书城科普读物探究式科普丛书-浩瀚的宇宙
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第15章 人类的“量天尺”——各种仪器(2)

天球的模型,是一种用于航海、天文教学和普及天文知识的辅助仪器,人们利用它表述天球的各种坐标、天体的视运动以及求解一些实用天文问题。球面上,绘有亮星的位置、星名、星座以及几种天球坐标系的标志和度数。天球可以绕一根贯穿圆球心的轴旋转,这个轴称为天轴,轴的两端与天球的两个交点称为南极和北极。带轴的天球被支撑在一个通过南北两极的金属子午圈上。天球仪座架的水平圆环,代表地平圈。使用者可根据地理纬度在子午圈上,调节天极高度,并且能使天球绕极轴转动,从而看出在不同地理纬度上、在不同日期、不同时刻的星空景象以及某一天体的地平经度(方位角)和地平纬度(地平高度)。同样,它也可以显示出某一天太阳出没的时刻和方位、经天路径、中天时刻、高度和昼夜的长度。可见,天球仪很有实用价值。由于观测者是在天球外看天象,因此从天球仪上看到的天象,与从天空中看到的天象是相反的,但这并不影响天球仪的实用价值。陈列在中国北京古观象台上的清代铜制天球仪,铸造于1673年,直径2米,球上有恒星1000多颗,是以三垣二十八宿来划分的。一般使用的天球仪,直径在30厘米左右。

中国古代演示天象的仪器浑象,与天球仪在基本结构上是完全一致的。

4.月球仪

教学用月球仪和地球仪相仿。月球仪记载了月球上的海陆分布和山川湖沼。虽然月球上没有水,但这些名词一直使用下来,月球仪仅有象征的意义。自从1610年意大利天文学家伽利略用望远镜观测月球以来,逐步发现了月球上的种种特征,所以月球上开始出现了人名地名。近400年来,月球已经成了充满了地球人名地名的“小地球”。现在根据国际统一命名,才制成了月球仪。小型月球仪上的名称和图形要少些,但仍然是准确的。大型月球仪上的名称和图形就多得多了。根据国际公布的月面构造和经纬度坐标,以及相关的名称制作的月球仪,是月球的缩影。人们可以从月球仪上,查看到月面各种构造,特别是环形山和山脉,“海”、“洋”、“湖”、“沼”的分布和各自的名称。我们在月球仪上用较粗的线条和指示区分月球的正面和背面,这一点不可混淆。2007年我国嫦娥探月工程开始的时候,人们就是用月球仪了解月面各种特征、名称、位置,从而在听到探测月球的消息时,能对着月球仪了解情况而不茫然。

5.地球仪

为了便于认识地球,人们仿造地球的形状,按照一定的比例缩小,制作了地球的模型仪—地球仪。在地球仪上没有长度、面积、方向、形状的变形,所以从地球仪上观察各种景物的相互关系是整体而又近似于正确的。

地球仪有以下几种类型:经纬网格地球仪,在它的球面上只有经纬网格以及度数的注记;政区地球仪,球面光滑的表示行政区划的地球仪;地貌地球仪,球面光滑的表示自然面貌的地球仪;地形地球仪,是表示地形的模型,球面是起伏不平的。

在太阳照射下,地球的自转与公转引起了地球上日照区的移动,这个移动产生了很多天文现象。这些现象对人类生存十分重要,人们需要了解它认识它。我们根据这些需要研制了天文地球仪。它模仿地球自转与公转产生的日照区在地球表面的移动。这种移动产生了天文信息—昼、夜、日出、日落、节气、极昼区域、极夜区域、太阳直射点位置、地方时、世界时、时差等。这些信息都是人们日常生活须知的。过去人们利用钟表、地球仪或地图和日历的综合使用,得到了部分信息,但不同区域日出日落的时间、随节气(季节)变化的昼夜长短、日照角度等信息还是无法得到,只能实测或问天文台。天文地球仪,能给出这些信息。

世界上最早的地球仪,是由德国航海家、地理学家贝海·姆于1492年发明制作的。它至今保存在纽伦堡博物馆里。1480年,贝海·姆作为佛兰芒贸易商人初次访问葡萄牙,他自称是纽伦堡天文学家米勒的学生,所以成为约翰二世的航海顾问。当时航海者用星盘来测定日、月、星辰的高度,以此推算时间和纬度。用黄铜代替木质星盘,可能是由他创始的。1490年回纽伦堡后,在画家格洛肯东的协助下,贝海姆开始绘制他设计的地球仪,1492年完成绘制。他当时所画的世界地形,既不准确又已过时。在这个地球仪上,印度洋是向东西扩展的海洋,特别是非洲西海岸,错误多得实在惊人。不过有趣的是,在发现美洲的前夕,他绘制的地球仪为当时人们提供了一些关于地理上的有益设想。

