7: Час

У цьому розділі ми коротко обговоримо кілька часових шкал, які використовуються в астрономії, такі як Універсальний час, Середній сонячний час, Ефемеридний час, Земний динамічний час та кілька типів секунди, години, дня та року, які є або були у використанні. Для деяких тем передбачається, що читач прочитав відповідні частини глави 6, щоб мати більш повне розуміння. Деякі з пунктів цього розділу будуть наведені лише у короткій формі приміток або визначеннях окремих речень, особливо там, де вони вже обговорювалися в главі 6. Інші зажадають трохи більше обговорення.

Місцевий очевидний сонячний час у певній географічній довготі - це годинний кут видимого сонця плюс 12 годин. Це час, позначений сонячним годинником. Оскільки правильне сходження Явного Сонця не збільшується рівномірно протягом року, місцевий очевидний сонячний час не протікає з рівномірною швидкістю. (Те, що мається на увазі під «час, що протікає з рівномірною швидкістю», - це те, про що можна задуматися. Можна дійсно довго розмірковувати.)

Місцевий середній сонячний час на певній довготі - це годинний кут Середнього Сонця плюс 12 годин. Хоча, як і місцевий очевидний сонячний час, він локальний до певної довготи, він, принаймні в якомусь сенсі, протікає рівномірно, оскільки правильне сходження Середнього Сонця збільшується рівномірно. Якщо читачеві цікаво, чи речення «середній сонячний час тече рівномірно, тому що правильне сходження Середнього Сонця збільшується рівномірно», - це кругова логіка, і що будь-яка частина речення випливає з визначення іншого, він чи вона не самотні. Дійсно, визначити саме те, що мається на увазі під «рівномірно протікає часом», непросто; Я не впевнений, чи хтось коли-небудь повністю успішно керував цим.

Рівняння часу - це різниця між місцевим видимим сонячним часом та місцевим середнім сонячним часом. Чи є це$\text{LAMS}$ −$\text{LMST}$ або$\text{LMST}$ −,$\text{LAMS}$ залежить від автора до автора. Таким чином, щоразу, коли ви використовуєте фразу у власному написанні, будьте обережні, щоб визначити, який сенс ви маєте намір.

Середній час за Гринвічем - місцевий середній час на довготі Грінвіча. У загальному сенсі це те ж саме, що і Універсальний час. Однак є деякі незначні уточнення Всесвітнього часу, про які ми повинні знати, і про які піде мова далі.

Часовий пояс. Оскільки Local Mean Solar Time є по суті локальним - тобто він змінюється від довготи до довготи - було вирішено, для цивільних цілей хронометражу, розділити світ на ряд зон довготи шириною приблизно 15 градусів (одна година), в якій кожен погоджується зберегти той же час, а саме місцеве середнє значення сонячний час для певної довготи в межах зони. Тут, де я пишу у Вікторії, Британська Колумбія, Канада, в нашій зоні ми використовуємо Тихоокеанський стандартний час протягом зимових місяців. Це вісім годин позаду середнього часу за Гринвічем. Багато юрисдикцій просувають час свого поясу на одну годину протягом літніх місяців; таким чином, влітку тут, у Вікторії, ми використовуємо тихоокеанський літній час, який лише на сім годин відстає від середнього часу за Гринвічем. Потрібно пам'ятати, що для переходу від Стандартного часу для даної зони до денного часу, годинник висуваються на одну годину навесні, і що «весна» відбувається один від одного до шести місяців один від одного в північній і південній півкуль! Стандартний поясний час для Сіднея, Австралія, на 18 годин випереджає стандартний час для Вікторії, Канада. Але в грудні це літо в Австралії, а зима у Вікторії; Сідней тоді на літній час, тоді як Вікторія перебуває на тихоокеанському стандартному часі - різниця в 19 годин. У червні Вікторія перебуває на літній час, тоді як Австралія перебуває на стандартному часі, різниця 17 годин. Ці ускладнення повинні бути зрозумілі тим, хто планує міжнародні телефонні дзвінки!

Місцевий сидеричний час - це часовий кут Першої точки Овна, і дорівнює годинному куту плюс прямому сходження будь-якої зірки.

Середній сонячний день - інтервал між двома послідовними верхніми меридіанними транзитами Середнього Сонця.

