Астрономические способы измерения времени

Время в астрономии

На протяжении всей истории человечества времени отводилась важная роль. В своем роде, продолжительность любого действия. В конце концов, это оценка самой жизнидеятельности. Представьте, если бы не было времени, то как бы мы определяли все вокруг.

Сутки Земли

Юлианские дни

Астрономы приняли определенную порядковую нумерацию дней. В ней существует цикл длиной 28 лет. В нём все дни и недели повторяются.

Юлианский календарь

Данный способ измерения разработан Джоном Гершелем в 1849 году. Счёт времени начался с полудня 1 апреля с 4713 года до нашей эры. А предложил его использовать Иосиф Скалигер. Кстати, он и назвал его юлианским, в честь отца Юлия

Джон Гершель

«Вселенная и время бесконечны. Значит любое событие неизбежно, даже невозможное»
из фильма Трасса 60

Звездное время

Данный вид времени можно определить как часовой угол точки весеннего равноденствия. Более того, по этому месту отсчитывают звёздное время.

Звёздные сутки соответствуют дистанции между двумя последовательными вершинами.

Звёздные сутки подразумевают продолжительность оборота Земли вокруг своей оси. Их делят на часы, минуты и секунды. В одном году звездных суток больше на один, чем в средних солнечных.
Как видно, звёздные сутки короче, чем средние солнечные. Установленная разница составляет 3 минуты 56 секунд. Притом, время обращения Земли к точке весеннего равноденствия всегда одно и то же. Итак, сутки постоянны.

Солнечное время

Применение звёздного времени удобно в астрономии, но не для обыденной жизни человека. Поэтому было принято такое понятие как солнечное время.
Этот отрезок времени зависит от изменения часового угла Солнца.

Данный порядок расчёта времени основан на интервале между двумя последовательными кульминациями Солнца. Кстати, большую роль играет были эти кульминации верхними или нижними. От этого различают полдень сейчас или полночь.

Истинное и среднее солнечное время

Солнечное время бывает истинным и средним. Зависит это того, по какому Солнцу его определяют.

Истинные солнечные сутки это время оборота Земли касательно Солнца.
Началом таких суток принято считать истинную полночь, то есть период нижней кульминации Солнца.

Солнечне часы

Передвижение солнца неравномерно. В результате этого, солнечные сутки, к примеру, 22 декабря длиннее, чем 23 сентября почти на одну минуту. Но такая неточность неудобна для расчёта.

В нашей жизни сутки составляют 24 часа. Но в основном измеряют всё в секундах. Кроме того, для определения времени человек различает утро, день, вечер и ночь. Это зависит, прежде всего, от того, где расположено Солнце относительно отдельного меридиана.

А вот средние солнечные сутки используются для точного определения времени.
Это время между двумя относительными кульминациями среднего экваториального солнца на одном меридиане. Лучше сказать, что средние солнечные сутки соответствуют среднему значению истинных солнечных.

Эклиптическое солнце размеренно двигается со средней скоростью Солнца. Сходятся они примерно 3 января и 4 июля.
Экваториальное также равномерно, но совпадает с эклиптическим солнцем в точке весеннего равноденствия. Среднее экваториальное солнце постоянно и равномерно относительно истинному солнечному времени.

Эклиптика

Поясное время

В общем, используется оно в основном в географии.
Из школьных знаний нам известно, что Земля делится на меридианы. Всего их 24 и они отстают друг от друга на 15 градусов долготы.
Принято считать, что начальный меридиан с нулевой долготой является основным. Его ещё называют всемирным.
Меридианы простираются с запада на восток.
Такое время в соседних поясах отличается на один час. Для того, чтобы вычислить время отдельного пояса, необходимо узнать номер пояса.

Меридианы

Собственно говоря, поясное время это время часового пояса. Принято считать, что день состоит из 24 часов и начинается в полночь.

Декретное время

Например, на территории России выделено на 9 часовых поясов. В 1930 году определили понятие декретного времени. К поясному добавили один час.

Чаосвые пояса мира

Декретное время также называют московским.

Это определение времени по подразумевает использование времени соседнего пояса. Иначе говоря, декретное время это поясное время плюс один час.
По новым понятиям его называют местным временем.

Эфемеридное время

Это шкала времени, определяющая секунды. Расчёт такого времени не зависит от скорости вращения Земли.
Вдобавок, оно является основной единицей времени. Ввел это понятие в 1952 году Дж. М. Клеменс.

