В основу определения единицы времени положено периодическое явление в природе — сутки — промежуток времени, в течение которого Земля делает полный оборот вокруг своей оси. Суточное вращение Земли, определяя закономерность смены дня и ночи, цикличность многих процессов на Земле, распорядок жизни и деятельности людей, является наиболее целесообразной и удобной основой для измерения времени, которая дана самой природой, и которым издавна пользуется человечество. Продолжительность суток можно определить с помощью светила или точки, фиксируя моменты двух последовательных кульминаций, если известны их положения на звездном небе.
Однако определение суток связано с практическими трудностями, которые вызваны противоречивостью требований к выбору единицы времени. Для определения суток в наше время пользуются тремя вспомогательными точками, а именно: точкой весеннего равноденствия, центром истинного Солнца, точкой среднего Солнца. Продолжительность суток, что определенная помощью каждой из трех точек, — разная, и поэтому приходится употреблять все три единицы времени — звездные сутки, настоящие солнечные сутки и средние солнечные сутки. Измеряемое ими время называется соответственно звездным , настоящим солнечным и средним солнечным временем. Совокупность этих способов определения суток усложняет некоторые вычислительные работы, но обеспечивает полное соответствие исчисления времени практике жизни человечества и большую точность измерения времени астрономическими методами.
Сутки и ее части служат для измерения коротких промежутков времени, а для длительных промежутков времени используют понятие года. Промежуток времени между двумя последовательными прохождениями истинного Солнца через точку весеннего равноденствия (^ ) называется тропическим годом . Т ^ =365 d ,2422 с.с.с. (средних солнечных суток ).
Вследствие прецессии земной оси точка весеннего равноденствия медленно движется навстречу Солнцу, поэтому Солнце приходит в одну и ту же участок неба не через тропический год, а через звездный год (сидерический период ).
Промежуток времени за который Земля сделает один полный оборот вокруг Солнца относительно неподвижных зрение называется звездным годом . Т=365 d ,2568 с.д.д.
За последние три десятилетия точность определения продолжительности суток из астрономических наблюдений зрение повышена на целый порядок и достигает 0, s 001 за сутки; так же повышенная точность астрономических маятниковых и кварцевых часов. Созданы часы новых типов — молекулярные и атомные , которые хранят время с точностью до 5·10 -8 с за сутки, удовлетворяя самые сложные требования некоторых научных учреждений.
ЗВЕЗДНЫЕ СУТКИ И ЗВЕЗДНОЕ ВРЕМЯ
Определение звездной суток следует из видимого вращения вокруг Земли точки весеннего равноденствия. Верхняя кульминация этой точки берется за начало суток. Промежуток времени между двумя последовательными верхними кульминациями точки весеннего равноденствия на одном и том же меридиане называется звездными сутками.
Звездные сутки делятся на 24 звездных часа, звездный час — на 60 звездных минут, звездная минута — на 60 звездных секунд. Время, которое проходит от момента верхней кульминации точки весеннего равноденствия до ее положения в определенный момент, выраженный в долях звездной суток, называется звездным часом . Обозначается латинской буквой s.
Часовой угол точки весеннего равноденствия, выраженный в часовой мере, численно равен звездному времени в данный момент. Время что прошло от начала суток, равно часовому углу точки весеннего равноденствия. Для его определения пользуются звездами с точно определенными координатами.
Если определен часовой угол любой звезды М (рис.1 ), то звездный час (дуга Q1Q ) равен сумме двух дуг: дуги Q1D (прямое восхождение звезды ) и дуги DQ (часовой угол звезды ). Следовательно,
где α — прямое восхождение, а t — часовой угол. При наблюдении звезды в момент верхней кульминации часовой угол равен нулю и тогда:
Этой зависимостью пользуются для определения звездного времени из наблюдений моментов кульминации звезд с помощью пассажного инструмента. Звездным временем удобно пользоваться в научных и некоторых инженерных работах, но повседневная жизнь эт’связано с солнечными сутками, которые больше звездных, поэтому введено солнечное время .
НАСТОЯЩЕЕ СОЛНЕЧНЫЕ СУТКИ И НАСТОЯЩЕЕ СОЛНЕЧНОЕ ВРЕМЯ
Настоящие солнечные сутки определяют с помощью центра Солнца. Промежуток времени между двумя последовательными нижними кульминациями центра солнечного диска на одном и том же меридиане называется настоящими солнечными сутками .
Итак, начало солнечных суток, в отличие от звездных, отнесены на ночную пору, поэтому весь день относится к одной календарной дате.
Время, прошедшее от нижней кульминации центра Солнца к его положению в данный момент, выраженное в долях настоящих солнечных суток, называется истинным солнечным временем . Обозначают его буквой Т. Измеряют его часовым углом центра Солнца.
