ЗЕМНОЕ ВРЕМЯ И ЕГО ИСПОЛЬЗОВАНИЕ В РЕШЕНИИ ЗАДАЧ АСТРОМЕТРИИ Корнейч

ЗЕМНОЕ ВРЕМЯ И ЕГО ИСПОЛЬЗОВАНИЕ В РЕШЕНИИ ЗАДАЧ
АСТРОМЕТРИИ
Корнейчук М.А. , Андреева Н В.
БГТУ имени В.Г. Шухова
Белгород, Россия
EARTH TIME AND ITS USE IN SOLVING PROBLEMS ASTROMETRY
Korneychuk M.A., Andreeva N.V.
BSTU behalf V.G. Shukhov
Belgorod, Russia
Квазиравномерное всемирное время лишь на протяжении года или нескольких лет можно
для практических целей считать достаточно равномерным. В интервале нескольких
десятилетий равномерность этой шкалы времени будет нарушена вследствие вековых и
нерегулярных измерений скорости вращения Земли. Геодезистам и астрономам
необходимо строго равномерное время, которым можно длительно пользоваться для
предвычисления координат звезд и других небесных тел. Таблицы таких координат
называют эфемеридами.
В 1950 г. в Париже состоялась Международная конференция по фундаментальным
астрономическим постоянным. Конференция по инициативе американского астронома
Г.М.
Клеменса
рекомендовала
к
внедрению
систему
эфе-меридного
времени.
Эфемеридное время — равномерно текущее время для предвычисления координат светил
при составлении эфемерид. Система эфемеридного времени определялась гравитационной
теорией годичного движения Земли по орбите вокруг Солнца.
Тропический год — величина не постоянная. Продолжительность его уменьшается на
0,5s за 100 лет. Решением Международного астрономического союза (MAC) в 1956 г.
за единицу измерения времени была принята дробная часть тропического года —
эфемеридная секунда. Эфемеридная секунда равна 1: 31 556 925,9747 части тропического
года, отнесенная к 12 часам эфемеридного времени нулевого и и каря 1900 г. (0 января —
это 31 декабря предыдущего года). От указанного момента ведется счет равномерно
текущего
времени.
Начиная с 1960 г., эфемеридное время было введено в
астрономических ежегодниках (АЕ) для составления эфемерид.
Всемирное время М измеряется часовым углом среднего Солнца на меридиане Гринвича.
В силу неравномерности вращения Земли этот меридиан будет замедлять (при вамедлении
вращения планеты) или убыстрять (при ускорении вращения Земли) свое движение.
Понимание эфемеридного времени значительно облегчается, если ввести в рассмотрение
вспомогательный (воображаемый) меридиан, непрерывно и равномерно (независимо от
истинной скорости движения Земли) вращающийся с той угловой скоростью, которую
имел гринвичский меридиан в момент 1900,0. Один полный оборот он совершает за одни
эфемеридные Оутки. Назовем этот
вспомогательный меридиан эфемерид-ми м
меридианом. В начальный момент эфемеридный меридиан совпадал с меридианом
Гринвича, а затем, вследствие векового замедления скорости вращения Земли, они
разошлись. Так как Земля вращается с запада на восток, то эфемеридный меридиан
располагается к востоку от Гринвича. Долгота эфемеридного меридиана ДГ относительно
меридиана Гринвича включает в cебя эффект всех неравномерностей истинного вращения
Земли. Поэтому эфемеридное время строго равномерно и не связано с суточным
вращением Земли.
