Куликовский П.Г. Справочник любителя астрономии

Подождите немного. Документ загружается.

§3.2. Измерение времени

241

2) годичные изменения, связанные, по-видимому, с сезонным переносом воз-

душных и водных масс; быстрее всего Земля вращается в августе и медленнее всего

в марте; разница между самыми короткими сутками в августе и самыми длинными

в марте составляет 0,0025 с;

3) нерегулярные скачкообразные изменения длины суток, меняющие их про-

должительность до 0,004 с; они имели место в 1864, 1876, 1898, 1920 и 1956 гг.

Причины их пока не установлены, хотя среди них указывают, например, на пере-

мещения масс внутри земной коры, воздействия землетрясений и даже возможные

метеорологические факторы.

Неравномерность вращения Земли заставила астрономов ввести особое — нью-

тоновское, или эфемеридное, время (ЕТ), текущее совершенно равномерно. Нуль-

пункт шкалы эфемеридного времени был определен фундаментальной эпохой «Та-

блиц Солнца» Ньюкома: 1900, янв. 0, 12

ET, а в основе этого счета времени

лежит определение эфемеридной секунды как 1/31 556 925,9747 части тропического

года эпохи 1900 года; 86400 эфемеридных секунд составляют эфемеридные сутки.

Эфемеридное время употреблялось для анализа движений небесных тел и пред-

вычисления их положений (вычисления эфемерид). Для перехода от неравномерного

всемирного времени UT (см. с. 244) к эфемеридному ЕТ надо было ввести поправ-

ку, которая определяется на основе движения Луны (по теории Брауна—Эккерта),

и многолетних рядов предшествующих точных наблюдений положений Луны среди

звезд, наблюдений покрытий звезд Луной и т.д.

Эта поправка

ДГ = ЕТ - UT = +24,349

+ 72,3165

T + 29,949

+ 1,821

B", (67)

где T — в юлианских столетиях от 1900, янв. 0, 12

ET, а В" — флуктуации долготы

Луны, получающиеся из сопоставления вычисленных и наблюденных долгот Луны

(см.: Бакулин П. И., Блинов Н.С. Служба точного времени. М.: Наука, 1977, § 19).

Приводимая здесь табл. XXII дает представление о поправке ДГ, которая, довольно

плавно изменяясь между табличными датами, растет со временем.

Таблица XXII

Поправка к всемирному времени

Дата

AT, s

Дата

AT, s Дата AT, s Дата AT, s

1900,5

-3,79

1925,5 +22,55

1950,5 +29,42

1970,5 +40,7

1905,5 +3,26 1930,5 +23,18 1955,5

+31,59

1975,5

+46,0

1910,5 + 10,28

1935,5

+23,63 1960,5

+33,29

1980,5 +51,0

1915,5

+ 16,39

1940,5- +24,30 1965,5

+35,5

1985,5

+54,6

1920,5

+20,48

1945,5 +26,57

1967,5 +36,6 1990,5 +57,2

На съездах MAC 1976 г. (в Гренобле, Франция) и 1979 г. (в Монреале, Канада)

было решено вместо эфемеридного времени ЕТ ввести земное динамическое вре-

мя TDT. Шкала эфемеридного времени, имевшая характер равномерного времени

ньютоновской динамики, заменена теперь шкалой барицентрического динамического

времени TDB (имеется в виду барицентр Солнечной системы). Это изменение введено

в Астрономический Ежегодник СССР на 1986 г. Подробнее об этом можно прочесть

в разделе «Объяснение к Астрономическому Ежегоднику СССР» на любой год,

начиная с 1986 г.