Часовой угол t отсчитывается от южной точки экватора, а поэтому его увеличивают на 12 h , что прошли от нижней до верхней кульминаций. Следовательно,
Т = t + 12 h (2)
Солнце всегда кульминирует (в верхней кульминации ) в 12 h настоящего времени, поэтому t = 0. Продолжительность настоящих солнечных суток непостоянна, поэтому введены средние солнечные сутки .
СРЕДНИЕ СОЛНЕЧНЫЕ СУТКИ И СРЕДНЕЕ СОЛНЕЧНОЕ ВРЕМЯ
Неравномерность настоящего времени обусловлено неравномерностью видимого годового движения Солнца по эклиптике и наклона эклиптики к плоскости небесного экватора. Первая причина обусловлена тем, что Земля движется вокруг Солнца по эллиптической орбите, а такое движение, по второму закону Кеплера, происходит с различными скоростями. С 21 марта по 23 сентября Солнце перемещается медленнее, чем в период с 23 сентября до 21 марта. Вторая причина — наклон эклиптики. На рисунке дуги АВ и ВС изображают по эклиптике вблизи точек равноденствий.
А их проекции ab, bc на экваторе определяют изменение прямых восхождений Солнца. Эти проекции меньше за соответствующие отрезки эклиптики, то есть ab < AB и bс < ВС. Вблизи точек солнцестояний (часть б ) проекции суточных отрезков эклиптики на экватор, наоборот, длиннее сами отрезки, то есть de > DE и ef > EF. Итак, положение Солнца на эклиптике не может служить мерой времени потому, что эклиптика наклонена к экватору.
Вследствие обеих причин настоящие сутки зимой длиннее, чем летом. Самые длинные настоящие сутки 23 декабря — 24 h 0 m 30 s ; короткие 16 сентября — 23 h 59 m 39 s . Максимальная разница в их продолжительности 51 s .
Средние солнечные сутки определяют с помощью фиктивной точки, равномерно движущейся по экватору. Среднее еклиптичное Солнце — фиктивная точка, которая равномерно движется по эклиптике со скоростью, равной средней скорости движения настоящего движения Солнца и встречается с ним 3 января и 4 июля. Среднее экваториальное Солнце — фиктивная точка, которая равномерно движется по экватору и одновременно со средним эклиптическим Солнцем проходит точку весеннего равноденствия. Среднее экваториальное Солнце называют средним Солнцем. Промежуток времени между двумя последовательными, нижними кульминациями среднего Солнца на одном и том же меридиане называется средними солнечными сутками . Эти сутки делят на 24 средние солнечные часы, час — на 60 минут, минута — на 60 секунд, эти сутки в течение года постоянны.
Время, которое проходит от нижней кульминации среднего Солнца к его положению в этот момент, выраженный в средних единицах времени, называется средним солнечным временем , или просто средним временем. Обозначают его буквой T m .
Среднее Солнце наблюдать невозможно, а потому, из наблюдений определяют часовой угол истинного Солнца, добавляют η — к уравнению времени и получают среднее солнечное время:
T m = 12h + t ¤ + η (3)
Среднее солнечное время на данном меридиане равно часовому углу истинного Солнца плюс 12 h и плюс уравнение времени с его знаком.
Звездное время в течение тропического года опередит среднее время на 24 h , то есть на целые звездные сутки. Другими словами, в течение тропического года — за 365,2422 средних или настоящих солнечной суток — Земля сделает 366,2422 оборотов вокруг оси.
КАЛЕНДАРЬ
Система отсчета больших промежутков времени (летосчисление ) с разделением на отдельные периоды — года, месяца и суток — называется календарь . За основу календарных единиц счета времени взяты естественные единицы времени: солнечный год, синодический месяц (промежуток времени от одного новолуния до другого, равный 29 дн. 12 ч. 44 м. Может варьироваться в пределах 13 часов из за эксцентриситета лунной орбиты ) и солнечные сутки.
Эти единицы времени между собой несоизмеримы, а потому согласование их затрудняло построение календарей и порождало путаницу в летоисчислении разных народов, устранению которой астрономы уделяли большое внимания.
Независимость основных единиц времени предопределяла существование трех типов календарей: солнечный, лунный и лунно-солнечный. В солнечный календаре основной единицей времени является продолжительность тропического года (365,2422 суток средних суток ). Современный календарь относится к солнечному. В основе месячного календаря лежит продолжительность синодичного месяца (29,5 суток ). Год в нем равен 354 или 355 средним солнечным суткам, то есть 12 месяцев по 29,5 суток. Лунно-солнечный календарь — это комбинация солнечного и лунного календаря.