По решению XVII Генеральной ассамблеи MAC в Монреале в 1979 г.в АЕ в качестве
основного аргумента видимых геоцентрических эфемерид с 1986 г. был введен аргумент
"земное динамическое время», шкала которого определяется как аргумент динамических
теорий движения Солнца, Луны и планет Солнечной системы. Единицей этой шкалы
являются сутки, содержащие 86 400 атомных секунд. Земное динамическое время по
своему физическому содержанию совпадает с эфемеридным временем, так что попрежнему можно пользоваться определением «эфемеридный». Например, эфемеридная
долгота, отсчитываемая от равномерно вращающегося эфемеридного меридиана. Это
обеспечивает преемственность со шкалой эфемеридного времени как прежнего аргумента
астрономических эфемерид. Земное динамическое время применялось в ежегодниках по
2003 г. включительно. Потом, согласно рекомендации XXIV Генеральной ассамблеи MAC
(Манчестер, 2000), начиная с АЕ выпуска 2004 г., для фиксации астрономических
наблюдений, выполняемых с поверхности Земли, в качестве аргумента видимых эфемерид
введен аргумент «земное время», который можно рассматривать как эквивалент шкалы
земного динамического времени.
Земное время М* — равномерно текущее время, измеряемое относительно эфемеридного
меридиана
геоцентрическим
часовым
углом
динамического
среднего
Солнца,
увеличенным на 12 ч. Оно применяется при предвычислении координат светил (при
составлении эфемерид)[2].
Земная поверхность условно поделена на 24 часовых пояса, в которых время принимается
равным времени центрального меридиана, проходящего через середину пояса. В
густонаселенных районах границы поясов смещены от меридианов в сторону
административных границ и границ государств.
Прежде всего, для измерения времени нужен периодически повторяющийся процесс или
явление. В периоде легче всего наблюдать три таких явления: смена дня и ночи, смена фаз
Луны и смена времен года. Периоды повторения этих явлений и лежат в основе трех
основных единиц измерения времени – это соответственно сутки, синодический лунный
месяц и год. Звездные сутки определяются как интервал времени между двумя
последовательными
верхними
кульминациями
точки
весеннего
равноденствия.
Равномерность звездного времени определяется только равномерностью вращения Земли,
о чем будет рассказано ниже. Однако для повседневной жизни звездное время
непригодно, так Солнце смещается по эклиптике, из-за чего время верхней кульминации
точки весеннего равноденствия в течение года смещается относительно времени верхней
кульминации Солнца и поэтому бывает в разное время суток, а звездные сутки короче
солнечных на 3м 56с.55. Для выражения меньших промежутков времени звездные сутки
делят на 24 звездных часа, час - на 60 звездных минут, минуту - на 60 звездных секунд.
Поскольку небесная сфера совершает полный оборот за 1 звездные сутки, то за 1 звездный
час она поворачивается на 15o, за минуту - на 15', за секунду - на 15". Как уже
упоминалось, прямое восхождения светила α и его часовой угол t связаны со звездным
временем s простым соотношением: s = α + t.
В отличие от звездного времени, солнечное соответствует требованиям повседневной
жизни, но определить его гораздо сложнее. Истинное солнечное время определяют как
часовой угол Солнца и истинных солнечных суток как промежутка времени между двумя
истинными полуднями. Однако поскольку земная орбита - эллипс, то вблизи перигелия (в
начале января) скорость Земли максимальна и за истинные солнечные сутки она
смещается на 61'.1 по отношению к направлению на Солнце, вблизи афелия (в начале
июля) - всего на 57'.2. Поэтому истинные солнечные сутки зимой длиннее, а летом короче. Неравномерность истинных солнечных суток вследствие эллиптичности земной
орбиты можно представить синусоидой с амплитудой 7.6 минут и начальной фазой в
перигелии 4 января [8].
В первом часовом поясе поясное время на один час впереди времени нулевого пояса, или
среднего солнечного времени гринвичского меридиана (GMT, Greenvirch mean time), во
втором поясе − впереди на два часа и т.п. В 1925 г. GMT было переименовано и стало
называться время всемирное, мировое, или гринвичское (UT, universal time или WZ,
Weltzeit). Хранение времени связано с учетом поправок на ряд эффектов, вносящих
нерегулярность.
