Просто об электротехнике, электронике, математике, физике
Просто об электротехнике, электронике, математике, физике
Категория: Астрономия

Время

В этой статье мы будем разбираться с основами измерения времени. Мы узнаем, что  сутки бывают разными: неодинаковыми по продолжительности, научимся определять звездное время, часовые углы. Научимся переводить долготу во время и наоборот.

Вопрос измерения времени решался на протяжении всей истории развития человечества. Проблема времени одна из древнейших. На первый взгляд кажется, что время является очень простым понятием. Но вместе с тем трудно себе представить более сложное понятие, чем время.
Время непрерывно течет и не может быть остановлено. На разных этапах развития науки и техники разрабатывались различные средства и способы его измерения.
Время имеет большое значение в жизни человека и всего современного общества. Измерение времени основано на вращении Земли вокруг своей оси и на обращении ее вокруг Солнца. Эти процессы непрерывно совершаются в природе и имеют достаточно постоянные периоды повторения, что позволяет использовать их в качестве естественных единиц измерения времени. Кроме указанных естественных  процессов, для измерения времени пользуются различными искусственно создаваемыми процессами, имеющими стабильный период повторения, например, колебания маятника или колебания кварцевой пластинки, помещенной в электрическое поле.

До недавнего времени считалось, что период вращения Земли строго постоянен, и поэтому предполагалось, что самые идеальные часы – это вращающаяся Земля. Ныне доказано, что скорость вращения Земли не является абсолютно постоянной. Поэтому для точного измерения времени стали использовать другие естественные процессы, постоянство периодичности которых превосходит постоянство периода вращения Земли. Такими процессами являются собственные колебания молекул и атомов некоторых веществ. С помощью молекулярных и атомных часов удается измерять время с очень высокой точностью. Применение высокоточных атомных часов позволило определить неравномерность вращения Земли.
При измерении времени астрономическими методами основными единицами являются сутки и год.
Сутками называется промежуток времени, в течение которого Земля совершает полный оборот вокруг своей оси относительно какой-нибудь точки на небесной сфере. Сутки делятся на 24 ч, час – на 60 мин, минута на 60 с, секунда –  на десятые, сотые и более мелкие доли. Для измерения больших промежутков времени служит другая единица – тропический год, соответствующий периоду обращения Земли вокруг Солнца.
В астрономии применяются три различных единицы измерения времени: звездные, истинные солнечные и средние солнечные сутки. Время, измеряемое этими единицами, называется соответственно звездным, истинным солнечным и средним солнечным временем.
Продолжительность суток зависит от того, относительно какой точки на небесной сфере определяется период вращения Земли вокруг своей оси. За точки, по которым определяется продолжительность суток, принимаются: точка весеннего равноденствия, центр истинного или центр среднего Солнца. За начало суток принимается момент верхней (или нижней) кульминации избранной точки на данном меридиане. Название времени принято давать в зависимости от названия меридиана, на котором оно определяется, и названия точки, выбранной для определения периода вращения Земли. Например, местное звездное время, гринвичское истинное солнечное время.
Рассмотрим подробней единицы измерения времени, применяемые в астрономии.

Звездное время.
Определять звездное время принято по точке весеннего равноденствия. Промежуток времени между двумя последовательными верхними кульминациями точки весеннего равноденствия на одном и том же меридиане называется звездными сутками. За начало звездных суток на данном меридиане принимается момент верхней кульминации точки весеннего равноденствия.

