ИЗМЕРЕНИЕ ВРЕМЕНИ
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^=365d,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=365d,2568 с.д.д.
За последние три десятилетия точность определения продолжительности суток из астрономических наблюдений зрение повышена на целый порядок и достигает 0,s001 за сутки; так же повышенная точность астрономических маятниковых и кварцевых часов. Созданы часы новых типов — молекулярные и атомные, которые хранят время с точностью до 5·10-8с 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,
s=α+t (1)
где α — прямое восхождение, а t — часовой угол. При наблюдении звезды в момент верхней кульминации часовой угол равен нулю и тогда:
s=α (1а)
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 12h, что прошли от нижней до верхней кульминаций. Следовательно,
Т = t + 12h (2)
Солнце всегда кульминирует (в верхней кульминации) в 12h 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 — 24h0m30s; короткие 16 сентября — 23h59m39s. Максимальная разница в их продолжительности 51s.
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 Tm.
Среднее Солнце наблюдать невозможно, а потому, из наблюдений определяют часовой угол истинного Солнца, добавляют η — к уравнению времени и получают среднее солнечное время:
Tm= 12h + t¤ + η (3)
Среднее солнечное время на данном меридиане равно часовому углу истинного Солнца плюс 12h и плюс уравнение времени с его знаком.
Звездное время в течение тропического года опередит среднее время на 24h, 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 10-6сек. 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.