赤道上方，这说明背后的太阳在天赤道下方即冬天。地平线附近可以看到船尾座，这是南天星座南船座的一部分。南船座由船尾座，船底座，船帆座，罗盘座组成。船底座有著名亮星老人星(Canopus)，不过赤纬-52°，结合前面的计算，在北京纬度恰好看不到。右下角的波江座(Eridanus)也是南天星座，曲折伸向南方，最南端的最亮星是水委一(Achernar)，北京看不到中国南方能够看到。

这是0时的冬季星座，傍晚可以看到部分秋季星座，凌晨可以看到部分春季星座，天球由东向西转动。

现在我们对四季星座有了基本认识，接下来就要连在一起来看，并且要弄清天球和星座到底是如何随着季节和日期运动的。首先要了解黄道十二宫，如图所示。其实就是一个刻度盘，时间对应地球的一年，把天球分成了12份。可以用角度0-360°表示，也可以用赤纬0-24h表示，也可以用一年的日期表示，也可以用二十四节气表示。不过要注意黄道十二宫和黄道星座不一样，黄道十二宫是按照春分点定义的，或者说由地球赤道和公转轨道夹角决定的，相对稳定而且是平均切分的，就是单纯把天球一圈分成十二份。而黄道星座最开始是与十二宫重合的，但由于春分点移动，渐渐就错开了，事实上星空的位置没有变，是地球地轴的指向变了。而且现代对星座的区域做了统一规定，所以每个星座都占据特定的区域，这个区域有大有小，并不是均分的，所以提到天体在某个宫和某个星座是不一样的。或者按维基的说法，前者是古典划分，后者是IAU（国际天文联合会）划分。

接下来就要考虑如何算出当天晚上的星座了。可能有人会问，有软件为什么还要自己算？其实也不用非自己算，只是可以借此理解星空的运行，而且有助于建立脑中思考的模型，会带来特殊的感官体验。要算的话首先要对星座的分布有个主要的把握，例如，从北极星开始，两侧一侧是北斗七星，一侧是仙后座W形，前者在上代表春季星空，后者在上代表秋季星空，这是以0时为准的。然后从北斗七星继续向南推进可以得到狮子座以及其他春季星座，而从仙后座向南推进可以得到修仙一家子，其中仙女座和飞马座是秋季星座的代表。然后我们就可以补出夏季星座和冬季星座的区域。接下来是相对精确的推算，就需要用到黄道十二宫了，例如，推测一下7月1日的星空，查上表，当然能记住更好，得到太阳在巨蟹宫，这样晚上看到的星空就正好在相反的位置，可以表上+6得到在摩羯宫，考虑春分点移动可以在脑中把星座向东移一个宫，然后确定相邻的黄道星座，和其他附近的著名星座，就可以得到当天晚上0时的天球位置了。而具体的时间，一天24h，4h的话是60°，这样晚上20时的星座就是向东移动60°，凌晨4时的星座就是向西移动60°，其他中间时刻可以推测出来，有普通纸质星图也可以直接参考。

下面的图是晚上8时标准的黄道附近星图。注意上面的观星日期，对应于晚上8时天顶子午线的位置，例如7月1日晚上8时可以看到子午线在天秤座和室女座之间，而0时就要再向左移60°，在冬至点附近。对比前面的0时软件截图其实相当精确。由于每天同一时刻星空移动的不多，所以日期看个大概，只要关注晚上的具体时刻就好。

注意图中间的水平线是天赤道，而弧线是黄道，黄道上面的日期指太阳的位置，可以在上面标出二十四节气点或黄道星座，对比最上的观星日期，可以看出大致是差了半年的，即相反的位置。而最下的刻度就是赤经了，要划分黄道十二宫是按照赤经2h一宫计的，例如0-2h是白羊宫，可以对比黄道上实际的白羊座的位置，大约差了一宫的。