Исходное гринвичское время UT после учета малых перемещений полюсов Земли
становится
средним
временем
UT1
для
множества
обсерваторий,
равномерно
распределенных по земной поверхности.
Время UT2 учитывает постоянную составляющую изменения скорости вращения Земли
на протяжении года.
Время UT3 учитывает воздействия гравитационных возмущений со стороны Луны и
планет через поправку на основную их составляющую.
Различия между этими четырьмя временами незначительны:
|UT1−UT| < 30 миллисекунд,
|UT2−UT1|< 60 миллисекунд
|UT3−UT2|< 4 миллисекунд.
Однако случайные вариации скорости вращения Земли и ее очень медленное уменьшение
под действием приливного трения не позволяют построить на основе всемирного времени
равномерную шкалу[7].
Исторически в астрономии сложились следующие системы счета времени:
— системы звездного времени и солнечного (всемирного) времени, основанные на
явлении суточного (осевого) вращения Земли;
—
система
эфемеридного
времени,
определяемая
независимой
переменной
дифференциальных уравнений небесной механики, на которых основаны чисто
гравитационные теории гелиоцентрического движения тел Солнечной системы в рамках
ньютоновой динамики; мера эфемеридного времени определена периодом движения
Земли по гелиоцентрической орбите;
— системы барицентрического и земного динамического времени, которые определены
релятивистскими теориями барицентрического (отнесенного к центру масс системы)
движения тел Солнечной системы;
— система атомного времени, основанная на процессе генерации электромагнитных
колебаний при квантовых переходах в атомах и молекулах; мера атомного времени
связана с частотой этих колебаний в определенных атомах и молекулах при переходе
между определенными квантовомеханическими (энергетическими) уровнями.
Эфемеридное время ET
Системы звездного и всемирного времени, связанные с явлением суточного вращения
небесной сферы, точно отражающим неравномерное вращение Земли вокруг ее оси,
определяют неравномерные шкалы времени: и звездная секунда, и средняя секунда,
равные 1/86400 части соответствующих суток, неодинаковы во времени и непригодны как
основные единицы времени. Неравномерности в скорости суточного вращения Земли
вызваны, в основном, следующими явлениями:
а) Непредсказуемым изменением положения земной оси вращения в теле Земли,
называемым свободной, или Эйлеровой нутацией и проявляющимся в перемещении
земных полюсов.
б) Сезонными вариациями угловой скорости суточного вращения Земли, обусловленными
метеорологическими причинами.
в) Вековым замедлением вращения Земли, вызванным рассеянием энергии земного
вращения из-за приливного трения.
г) Флуктуациями в угловой скорости Земли, которые, возможно, связаны с солнечной
активностью.
Поэтому возникла необходимость ввести новую шкалу времени, определяемую
ньютоновой динамикой гелиоцентрических орбитальных движений тел Солнечной
системы;
она
представляет
шкалу
независимой
переменной,
фигурирующей
в
дифференциальных уравнениях, лежащих в основе гравитационных теорий движения этих
небесных тел.
Из-за неравномерности суточного вращения Земли наблюдаемые положения небесных тел
являются функциями неравномерного всемирного времени, тогда как вычисления на
основе гравитационных теорий движения в рамках ньютоновой динамики дают
теоретические положения в функции равномерного эфемеридного времени. Поэтому в
любой момент времени наблюдения, фиксируемый в системе всемирного времени UT,
наблюденные координаты небесного объекта будут отличаться от теоретических
координат и тем больше, чем быстрее суточное движение этого объекта, в соответствии с
изменением координат за промежуток времени ∆T между моментом наблюдения в
системе UT и моментом эфемериды, дающей теоретические координаты, в системе
эфемеридного времени. Величина ∆T называется поправкой за эфемеридное время и
всегда имеет смысл:
∆T = ET − UT.
Эта поправка на практике определяется по наблюдениям Луны.