Порядковые номера лет в календарях ведутся от условного начала, что называется эра . Известно свыше 200 различных эр. Египтяне считали эры по годам начала правления фараонов, китайцы - начала правления императоров, римляне, например, считали сначала по именам консулов, далее — "от основания Рима " (соответствует 753 г. до н. е .). В христианской религии введено начало от "сотворение мира " (5508 г до н. е.), но в VI в. принято новую эру — от рождения Христа, которой пользуются во многих странах.
Современный календарь состоит из основных элементов солнечного римского календаря, который был разработан александрийским астрономом Созигеном и введен в 45 г. до н. е. Юлием Цезарем. Год в нем составлял 365,25 солнечной суток, причем для удобства счета предложено считать три года по 365 суток, а каждый четвертый год 366 суток. Года с 365 сутками названо простым , а с 366 — високосными . Все годы, номера которых делятся на 4, считались високосными.
Год состоял из 12 месяцев, длительность и названия которых сохранялись в европейском и российском календарях; в том числе и названия — "июль " и "август " в честь Юлия Цезаря и императора Августа. Дошла до нашего времени и вавилонская семидневная неделю.
В юлианском календаре разница между календарным и тропическим годом составляет 0,0078 суток или 11м 14с; за 128 лет она увеличивается до 1 суток. На конец XVI века, отставание составило уже 10 суток. Итальянский профессор математики Луиджи Лилио Гараллі предложил проект нового календаря, который и был утвержден папой римским Григорием XIII в 1582p.
Новый календарь стал называться григорианском , или "новым стилем ", в отличие от юлианского календаря, или "старого стиля ". В папской булле предписывалось считать следующий после 4 октября 1582 p. день не 5, а 15 октября. Так было ликвидировано 10 дней отставания. Чтобы в дальнейшем не допускать отставания, договорились с каждых 400 лет считать високосными не 100, как в юлианском календаре, а 97 лет и считать простыми те вековые годы, у которых число сотен не делится на 4 без остатка, например 1700, 1800, 1900. В Советской России ликвидировать отставание в 13 суток, день после 31 января 1918 p. стали считать не 1, а 14 февраля.
ВСЕМИРНЫЙ КАЛЕНДАРЬ
По мнению некоторых ученых Григорианский календарь имеет ряд недостатков: неодинаковая продолжительность месяцев, разное количество рабочих дней в месяц, дни недели приходятся из года в год на разные числа месяца.
Новый проект под названием Всемирного календаря было принято лишь в 1954 p. Экономическим и Социальным советом ООН. Структура Всемирного календаря такова: в году 12 месяцев с теми же названиями; неделя остается семидневный; год разделен на 4 квартала по 91 дню; каждый квартал состоит из трех месяцев; первый месяц имеет 31 день, два — по 30 дней; 1 января всегда приходится на воскресенье; кварталы начинаются с воскресенья и заканчиваются субботами. Количество рабочих дней в месяц — 26.
Итак, 4 квартала во Всемирном календаре имеют 364 дня , то есть на один день меньше простого года в григорианском календаре. Этот день рекомендовано считать международным праздником — Днем мира и дружбы народов, или днем Нового года. Устанавливается он между 30 декабря и 1 января. В високосном году следует добавить еще один нерабочий день между датами месяца — (30 июня ) — День високосного года.
АТОМНОЕ ВРЕМЯ
Быстрое развитие науки и техники с середины XX века. привел к созданию принципиально новых методов исчисления времени. С этой целью созданы приборы, в которых проходят автономные колебательные процессы высокой стабильности. Во всех приборах, что часто называют стандарты частоты , измерение времени основано на подсчете числа колебаний, возникающих в системе прибора.
Так, в кварцевых часах происходят высокочастотные колебания кварцевой пластинки под действием переменного электрического тока, что обеспечивает вычисление времени с точностью до 10 -6 сек. В в атомных часах используется строго определенная частота электромагнитных колебаний, которые излучает атом при квантовом переходе между энергетическими уровнями, причем точность времени повышена до 10 -11 - 10 -12 секунды.
Применение этих приборов дало возможность заметить небольшое отклонение в равномерности вращения Земли, которое происходит из-за:
1. в гравитационного действия Луны и Солнца (период вращения Земли медленно увеличивается на 0,0014с за 100 лет );
2. сезонного перераспределения воздушных и водных масс на Земле (меняется продолжительность суток на±0,001с );
3. неожиданных и нерегулярных нарушений равномерности вращения Земли, причины которых еще не установлены (меняется продолжительность суток на±0,004с ).
И хотя неравномерность вращения Земли очень мала, все же продолжительность солнечной суток не строго постоянная, и эта единица времени с ее производными уже не может служить эталоном в тех научных исследованиях, где необходимо знать время с точностью не ниже 0,000001с.