另外在两图中我们可以看到部分南天星座，例如上图的南船座和波江座及南边的两颗一等星，下图的南鱼座和半人马座。可以在脑中继续向南扩展星座的认知。

最后，考虑到充分利用资源，我们再看一下南天星座，就是南半球一般看到的星座，可以对比北半球推理一下规律。其实南天有名的星座前面都提到过了，下图中也标出来了一部分。另外南十字座（Crux）大概是南天星座最重要的标志了，在中国南部沿海应该是能看到的。剩下的南天星座大多没什么知名度也不是很亮眼，可以自己查阅一下。另外，由于银河系的银心在南天，虽然被暗物质遮住了大部，但是还是非常璀璨的，除了银河，在南天可以看到大麦哲伦云和小麦哲伦云，图中未标出，这两个是离银河系非常近的两个伴生星系，虽然我没见过，考虑到所占面积应该是很显眼的吧，可以参考相关照片。

虽然国内习惯用中文名来记星座，不过还是非常推荐把英文名也记一下的，这样看相关的东西很容易带入。同样一等星列表可以百度查一下，所处位置星座，中文名英文名都是值得记一下的，全天只有21颗，看多了很容易就能记住的。

恒星说的差不多了，下面我们说一下行星。行星的数量很少，所以说起来也简单很多，行星的名字就不用科普了吧，后面会捎带着一下英文名。

行星的运动特点就是，太阳系的行星基本都在黄道面或地球轨道平面附近运行，这是因为太阳系形成时是一个旋转的圆盘，假如以北极星为上视角，那么看太阳系所有行星都在逆时针转动。结果就是，从天球上看，行星只会在黄道附近出现，只要知道行星在黄道的哪里出现就好了，是不是相当简单，而且可以直接用黄道星座的位置来指明行星的位置。行星的运动方式大致分两种，一种是地外行星，一种是地内行星，下面一个个的讨论。

地外行星的公转周期都相当长，比起来地球的一年根本不算什么。例如冥王星（Pluto）一圈248年，海王星（Neptune）一圈165年，天王星（Uranus）一圈84年。地球转一年回来了，天王星才走了360/84约4°，黄道一个宫就30°了，所以基本只要知道在哪个黄道星座内就没问题了。而土星（Saturn）一圈29年，木星（Jupiter）一圈12年，地球一年木星也就走了30°，正好一个宫，所以木星位置也就一年看一次。

如下图，可以看到行星分布在黄道附近。图中的方方正正的边界就是IAU边界，国际规定的星座区域范围。冥王星和土星都在人马座内，而木星在蛇夫座内，其实蛇夫座也算黄道星座啦，虽然只有一点点。木星的亮度是十分高的，算得上晚上最亮的几颗星了，城市里光污染基本就是孤零零一颗。土星的亮度一般，大约能达到一等星范畴，而冥王星用望远镜也很难看到的。由于这些行星在天球上移动很慢，过几天看也仍然是这个位置，不过这时黄道在天赤道以下，相对来说不如冬天接近天顶容易观察。

下图可以看到天王星在白羊座范围内，海王星在宝瓶座范围内，这个位置一年都不太会变吧，可以在软件中放大以天为单位快放能看到慢慢的向左移动。图中还可以看到春分点位置，不过要看这个区域的话还是等到秋天吧。天王星和海王星要用望远镜才能看到，天王星据说条件绝佳可以肉眼看到。另外下图中是早上6时，夏天太阳已经升起来了，要早点才能看到，在东方高度也相应的低了。

接下来就是类地行星了，事实上火星以内的行星距离非常近，跟外面的类木行星完全不是一个比率的。可以参照下图了解大致的运动范围。

火星（Mars）一圈的时间是687天或者说1.88年。地球一年火星能在天球上走半圈，跟前面相比算非常快的了，这种知道当前位置和移动速度，推出之后的大概位置也不是很困难，不过有软件直接查就是了。火星的特点是，因为离地球轨道很近，所以和地球的轨道位置有处于两端最远点，也有处于一侧最近点的情况，后一种情况直线距离最近最适合观察，虽然火星外的行星也差不多，不过地球的轨道半径太小了区别不大。此外由于地球运行速度快，在轨道上会渐渐追上火星，越过火星的时候从天球上看，火星会出现S形的运动轨迹，这也是以前作为日心说的证据之一，关键词是火星视运动。