Однако при определении шкал TDT и TDB были допущены некоторые неяс-

ности. Более совершенными являются рекомендованные MAC в 1991 г. следующие

242 Глава 3. Краткие сведения из общей астрономии

шкалы времени: земное время ТТ — время для наблюдателя на поверхности Земли,

геоцентрическое координатное время TCG — время для наблюдателя в центре Зем-

ли, барицентрическое координатное время ТСВ — время для наблюдателя в центре

масс Солнечной системы. Теоретической основой этих шкал служит общая теория

относительности, а физическим эталоном — атомные часы. Шкалы эфемеридного

времени ЕТ, земного динамического времени TDT и земного времени ТТ можно

считать идентичными.

Практической шкалой времени, применяющейся в быту, является всемирное ко-

ординированное время UTC. Именно оно передается по радио и телевидению; именно

в этой шкале времени записываются моменты астрономических наблюдений. При-

чиной для введения этой шкалы явилось то обстоятельство, что во многих областях

науки и техники всемирное время употребляется как исходная величина для вычи-

сления угла поворота Земли относительно избранного направления в инерциальной

системе координат. Переход на атомное время «разорвал» эту связь. Чтобы ее сохра-

нить, необходимо несколько изменять показания атомных часов. Например, если

Земля в своем вращении «отстала» на угол в 15 секунд дуги, мы можем уменьшить

показания атомных часов на одну секунду времени. После этого их показания будут

соответствовать углу поворота Земли. Такие измененные в соответствии с вращени-

ем Земли показания атомных часов и называются всемирным координированным

временем. Иногда эта шкала называется «всемирным согласованным временем», что

лучше отражает ее сущность.

Такие изменения показаний атомных часов на одну секунду приходится произ-

водить один раз в 1-2 года. Последнее согласование времени произошло 1 января

2000 г. При этом от сигналов точного времени в начале суток 31 декабря 1999 г.

до сигналов времени в начале суток 1 января 2000 г. прошло 86401 с (а не 86400 с,

как обычно).

3.2.2. Видимое движение Солнца среди звезд

и измерение времени

Путь Солнца среди звезд, эклиптика, проходит через 12 созвездий, называемых

зодиакальными^. Среднее движение Солнца среди звезд составляет 59'8" в сутки.

В поясе Зодиака шириной 15-20° проходят также видимые пути Луны, планет

и большинства астероидов. Пути многих комет и некоторых астероидов выходят

за пределы этого пояса; их орбиты наклонены под большими углами к эклиптике.

В табл. ХХ111 приведены зодиакальные созвездия, начиная от Т, в сторону возра-

стания а (с запада на восток). Указано также время прохождения этих созвездий

Солнцем.

Небольшую часть пути Солнце проходит (с 30 ноября по 18 декабря) по созвез-

дию Змееносца, которое, однако, не входит в число зодиакальных созвездий.

В старину положение Солнца на эклиптике отмечали знаками Зодиака

(см. табл. 1), которыми определяли отдельные участки (по 30° долготы каждый)

годового пути Солнца, начиная от точки Т.

Можно составить краткую таблицу изменений экваториальных координат Солн-

ца в течение года (табл. XXIV).

Прямое восхождение Солнца в течение месяца увеличивается приблизительно

на 2

, в течение суток на 4

' ОТ греческого слова зодион — животное.

§3.2. Измерение времени

243

Таблица XXIII

Приблизительные даты вступления Солнца в созвездия и знаки Зодиака

(точные даты високосного 2000 г.)

В созвездие В знак Зодиака

Рыбы 11 марта

19 февраля

Овен 18 апреля

20 марта

Телец 13 мая

19 апреля

Близнецы 21 июня

20 мая

Рак

20 июля 21 июня

Лев 10 августа 22 июля

Дева 16 сентября

22 августа

Весы 30 октября 22 сентября

Скорпион

23 ноября 23 октября

Змееносец

29 ноября

—

Стрелец 17 декабря 22 ноября

Козерог

20 января 21 декабря

Водолей 16 февраля 20 января

Таблица XXIV

Координаты Солнца в моменты равноденствий и солнцестояний

Явление Дата, приблизительно

Весеннее равноденствие 21 марта

0° (У

Летнее солнцестояние 22 июня 6 +23 26

Осеннее равноденствие

23 сентября 12 0 0

Зимнее солнцестояние

22 декабря

-23 26

Условное деление земного шара на климатические пояса тропиками и поляр-

ными кругами связано с указанным изменением склонения Солнца. На полярных

кругах (на географических параллелях с широтой ±66,5°) центр Солнца один день

в году не заходит и один день не восходит над математическим горизонтом. На тро-

пиках (широта ±23,5°) раз в году центр Солнца в полдень проходит через зенит.