Поэтому была разработана система измерения времени, основанный на сверхстабильном эталоне частоты, где используются электромагнитные колебания, которые излучают атомы изотопа металла цезия-133 (Сs-133). Время, измеренное в этой системе, получило название атомного времени . За единицу времени принято атомную секунду , которая равна продолжительности 9 192 631 770 колебаний, соответствующей резонансной частоте квантового перехода сверхтонкой структуры основного состояния атома Сs-133. Атомная секунда принята за единицу времени в Международной системе единиц измерений.
Небольшие апериодические неравномерности во вращении Земли приводят к незначительным расхождениям между средним астрономическим временем и атомным временем. Поэтому регулярно 31 декабря в конце суток вносится поправка , которую добавляют до окончания года, или исключают ее.
И солнечные часы было упомянуто, что время бывает разное. Вот и попробуем разобраться.
Про солнечный полдень тоже уже было написано – это наивысшая точка, в которой бывает солнце в течение дня. И ещё говорят прохождение солнца через меридиан (направление север-юг). И ещё верхняя кульминация солнца. Стоит заметить, что есть и нижняя кульминация – самая низшая точка солнца над горизонтом в этой точке солнце на севере. В средних широтах этой точки не видно, но в приполярных, в полярный день хорошо видно, как солнце в полдень поднимается в высшую точку на юге в полдень и опускается в низшую в полночь– на севере.
Самое очевидное – сутки это время от одного солнечного полдня до другого. Эти сутки решили делить на 24 часа. Скорее всего это вавилонская идея, от пристрастия к двенадцатеричной и шестидесятичной системам счисления. Потому что 12 удобно делить на части 2, 3 , 4 , 6 . А 60 ещё и на 5 и на и на 10 и на 12 и на 15 и на 30. Ну, не важно. Это солнечные сутки .
Тоже самое можно наблюдать и со звёздами. От одной верхней кульминации любой выбранной звезды до следующей верхней кульминации этой же звезды – тоже сутки, только звёздные .
Уже самые древние (возможно ещё пещерные) астрономы заметили, что звёздные сутки не равны солнечным. Это видно и по косвенным признакам : каждую ночь все созвездия немного смещаются к западу. И за год совершают полный оборот. За месяц – примерно смещаются на 30 градусов. Можно увидеть, если смотреть каждый день какие звёзды и созвездия видны на юге в одно и то же время, например в 22.00.
И по прямым признакам – при каждом полном солнечном затмении (когда видны звёзды днём) солнце находится в разных созвездиях.
Наблюдения показывают, что солнце отстаёт от движения звёзд на 3 мин. 56 сек в сутки. Это замедленное, на фоне звёзд, движение солнца приводит к тому, что за год проходит 365 солнечных суток и 366 звёздных.
Отсюда 2 интересных следствия.
- За год солнце проходит по всему кругу зодиакальных созвездий.
- За год звездный полдень (кульминация одной выбранной нами звезды) приходится последовательно на разные часы и минуты всех 24 солнечных часов.
Зодиакальные созвездия – те, которые расположены в плоскости вращения солнца и через которые солнце последовательно проходит в течение года. Через остальные созвездия солнце никогда не проходит.
На картинке – путь солнца среди звёзд.
Значит солнечный полдень может быть днём при самом высоком положении солнца. Звёздный полдень (для выбранной нами звезды) может быть в любое время суток по солнечным часам. И таким временем в повседневной жизни пользоваться неудобно. Но удобно при астрономических наблюдениях и соответственно ориентировании по звёздам.
В астрономических обсерваториях используют часы, которые идут по звёздному времени.
Для ориентирования используют тоже звёздное время, но пересчитывают его из солнечного. Потому, что возить с собой точные звёздные часы – проблематично.
По правде сказать, солнечными сутками пользоваться тоже не удобно. Звёздные часы, минуты, секунды – хотя бы равномерные. А солнечные – разные в течение года.
Неравномерность складывается из многих причин в том числе случайного характера (например случайного перераспределения водных масс на поверхности земли, которое приводит к изменению скорости вращения и значит изменению длинны суток). Но это мелочи по сравнению с двумя главными.
- Земля движется вокруг Солнце по эллипсу, поэтому в ближней к солнцу точке – солнце на фоне созвездий перемещается быстрее. В дальней точке орбиты – медленнее.
- Видимая плоскость перемещения солнца на фоне созвездий наклонена к плоскости небесного экватора на угол 23,4 градуса. Поэтому скорость перемещения солнца среди звёзд распадается на 2 составляющих – вертикальную – изменение склонения солнца и горизонтальную – перемещение вдоль небесного экватора.
На рисунке видно, что путь Солнца кривая, синусоида. Направление движения меняется, значит горизонтальные и вертикальные составляющие скорости меняют величину, а вертикальная, ещё и направление движения (знак меняет с плюса на минус).