Рисунок 1

Звездное время измеряется часовым углом точки весеннего равноденствия. В момент начала звездных суток точка весеннего равноденствия находится в верхней кульминации и поэтому ее часовой угол равен 0. Так как Земля непрерывно вращается вокруг своей оси, то с течением времени часовой угол будет увеличиваться и по его значению можно судить о протекшем времени. Таким образом,  звездным временем  называется западный часовой угол точки весеннего равноденствия. Следовательно, звездное время на данном меридиане в любой момент численно равно часовому углу точки весеннего равноденствия, т. е. .
Рассматривая звездное время, следует иметь в виду, что точка весеннего равноденствия находится на бесконечно большом расстоянии и поэтому движение Земли по орбите не изменяет ее видимого положения на небесной сфере. Период вращения Земли относительно точки весеннего равноденствия остается неизменным. Поэтому звездные сутки имеют постоянную продолжительность.
Для гринвичского меридиана оно дано в астрономическом ежегоднике на каждый час времени соответствующей даты. Пользоваться звездным временем неудобно, так как оно не связано с Солнцем, относительно которого строится распорядок жизни людей. Взаимное положение Солнца и точки весеннего равноденствия в течение года непрерывно меняется. Двигаясь по эклиптике, Солнце за сутки смещается относительно точки весеннего равноденствия почти на .

Рисунок 2

Вследствие этого  звездные сутки короче солнечных  на 3 мин 56 с и их начало в течение года приходится на различное время дня и ночи. Солнце только раз в году кульминирует вместе с точкой весеннего равноденствия в полдень в ноль часов звездного времени. Это бывает тогда, когда Солнце проходит через точку весеннего равноденствия, т.е. когда его прямое восхождение равно 0. Через одни звездные сутки точка весеннего равноденствия снова будет находиться в верхней кульминации, а кульминация Солнца наступит примерно лишь через 4 мин, так как за одни звездные сутки оно сместится к востоку относительно точки весеннего равноденствия примерно на . Еще через одни звездные сутки кульминация Солнца наступит уже приблизительно через 8 мин после начала звездных суток. Таким образом, время кульминации Солнца непрерывно увеличивается.

За месяц звездное время кульминации увеличится примерно на 2 ч, а за год – на 24 ч. Следовательно, ноль часов звездного времени приходится на разное время солнечных суток, что затрудняет пользование звездным временем в повседневной жизни.
Зависимость между звездным временем, часовым углом и прямым восхождением светила.

Измерить часовой угол точки весеннего равноденствия или заметить момент прохождения ее через меридиан наблюдателя невозможно, так как она является воображаемой и на небесной сфере не видна. Следовательно, непосредственно определить звездное время по точке весеннего равноденствия нельзя. Поэтому практически определение начала звездных суток и звездного времени в любой момент производят по какой-либо звезде, прямое восхождение которой известно. Зная прямое восхождение звезды и измерив ее часовой угол, можно определить звездное время. Между звездным временем, часовым углом и прямым восхождением светила имеется зависимость, которую через координаты звезды можно записать в виде

   

Звездное время в любой момент равно сумме часового угла звезды и ее прямого восхождения. Обычно в астрономических обсерваториях звездные часы проверяют по кульминирующей звезде. Поскольку в этот момент часовой угол звезды равен нулю, то звездное время будет соответствовать прямому восхождению данной звезды, т. е.

   

   

Истинное солнечное время.

Истинное солнечное время связано с движением истинного Солнца. В качестве единицы измерения времени приняты истинные солнечные сутки. Из практических соображений условились за начало истинных солнечных суток на данном меридиане считать момент нижней кульминации истинного Солнца, т. в момент средней полуночи.

Рисунок 3

Это вызвано тем, что начало суток удобнее считать не с полудня, а с полуночи. В противном случае пришлось бы изменять дату среди дня. Промежуток времени между двумя последовательными нижними кульминациями центра видимого диска истинного Солнца на одном и том же меридиане называется истинными солнечными сутками. В момент нижней кульминации истинного Солнца его часовой угол равен , а истинное солнечное время равно 0. Вследствие вращения Земли часовой угол будет увеличиваться и по его изменению можно судить о времени нижней кульминации истинного Солнца. Таким образом, истинным солнечным временем  называется время, протекшее от момента нижней кульминации истинного Солнца до любого другого его положения и выраженное в долях истинных солнечных суток. Истинное солнечное время на данном меридиане в любой момент численно равно часовому углу истинного Солнца , выраженному во времени, и измененному на 12 ч, т. е. ч.

