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所有的天体都可以看做是位于一个以地球为中心的圆球上，这个想象出来的球面称为天球（图1）。和所有球体一样，天球也有两个极点和一条赤道。从地球两极延伸出去就是天球的两极；而地球赤道延伸到天球上就是天赤道。地球在围绕地轴自转，结果是天球看起来在环绕着天极每天旋转一周。
站在地球表面的观测者在任何时刻只能看到一半的天球。这个可见的半球以观测者的地平线为界，地平面在距离天顶90°的地方与天球相切。天顶是天球上位于观测者正上方的点。观测者正下方的点称为天底。
关于用来描述天体在天球上所处位置的天球坐标系，参见位置一节。
随着地球的自转，天球看起来在旋转，日月星辰每天东升西落。在赤道上观察，所有天体都沿着与地平线垂直的方向升起，并在地平线之上保持12小时可见。但是在两极观察，则所有天体都在沿平行于地平线的方向运动，并永远保持在地平线之上，既无升起也无落下。
在中间的纬度上，天体的视运动介于上述两种极端情形之间。有些天体会有出没现象，而有些则永不落下，一直环绕天极旋转，这些天体被称为拱极星。在固定的纬度上，恒星总是从地平线上同样的位置升起和落下；而对于太阳、月亮和行星，由于它们在天球上的运动，每天升起和落下的位置会有所不同。
图1 天球示意图。地球位于中心，画出了赤经、赤纬线以及黄道。
在某个地点，一个天体位于地平线上的时间长短取决于它的赤纬（离开天赤道的向北或向南的角距离）。天赤道上的星在除极点以外的任何地方都是从正东升起，在正西落下，在地平线之上停留12小时。离可见的天极近于90°的星在地平线之上停留时间长于12小时；距离可见的天极大于90°的星星升起后12小时之内就会落下。
表1给出了不同赤纬的天体自升起到通过子午线的时间间隔。该天体位于地平线之上的总时间，即从升起到落下的时间，是表中所示数值的2倍。
拱极星
拱极星指在某个地点观测时永远不落下的这些恒星。天空中拱极星区的大小是由观测地点的地理纬度决定的，因为天极的仰角高度等于观测地的纬度。例如，在纬度40°的地方，天极在地平之上的仰角是40°，此时距离天极40°以内的恒星都是拱极星。同样，距离对面的天极40°以内的区域里的所有恒星是永不升起，无法看到的。在地球的极点上，所有能看到的星都是拱极星；在赤道上，所有的星都不是拱极星。
表1 半周日弧
在各纬度上，指定赤纬的天体升起和落下的时刻与其通过子午圈（上中天）的时刻之间的间隔。该天体的总可见时间，即从升起到落下的时间，是此时间间隔的2倍。这个表是用以下公式计算的：
cos（半周日弧长）=-tan（赤纬）×tan（纬度）
要将度化成小时，除以15。忽略大气折射。
观测者的子午圈是在天空中从北到南的一条假想线，是穿过天极和天顶的大圆。当一个天体位于子午圈上时，称为中天。
拱极星会中天两次。当它从东向西穿过子午线时位于最大高度，称为上中天。当它在天极和地平线之间穿过子午圈时高度最低，称为下中天。如果没带例外的条件时，中天指的是天体位于最大地平高度的时刻，即上中天。
由于地球的公转，在一年间，太阳看上去在天球上走了一圈。在天球上，太阳一年运动的轨迹称为黄道。黄道与天赤道之间呈约
的夹角，称为黄赤交角，来源于地球自转轴的倾斜。一年当中，太阳的赤纬在北
和南
之间，并分别在夏至和冬至到达最北和最南点。如果地球的自转轴没有倾斜，那么太阳看上去就会沿着天赤道移动，而地球上也就不会有春夏秋冬了。
每年3月21日前后，当太阳在春分点穿过天赤道时，它的位置是赤经0时，赤纬0°。6个月之后，9月23日（秋分）附近，太阳位于赤经12时，赤纬0°。在这两个日子之间，太阳位于天赤道以北；接下来，从9月23日到3月21日的6个月里则在天赤道以南。第17页的表7列出了太阳在一年中不同时间的赤经和赤纬值。
2个黄极分别在黄道以北90°和以南90°。即北黄极位于赤经18时，赤纬
；南黄极则在赤经6时，赤纬南
。
黄赤交角（符号ε）
黄赤交角是天赤道相对于黄道的倾角，也等于地轴与公转轨道面法线的夹角。由于章动和行星对地球引力的影响，黄赤交角随时间有细微的变化。章动使得黄赤交角在每18.6年内最大偏离平均值9″.2。而行星岁差目前使得黄赤交角每年减小0″.47。在2000年1月1日，黄赤交角为23°26′21″；到了2050年1月1日，将变为23°25′58″。
这是黄道与天赤道相交的两点。每年太阳在3月21日和9月23日前后经过这两个点。在二分点上，太阳的中心正位于天赤道上；不过，虽然“分点”的意思是昼夜平分，此时地球上白天与黑夜的长度却并不精确相等。造成这一现象的原因有两个。首先是日出和日落是按照太阳圆面的上缘——而不是中心——计算的；其次地球大气的折射会使得地平线处的太阳像向上提升约半度，这两个因素都使得白昼时间略长。
春分点（符号Υ）
这是每年3月21日前后太阳向北穿过天赤道的点，也就是黄道的升交点。在2007年后，春分日会固定在3月20日，直到2044年后，则可能发生在3月20日或19日。而这种情况会持续到本世纪末，届时春分又会发生在3月20日或21日。
春分点也叫做“白羊宫第一点”，因为2000年前希腊人测量春分点的位置时，它正位于白羊座。从那时起，由于岁差的影响，春分点已经移动到了相邻的双鱼座内。
春分点是赤经量度的原点。岁差使得春分点在天球上每天向西移动0″.14。
秋分点（符号
）
这是每年9月23日前后太阳向南穿过天赤道的点，也就是黄道的降交点。秋分点也叫做“天秤宫第一点”，虽然在岁差的作用下，现在秋分点已经移到了室女座内。
分至圈
二分圈是通过春分点和秋分点的时角圈，也就是0时和12时赤经的时角圈。二至圈是通过夏至点和冬至点的时角圈，也就是6时和18时赤经的时角圈。
这是在黄道上太阳分别于每年6月21日和12月22日前后到达的距离天赤道最远的两点，分别位于赤纬北
（夏至点）和南
（冬至点）。夏至时，北回归线上正午时分太阳在正头顶，北半球的白昼最长，黑夜最短（南半球的情形正相反）。在冬至点，阳光直射南回归线，北半球的白昼最短，黑夜最长（南半球的情形正相反）。
出乎意料的是，白昼最短的日期与最晚日出和最早日落的日期并不重合；同样，最早日出和最晚日落的日子也不是黑夜最短的日期。原因是不断变化的时差，使得在二至点时日出和日落的时刻都推后了，但延后的时间不一样。其结果是最晚的日出是在白昼最短的那天之后，而最早的日落则发生在此之前。同样，最早的日出发生在白昼最长的那天之前，最晚的日落则在其后。在以上情形下，确切的日期取决于观测者所处的纬度，纬度越低，日出日落的极值时刻与二至点时刻的偏离就越大。在冬至点这种现象比夏至点更为明显，因为时差的每日变化在12月份里最大。