Середній сидеричний день - інтервал між двома послідовними верхніми меридіанними транзитами середнього рівнодення. Він дорівнює середньому$23^\text{h} \ 56^\text{m} \ 04^\text{s} .091$ сонячному часу. Період обертання Землі щодо нерухомих зірок становить$23^\text{h} \ 56^\text{m} \ 04^\text{s} .099$ середній сонячний час. $\Upsilon$Транзити трохи ближче один до одного через західного прецесійного руху$\Upsilon$ вздовж екліптики.

Сидеричний рік - це період обертання Землі навколо Сонця щодо нерухомих зірок, і це$365^\text{d} .25636$, де «$\text{d}$» позначає «середні сонячні дні».

Середній тропічний рік - це середній час, необхідний для видимого Сонця, щоб збільшити свою екліптичну довготу на$360^\circ$. Саме інтервал визначає пори року і дорівнює$365^\text{d} .24219$. Це менше, ніж сидеричний рік через західного руху$\Upsilon$ уздовж екліптики.

Аномалістичний рік - це інтервал між двома послідовними проходами Землі через перигелій. Вона дорівнює$365^\text{d} .25964$. Довший, що сидеричний рік через поступального руху перигелія.

У минулі часи, коли життя було простіше, секунда була лише$1/86400$ часткою середнього сонячного дня. Оскільки хронометраж ставав все більш точним, стало очевидним не тільки те, що час можна виміряти точніше в лабораторії за допомогою атомних годин, ніж можна було виміряти обертання Землі, але й те, що сама Земля не була ідеальним хронометристом, оскільки вона не обертається рівномірно при вимірюванні атомний годинник. Імовірно, це пов'язано з непередбачуваними змінами всередині тіла Землі, які змінюють її обертальну інерцію. При цьому знову виникає питання про те, що мається на увазі під «рівномірно протікає час». Що б не розумілося під ним, атомний час вважається кращим його представленням, ніж нерегулярно обертається Земля.

В даний час$\text{SI}$ (Système International) визначення другого - це інтервал$9192 \ 631 \ 770$ періодів випромінювання, що відповідає переходу між надтонкими рівнями$F = 0$ та$F = 1$$^2 \text{S}_{1/2}$ рівнем землі ізотопу цезію$^{137}\text{Cs}$. Хоча можна легко стверджувати, що це визначення другого за багатьма параметрами перевершує визначення, засноване на обертанні Землі, слід зазначити, що це визначення корисно (хоча і дуже корисно) лише для визначення інтервалів часу - тобто скільки секунд мають Пройшов між подією A та подією B. Само по собі визначення не робить нічого для визначення моменту часу однієї події. Це нічого не говорить нам про те, як далеко Земля оберталася на своїй осі (час доби) або як далеко вона рухалася по своїй орбіті навколо Сонця (пори року). Все ще існує потреба в часовій шкалі для визначення моменту часу астрономічних подій і використання як «рівномірно протікає» часу в якості аргументу в небесних механічних розрахунках і забезпеченні ефемеридів.

Міжнародний атомний час (TAI - від початкових букв французької назви, Temps Atomique International) дозволяє нам визначити момент часу виникнення події, оскільки він визначається «тиканням» цезієвого атомного годинника, що вибиває SI секунд атомного часу, яка почалася на початку дня 1958 січня 01. Тобто він має одиницю часу і відправну точку. Однак з тієї епохи минуло багато секунд, тому ви можете порівняти його з «часом доби» або з середнім часом за Гринвічем, віднімаючи 86400 секунд, коли кількість секунд перевищує це число. Тобто кількість секунд,$\text{TAI}$ що минули з початкової епохи, «по модулю 86400». Це не буде точно узгоджено з середнім часом за Гринвічем (тобто годинним кутом Середнього Сонця в Грінвічі плюс 12 годин), якщо Земля не обертається рівномірно в порівнянні з атомним годинником. Це не зовсім, тому можна запитати, який годинник «винен», або який годинник «працює рівномірно». Більшість з нас, ймовірно, погодиться, що саме атомний годинник працює рівномірно і що різниця між$\text{TAI}$ і$\text{GMT}$ викликана порушеннями швидкості обертання Землі відносно$\text{TAI}$. Таким чином, ми можемо спокушатися, для багатьох цілей, віддати перевагу вимірювати часовий інтервал за допомогою атомного годинника, ніж використовувати обертання Землі як нашого зберігача часу. Це дійсно дійсно, якщо все, що ми хочемо зробити, це виміряти проміжок часу між двома подіями - але він все ще не говорить нам, де Сонце (Середнє чи Очевидне) знаходиться на небі, і нам все ще потрібна шкала часу, рівномірна вона чи ні, яка говорить нам про часовий кут Сонця.