Если Солнце не закрыто облаками, то можно непосредственно измерить его часовой угол и затем рассчитать истинное солнечное время. В момент верхней кульминации (в истинный полдень) и, следовательно, истинное солнечное время равно ч.

Как видно из этого, измерять время истинными солнечными сутками просто. Истинное солнечное время согласуется с условиями естественного освещения, но все же пользоваться им в повседневной жизни так же неудобно,  как и звездными.  Сложность применения этого времени в повседневной жизни состоит в том, что продолжительность истинных солнечных суток в течение года меняется. И хотя это изменение невелико, учесть его практически нельзя, так как для этого нужно было бы ежедневно регулировать часы, чтобы они показывали истинное время.
Истинные солнечные сутки изменяют свою продолжительность в течение года по двум причинам. Первая причина состоит в том, что неравномерное движение Земли по орбите вокруг Солнца определяет неравномерность видимого движения Солнца по эклиптике. В летнее время оно движется медленнее, чем в зимнее. Поэтому истинные солнечные сутки длиннее зимой, а короче летом. Максимальная разница в продолжительности истинных солнечных суток составляет примерно 51 с.
Вторая причина изменения продолжительности истинных солнечных суток заключается в том, что Солнце движется не по небесному экватору, в плоскости которого ведется отсчет часовых углов, а по эклиптике, значительно наклоненной к небесному экватору. Поэтому даже если бы Солнце перемещалось по эклиптике равномерно, то и тогда бы продолжительность истинных солнечных суток была бы неодинаковой. Равные дуги эклиптики, спроектированные на небесный экватор, образуют отрезки, которые по величине отличаются от соответствующих отрезков эклиптики.

Рисунок 4

Вблизи равноденственных точек спроектированные отрезки меньше соответствующих отрезков эклиптики, а вблизи точек солнцестояний больше. Уменьшение отрезков вблизи равноденственных точек обусловлено наклоном проектируемых дуг эклиптики к небесному экватору‚ а увеличение отрезков вблизи точек солнцестояний – расхождением часовых кругов по мере их удаления от полюсов.
Указанные причины приводят к тому, что истинные солнечные сутки непостоянны по своей продолжительности и поэтому мерой времени служить не могут, так как основное свойство единицы измерения – ее постоянство. Поскольку истинное солнечное время неравномерно и продолжительность истинных солнечных суток не является постоянной величиной в течение года, пользоваться истинным солнечным временем в повседневной жизни неудобно. Поэтому для измерения солнечного времени в практической жизни было введено среднее Солнце, которое обеспечивает постоянство продолжительности солнечных суток и в то же время связывает их с движением истинного Солнца.

Среднее солнечное время.
За основную единицу среднего солнечного времени приняты средние солнечные сутки.
Средним Солнцем называется воображаемая точка на небесной сфере, равномерно движущаяся по небесному экватору в том же направлении, в котором истинное Солнце движется по эклиптике, и совершающая полный оборот за то же время, что и истинное Солнце. За начало средних солнечных суток на данном меридиане принят момент нижней кульминации среднего Солнца (средняя полночь).

Рисунок 5

Промежуток времени между двумя последовательными нижними кульминациями среднего Солнца на одном и том же меридиане называется средними солнечными сутками. Продолжительностъ средних солнечных суток постоянна и равна средней продолжительности истинных солнечных суток за год. Время, протекшее от момента нижней кульминации среднего Солнца до любого другого его положения, выраженное в долях средних солнечных суток, называется средним солнечным временем . Среднее солнечное время на данном меридиане в любой момент численно равно часовому углу среднего Солнца, выраженному во времени и измененному на 12 ч, т. е.

   

Знак плюс берется в том случае, если часовой угол среднего Солнца, выраженный во времени, меньше 12 ч, а знак минус – если больше 12 ч.

Рисунок 6

Введение среднего Солнца устраняет непостоянство продолжительности солнечных суток и неравномерность истинного солнечного времени.