Если принять более точные значения наклона экватора к эклиптике, то климатиче-

ские пояса должны иметь следующие границы: жаркий пояс от +23°26' до -23°26'

широты, два умеренных — между +23°26' и +66°34' и между -23°26' и -66°34',

и два холодных — от полярных кругов до соответственных полюсов. Строго говоря,

для полярных кругов это справедливо лишь без учета рефракции. Если же учесть

рефракцию, то центр Солнца раз в году не заходит на широте 65°59' и раз в году

не восходит на широте 67°9'.

Промежуток времени между двумя последовательными верхними кульминаци-

ями центра Солнца дает нам новую единицу времени — истинные солнечные сутки.

Они длиннее звездных потому, что вследствие годичного движения Земли по орбите

Солнце перемещается среди звезд в направлении, обратном видимому суточному

вращению небесной сферы, т.е. с запада на восток (рис. 169). Поэтому 365,2422

средних солнечных суток (т. е. тропический год) равны 366,2422 звездных суток

и солнечные сутки оказываются в среднем на 4

длиннее звездных, а солнечный

час длиннее звездного на 10

— в среднем потому, что длительность истинных

солнечных суток есть величина переменная: они короче летом и длиннее зимой; мак-

симальная продолжительность 24

среднего солнечного времени (23 декабря),

244 Глава 3. Краткие сведения из общей астрономии

минимальная 23

(15-16 сентября),

т. е. расхождение доходит до 51

. Это

является следствием, во-первых, неравно-

мерности движения Солнца по эклиптике

(отражающей неравномерность движения

Земли по эллиптической орбите) и, во-вто-

рых, наклона экватора к эклиптике. За на-

чало истинных солнечных суток принима-

ется момент верхней кульминации центра

видимого Солнца, называемый истинным

полднем. Истинное солнечное время рав-

но часовому углу центра истинного Солн-

ца. Оно может быть определено солнечными

часами различного устройства.

Весьма затруднительно построить ча-

совой механизм, который всегда точно по-

казывал бы истинное солнечное время.

Астрономы ввели счет времени по неко-

торому воображаемому среднему солнцу, ко-

торое равномерно движется по эквато-

ру. Промежуток времени между двумя по-

следовательными верхними кульминация-

ми этого воображаемого среднего солн-

ца называется средними солнечными сутка-

ми. Момент пересечения центром среднего

солнца меридиана над горизонтом называ-

ется средним полуднем. Средние солнечные

сутки долгое время отсчитывались от по-

лудня, но с 1925 г. астрономы перешли

на гражданский счет времени, в котором

начало гок считается с полуночи (т.е. с момента нижней кульминации среднего

солнца). Среднее солнечное время (считаемое от полуночи) на гринвичском мери-

диане часто называют всемирным, или мировым временем и обозначают UT (таким

образом, и истинные и средние солнечные сутки начинаются в момент нижней

кульминации солнца).

Всемирное время выводилось в итоге обработки в Международном Бюро Вре-

мени в Париже из определений времени во многих обсерваториях мира и ряда

специальных Служб Времени.