Необхідна шкала часу - Універсальний час, який є годинним кутом Середнього Сонця в Грінвічі плюс 12 годин, і для більшості цілей такий же, як і середній час за Гринвічем. Однак для дуже точної роботи існує кілька тонко різних різновидів Universal Time. В принципі, ми могли б визначити,$\text{UT}$ виміряючи часовий кут Середнього Сонця — якби ми могли бачити Середнє Сонце і точно записати, коли воно перетинає меридіан. На практиці$\text{UT}$ визначається шляхом запису часу транзиту зірок і обчислення Всесвітнього часу з спостережуваного Локального Сидеричного Часу. Якщо ви це зробите, ви отримаєте те, що відомо як$\text{UT0}$. Однак невеликі поправки необхідні для обліку зміни широти (див. Розділ 6.7) та полярного руху (прослизання земної кори щодо тіла планети), і коли ці поправки зроблені, ми приходимо до$\text{UT1}$. Однак цих виправлень недостатньо, щоб підтримувати Універсальний час завжди в точній згоді з$\text{TAI}$, і всякий раз, коли$\text{UT1}$$\text{TAI}$ відрізняється від цілих 0,9 секунди, додається високосна секунда (або в принципі, якщо не на практиці, віднімається від),$\text{UT1}$ щоб досягти Координований Всесвітній Час$\text{UTC}$, який при цьому ніколи не$\text{TAI}$ відрізняється від цілих секунди. Високосні секунди зазвичай додаються в кінці року, а іноді і в середині року. Сигнали часу, що транслюються по радіо та через Інтернет$\text{UTC}$, є, і оголошення робляться щоразу, коли вставляється секунда стрибка. Всякий раз, коли вставляється високосна секунда, хвилина, протягом якої вона вставляється, має 61 секунду, і робиться оголошення. Зазвичай момент часу, коли спостерігаються астрономічні події (наприклад, місячні окультивації), слід реєструвати та повідомляти в$\text{UTC}$. Звичайно, якщо спостереження проводиться не з точністю краще секунди (наприклад, початок місячного затемнення), не слід робити вигляд, що можна розрізняти різні версії$\text{UT}$, а записаний час повинен бути «$\text{UT}$». Сказати «$\text{UTC}$» за таких обставин - це прикидатися більшою точністю, ніж було насправді досягнуто - скоріше, як цитування вимірювання на занадто багато значущих цифр.

Хоча Всесвітній час говорить нам про «час доби» - тобто як далеко Земля оберталася на своїй осі - це не аргумент часу, необхідного для теоретичного розрахунку орбітальних ефемеридів. Протягом більшої частини двадцятого століття шкала часу, яка використовувалася для теоретичних розрахунків ефемерид, була Ефемерида Час,$\text{ET}$ (Я вважаю, що фільм був зроблений про час ефемериди. Принаймні назва фільму була ET, тому я припускаю, що це те, про що йшлося, хоча я насправді цього не бачив.) Ефемеридний час базувалося не на (нерегулярно обертається) Землі, а в принципі на русі Землі по своїй орбіті навколо Сонця, яке вважалося «рівномірним». (На практиці$\text{ET}$ розраховувався за спостереженнями окультивацій зірок Місяцем, рух Місяця по її орбіті передбачалося розраховувати за допомогою рівномірно протікає ефемеридного часу.) Так само, як$\text{TAI}$ має одиницю часу ($\text{SI}$друга) і початкова епоха (1958 січня 01), так і ET мав одиницю часу (середній тропічний рік) і початкову епоху (січень 1900$0^\text{d} \ 12^\text{h} \ \text{ET}$).