На практике из обработки астрономических наблюдений звезд непосредственно
получается всемирное время, обозначаемое UT0. Наблюдения обсерваторий определяют
также движение северного полюса Земли, т.е. величину и направление смещения
мгновенного полюса относительно принятого среднего положения полюса. Введение
соответствующей поправки в наблюденное все мирное время UT0 и дает систему
всемирного времени UT (или UT1), которая составляет основу измерения времени в
повседневной жизни[3].
Атомное время AT
Прогресс, достигнутый в области квантовой радиофизики, радиоспектроскопии и
квантовой электроники, обусловил возможность создания новых эталонов частоты,
основанных
на
естественном,
повторяющемся
с
большой
степенью
точности
колебательном процессе, который происходит при резонансных переходах атомов и
молекул из одного энергетического состояния в другое при определенных условиях.
Сочетание высокостабильных атомных и молекулярных эталонов частоты с кварцевыми
часами высокой точности дает атомные часы, определяющие шкалу атомного времени
AT. Система атомного времени характеризуется весьма большой степенью равномерности
на продолжительных промежутках времени и совершенно не зависит ни от суточного
вращения Земли, ни от теории движения тел Солнечной системы. Таким образом, каждая
шкала системы атомного времени определяется конкретным атомным (молекулярным)
эталоном частоты, стабилизирующим частоту конкретных кварцевых часов, т.е.
конкретным комплектом атомных часов.
За единицу измерения времени в системе AT принимают атомную секунду, определяемую
как промежуток времени, в течении которого совершается 9192631770 колебаний,
соответствующих частоте излучения, поглощаемого атомом цезия Cs133 при резонансном
переходе между энергетическими уровнями сверхтонкой структуры определенного
основного состояния с определенными квантовыми магнитными числами при отсутствии
возмущений от внешних магнитных полей.
Различные шкалы атомного времени отличаются своими нуль-пунктами; разности
нуль-пунктов не сохраняют постоянных значений из-за случайных и систематических
погрешностей
соответствующих эталонов
частоты.
Для
повышения
надежности
измерения и хранения времени формируются средние, или интегрированные шкалы
времени. Одна из таких шкал — Международное атомное время TAI — устанавливается
Международным бюро времени на основе показаний атомных часов, размещенных по
всему миру. В 2001 году в формировании шкалы TAI участвовали примерно 200 часов.
Всемирное координированное время UTC
В
1964
году
была
введена
система
всемирного
согласованного
времени
(координированного времени) UTC, связанная не с суточным вращением Земли, а с
системой атомного времени TAI и достаточно близкая к системе всемирного времени UT.
Разность показаний часов в системе UTC и одновременных показаний часов в системе
TAI выражается только целым числом секунд. Значение разности TAI-UTC с 1 января
2009 года установлено равным +34s. Разности шкал ∆UT1 всемирного времени UT1 и
времени UTC в пределах 0. s1 до 1972 года поддерживалась ступенчатыми сдвигами
радиочастоты сигналов времени. После 1972 года частотные сдвиги были отменены и
введено изменение показаний часов, работающих в системе UTC, на ±1s с тем, чтобы
разности UT1-UTC не превосходили 0.s90[5].
Местное время на разных меридианах
Время на меридиане данного пункта с долготой λ называется местным. Местное время
астроном определяет по часовому углу светила, гринвичское - по радиосигналам точного
времени.