Эфемеридное время постоянно и применяется, на самом деле, для удобства исчисления.

«Отнять у человека час времени, отнять у человека жизнь-разница в масштабах»
Франк Герберт

Как видно, время это продолжительность чего-либо. Надо полагать, это самое уникальное течение и величина, которую определил человек. Помимо всего прочего, для его расчёта придумали множество способов.

Время

Безусловно, время очень много значит для человека. Так как это одна из основных составляющих его жизни.
Что будет дальше покажет нам время.

Источник

Астрономические способы измерения времени

На наблюдениях суточного вращения небесного свода и годичного движения Солнца,

т.е. на вращении Земли вокруг оси и на обращении Земли вокруг Солнца, основано

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.

Здесь совершенно необходимо отметить, что эти различные названия времен, так же как и все другие, с которыми мы познакомимся в дальнейшем, относятся к одному и тому же реальному и объективно существующему времени. Иными словами, никаких различных времен не существует, есть лишь различные единицы измерения времени и различные системы его счета.

Сутки и их доли (часы, минуты и секунды) используются при измерении коротких промежутков времени. Для измерения больших промежутков времени служит другая единица меры, основанная на движении Земли вокруг Солнца, — тропический год. Тропическим годом называется промежуток времени между двумя последовательными прохождениями центра истинного Солнца через точку весеннего равноденствия.

Источник

1.2. Измерение времени в астрономии

1.2.1. Общие положения

Одной из задач геодезической астрономии, астрометрии и космической геодезии является определение координат небесных тел в заданный момент времени. Построением астрономических шкал времени занимаются национальные службы времени и Международное бюро времени.

В основе всех известных способов построения непрерывных шкал времени лежат периодические процессы , например:

— вращение Земли вокруг своей оси;

— обращение Земли вокруг Солнца по орбите;

— обращение Луны вокруг Земли по орбите;

— качание маятника под действием силы тяжести;

— упругие колебания кристалла кварца под действием переменного тока;

— электромагнитные колебания молекул и атомов;

— радиоактивный распад ядер атомов и другие процессы.

Систему времени можно задать следующими параметрами:

1) механизм – явление, обеспечивающее периодически повторяющийся процесс (например, суточное вращение Земли);

2) масштаб – промежуток времени, за который повторяется процесс;

3) начальная точка , нульпункт – момент начала повторения процесса;

4) способ отсчета времени.

В геодезической астрономии, астрометрии, небесной механике используются системы звездного и солнечного времени, основанные на вращении Земли вокруг оси. Это периодическое движение является в высшей степени равномерным, не ограниченным во времени и непрерывным на протяжении всего существования человечества.

Кроме того, в астрометрии и небесной механике используются

— системы эфемеридного и динамического времени , как идеальное по-

строение равномерной шкалы времени;

— система атомного времени – практическая реализация идеально равномерной шкалы времени.

1.2.2. Звездное время

Звездное время обозначается s. Параметрами системы звездного времени являются:

1) механизм – вращение Земли вокруг своей оси;

2) масштаб — звездные сутки , равные промежутку времени между двумя последовательными верхними кульминациями точки весеннего равноденствия

в пункте наблюдения;

3) начальная точка на небесной сфере — точка весеннего равноденствия , нульпункт (начало звездных суток) — момент верхней кульминации точки ;

4) способ отсчета. Мера измерения звездного времени — часовой угол точки

весеннего равноденствия, t . Измерить его невозможно, но для любой звезды справедливо выражение

следовательно, зная прямое восхождение звезды и вычисляя ее часовой угол t, можно определить звездное время s.

Различают истинную, среднюю и квазиистинную точки гамма (разделение связано астрономическим фактором нутацией , см. пункт 1.3.9), относительно которых измеряется истинное, среднее и квазиистинное звездное время .

Система звездного времени применяется при определении географических координат пунктов на поверхности Земли и азимутов направления на земные предметы, при изучении неравномерностей суточного вращения Земли, при установлении нульпунктов шкал других систем измерения времени. Эта система, хоть и широко применяется в астрономии, в повседневной жизни неудобна. Смена дня и ночи, обусловленная видимым суточным движением Солнца, создает вполне определенный цикл в деятельности человека на Земле. Поэтому издавна счисление времени ведется по суточному движению Солнца.