В добрые старые времена, когда не было транспорта, ни компьютеров, ни мгновенной связи. Это не имело значения. Жили по солнечным часам.
Но с появлением всего вышеупомянутого начались проблемы.
Например телеграмма через атлантический океан приходит за доли секунды, а время различается на 5-6 часов. Или расписание поездов даже в пределах Англии по солнечным часам различных городов – превращается в кошмар.
Поэтому решили поискать чего-нибудь более равномерного.
- Вот хорошо было бы… если бы земля вращалась вокруг солнца по окружности – скорость постоянная. Но если заменять настоящий эллипс на окружность, получаем только 4 точки точного совпадения.
- Вот хорошо было бы, если бы солнце вращалось в плоскости небесного экватора… Тени бы перемещались строго в направлении восток-запад. И это имеет место 2 раза в год – в дни равноденствий.
Два равномерных ритма так бы хорошо подошли для навигации и для транспорта. Да и часы с равномерным ходом гораздо проще сделать, чем экспериментировать с эксцентричными эллиптическими шестернями. И равномерное виртуальное время проще пересчитывать в равномерное звёздное.
Ну, раз всем хорошо, то так и сделали. :-) Смоделировали равномерное движение (по окружности) и в плоскости небесного экватора условной точки. Назвали это время средним солнечным временем. Красота. В сутках ровно 24 равномерных часа. Равномерное движение условной точки – облегчает астрономические расчёты. Часы с равномерным ходом делать проще.
Правда это среднее время в каждый конкретный момент отличается от истинного солнечного. Но если потребуется по средним часам узнать солнечный час, можно воспользоваться графиком на год, который даёт поправку на любой день. И отражают правило:
Истинное солнечное время = среднему времени + поправка.
Сразу стоит обратить внимание, что этот график просто так не подходит для солнечных часов. Потому, что солнечные часы СРАЗУ показывают истинное солнечное время. Для получения среднего времени по показаниям солнечных часов надо вышеупомянутую формулу переписать в виде: среднее время = истинное время – поправка. То есть поправку надо ОТНИМАТЬ от солнечного времени. Или перерисовать график в зеркальном отражении. Стоит всегда внимательно читать подпись к графику, какое время даёт поправка из графика. По этому поводу путаница даже в справочниках и экциклопедиях.
Потому, что по разному определялась вышеупомянутая поправка.
До 1834 г. все события в морских ежегодниках указывались по СОЛНЕЧНОМУ времени. Потому, что основными часами на корабле были солнечные.
К 1834 году точные морские хронометры идущие по СРЕДНЕМУ времени стали уже правилом хорошего тона. И после этой даты все события в морских ежегодниках стали указываться по СРЕДНЕМУ времени.
Соответственно по разному указывалась поправка уравнения времени ДО и ПОСЛЕ упомянутой даты.
Как видно – 4 раза в год среднее время совпадает с солнечным (пересекает линию 0 на графике). Но это не памятные даты типа 21 марта, 22 июня, 23 сентября или 22 декабря.
В повседневной жизни, работе транспорта – эти переводы не нужны. Но тоже до определённых пределов. На территории Великобритании поезда ещё могут ходить без особых проблем по лондонскому времени.
А вот на территории России… «В Москве 15часов, в Петропавловске Камчатском – полночь…». До октября 17 года обходились тем, что было на всей железнодорожной сети – Питерское время, а в каждом конкретном городе – местное среднее солнечное - согласно широте расположения. Так и говорили – станционное время и городское.
После 18 года решили присоединиться к международным соглашениям и устанавливать не любое местное время, а только 24 возможных часа в мировом масштабе (и 9 в масштабах России).
Суть этого международного соглашения – разделить землю условно на 24 часовых пояса, по 15 градусов. В пределах 1 пояса – время на всех часах одинаковое, в соседнем поясе отличается ровно на час.
Но в свете последующих реформ и эта строгая и логичная система не устояла… Но об этом в другой раз.
А ещё про то, когда нужно солнечное время. Нужно – в навигации. Когда определяя высоту солнца – хотят получить свои координаты в море. Измеряя высоту солнца , в частности местный полдень – мы определяем солнечное время . Чтобы определить долготу надо знать в этот же момент Гринвичское время. Чтобы сравнить с местным и вычислить долготу. Но в Гривиче часы идут по среднему времени. Поэтому определенное по солнцу истинное солнечное время с помощью графика уравнения времени переводят в среднее местное время. После этого время в одних единицах сравнивают с Гринвичским. И получают долготу.