行星运动还有一个特点，就是运动到太阳附近时是无法看到的，因为地球上只能背对着太阳观察星空，白天只能看到太阳，除非日全食的时候。例如下图中现在的行星位置，火星，水星，金星都非常接近太阳，这样就很难看到这些行星了。同地外行星可以绕到地球背面不同，金星和水星只在太阳附近运动，所以，金星和水星只有运行到相对于日地连线，自身轨道的两侧才有可能看到，并且要等太阳在地平线以下时。例如，太阳是东升西落的，假如金星在轨道右侧的转弯处，就是在日出前能看到，相应的假如在轨道左侧的转弯处，就要在日落后才能看到。水星也是类似，由于水星的轨道的半径更小，视角更窄，亮度更低，相对的更不容易看到。由于金星和水星主要在两侧被看到，所以能看到相的变化，类似于月相，就是侧面打光效果了。此外，虽然行星运行到太阳附近会看不到，但是如果水星金星恰好在太阳前面穿过，会在太阳上观测到移动的小黑点，这就是凌日了。想象地外行星时，考虑的是沿黄道由右向左运动，而考虑地内行星时，先要考虑太阳的位置，然后想象出一个轨道侧面的椭圆形，然后判断行星在两端的位置。

金星（Venus）公转一圈约225天，半圈大约要四个月之久，还要算上这期间地球运行的距离。粗略上看，假如凌晨能看到金星，随着绕行太阳，接近太阳后就看不到了，几个月后绕过太阳到达轨道另一端，就可以在傍晚看到金星了。所以古人认为早晚的金星是两颗星，这也算日心说的证据了。金星也是非常亮，大多时候算是全天最亮了，如果在早晚东西接近地平线处看到一颗亮星，那就是金星了。金星绕过轨道一端转弯时，离地球距离也会发生变化，影响亮度和看到的大小，另外太阳光照射的角度也会影响亮度，不过金星在天上高度比较高时一般都比较亮的。

水星（Mercury）公转一圈约88天，半圈也就一个多月，但看到水星是很困难的。因为水星公转轨道直径较小，所以能够远离太阳的角度也比较小，加上水星运行的很快，在水星高度足够的情况下适合观察的时间也就几天，日常能看到水星应该是很幸运了。水星也和金星类似，会在早晚太阳附近出现。如下图所示，这是早上日出时地平线附近的情况，可以看到水星轨道的一端的弧线，对比金星轨道的弧线，可以看出水星高度是相当低了，这时水星正在向上爬升，每天同一时刻都可以看到水星沿轨道运行了一点。金星也是类似，不过这时金星接近太阳是看不到的，要等到绕到另一端才能在傍晚看到。其他地外行星的轨道都是黄道附近的一条线，紫色斜线是冥王星。而水星和金星都是椭圆视角的轨道。

关于行星运行的总结。行星分布在黄道附近，地外行星运转较慢，在黄道附近由西向东缓慢运动，地内行星运转较快，只有运行到日地连线的两端才容易被看到，由于接近太阳或者说跟随太阳运动，所以只在日出前或日落后可见。从北极上方看，行星都是逆时针绕太阳转动的。至于其他太阳系天体，大概木星的卫星是比较容易用望远镜看到，还有土星环的角度会随轨道位置改变，可以查下相关资料。

最后我们谈一下月球的运动。月球是地球的卫星，绕地球一周约27天，但是由于地球公转会移动一定距离，所以从地球上看月球视觉上绕天球一圈约30天。这跟地球自转重新对准太阳是24小时多了几分钟是一样的。月球绕一圈约一个月，一年可以绕12圈左右。虽然月球绕的速度相当快了，还是赶不上地球自转，所以每过一天的晚上同一时刻，月球还在天空中大致的位置，在天球上移动的距离大约是360/30即西向东12º左右，可以想象月球在轨道上运行。由于地球自转，每天晚上月球也是东升西落的。有趣的是，月球也在黄道附近运动，所以可以当成跑的极快的行星，这也是为什么以前人们相信地心说。一般的卫星都是围绕行星赤道旋转，不其实怎么转都行参考人造卫星。这源自于是和行星同时旋转形成还是捕获其他天体或更复杂的原因，月球就是更复杂的原因，有多种形成假说，可以参考相关资料，这里只要知道在黄道附近运动就行了，另外月球移动的轨迹叫做白道，黄白交点三点一线是有可能发生日食的位置。

要判断月球当前的位置，就要考虑和太阳的相对位置或角度。首先，满月时月球地球太阳在直线连线方向，夹角是180º，假如太阳从西方落下，月球就会从东方升起，0时月球也就在正南方，始终和太阳方向相对，而太阳的位置可以根据一天的时间确认，这样知道太阳位置，日月夹角，就能判断月球的位置。