В повседневной жизни использование местного времени неудобно, поскольку на разных
меридианах - разное местное время, даже в пределах одного города. Поэтому введена
система измерения времени по часовым поясам - поясное время Тn, где n - номер пояса. На
0
поверхности Земли выбраны 24 меридиана через 15 , с долготами λn, равными
h
h
h
соответственно 0 , 1 , ... , 23 . Эти меридианы - оси 24 часовых поясов с номерами от 0 до
23. В границах всего часового пояса показания часов ставят по времени осевого
меридиана, равного среднему солнечному времени на этом меридиане. На практике
границы часовых поясов проведены не строго по указанным долготам, а приминительно к
границам государств, а внутри стран – по административным границам и природным
образованиям – горным хребтам и большим рекам. Иначе пришлось бы делить на части
области, районы, а иногда и города. Например, большая часть Москвы попала бы в третий
пояс, а ее западные пригороды оказались бы во втором. Поэтому для удобства вся Москва
и Московская область отнесены ко второму поясу, куда так же входит Петербург и вся
западная часть России. В СССР счисление времени по часовым поясам было введено в
1919 году и на его территорию приходится 11 часовых поясов[7].
С 16 июля 1930г декретом Правительства СССР стрелки часов в нашей стране были
переведены относительно поясного времени на 1 час вперед. Такое время получило
название декретного, обозначаемого Dn. С 1980г в нашей стране введено летнее время
(прибавлением 1 часа), которое действует с последнего воскресенья марта по последнее
воскресенье октября[6].
Динамические системы времени
Любая динамическая шкала времени определяется как аргумент динамических теорий
движения Солнца, Луны и планет Солнечной системы. С 1991 года введено в
использование три основные динамические шкалы времени:
а) TCB — барицентрическое координированное время — время, которое показывают
часы, находящиеся в барицентре (центре масс) Солнечной системы.
б) TCG — геоцентрическое координатное время — время, которое показывают часы,
находящиеся в геоцентре.
в) TT — земное время — опорное время, вырабатываемое часами на Земле; его единица
измерения совпадает с атомной секундой на геоиде с определенным нормальным
геопотенциалом.
Из-за неудовлетворительности шкалы эфемеридного времени эта система была заменена в
1979 году шкалой земного динамического времени TDT. С 1991 года шкала земного
времени TT рассматривается как эквивалент шкалы TDT. Именно это время используется
при редукции наблюдений, проводимых с поверхности Земли. Эта система, тем не менее,
сохраняет непрерывную преемственность со шкалой эфемеридного времени ET. Земное
время сейчас является основным аргументом видимых геоцентрических эфемерид[1].
Одной из задач астрометрии является определение моментов времени и их связь друг с
другом и с событиями. Земное время так же связано с другими системами счета времени,
например со звездным временем.
Звездное время на нулевом меридиане называется гринвичским звездным временем. Зная
звездное время на меридиане Гринвича можно найти местное звездное время на каждом
географическом меридиане, долгота которого известна.
Таким образом, зная земное время мы можем перейти к другим системам счета времени,
чтобы решать различные астрономические задачи, такие как определение звездного
времени в различных городах, вычисление часовых углов звезд.
Литература:
1.
Блажко С.Н. Курс сферической астрономии. М.: 1954;
2.
Геодезическая астрономия применительно к решению инженерно-геодезических
задач / И.С.Пандул – СПб.: Политехника, 2010;
3.
Кононович Э.В., Мороз В.И. Общий курс астрономии: Учебное пособие / под ред.
В.В. Иванова. – М.: Едиториал УРСС, 2001;
4.
Астрономический ежегодник на 2014 год. – СПб.: Наука, 2013;
5.
Труды ИПА РАН. Вып. 10. В.А. Брумберг, Н.И. Глебова, М.В. Лукашева, А.А.
Малков, Е.В. Питьева, Л.И. Румянцева, М.Л. Свешников, М.А. Фурсенко. Расширенное
объяснение к «Астрономическому ежегоднику». – СПб.: ИПА РАН, 2004;
6.
Гиенко Е.Г., Канушин В.Ф. Геодезическая астрономия: Учебное пособие.-
Новосибирск: СГГА, 2003.- …с.
7.
http://www.chronos.msu.ru/old/TERMS/gansvind_astronomicheskoye.pdf;
8.
http://hea.iki.rssi.ru/~nik/astro/time.htm.