Иногда график уравнения времени рисуют в более изящном и более информативном виде:
На таком графике кроме поправки уравнения времени видно и склонение солнца на каждый день. Кроме того видно что знак поправки противоположный тому, какой даёт упомянутый выше график в виде синусоиды. Этот график можно сразу рисовать на солнечных часах. Правило на графике недвусмысленно указывает:
Поправку прибавлять к истинному солнечному времени для получения истинного.
Можно ещё такое мнемоническое правило:
Это, чтобы определить с каким типом графика Вы имеете дело в книге или справочнике.
Более подробно смысл этого правила. Свидание в 12 часов дня по солнечным часам 14 февраля. Поправка уравнения времени -14 минут. Значит среднее время в этот момент только 11.46. И придётся наблюдать солнечные часы ещё долгих 14 минут, пока 12 дня покажут часы девушки по среднему времени.
Если посмотреть этот график в восьмёркой в крупном масштабе
То можно увидеть 4 периода, когда цифра уравнения времени меняется очень медленно, меньше минуты за 3 недели:
В приблизительных расчётах, для аварийных ситуаций - в эти периоды можно считать поправку уравнения времени постоянной.
Кроме того на этом графике видны 4 даты, в близи которых поправка уравнения времени равна нулю. И её не нужно учитывать в расчётах:
При точных расчётах учитывают, что поправка уравнения времени меняется непрерывно даже в течение дня.
«ВБЛИЗИ» упомянутых дат надо понимать в том смысле, что этот график следовало бы каждый год в високосном цикле из 4 лет сдвигать на 6 часов. И в високосном году до 29 февраля ошибка набегает в 1 день. Поэтому график построен усреднённым, дающим минимальную возможную ошибку в любом из 4 лет високосного цикла. Графики повышенной точности надо было бы строить на каждый год цикла и пользоваться четырьмя последовательно.
На наблюдениях суточного вращения небесного свода и годичного движения Солнца, т.е. на вращении Земли вокруг оси и на обращении Земли вокруг Солнца, основано измерение времени.
Вращение Земли вокруг оси происходит почти равномерно, с периодом, равным периоду вращения небесного свода, который достаточно точно может быть определен из наблюдений. Поэтому по углу поворота Земли от некоторого начального положения можно судить о протекшем времени. За начальное положение Земли принимается момент прохождения плоскости земного меридиана места наблюдения через избранную точку на небе, или, что одно и то же, момент верхней (или нижней) кульминации этой точки на данном меридиане.
Продолжительность основной единицы времени, называемой сутками, зависит от избранной точки на небе. В астрономии за такие точки принимаются: а) точка весеннего равноденствия; б) центр видимого диска Солнца (истинное Солнце); в) «среднее солнце» - фиктивная точка , положение которой на небе может быть вычислено теоретически для любого момента времени.
Определяемые этими точками три различные единицы времени называются соответственно звездными, истинными солнечными и средними солнечными сутками , а время, ими измеряемое, - звездным, истинным солнечным и средним солнечным временем .
Тропическим годом называется промежуток времени между двумя последовательными прохождениями центра истинного Солнца через точку весеннего равноденствия.
3.2. Звездные сутки. Звездное время
Промежуток времени между двумя последовательными одноименными кульминациями точки весеннего равноденствия на одном и том же географическом меридиане называется звездными сутками.
За начало звездных суток на данном меридиане принимается момент верхней кульминации точки весеннего равноденствия.
Угол, на который Земля повернется от момента верхней кульминации точки весеннего равноденствия до какого-нибудь другого момента, равен часовому углу точки весеннего равноденствия в этот момент. Следовательно, звездное время s на данном меридиане в любой момент численно равно часовому углу точки весеннего равноденствия t , выраженному в часовой мере, т.е.
s = t 
.
(1.14)
Точка весеннего
равноденствия на небе ничем не отмечена.
Непосредственно измерить ее часовой
угол или заметить момент прохождения
ее через меридиан нельзя. Поэтому
практически для установления начала
звездных суток или звездного времени
в какой-либо момент надо измерить часовой
угол t какого-либо светила М, прямое
восхождение которого
известно (рис. 12).
Тогда, поскольку
t = Qm
=
m,
а часовой угол точки весеннего
равноденствия t 
= Q
и, по определению, равен звездному
времени s,
s = t 
=
+t,
(1.15)
т.е. звездное время в любой момент равно прямому восхождению какого-либо светила плюс его часовой угол.
В момент верхней кульминации светила его часовой угол t = 0, и тогда
s =
.
(1.16)
В момент нижней кульминации светила его часовой угол t = 12h, и звездное время
s =
+12h.
(1.17)
Измерение времени
звездными сутками и их долями наиболее
просто и поэтому весьма выгодно при
решении многих астрономических задач.
Но в повседневной жизни пользоваться
звездным временем крайне неудобно.