1.2.3. Истинное и среднее солнечное время. Уравнение времени

Система истинного солнечного времени (или истинное солнечное время — m  ) применяется при астрономических или геодезических наблюдениях Солнца. Параметры системы:

1) механизм — вращение Земли вокруг своей оси;

2) масштаб — истинные солнечные сутки — промежуток времени между двумя последовательными нижними кульминациями центра истинного Солнца;

3) начальная точка — центр диска истинного Солнца —  , нульпункт — истинная полночь , или момент нижней кульминации центра диска истинного Солнца;

4) способ отсчета. Мера измерения истинного солнечного времени — геоцентрический часовой угол истинного Солнца t  плюс 12 часов:

Единица истинного солнечного времени — секунда, равная 1/86400 истинных солнечных суток, не удовлетворяет основному требованию, предъявляемому к единице измерения времени — она не постоянна.

Причинами непостоянства шкалы истинного солнечного времени являют-

1) неравномерное движение Солнца по эклиптике вследствие эллиптичности орбиты Земли;

2) неравномерное возрастание прямого восхождения Солнца в течение года, так как Солнце по эклиптике, наклоненной к небесному экватору под углом примерно 23.5 0 .

Вследствие этих причин применение системы истинного солнечного времени на практике неудобно. Переход к равномерной шкале солнечного времени происходит в два этапа [3].

Этап 1 переход к фиктивному среднему эклиптическому Солнцу . На дан-

ном этапе исключается неравномерность движения Солнца по эклиптике. Неравномерное движение по эллиптической орбите заменяется равномерным движением по круговой орбите. Истинное Солнце и среднее эклиптическое Солнце совпадают, когда Земля проходит через перигелий и афелий своей орбиты.

Этап 2 переход к среднему экваториальному Солнцу , движущемуся рав-

номерно вдоль небесного экватора. Здесь исключается неравномерность возрастания прямого восхождения Солнца, обусловленная наклоном эклиптики. Истинное Солнце и среднее экваториальное Солнце одновременно проходят точки весеннего и осеннего равноденствия.

В результате перечисленных действий вводится новая система измерения времени – среднее солнечное время .

Среднее солнечное время обозначается m. Параметрами системы среднего солнечного времени являются:

1) механизм — вращение Земли вокруг оси;

2) масштаб — средние сутки — промежуток времени между двумя последовательными нижними кульминациями среднего экваториального Солнца  экв ;

3) начальная точка — среднее экваториальное Солнце  экв , нульпункт — средняя полночь , или момент нижней кульминации среднего экваториального Солнца;

4) способ отсчета. Мерой измерения среднего времени является геоцентрический часовой угол среднего экваториального Солнца t  экв плюс 12 часов.

m = t  экв + 12 h .

Определить среднее солнечное время непосредственно из наблюдений нельзя, так как среднее экваториальное Солнце – фиктивная точка на небесной сфере. Среднее солнечное время вычисляют по истинному солнечному времени, определенному из наблюдений истинного Солнца. Разность истинного солнечного времени m  и среднего солнечного времени m называется уравнением времени и обозначается :

= m  — m = t  — t  ср.экв. .

Уравнение времени выражается двумя синусоидами с годовым и полуго-

= 1 + 2 -7.7 m sin (l + 79 0 )+ 9.5 m sin 2l,

где l – эклиптическая долгота среднего эклиптического Солнца.

График есть кривая с двумя максимумами и двумя минимумами, которая в декартовой прямоугольной системе координат имеет вид, показанный на рис. 1.18.

Рис.1.18. График уравнения времени

Значения уравнения времени лежат в пределах от +14 m до –16 m .

В Астрономическом Ежегоднике на каждую дату приводится величина Е, равная

С данной величиной связь между средним солнечным временем и часовым углом истинного Солнца определяется выражением

1.2.4. Юлианские дни

При точном определении численного значения промежутка времени, заключенного между двумя отдаленными датами удобно пользоваться непрерывным счетом суток, которые в астрономии называют юлианскими днями .

Начало счета юлианских дней – средний гринвичский полдень 1 января 4713 г. до н.э., от начала этого периода ведется счет и нумерация средних солнечных суток так, что каждой календарной дате соответствует определенный юлианский день, обозначаемый кратко JD. Так, эпохе 1900,январь 0,12 h UT соответствует юлианская дата JD 2415020.0, а эпохе 2000, январь 1, 12 h UT — JD2451545.0.

Источник

К уроку астрономии. Измерение времени

5. Измерение времени.