而日月夹角，需要从月相上来考虑，由于月相对应于农历，也可以从农历日期和太阳位置算出月球的位置。满月是理想简单的情况前面已经讨论过了。另一种情况是新月，同太阳夹角为0或者说在同一方向，为什么月球没挡住太阳？因为黄白道未重合，月球事实上在太阳上方或者下方，但阴影面对准地球所以看不到，如下图两端所示。地球自转和月球绕地球是独立的，不要有视觉上的关联感。

有了满月和新月两个参考点，就可以代入中间的位置了。北半球为例。新月一般是农历初一，满月是十五，中分的初七初八左右月相正好一半，是上弦月。这时月球在太阳方向向左或东90º，日落时月球事实在头顶，有可能直接看到，由于东升西落，午夜左右月球会从西方落下。而月初的几天是峨眉月，亮面指向太阳方向，日落时在西方太阳的左侧，和太阳夹角是锐角可以根据农历日期算出来。同样初十左右日落时月球在东半天空夹角是钝角，月面大部分发亮。月球向西落下的时间也推迟到后半夜，就是地球自转转过钝角的时间。到达十五满月是180º夹角，太阳落下月球升起，午夜最高，整晚都能看到满月就像太阳一样。

而农历后半月，夹角超过180º，需要入夜几小时才能看到月球从东方升起，日出时月球仍未落下，天亮了甚至还能看到月球。当然前面的情况前半月天黑前也有可能看到月球。农历二十二，二十三左右是下弦月，午夜时从东方升起，日出时大约在头顶。同样农历月底的月相也叫残月，日出前可以在东方看到，亮面指向太阳方向。最后与太阳角度重合，新的一月又开始了。

下面看下栗子。这是最近晚上18时的月球，农历六月初七，上弦月，可以看到亮面向西指向日落方向。因为是夏天，其实这个时候太阳还没落山，这里只是示意下月球在天顶的位置。可以看到白道和黄道的方向是差不多的，每天同一时刻看月球，相当于抵消了地球自转，可以看到月球沿白道向东每天移动约12°。而每天天球转动是根据地球自转或按天赤道旋转的，所以是每小时15°向西。所以月球大约午夜的时候就会从西方落下去了。上弦月时月球与太阳夹角为90°，可以从月相上看出来，想象球的受光角度。由于月球在室女座区域，所以这几天应该可以和Spica同时看到，不过月球很亮，也就一等星能与其争辉，大多数时候观看星空还是挑没有月亮的时候，知道了月亮的规律，也就知道什么时候没有月亮了。

下面是农历六月十五，满月。满月和太阳夹角180°，或者说是直线关系，这里是东南，可以看做从东方升起。因为夏天日落晚，大概晚上20时才落下，所以图中满月升起一定高度已经是22时了，满月会整晚悬在天空，直到早上从西方落下去。

下图是农历六月二十三，下弦月，同日落的太阳夹角270°，或者说同日出的太阳夹角90°。图中是从东方升起，凌晨2时，太阳还在地平线以下，夏天的话大概4时多就会升起了吧。注意月球光照面指向太阳方向。太阳升起时月球会在头顶，随着白天越来越亮会渐渐看不到的。

下图是农历六月二十九，本月似乎没有三十，第二天就是七月初一了。这是东方太阳升起时的示意图，残月应该有有一个指向太阳的亮边的，不过图中大概看不出来。同样因为是夏天，早上6时太阳早升起来了，要看的话需要早一点。

下图是农历七月初二，太阳落下前的示意图。同样因为夏天，傍晚18时太阳还没落下去。这是新月，会有指向太阳的亮边。注意背景可以发现下图就是上图太阳从东边换到西边，而月球越过了太阳，初一的时候月球在太阳位置是看不到的，因为过了一天我们也可以推断图中月球太阳的视角大约是轨道运行12°。