Повседневный распорядок жизни человека
связан с видимым положением Солнца над
горизонтом, с его восходом, кульминацией
и заходом, а не с положением фиктивной
точки весеннего равноденствия. А так
как взаимное расположение Солнца и
точки весеннего равноденствия в течение
года непрерывно меняется, то, например,
верхняя кульминация Солнца (полдень) в
разные дни года происходит в разные
моменты звездных суток. Действительно,
только раз в году, когда Солнце проходит
через точку весеннего равноденствия,
т.е. когда его прямое восхождение
= 0h, оно будет кульминировать вместе с
точкой весеннего равноденствия в
полдень, в 0h звездного времени. Через
одни звездные сутки точка весеннего
равноденствия снова будет находиться
в верхней кульминации, а Солнце придет
на меридиан приблизительно лишь через
4 минуты, так как за одни звездные сутки
оно сместится к востоку относительно
точки весеннего равноденствия почти
на 1°, и его прямое восхождение будет
уже равно
=0h4m.
Еще через одни звездные сутки прямое
восхождение Солнца снова увеличится
на 4m, т.е. полдень наступит уже приблизительно
в 0h8m по звездному времени и т.д. Таким
образом, звездное время кульминации
Солнца непрерывно растет, и полдень
наступает в различные моменты звездных
суток. Неудобство совершенно очевидное.
Направление движения и скорости вращения
Вращение Земли происходит с запада на восток. При наблюдении с Полярной звезды или северного полюса эклиптики, вращение Земли происходит против часовой стрелки.
В соответствии со вторым законом Кеплера, орбитальная скорость обратно пропорциональна радиус-вектору. Поэтому скорость движения Земли по орбите также не постоянна, а изменяется от 29,5 км/с в афелии (июль) до 30,3 км/с в перигелии (январь). Соответственно, и расстояние от осеннего до весеннего равноденствия на орбите Земля проходит быстрее, чем противоположную, летнюю часть, а весна и лето в Северном полушарии на 6 суток продолжительнее осени и зимы.
Угловая скорость вращения Земли: Поскольку Земля относительно далёких звёзд, принимаемых за инерциальную систему отсчёта, делает полный оборот за звёздные, а не за солнечные сутки, то при вычислении угловой скорости вращения Земли следует брать именно эту величину:
Знать угловую скорость вращения Земли бывает необходимо при расчёте сил инерции (центробежной, Кориолиса), что требуется при решении задач гидрологии, метеорологии, баллистики, а также космонавтики. Приняв период вращения земли за 86400 секунд, мы сделали бы ошибку в 0,3%, что могло бы стать решающим при ведении артиллерийской стрельбы.
Солнечные и звёздные сутки
Вся наша жизнь связана со временем и в конечном итоге регулируется периодической сменой дня и ночи, а также времен года. На этих природных повторяющихся базируются основные единицы измерения времени - сутки, месяц, год. Основная величина для измерения времени связана с периодом полного обращения земного шара вокруг своей оси.
Момент верхней кульминации центра Солнца называется истинным полднем, а нижней - истинной полночью. Промежуток времени между двумя последовательными одноименными кульминациями центра Солнца называется истинными солнечными сутками.
Рис.5. Объяснение причин изменения длительности истинных солнечных суток
Необходимо отметить, что истинные солнечные сутки периодически меняют свою продолжительность. Это вызывается двумя причинами: во-первых, наклоном плоскости эклиптики к плоскости небесного экватора, во-вторых, эллиптической формой орбиты Земли. Когда Земля находится на участке эллипса, расположенном ближе к Солнцу (на рис.5 это положение показано слева), то она движется быстрее. Через полгода Земля окажется в противоположной части эллипса и будет перемещаться по орбите медленнее. Неравномерное движение Земли по своей орбите вызывает неравномерное видимое перемещение по небесной сфере Солнца, т. е. в разное время года Солнце перемещается с различной скоростью. Поэтому продолжительность истинных солнечных суток постоянно меняется.
В результате к продолжительности истинных солнечных суток добавляется синусоидальный член с амплитудой 9,8 мин. и периодом в полгода. Есть и другие периодические эффекты, вносящие вклад в длину истинных солнечных суток и зависящие от времени, но они невелики (возмущения от Луны и планет и т. д.).
Вследствие неравномерности истинных солнечных суток пользоваться ими в качестве единицы для измерения времени неудобно. По этой причине в повседневной жизни используются не истинные, а средние солнечные сутки, продолжительность которых принята постоянной.