В космическую эру назрели радикальные перемены в методах решения проблем

определения точного времени и изучения колебаний географических широт. На ба-

зе применения радиоинтерференционных измерений далеких источников, а также

лазерных наблюдений с целью детального изучения движений Луны и доплеровских

определений движений искусственных спутников Земли (ИСЗ) при использовании

атомных стандартов частоты (атомных и молекулярных часов) вместо Междуна-

родной Службы Широты и Международного Бюро Времени организована новая

Международная программа Службы Вращения Земли, объединяющая соответству-

ющие национальные организации и астрономические обсерватории. Новая про-

грамма решением 19-й Генеральной Ассамблеи Международного астрономического

союза (MAC) в ноябре 1985 г. в Дели была введена в действие с 1 января 1988 г.

Рис. 169. Различие между солнечными и

звездными сутками (для наглядности разли-

чие сильно преувеличено)

§3.2. Измерение времени 245

Эта реформа предпринята в полном согласии с Международным Геодезическим

и Геофизическим Союзом, Международным Радиосоюзом, а также с Международ-

ным Бюро Мер и Весов.

Разность среднего и истинного времени, никогда не превышающая 16,5

называется уравнением времени

г)

= t

- . (68)

Рис. 170. Номограмма для определения склонения Солнца 6 и уравнения

времени

г]. Пример:

30 сентября

= —2,5°,

г)

= +9,8

. Кривая на этой

номограмме («восьмерка») называется анаяемма

246

Глава 3. Краткие сведения из общей астрономии

Иначе говоря, уравнение времени есть величина, которую надо прибавить (с ее

знаком) к истинному времени, чтобы получить среднее время

'. В астрономических

ежегодниках даются значения уравнения времени в полдень на меридиане Гринвича

для каждого дня. С достаточной точностью можно определить его по рис. 170. Ха-

рактерная кривая уравнения времени (аналемма или «двугорбый верблюд»; рис. 171)

слагается из двух почти синусоидальных кривых: первая (зависящая от неравномер-

ности движения Земли по орбите) имеет годичный период, а вторая (отражающая

влияние наклона эклиптики) имеет полугодовой период. Уравнение времени обраща-

ется в нуль четыре раза в году: 14 апреля, 14 июня, 2 сентября и 24 декабря; достигает

максимальных положительных значений 14 февраля

(

+ 14

), 27 июля (+8

максимальных отрицательных значений 15 мая (—3

) и 3 ноября (-16

213110202 1222111211112131102030102030919298182881828 717 277

г/ г/

I п ш iv v VI vn vm ix х xi хп

Рис. 171. Уравнение времени и его составляющие

Г Л Щ IV

11 21311020? 12 2Z1 11 21

V VI VII vni IX X XI XII

112131102030102030919298 '8288 1828 7 172771727

Для пунктов, лежащих на разных меридианах Земли, одно и то же светило

кульминирует в разные моменты, поэтому время в них различное. Для всех пунктов,

лежащих на одном земном меридиане, время (звездное или солнечное) — одно и то

же; оно называется местным временем. Разность местных времен (звездных или сред-

них, безразлично) двух мест на Земле численно равна разности их географических

долгот, выраженных в единицах времени.

' Некоторые астрономические календари и 4-е издание «Справочника» дают tj — ^исг

^ср >

т. с.

уравнение времени в них имеет противоположный знак.

§3.2. Измерение времени

247

Наличие в каждом населенном пункте Земли своего, местного времени со-

здавало бы большие неудобства, особенно для железнодорожного транспорта и для

телеграфной и радиосвязи. Железнодорожники и связисты преодолевают это неудоб-

ство тем, что на всей территории нашей страны на вокзалах и на телеграфе работают

по московскому времени. До 1919 г. их ставили по «петербургскому (петроградскому)

времени», которое было временем на пулковском меридиане.