Определение географической долготы.

Узловые вопросы: 1) различия между понятиями звездного, солнечного, местного, поясного, сезонного и всемирного времени; 2) принципы определения времени по данным астрономических наблюдений; 3) астрономические способы определения географической долготы местности.

Ученики должны уметь: 1) решать задачи на расчет времени и дат летосчисления и перевод времени из одной системы счета в другую; 2) определять географические координаты места и времени наблюдения.

Вначале урока проводится самостоятельная работа 20 мин.

1. Используя подвижную карту, определите 2 – 3 созвездия видимые на широте 53 о в Северном полушарии.

Вариант 1 15. 09. 21 ч

Вариант 2 25. 09. 23 ч

Б. Медведица, Возничий. Жираф

Б. Медведица, Гончие Псы

Козерог, Дельфин, Орел

Водолей, Пегас, Ю. Рыба

Волопас, С. Корона, Змея

Созвездие в зените

2. Определить азимут и высоту звезды на момент урока:

1 Вариант. a Б. Медведицы, a Льва.

2 Вариант. b Ориона, a Орла.

3. Используя карту звездного неба, найдите звезды по их координатам.

a Южной рыбы (Фольмагаут)

a Тельца (Альдебаран)

Основной материал.

Сформировать понятия о сутках и других единицах измерения времени. Возникновение любой· них (сутки, неделя, месяц, год) связано с астрономией и основано на продолжительности космических явлении (вращения Земли вокруг своей оси, обращения Луны вокруг Земли и обращения Земли вокруг Солнца).

Ввести понятие звездного времени.

Обратить внимание на следующие; моменты:

– продолжительность суток и года зависит от того, в какой системе отсчета рассматривается движение Земли (связана ли она с неподвижными звездами, Солнцем т. д.). Выбор системы отсчета отражается в названии единицы счета времени.

– продолжительность единиц счета времени связан с условиями видимости (кульминациями) небесных светил.

– введение атомного стандарта времени в науке было обусловлено неравномерностью вращения Земли, обнаруженной при повышении точности часов.

Введение поясного времени обусловлено необходимостью согласования хозяйственных мероприятий на территории, определяемой границами часовых поясов.

Пояснить причины изменения продолжительности солнечных суток на протяжении года. Для этого следует сопоставить моменты двух последовательные кульминаций Солнца и какой-либо звезды. Мысленно выбираем звезду, которая в первый раз кульминирует одновременно с Солнцем. В следующий раз кульминация звезды и Солнца одновременно не произойдет. Солнце будет кульминировать примерно на 4 мин позже, т. к. на фоне звезд оно переместится примерно на 1 // вследствие движения Земли вокруг Солнца. Однако это перемещение не является равномерным вследствие неравномерности движения Земли вокруг Солнца (об этом учащимся станет известно после изучения законов Кеплера). Существуют и другие причины, по которым промежуток времени между двумя последовательными кульминациями Солнца непостоянен. Возникает необходимость использования среднего значения солнечного времени.

Привести более точные данные: средние солнечные сутки на 3 мин 56 с короче звездных суток, а 24 ч 00 мин 00 с звездного времени равны 23 ч 56 мин 4 с среднего солнечного времени.

Всемирное время определяется как местное среднее солнечное время на нулевом (гринвичском) меридиане.

Вся поверхность Земли условно разделена на 24 участка (часовых пояса), ограниченных меридианами. Нулевой часовой пояс расположен симметрично относительно нулевого меридиана. Часовые пояса нумеруются от 0 до 23 с запада на восток. Реальные границы часовых поясов совпадают с административными границами районов, областей или государств. Центральные меридианы часовых поясов отстоят друг от друга на 15 о (1 ч), поэтому при переходе из одного часового пояса в другой время изменяется на целое число часов, а число минут и секунд не изменяется. Новые календарные сутки (а также и новый календарный год) начинаются на линии перемены даты, проходящей в основном по меридиану 180 о в. д. вблизи северо-восточной границы Российской Федерации. Западнее линии перемены даты число месяца всегда на единицу больше, чем к востоку от нее. При пересечении этой линии с запада на восток календарное число уменьшается на единицу, а при пересечении с востока на запад календарное число увеличивается на единицу. Это исключает ошибку в счете времени при перемещениях людей, путешествующих из Восточного в Западное полушарие Земли и обратно.