下面这张是2021年3月9日日全食时的情况。日食的时候必定是初一，图中可以看到黄白道很近，交点在右边一点没截进去。月球沿白道向左移动，越过太阳只是一瞬的事。这次日食国内只能看到偏食，图中的北京位置大概偏食也够呛吧。那么全食在哪里可以看到呢。白道不像黄道和天赤道基本上是镶嵌在天球上的，因为月球离地球很近，所以在地球不同位置，看到的月球轨道位置是不一样的，甚至同一地点随着地球自转看到的月球轨道也有微小差异。例如，在北半球，我们理所当然认为月亮是在南方天空，事实上赤道附近看月亮往往是在天顶，而南半球看月亮基本是在北方，除了方位，月相的角度也是不一样的，不过指向太阳方向是不变的。下图坐标在北京位置，大约北纬40°东经116°，月球并未处于黄白交点，能看到日全食的是一个狭窄的带状区域，这次日食能看到全食的是印尼到太平洋中央的狭长范围。

再补一张2009年7月22日的日全食，上午9时27分，位置武汉，可以看到完美通过黄白交点。当年没去看真是有点损失啊。下次国内能看到日全食大概是2035年9月2日，北京位置正好在全食带上。中间国内还能看到几次偏食和环食，一个是2021年12月26日，一个是2021年6月21日，也快到了，到时可以关注一下。

到这里主要内容就算讲完了，这里补充一下精确度的问题。文中很多情况都是用的理想情况或做粗略的估计，这样可以把星空运动的模型变得简单易于理解，但实际上，有大量的因素影响着实际星空的位置。例如，我们说地轴指向北极星，天球绕北极星旋转，事实上北极星并不在北天极上，偏了一点，地轴的指向也不是固定的，会在北天极附近画出一个大圆，多年后织女星也能成为北极星，而岁差周期是25786年，另外地轴可能还会有微小的抖动。地球轨道虽然非常接近圆，但是在大尺度下，稍微的偏心也会影响地球上看到的天体的位置，而且地球上也有经纬度海拔的区别，还有大气的扰动和折射。另外恒星不是不动的，只是看起来动的很慢，实际上非常快的。看到恒星的时间，虽然我们习惯用北京时间，但因为时差这个时间不一定是当地经度天体最高位置的时间，北京时间应该是西安经度为准的。当然根据天体位置是可以算出当地时间的，不过有点麻烦。随着季节变动，太阳的高度，日出日落时间，日出日落方位都是不同的。总之，影响天体位置的因素是十分的多的，软件也只是尽可能的模拟。而对天体位置的精确计算过去让人们发现了海王星，广义相对论预测了太阳引力对恒星视位置以及水星轨道的影响。说明，对自然探索的越深入就能发现更多的新东西越能有更精确的计算。

但对于个人来说，其实不用考虑那么多，只要能把握大致的模型和理论，满足对基本问题的求知欲就好了。这次涉及到的内容，可以用笔画一画图，用软件演示一下，会有更好的理解和记忆。掌握星空的运行，可以作为对天文认识的引路者，许多星座和天体都可以查阅百科或资料，至少谈到星座，我们知道这个星座在哪里，对星空也就有了相当的亲切感了。关于文中用到的软件，虽然可以发不过估计本文也没什么人看，百度也能找到，如果有人要再发出来吧。感谢观看。

2021年7月7日

这篇文章久违的看了一遍，随便聊点。虽然我在知乎是以一篇天文一篇音乐的文章开头，对应视觉与听觉，其实之前已经写了一年有的没的，思考过语言符号学习计算教育科学等一堆乱七八糟的东西，然后才有了这两篇文章的明确思路，所以后面的文章也相当于在给新的东西做准备。从人类认识自然的历史来看，天文和音乐是最早通过数理方式建立体系的学科之一，而之后的飞跃就是物理学或者说牛顿力学引起的革命。在这两篇文章中留了两个线索，一个是频谱与原子光谱，一个是坐标系变化中的不变性，很明显，引申出的就是量子论和相对论，也就是说后面要写篇介绍物理学基础知识的文章。虽然思路上已经很清晰了，共5篇，均采用了从简单要素构成复杂体系的行文思路，并且整体合起来也是从最基本到最复杂，单看思路已经让人爽到了，但是要达到完成状态，还真是件要命的事，这主要是相关知识水平不足的原因哈哈，而且涉及的东西确实又多又杂，比如天体物理也要扯扯一类的。所以这里许个愿，希望今年能平安无事的完成吧。另外其中还会隐藏到下个时代就是当代思想的线索，有兴趣也可以想一想如何用5篇文章完美介绍物理学的知识体系，其实完美还谈不上只能说是一种对理想形态的追求吧。3.7

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