Однако для обыденной и деловой жизни было бы непривычно и неудобно,

скажем, во Владивостоке (А = 8

) пользоваться временем Москвы: слишком

велика разность долгот. Для устранения этого неудобства еще в 1884 г. был предложен

поясной счет времени. Земной шар делится меридианами, проведенными через

каждый 15°, на 24 часовых пояса (от нулевого до 23-го). В пределах данного

часового пояса все часы показывают одно и то же время, а именно, время среднего

меридиана пояса. Соседний пояс живет по времени своего среднего меридиана,

которое отличается ровно на час от предыдущего. Таким образом, на всей Земле

минуты и секунды на часах одни и те же, отличаются лишь целые часы. Пересекая

границу пояса, надо переставить часы ровно на час. Очевидно, что переезжая

на восток, надо прибавить час, переезжая на запад, отнять час. В нашей стране

поясное время введено I июля 1919 г.

Поясное время по местному вычисляется по формуле

= Т

+ N, (69)

где N — номер пояса, а А — долгота места наблюдения, считаемая положительной

к востоку от Гринвича.

В связи со стремлением максимально экономить электроэнергию на освеще-

ние в летнее время 16 июня 1930 г. в нашей стране декретом Совета Народных

Комиссаров было введено так называемое декретное время, которое на l

впереди

поясного:

= Т

+ \\ (70)

Такое время как бы увеличивает на единицу номер каждого часового пояса. 4 фе-

враля 1991 г. декретное время было отменено постановлением Кабинета министров

СССР, но 19 января 1992 г. в России постановлением Правительства Российской

Федерации от 8 января того же года вновь было введено аналогичное «опережа-

ющее» время. (Текст постановления опубликован в «Астрономическом календаре»

на 1993 г.)

Нулевой пояс имеет своим средним меридианом гринвичский. В Европе в пре-

делах нулевого пояса находятся Исландия, Великобритания, Ирландия, Франция,

Бельгия, Нидерланды, Испания, Португалия; в первом поясе, расположенном

на восток от нулевого, находятся Норвегия, Швеция, Дания, Германия, Швейцария.

Бельгия, Франция, Югославия, Италия; во-втором — Польша, Чехия, Словакия, Ав-

стрия, Венгрия, Эстония, Литва, Латвия, Белоруссия, Украина, Молдова, западные

районы России. Москва, хотя и отстоит на 28

к востоку от формальной запад-

ной границы третьего часового пояса, отнесена ко второму поясу. Для того чтобы

включить Москву и ее окрестности во второй часовой пояс, в восточной его границе

сделана широкая излучина, доходящая на параллели Москвы до Мурома. Вообще

границы часовых поясов часто следуют естественным или политическим границам,

иногда отступая от меридианов. Россия протянулась по 11 часовым поясам (со II

по XII; см. рис. 172).

Начиная с 1981 г. в целях «экономии топливно-энергетических ресурсов» часы

в стране переводились в марте на 1 час вперед и в сентябре на 1 час назад. Для

удобства такой перевод стрелок осуществляется в 2 часа ночи последнего воскресенья

248

Глава 3. Краткие сведения из общей астрономии

§3.2. Измерение времени

249

марта и в 3 часа последнего воскресенья сентября (начиная с 1996 г. — октября).

Это «летнее время» вводится во многих странах мира. В России подобный перевод

времени подтвержден в том же постановлении от 8 января 1992 г.

3.2.3. Международная линия изменения даты

Человек, вернувшийся к отправному пункту из кругосветного путешествия с запада

на восток, убеждается в том, что он по своему счету времени опередил местных

жителей на одни сутки. Человек, совершающий путешествие в западном направле-

нии, теряет одни сутки. Отчего это происходит? Где на Земле впервые появляется

новая дата? Международным соглашением была введена линия изменения даты. Она

проходит в океане, по меридиану, имеющему долготу 180°, местами отклоняясь

от него, огибая группы островов, мысы и т.д. На этой линии в полночь по времени

XII часового пояса впервые появляется на Земле новое число. Таким образом, Новый

год в России первым встречает остров Ратманова в Беринговом проливе и жители

Наукана и Уэллена на восточной оконечности Азиатского материка (близ мыса Деж-

нева). При переезде линии изменения даты с запада на восток (например, из Азии

в Америку) путешественникам приходится два раза считать одно и то же число,

а при обратном переезде пропускать одно число. Рис. 173 схематически показывает

М V

Полдень

Рис. 173. Смена дат на Земле

250 Глава 3. Краткие сведения из общей астрономии

вращающуюся под лучами Солнца (стрелки наверху) Землю. Стрелкой от П

вверх

показан гринвичский меридиан, ее продолжение за П

вниз — линия изменения

дат. В Гринвиче, например, 13

28-го числа, а на линии дат уже l

29-го числа.