Календарь. Ограничиться рассмотрением краткой истории календаря как части культуры. Необходимо выделить три основных тина календарей (лунный, солнечный и лунно-солнечный), рассказать, что положено в их основу, и более детально остановиться на юлианском солнечном календаре старого стиля и григорианском солнечном календаре нового стиля. Порекомендовав соответствующую литературу, предложите ученикам подготовить к следующему уроку краткие сообщения о разных календарях или организовать специальную конференцию на данную тему.

После изложения материала об измерении времени нужно перейти к обобщениям, связанным с определением географической долготы, и тем самым подытожить вопросы об определении географических координат с помощью астрономических наблюдений.

Современное общество не может обходиться без знания точного времени и координат пунктов на земной поверхности, без точных географических и топографических карт, необходимых для мореплавания, авиации и многих других практических вопросов жизнедеятельности.

Вследствие вращения Земли разность между моментами наступления полудня или кульминацией звезд с известными экваториальными координатами в двух пунктах земной поверхности равна разности значений географической долготы этих пунктов, что дает возможность определения долготы конкретного пункта из астрономических наблюдений Солнца и других светил и, наоборот, местного времени в любо·пункте с известной долготой.

Чтобы вычислить географическую долготу местности, необходимо определить момент кульминации какого-либо светила с известными экваториальными координатами. Затем с помощью специальных таблиц (или калькулятора) время наблюдений переводится из среднего солнечного в звездное. Узнав по справочнику время кульминации этого светила на гринвичском меридиане, мы сможем определить долготу местности. Единственную сложность здесь представляет точный перевод единиц времени из одной системы в другую.

Моменты кульминации светил определяют с помощью пассажного инструмента – телескопа, укрепленного особым образом. Зрительная труба такого телескопа может быть повернута только вокруг горизонтальной оси, а ось закреплена в направлении запад-восток. Таким образом, инструмент поворачивается от точки юга через зенит и полюс мира к точке севера, т. е. он отслеживает небесный меридиан. Вертикальная нить в поле зрения трубы телескопа служит отметкой меридиана. В момент прохождения звезды через небесный меридиан (в верхней кульминации) звездное время равно се прямому восхождению. Впервые пассажный инструмент был изготовлен датчанином О. Ремером в 1690 г. За более чем триста лет принцип инструмента не изменился.

Отметить тот факт, что необходимость в точном определении моментов и промежутков времени стимулировала развитие астрономии и физики. Вплоть до середины XX в. астрономические способы измерения, хранения времени и эталоны времени лежали в основе деятельности мировой Службы времени. Точность хода часов контролировалась и корректировалась астрономическими наблюдениями. В настоящее время развитие физики привело к созданию более точных способов определения и эталонов времени. Современные атомные часы дают ошибку в 1 с за 10 млн. лет. С помощью этих часов и других приборов были уточнены многие характеристики видимого и истинного движения космических тел, открыты новые космические явления, в том числе изменения в скорости вращения Земли вокруг своей оси приблизительно на 0,01 с в течение года.

При закреплении изученного материала с учащимися можно решить следующие задачи.

Определить географическую долготу места наблюдения, если:

а) в местный полдень путешественник отметил 14 ч 13 м по гринвичскому времени.

С учетом того, что 1 ч = 15 о и 1 м = 15 / , имеем.

б) по сигналам точного времени 8 ч 00 м 00 с геолог зарегистрировал 10 ч 13 м 42 с местного времени.

С учетом того, что

1 ч = 15 о , 1 м = 15 / и 1 с = 15 // , имеем.

в) штурман лайнера в 17 ч 52 м 37 с местного времени принял сигнал гринвичского времени 12 ч 00 м 00 с .

С учетом того, что

1 ч = 15 о , 1 м = 15 / и 1 с = 15 // , имеем.

г) путешественник в местный полдень отметил 17 ч 35 м .

С учетом того, что 1 ч = 15 о и 1 м = 15 / , имеем.

Путешественники заметили, что по местному времени затмение луны началось в 15 ч 15 м , тогда как по астрономическому календарю оно должно было состояться в 3 ч 51 м по гринвичскому времени. Какова долгота их места нахождения.

25 мая в Москве (2 часовой пояс) часы показывают 10 ч 45 м . Какое среднее, поясное и летнее время в этот момент в Новосибирске (6 часовой пояс, l₂ = 5 ч 31 м ).

Зная московское летнее время, найдем всемирное время T_o:

Источник