Прололжительность средних солнечных суток строго постоянна, и они вполне согласуются с движением истинного Солнца. В этом и состоит практическое значение среднего Солнца. Хотя между истинным и средним солнечным временем имеется некоторая разность, но она незначительная и поэтому человек не замечает расхождения между средним солнечным временем и положением истинного солнца над горизонтом.

Среднее солнечное время положено в основу измерения времени в повседневной жизни.

Уравнение времени.
Среднее солнечное время невозможно определить путем непосредственного наблюдения среднего Солнца, так как среднее Солнце является воображаемой точкой, которая на небесной сфере ничем не обозначена. Поэтому среднее солнечное время определяют через истинное.
Для перехода от истинного к среднему солнечному времени необходимо знать поправку, называемую уравнением времени, вычисленную для момента наблюдения истинного Солнца.

Уравнением времени называется разность между средним и истинным солнечным временем в один и тот же момент. Уравнение времени определяется по формуле . Так как среднее Солнце может проходить меридиан наблюдателя то раньше, то позже истинного Солнца, уравнение времени может быть как положительной, так и отрицательной величиной. Из последнего соотношения следует: . Таким образом, среднее солнечное время в любой момент равно алгебраической сумме истинного солнечного времени и уравнения времени.

Уравнение времени может быть приближенно определено по графику уравнения времени  или точно вычислено по астрономическому ежегоднику для любого момента, так как оно в отдельные дни года может изменяться в течение суток более чем на 30 с. Уравнение времени в течение года изменяется в пределах от +14,З до -16,4 мин и четыре раза равно нулю: около 15 апреля, 14 июня, 1 сентября и 24 декабря. В эти дни среднее и истинное Солнце находятся на одном часовом круге и поэтому среднее солнечное время не расходится с истинным солнечным временем. Наибольшее положительное значение (+14,З мин) уравнение времени имеет около 11 февраля, а наибольшее отрицательное (-16,4 мин) около 2 ноября. Уравнение времени позволяет переходить от истинного солнечного времени к среднему и наоборот.

Местное время.
При решении многих задач астрономии необходимо знать местное время, которое лежит в основе всех астрономических наблюдений. Местным временем называется время на данном географическом меридиане (меридиане наблюдателя). Каждый меридиан имеет свое местное время. Оно может быть звездным, истинным солнечным и средним солнечным, все эти времена имеют некоторые общие особенности. Рассмотрим их применительно к местному среднему солнечному времени , отсчет которого ведется от меридиана средней полуночи.

На рис. 6 точка 0 представляет собой Северный полюс Земли, прямая ОА -меридиан средней полуночи, а прямые ОВ и ОС – географические меридианы пунктов В и С земной поверхности, имеющих географические долготы и . Местное среднее солнечное время на указанных меридианах в один и тот же момент обозначено через и . Непосредственно из рассматриваемого рисунка можно установить особенности местного времени: всем географическом  меридиане местное время в  один и тот же момент одинаково;
на восток от любого меридиана местное время увеличивается, а на запад уменьшается; разность местных времен на двух меридианах в один и тот же момент всегда равна разности долгот этих меридианов, выраженной в единицах времени, т. е.

   

Это соотношение широко используется при решении практических задач авиационной астрономии. Оно позволяет определять местное время в заданном пункте по известному времени другого пункта. Местным средним солнечным временем пользоваться в повседневной жизни неудобно, так как даже в различных районах одного большого города оно отличается на некоторую величину, и поэтому увязать его в повседневной жизни, работе транспорта и связи очень трудно.

Зависимость между временем и долготой места.

Выше было установлено, что местное время тесно связано с долготой места. Следовательно, между временем и долготой места существует определенная зависимость, которую можно установить на основании суточного вращения Земли. За сутки Земля делает полный оборот на относительно той точки небесной сферы, по которой определяется время. Исходя из этого можно вывести следующую зависимость между временем и долготой места: ч; ч; мин; с; мин; с; с.
Эта зависимость справедлива как для солнечного, так и для звездного времени, т. е. для любой системы измерения времени. Она позволяет долготу места выражать во времени и, наоборот, время выражать в единицах дуги и значительно упрощает решение многих практических задач астрономии.