3.2.4. Календарь

Календарь — система счисления больших промежутков времени. Единицей времени

в современном календаре является тропический год, в течение которого завершается

полный цикл изменений склонения Солнца и, следовательно, полная смена времен

года — основы хозяйственной жизни людей.

Задача создания календаря встала еще в древности. Сложность этой проблемы

заключается в том, что тропический год и средние солнечные сутки несоизмеримы,

тогда как календарный год, естественно, должен содержать целое число суток.

В древности (а в календаре некоторых мусульманских стран и теперь) большое

значение как календарная единица имел синодический лунный месяц

'. Но и он

не содержит целого числа суток (29,5306) и сам несоизмерим с тропическим годом.

Древнеегипетский календарь в разные эпохи истории Египта содержал в году

ровно 360 дней, затем 365 дней, а позже 365,25 дня. В 46 г. до н.э. Юлием Цезарем

был введен в Риме календарь, разработанный астрономом Созигеном из Алексан-

дрии, получивший впоследствии название юлианского. В этом календаре три года

подряд содержали по 365 дней, а четвертый (високосный) — 366 дней. Этот доба-

вочный день включался в год, число лет которого кратно четырем. Однако и этот

календарь не давал полного соответствия с движением Солнца и сменами времен

года: юлианский календарь «отставал» на трое суток за 400 лет. К концу XVI в.

отступление календаря от астрономических явлений достигло десяти дней. В 1582 г.

был принят разработанный итальянским математиком Лилио (Луиджи Лилио Джи-

ральди) и баварским иезуитом, астрономом Кристофером Клавием григорианский

календарь, названный так по имени римского папы Григория XIII, при котором

была произведена эта перемена. После 4 октября 1582 г. стали считать сразу 15-е,

а из числа годов, завершающих столетия (например, 1800, 1900 и т.д.) високосными

оставлены только те, для которых число лет делится на 400 (например, 1600, 2000).

Остальные считаются обыкновенными годами (по 365

). Средняя продолжитель-

ность календарного года 365,2425

, тогда как продолжительность тропического года

365,24219879

. Это приводит к тому, что расхождение григорианского календаря

со счетом тропических годов достигает одних суток лишь по истечении 3300 лет, что

более чем достаточно для практических надобностей. 10 000 тропических лет короче

10000 григорианских лет всего на три дня. Лишь к 4317 г. расхождение достигнет

одного дня. В дальнейшем за юлианским календарем, которым продолжали поль-

зоваться некоторые страны, в том числе и Россия, установилось название «старый

стиль», а григорианский календарь стали называть «новым стилем». Расхождение

между новым и старым стилями в XVII в. составляло 10 дней, в XVIII в. — 11,

в XIX — 12, в XX — 13 дней. Точнее, с 5 октября 1582 г. (с 15 октября по григориан-

скому календарю) расхождение Юдней, с 1 марта 1700 г. (с 12-го по григорианскому

календарю) — 11 дней, с I марта 1800 г. (с 13 марта) — 12 дней, с 1 марта (14 марта)

1900 г. — 13 дней, с 1 марта 2100 г. (15 марта) расхождение станет 14 дней.

В Советской России новый стиль был введен в начале 1918 г. После 31 ян-

варя стали считать сразу 14 февраля и вводить високосные годы. В астрометрии

Отсюда пошло условное деление календарного года на двенадцать месяцев, которые теперь уже

не связаны с движением Луны.