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如何测量太阳到地球的距离?
几何与天体测量
(赵建明,毕业于中国人民大学)
【摘要】历史上以几何法测量太阳到地球的距离差异很大,其原因是未能消除地
球自身运动的观测者效应。根据太阳地球之间的几何关系,提出一种比金星凌日
法更简单、准确的测量方法,在一个观测点即可粗略估算太阳和地球之间的距离。
如果测量仪器的测量精度较高,在两个观测点可以精确测量太阳和地球之间的
距离。原则上,在测量仪器的精度范围内,本文的测量方法适用于所有天体的精
确测量。
一、历史上对日地距离的测量
中国最早的一部算术著作叫《周髀算经》,大约出现在三千年前的西周初年,
其主要内容是以商高与周公问答的形式揭示日月星晨的运行规律。《周髀算经》
原名《周髀》,唐初时规定它为国子监明算科的教材之一,故改名《周髀算经》。
《周髀算经》首次证明了勾股定理,提出了利用直角三角形勾、股、弦之间
数量关系进行天文测量的方法。测量时立竿为影,通过测量竿长、影长和地面距
离之间的三角形关系,即可计算出太阳高度及日照广度(比如到北极的距离)。
《周髀算经》已经注意到了地球自转对测量的影响,指出使用这种测量方法时应
同时在南北方向进行测量,比如同时在夏至或冬至的中午在南北相距千里的地方
同时测量影长(即“寸影千里”),以避免太阳方位变化对影长的影响。虽然这种几
何测量方法是建立在地平的基础上,但它却是古今中外通用的。
公元前二百多年,古希腊天文学家阿利斯塔克利用他的几何学知识,计算出
太阳与地球的距离是月亮与地球距离的19倍,根据日食情况推算出太阳直径是
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月球直径的19倍,又根据月食情况计算出地球直径是月球直径的3倍。按照目
前的长度单位测算,地球半径为6376km,阿利斯塔克计算的月球半径约为
2125km,太阳半径约为36605km,太阳离地球约为7873684km,月亮离地球约
为414400km。
托勒密也曾经进行过测量计算。月球到地球的距离大约是地球半径的64倍,
日地距离是地球半径的1210倍。按照目前的长度单位计算,地月距离约为
408064km,日地距离约为7714960km
无论是古代中国还是古希腊,古人的测算结果与今天所测的结果差异很大,
原因在于一直没有找到合适的测量方法。直到1716年由天文学家哈雷提出金星
凌日法。
金星凌日是一种天文现象,在特定时间,当金星运行至太阳和地球之间时,
从地球上观测,金星正好穿越太阳的视表面。
在地球上选择两个相隔很远的地方同时观测金星凌日,在这两个地方观测到
金星在太阳盘面上的投影位置会有所不同,形成两个不同的视角。通过计算可以
知道金星与地球之间的距离,再根据开普勒第三定律,可以计算出地球与太阳之
间的距离。
在1761年和1769年的金星凌日期间,法国天文学家拉朗德计算出太阳视
差为8.6角秒,日地距离约为1.53亿公时,非常接近现代测量值1.496亿公里。
利用这种方法首次较为精确地得到了日地距离。
金星凌日法测量日地距离,其实也是一种几何测量,只是测量计算方法与古
人简单的三角测量有所不同。
那么,同样是几何测量方法,为什么古代的测量结果与现代的测量结果差异
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如此巨大呢?这么大的差距并非只是观测误差。
二、太阳与地球之间的几何关系
1、地球运动的观测者效应对天体测量的影响
在地心说时代,人们认为太阳围绕地球旋转,在日心说时代则相反,认为地
球围绕太阳旋转。无论是地心说还是日心说,都承认地球存在自转。由于天体之
间距离遥远,在测量天体距离时存在客观上的困难,最大的困难就是如何消除地
球自身运动对天体观测的影响。
目前我们已经知道,地球每24小时自转一周,每恒星年地球绕太阳公转一
周,每回归年地球南北摆动一个周期。地球的这三种运动对地球上进行天体测量
的观测者来说,会引起观测者效应。地球自转的观测者效应是15角秒/秒,地球
公转的观测者效应是0.041角秒/秒,地球南北摆动的观测者效应是0.011角秒/
秒。在进行天体测量时,需要消除这三种地球运动引起的观测者效应的影响,才
能得出准确的测量结果。
如果是测量天体到地球的距离,
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