6.赤道经纬仪

赤道经纬仪,是清朝制造的八件大型铜铸天文仪器之一,是我国重要的古天文观测仪器。赤道经纬仪于1673年制成,重达2720千克,至今仍完好地保存在北京古观象台的观测平台上。

整个观测部分,由三个大环和一根轴承组成。最外面的大环叫做“子午环”,正南北方向竖立着,两面有刻度盘。中间的圆环南高北低,与天赤道平行,因此叫做“赤道环”。环面上均匀地刻有24个大格,代表24小时,每个大格再分成4个小格,代表15分钟。在赤道环面的中心,垂直地竖立着一根轴承,叫做“极轴”。它与子午环相连,朝上的一点指向北天极,朝下的一点指向南天极,并由南极伸出的两个象限弧支撑着。里面的圆环叫做“赤经环”,还可以绕极轴旋转。

整个观测部分镶嵌在一个半圆云座内,由一条南北正立、昂首修尾的苍龙托起,龙的四只利爪分别抓住下面十字交梁的一端,每端都装有调整仪器水平的螺栓。该仪器主要用于测量恒星以及太阳、月球、行星等天体的位置。

7.黄道经纬仪

黄道经纬仪是清朝制造的八件大型铜铸天文仪器之一,也是我国重要的古天文观测仪器。它重达2752千克,至今也仍完好地保存在北京古观象台的观测平台上。

黄道经纬仪,外层是南北向正立的“子午圈”,子午圈内的一个大圈叫做“极至圈”,用钢轴契合在子午圈的两个极点上,因此叫做“黄道经纬仪”。在极至圈内,套着一个斜躺着的大圈,这个大圈平行于地球绕太阳旋转的黄道,叫做“黄道圈”。黄道圈上刻有度数和黄道十二宫的图案,是黄道经纬仪的基本大圈。有一根垂直于黄道圈面的钢轴,连接黄道南、北两极。最里面的一个圆环,叫做“黄道经圈”,与黄道南、北两极相连,并且可以绕钢轴旋转,圈上也刻有度数。在观测天体时,可根据黄道圈和黄道经圈的刻度,来定出太阳和行星的位置。

整个仪器的观测部分,放置在一个半圆云座内,由两条背向而立的苍龙托起,苍龙的爪子紧紧抓住雕有云纹斜交的十字交梁。

8.象限仪

现存于北京古观象台的象限仪,制造于1673年,它又被叫做地平纬仪,是专门测量天体地平高度的观测仪器。

所谓“地平高度”,就是观测者到某颗星星的视线与地平面的夹角。在天文学上,这一角度叫做“天体地平高度”。

象限仪的下端,是一根方形横梁和一对十字底座,在两个十字底座的交叉点上,各竖起一根高三米多的圆柱,两边均有一条龙扶持,起到装饰和加固双重作用。两根圆柱支撑着一根雕有云纹图案的横梁,一根可以旋转的立轴连接在上下两梁的中间,固定着整个扇形的象限环。象限环内雕有腾云驾雾的巨龙,既增添了仪器的生气,又起着平衡作用。象限环的横边呈水平状,并且与立边垂直,在两边的交叉点处挂有一根游表,贴附在象限环面上。

象限仪铸造精美,在象限弧的中间,铸有一腾云戏珠的苍龙,造型优雅,同时又具有平衡重心的妙用,使整个象限弧的重心落在中心的立轴上。轴的两端是圆的,可以使象限弧垂直于地面自由地旋转。

在象限弧的圆心,立有一个与弧面垂直的横表,长三寸一分。在横表上有一长与象限弧半径相齐的窥衡,可绕圆心在弧面上下移动。在窥衡的下端有一立耳,旁边有游表,如今已遗失。

实际观测时,移动窥衡,使立耳看横表与待测的天体位于一条直线上,这是把窥衡定位,则游表所指的环弧上的刻度,就是该天体的地平高度或天顶距。

古观象台的象限仪,与第谷设计的四种象限仪中的旋转式地平象限仪最为接近,观测方法完全一样,只是在外观设计方面独具特色,采用了中国传统的龙云装饰。