Что такое средние солнечные сутки? Вообразим точку, которая в течение года совершает один полный оборот вокруг Земли за такое же время, как и Солнце, но при этом перемещается равномерно и по небесному экватору, а не по эклиптике. Назовем такую воображаемую точку средним Солнцем. Верхнюю кульминацию среднего Солнца называют средним полднем, а промежуток времени между двумя последовательными средними полднями - средними солнечными сутками. Продолжительность их всегда одинакова. Средние солнечные сутки делят на 24 часа. Каждый час среднего солнечного времени в свою очередь делится на 60 минут, а каждая минута - на 60 секунд среднего солнечного времени. За начало средних солнечных суток принимается средняя полночь, т. е. момент нижней кульминации воображаемой точки небесной сферы, называемой средним Солнцем. Время, протекшее от момента нижней кульминации среднего экваториального Солнца до любого другого его положения на одном и том же географическом меридиане, называется средним солнечным временем (Т ср).
Разность между средним солнечным временем и истинным солнечным временем в один и тот же момент называется уравнением времени. Оно обозначается греческой буквой n. Тогда можно записать следующее равенство:
n = Тср - Т0
Величина уравнения времени n обычно приводится в астрономических календарях и ежегодниках. Приблизительно ее можно найти по графику (рис.6), из которого также видно, что четыре раза в год уравнение времени n равно нулю. Это происходит примерно 14 апреля, 14 июня, 1 сентября и 24 декабря. Уравнение времени n принимает наибольшие численные значения около 12 февраля (n = +14 мин) и 3 ноября (n = -16 мин).
Рис.6
Звёздные сутки - период вращения какого-либо небесного тела относительно звёзд вокруг собственной оси.
Звёздные сутки - промежуток времени, за который Земля совершает один оборот вокруг своей оси по отношению к далёким звёздам. На 2000-й год равны 23ч56мин4,090530833сек = 86164,090530833 с.
Звёздные сутки делятся на звёздные часы, минуты и секунды. Звёздные сутки на 3 мин 56 с. короче средних солнечных суток, звёздный час короче общепринятого на 9.86 с. Как единица времени употребляются в редких случаях при организации астрономических наблюдений.
Часовой угол точки весеннего равноденствия равен нулю в момент её верхней кульминации. Полный оборот точки весеннего равноденствия, как и любой другой точки небесной сферы (так называемые звёздные сутки, или «24 часа звёздного времени») происходит за 23 час 56 мин 04 сек. среднего солнечного времени. В году содержится звёздных суток ровно на одни больше, чем средних солнечных. Продолжительность звёздных суток слегка меняется вследствие нутации и движения полюсов (т.е. покачивания Земли относительно её оси вращения), а также из-за неравномерности вращения Земли вокруг оси. Эти изменения составляют менее 0.001 с.
В этой книге спрятано 99 секретов астрономии. Откройте ее и узнайте о том, как устроена Вселенная, из чего состоит космическая пыль и откуда берутся черные дыры.
Забавные и простые тексты расскажут о самых интересных астрономических явлениях и законах.
Да здравствует наука БЕЗ занудства и непонятных терминов!
Книга:
№ 1 И дольше года длится день… Звездные и солнечные сутки
| <<< Назад
|
Вперед >>>
|
И дольше года длится день… Звездные и солнечные сутки
Такие обыденные понятия, как часы, минуты, сутки и календарь, имеют самое прямое отношение к астрономии. Они связаны с движением Земли вокруг Солнца и с вращением нашей планеты вокруг своей оси. Итак, что такое день или сутки? С астрономической точки зрения сутки - это время, за которое планета совершает один оборот вокруг своей оси. Земля делает это приблизительно за 23 часа 56 минут и 4 секунды. Но в наших привычных сутках ровно 24 часа! Давайте разберемся почему.
Определить, что Земля сделала полный оборот вокруг оси, можно по звездам. В течение суток звезды движутся относительно земного наблюдателя, и промежуток времени между двумя одинаковыми положениями звезды называют звездными сутками. Наша главная звезда - Солнце, по ней и определяются наши сутки. За точку отсчета приняли положение Солнца в полдень, в зените. Это начало и конец солнечных суток.
Надо отметить, что Земля движется вокруг Солнца неравномерно; когда она находится в самой удаленной точке орбиты, ее движение замедляется. Другая причина неравномерного движения планеты - наклон земной оси относительно орбиты. И это далеко не все факторы, влияющие на продолжительность суток. В быту эти поправки значения не имеют, они бы только всех запутали, поэтому астрономы приняли за солнечные сутки стандартную величину - 24 часа.
Земля вращается не только вокруг своей оси, но и вокруг Солнца, и этот оборот занимает у нее 365 суток, или один год.
На других планетах все иначе. К примеру, на Венере год длится 224 земных дня, а сутки - 243. То есть венерианский день длиннее венерианского года! Год на Меркурии всего в полтора раза длиннее суток, вокруг Солнца эта маленькая планета оборачивается за 88 дней, вокруг своей оси - за 58.