Хоча$\text{ET}$ був набагато більш задовільним, як «рівномірно протікає» аргумент часу, необхідний для ефемерид або інших небесних механічних розрахунків, врешті-решт довелося визнати, що інтервали атомного часу можуть бути визначені набагато точніше, ніж в будь-якому іншому часовому масштабі, і отже, ефемеридний час ($\text{ET}$) був замінений у 1984 році земним динамічним часом ($\text{TDT}$) як незалежним аргументом нібито рівномірно протікає часу для ефемеридних розрахунків. На відміну від$\text{ET}$, одиниця часу не є середнім тропічним роком, але це$\text{SI}$ другий час, заснований на надтонкому переході цезії, як визначено раніше в розділі. А відправною точкою для$\text{TDT}$ визначено таке, що на даний момент 1977 січня$01^\text{d} \ 00^\text{h} \ 00^\text{m} \ 00^\text{s}$$\text{TAI}$ був таким же моментом, як і 1977 січня$01^\text{d} .0003725$. Так як$0^\text{d} .0003725$ є$32^\text{s} .184$,$\text{TDT}$ дорівнює$\text{TAI}$ плюсу$32^\text{s} .184$. Це було перейменовано просто наземним часом ($\text{TT}$) в 1991 році. $\text{TT}$Мовляв$\text{TDT}$,$\text{TAI}$$0^\text{d} .003725$ випереджав у січні 1997 року$01^\text{d} .0$$\text{TAI}$, різниця в тому, що одиниця часового інтервалу в$\text{TT}$ була визначена в 1991 році як$\text{SI}$ друга на середньому рівні моря. (На середньому рівні моря? Що це має відношення до цього?! Не дуже багато, щоб бути впевненим, але, для точного хронометражу, це важливо, оскільки, згідно із загальною відносністю, швидкість проходження часу залежить від гравітаційного потенціалу.)

Підсумовуючи, сигнали часу, які транслюються на короткохвильовому радіо або в Інтернеті, є$\text{UTC}$. Коли ви робите спостереження і фіксуєте момент виникнення астрономічного явища, необхідно повідомити про спостереження в UTC, не перетворюючи його в якусь іншу шкалу. Єдине застереження полягає в тому, що якщо ваше спостереження менш точне, ніж секунда, ви не повинні претендувати на більшу точність, яка виправдана вашим спостереженням (тобто ви не повинні робити вигляд, що ваш час був достатньо точним, щоб ви могли розрізняти різні різновиди$\text{UT}$), і це потім стає доречним повідомити про своє спостереження просто як «$\text{UT}$».

Якщо ви обчислюєте та публікуєте ефемериди, аргумент часу, який ви повинні використовувати у своїх розрахунках і який повинен бути опублікований в ефемеридах, є$\text{TDT}$. Це також стосується, якщо ви обчислюєте орбітальні елементи, за винятком того, що комп'ютер (під яким я маю на увазі людину, яка робить розрахунок або програмує машину, щоб зробити це) повинен усвідомлювати та усвідомлювати той факт, що спостереження, представлені йому або їй, наведені в$\text{UTC}$, і корекції повинні бути внесені відповідно.

Наскільки велика різниця між$\text{UTC}$ і$\text{TDT}$? Це дається двома величинами, відомими як$∆T$ і$∆\text{UT1}$, задані

$$∆T = \text{TDT} - \text{UT1}$$

і $$∆\text{UT1} = \text{UT1} - \text{UTC},$$

з чого випливає, що

$$\text{TDT} - \text{UTC} = ∆T + ∆\text{UT1, which is also given the symbol } ∆\text{TT}.$$

Значення цих виправлень опубліковані в «Астрономічних ефемеридах». Їх неможливо передбачити точно на даний майбутній рік, а їх точні значення відомі лише через кілька років після публікації. Астрономічна ефемерида дає таблицю$∆Τ$ з 1620 року, і прогноз її значення на поточний рік. У 2000 році він становив близько 63 секунд і збільшувався приблизно на три чверті секунди на рік.

Для більшості цілей різниця між$\text{UTC}$ використовуваними спостерігачами та$\text{TDT}$ використовуваними комп'ютерами має мало значення. Адже з практичної точки зору правильне сходження і схилення планети змінюються не дуже сильно за 63 секунди. Виняток може бути в разі швидко рухається навколоземного астероїда. Наприклад, якщо астероїд рухається з дуже швидкою швидкістю 10000 кутових секунд на годину, за 63 секунди він перемістив три кутові хвилини. В принципі, спостерігач астероїдів, який «підстерігає», щоб «засідати» новий астероїд, коли він «пливе в його погляд», повинен був би враховувати різницю між опублікованими ефемеридами та його годинником.$\text{TDT}$$\text{UTC}$ На практиці невизначеність в елементах нещодавно відкритого швидко рухається астероїда представляє спостерігачеві більше викликів$∆T$, ніж виклик, так що, навіть у випадку швидко рухаються астероїдів, рідко$∆T$ це є найважливішою складністю.