01
什麼是星軌?
星軌是指在夜晚,由于地球的自轉,天空中的恒星在相機長時間曝光時,在照片上留下的光線軌迹。
要解釋星軌的形成,我們先要從天體的周日視運動說起。
[注]
周日:指一個恒星日;
視運動:指在地面上的觀測者直接觀測到的天體的運動。
地球自西向東自轉,若從地球視角觀察,就會看到太陽、月球或星星每天在東升西落。
從地球的視角來看,把天空幻想成一個大球(稱為天球),地球以外的各天體都嵌在天球上(僅從視覺上來看,此處忽略各天體與地球的距離差異)。
地球自西向東自轉,根據相對運動原理,如果将地球看作靜止,那天球便自東向西旋轉,且周期與地球自轉周期相同,為23時56分4秒。
天球的旋轉軸與地球的自轉軸延伸方向一緻,被稱為天軸。天軸和天球相交于兩點,和地球北極對應的叫做北天極,和地球南極對應的叫做南天極。
天球示意圖
地球上的觀測者,一天内觀測到天空上的天體明顯的視運動狀态,就是天體的周日視運動。
可以看到天體的視運動軌迹,是以北天極和南天極為中心的。所以我們在北半球拍攝星軌時,會得到以北極星為中心的同心圓的軌迹。
北半球拍攝到的星軌
02
如何判斷星軌拍攝地點?
地球上觀測者所處的位置不同,觀測到的星軌會有差異。
如果位于北半球,觀測到的恒星圍繞北極星(北天極)呈逆時針視運動;如果位于南半球,觀測到的恒星圍繞南天極呈順時針視運動。
而且,位于南半球和位于北半球觀測到的星體也會有所不同。
① 位于南北兩極
當觀測者位于北極點時,位于北天球的星體,自東向西平行于地平面作逆時針圓周運動(視運動的觀測中心為北極星)。與此同時,觀測者無法看到南天球的星體。
當觀測者位于北極點
當觀測者位于南極點時,會看到星體作順時針圓周運動。觀測者也無法看到北天球上的星體。
② 位于赤道
當觀測者位于赤道上,星軌與地平圈垂直,垂直上升和下落,每天有12小時在地平以上,12小時在地平以下。
當觀測者位于赤道上時
③ 當觀測者位于赤道和兩極之間
在北半球地區,當我們看向正北方天空時,地平以上的星體圍繞着北極星作逆時針圓周運動。東升的星傾斜着移向南方,到達觀測者正南方後,又傾斜着向西移動,由西方落到地平線以下。
而位于南天球的一部分星體是永遠不會升到北半球的地平線以上的。
當觀測者位于北極點與赤道之間時
如果觀測者位于南極點與赤道之間時,情況相反,而且位于北天球的部分星體在南半球是無法觀測到的。
如下圖,在天球之上,天軸在地平圈上的投影指向北方和南方,而天赤道與地平圈交點的連線剛好與天軸的投影垂直,因此,天赤道與地平圈的交點所指方向為正東、正西。
在地球極點之外的地區觀測,隻有位于天赤道上的星體才是正東升起、正西落下,除天赤道上的星體外,都不是正東升、正西落。
了解了以上知識後,我們試着來做以下幾組試題。
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03
如何判斷星軌拍攝時長?
由于星軌的形成是由地球的自轉引起的,因此星軌形成一個整圓的時間為一個恒星日,即23時56分4秒。
[注]由于白天無法看見星體,所以隻有南北極圈内發生極夜現象時,才能拍攝到呈現為完整圓形的星軌,除赤道外的其餘地區多為一段圓弧。
星軌形成的角速度也與地球自轉角速度相同,為約15°/小時。
例如,下圖為某拍攝團隊拍攝的星軌照片,圖中A1—A2之間的白色弧線是拍攝期間某顆恒星曝光的運動軌迹示意圖。
根據測量,我們可以知道這顆恒星在曝光時的運動軌迹約為60°,所以獲得圖中照片的曝光時間大約是60°÷15°=4小時。
此外,還可以計算同一顆恒星回到同一位置時的具體時間,例如下題。
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04
練一練再走~
星空觀測、星空攝影等天文觀測站點對緯度、地形、氣象、人類活動有較高的要求。下圖為某攝影師在非洲西南部沿海平原一天文觀測站,長時間曝光拍攝的星軌圖。據此完成下面小題。
參考答案
(上下滑動查看)1.C[解析]該地位于南半球,星空圖中星軌運動方向為順時針方向,C對、A錯。星軌運動方向為自東向西,與地球自轉方向相反,B錯。星空圖為長時間曝光拍攝得到的,與地球公轉無關,且公轉方向也為自西向東,而星軌為自東向西運動,D錯。故答案為:C。
2.A[解析]該地位于非洲西南方向,6-8月為南半球的冬季,此時晝短夜長,觀測時間較長,所以最為适合拍攝星空的月份為6-8月,故答案為:A。
有話要說...