Пример 1. Долготу перевести во время. Решение. Зная, что соответствуют 1 ч, -4 мин, – 4 с, определяем целое число часов.

и в остатке ;

переводим полученный остаток градусов во время: 4 мин=12 мин;

переводим минуты дуги во время: 4 с=40 с. Окончательно получаем: 2 ч+12 мин+40 с=2 ч 12 мин 40 с.

Пример 2. Долготу во времени =6 ч 40 мин 44 c перевести в единицы дуги.
Решение. Зная, что 1 ч соответствует ; 4 мин соответствуют ‚ 4 c соответствуют , переводим: целые часы в единицы дуги:

   

минуты времени в единицы дуги:

   

секунды времени в единицы дуги:

   

Окончательно получаем: .
Также неплохо уметь пользоваться специальными таблицами для перевода. Например, смотрим в таблицу: 6 ч =, 40 мин= , 44 c = , итого в сумме .
Определение местного времени в заданном пункте.

В практике авиационной астрономии широко используется способ определения местного времени в заданном пункте по известному времени другого пункта. Местное время в заданном пункте определяется по формуле

   

где – известное местное время в одном пункте; – искомое местное время в заданном пункте; – разность долгот данных пунктов, выраженная во времени. В указанной формуле знак плюс берется, когда заданный пункт расположен восточнее пункта, время которого известно, а знак минус, – когда западнее.

Пример. Местное время =18ч 25 мин; долгота пункта . Определить местное время для этого же момента в заданном пункте, имеющем долготу .

Решение. 1. Определяем разность долгот данных пунктов:

   

2. Переводим полученную разность долгот во время: 1 ч 24’. 2. Определяем местное время в заданном пункте. Учитывая, что заданный пункт расположен восточнее пункта, время которого известно, получаем
18 ч 25 мин + 1 ч 24 мин=19 ч 49 мин.

Гринвичское время.

По гринвичскому времени даются в астрономическом ежегоднике данные о положении светил, указаны моменты восхода и захода Солнца и Луны, а также регулируется работа международных средств транспорта и связи. Гринвичским (всемирным) временем называется местное среднее солнечное время на гринвичском меридиане.

В практике приходится по времени данного места определять время на меридиане Гринвича и, наоборот, по гринвичскому времени находить местное время данного пункта. Перевод местного времени в гринвичское и наоборот производится по формулам:

   

   

В указанных формулах долгота места берется во времени. При определении гринвичского времени восточную долготу вычитают, а западную прибавляют. При определении местного времени учет долготы места производится наоборот.

Пример 1. Местное время 19 ч 47 мин; долгота места . Определить гринвичское время.

Решение. 1. Переводим долготу данного пункта во время: 5 ч 04 мин. 2. Определяем время на меридиане Гринвича. Учитывая, что долгота места восточная, получаем:

   

19 ч 47 мин-5 ч 04 мин=14 ч 43 мин.

Пример 2. Гринвичское время 8 ч 10 мин. Определить местное время и на долготе .

Решение. 1. Переводим долготу данного пункта во время: 2 ч 12 мин.
2. Определяем местное время на данном меридиане. Так как данный меридиан расположен восточнее гринвичского, то местное время увеличивается и будет равно: 8 ч 10 мин +2 ч 12 мин = 10 ч 22 мин.

Поясное время.
Выше уже говорилось о том, что в повседневной жизни пользоваться местным временем неудобно. Это вызывало необходимость ввода более простой системы счисления времени.

Во второй половине ХIХ в. страны Европы начали вводить единое время. В качестве такого времени бралось местное время столицы или главной астрономической обсерватории. В нашей стране до 1919 г. каждый город жил по своему осредненному местному времени. На железных дорогах и на телеграфе пользовались единым временем петербургским. Это введение только частично облегчало счисление времени.

Быстрое развитие общественного производства, расширение экономических связей как внутри стран, так и между ними требовали дальнейшего усовершенствования системы счисления времени в международном масштабе. В 1884 г. по международному соглашению была принята новая система счисления времени по часовым поясам. В нашей стране переход на эту систему был осуществлен с 1 июля 1919 г. Сущность поясного времени заключается в том, что весь земной шар разделен на 24 часовых пояса от нулевого до 23-го включительно. Каждый пояс занимает по долготе . Средние меридианы соседних поясов отстоят друг от друга на , что соответствует 1 ч времени.

Средним меридианом нулевого часового пояса является гринвичский меридиан. Условились в каждом часовом поясе пользоваться единым для всего пояса временем, соответствующим местному среднему солнечному времени среднего меридиана данного пояса. Таким образом, поясным временем называется местное среднее солнечное время среднего меридиана данного часового пояса. В соседних часовых поясах время отличается на один час, а минуты и секунды во всех поясах одни и те же, как и на часах Гринвичской астрономической обсерватории. Это представляет значительные удобства при переводе времени.

Номер часового пояса равен долготе его среднего меридиана, выраженной во времени, и показывает, на сколько часов время данного пояса идет впереди гринвичского.

Границы часовых поясов проходят по разграничительным меридианам только в открытых морях, океанах и в ненаселенных местностях. Если бы строго придерживаться разграничительных меридианов‚ то в некоторых областях и даже в городах пришлось бы вводить два времени. Поэтому границы поясов проводятся с учетом государственных и административных границ с таким расчетом, чтобы население отдельной страны, края или области вело единое счисление времени.

Вследствие этого границы часовых поясов могут отстоять от среднего меридиана пояса не только на ‚ но и на . Однако это отступление не так велико, чтобы расхождение поясного времени с местным ощущалось населением в несоответствии показания часов, идущих по поясному времени, с наступлением, например, рассвета или темноты. Границы часовых поясов периодически пересматриваются. Система поясного времени принята почти во всех странах мира.
Декретное время (увеличенное на час) было принято декретом Совнаркома с целью в большей мере использовать светлое время суток. Во многих местностях отменено в 1957 г и возвращено в 1984, а на всей территории России восстановлено в 1992 г постановлением правительства. Сейчас декретный час возвращен для удобства проживающих почти во все регионы. Законом «Об исчислении времени» было введено в официальное обращение новое понятие — часовая зона. Кроме того, фактически взамен понятий поясное время и декретное время введено понятие местное время. На территории России с 2011 года введены часовые зоны, максимальная разность во времени в нашей стране составляет 11 ч.

Рисунок 7

Подведем краткие итоги:

Звездное время   измеряется часовым углом точки весеннего равноденствия и поэтому всегда . У небесного светила с прямым восхождением часовой угол

   

Звездное время в пункте с географической долготой связано со звездным гринвичским временем равенством

   

причем отсчитывается к востоку от Гринвича и выражается в часах, минутах и секундах времени. Для перевода градусных единиц в единицы времени существуют таблицы, можно воспользоваться примером расчета выше.

В один и тот же физический момент звездное время и в двух пунктах различается на разность географической долготы и этих пунктов, т. е.

   

Используемые в практической жизни средние солнечные сутки продолжительнее звездных суток приблизительно на  Зм56с.

Местное среднее время

   

где — уравнение времени, a —истинное солнечное время, измеряемое часовым углом Солнца, увеличенным на  12ч, т. е.

   

Местное среднее время и двух пунктов связано между собой равенством:

   

а со средним гринвичским временем (называемым всемирным временем)—равенством

   

В практической жизни используется либо поясное время

   

либо декретное время

   

где — номер часового пояса, равный целому числу часов.

Для двух пунктов, расположенных в разных часовых поясах   и ,

   

Если система счета времени не указана, то всегда подразумевается время, действующее на данной территории.

Информация для этой статьи во многом взята из книги М.А. Черного “Авиационная астрономия”.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *