Практическая астрономия

Эфемеридное время  определяется из долголетних наблюдений за движением Солнца, Луны и планет, из наблюдений покрытий звезд Луною, затмений и т. п. Эфемеридный меридиан занимает такое положение в пространстве, которое занимал бы Гринвичский при условии, что Земля вращается равномерно с угловой скоростью, равной одному полному обороту за одни эфемеридные сутки. Эфемеридный меридиан отстоит от Гринвичского на угловом расстоянии ET-UT.

Так как предвычисленные  положения небесных тел привязаны  к эфемеридному времени, а наблюдаемые - к всемирному времени, сопоставление  тех и других положений позволяет  вычислить разность эфемеридного и  всемирного времени. Различие между  этими шкалами объясняется в основном вековым замедлением вращения Земли. С 1903 по 1977 год это различие достигло почти 49 с. Точные значения разности эфемеридного и всемирного времени могут быть получены лишь с большим опозданием для прошедших моментов времени.

С появлением молекулярных и атомных стандартов частоты возникла принципиально новая, не зависящая от вращения Земли и движения тел Солнечной системы, физическая шкала атомного времени. В 1967 году Международный комитет мер и весов постановил принять за единицу измерения времени в Международной системе единиц (СИ) атомную секунду. Она была определена как "продолжительность 9 192631 770 колебаний излучения, соответствующего резонансной частоте перехода между двумя уровнями сверхтонкой структуры основного состояния атома цезия-133, при отсутствии возмущений от внешних полей". Атомная секунда выбиралась таким образом, чтобы ее продолжительность была максимально близка к продолжительности эфемеридной. Атомная секунда соответствует эфемеридной с точностью ±2*10^-9, что было установлено в результате сравнения шкал эфемеридного и атомного времени на протяжении пяти лет. Шкала атомного времени чрезвычайно стабильна, равномерна и легко воспроизводима, однако выбор секунды атомного времени условен, как и начало счета времени в атомной шкале. Если в основе шкалы времени лежит вращение Земли, то моменты событий устанавливаются по числу циклов (и долей циклов) видимого перемещения Солнца. Эти циклы отсчитываются от некоторого условного начала, например, от "рождества Христова". Шкала атомного времени также устанавливается путем подсчета числа циклических колебаний сигнала, частота которого находится в резонансе с частотой излучения определенных атомов. Различие между этими шкалами заключается в том, что периоды колебаний атомных часов несравненно короче ежедневных циклов видимого перемещения Солнца и требуют более сложных устройств для подсчета периодов. Показания же атомных часов можно снять во много тысяч раз точнее и легче, чем показания земных часов. Атомное время обычно отсчитывается от начала того года, когда атомные часы вводятся в эксплуатацию. Сейчас приняты два унифицированных обозначения атомного времени: TA(i)- независимое местное атомное время, вычисленное i-той лабораторией по своим атомным часам; TAI (Time Atomic International)- международная шкала атомного времени.

Независимые национальные шкалы или шкалы отдельных  обсерваторий TA(i) появились во второй половине 50-х годов. Национальная шкала  атомного времени Советского Союза TA(SU) существует с 1962 года. В основе Государственного эталона времени и частоты лежит цезиевый репер частоты, который воспроизводит единицу частоты с ошибкой менее 10^-12. Эталон периодически проверяется. Он отделен от группы атомных часов, выверенных так, чтобы их ход соответствовал колебаниям эталона. Эти часы и задают рабочую шкалу атомного времени. Поскольку рабочих часов несколько, исключается возможность "потери" шкалы атомного времени. Синхронизация атомных эталонов частоты разных стран и обсерваторий осуществляется несколькими способами: по телевизионным сигналам точного времени (однако телевизионная сеть охватывает ограниченную территорию); по сигналам времени, транслируемым американской радионавигационной системой Лоран-С или системой советских радионавигационных станций; по сигналам, передаваемым искусственными спутниками Земли, которые служат ретрансляторами стандартов частоты или оборудованы собственными бортовыми часами. Наконец, атомные стандарты времени и частоты перевозят, например, самолетами. В этом случае шкалы времени двух обсерваторий можно сравнивать с ошибкой около 10^-7 с, если стабильность перевозимого стандарта 10^-12 и длительность транспортировки около 10^5 с.

Все это позволило  создать чрезвычайно стабильную и высокоточную Международную шкалу  атомного времени TAI, которая основана на постоянной секунде в системе СИ, реализованной на уровне моря. Эта шкала формируется Международным бюро времени. Она сохраняется непрерывно с 1 января 1958 года и является опорной для синхронизации часов во всем мире, для исследования движения небесных тел и изучения неравномерности вращения Земли. Точность Международной шкалы атомного времени составляет 10^-13 секунды СИ на уровне моря.

Первоначально Международное  бюро времени строило шкалу TAI по национальным шкалам времени Великобритании, Швейцарии и США, каждая из которых основывалась не менее чем на трех атомных эталонах частоты. Позднее к созданию TAI были привлечены семь местных атомных шкал TA(i), в том числе Канады, ФРГ, Франции. С июля 1973 года Международное бюро времени вычисляет TAI, опираясь непосредственно на показания отдельных атомных часов. В 1974 году при формировании этой шкалы использовались показания 59 атомных часов, в 1975 году - показания 94 часов шестнадцати лабораторий.

КАК СОГЛАСОВАТЬ  ШКАЛЫ?

Атомные часы позволили  создать очень стабильную и равномерную шкалу времени. Но продолжительность суток, как мы уже говорили, меняется, поэтому ход атомных часов не совпадает с ходом земных. Расхождение между атомной и всемирной шкалами времени составляет примерно секунду в год. Аналогичная проблема существует и в календарном счете времени. Год не равен целому числу суток, но мы хотим, чтобы год "шел в ногу" с календарем. Прибавляя в високосном году один день к календарю, можно поддерживать соответствие между календарем и временами года. Для согласования физической шкалы атомного времени TAI вначале изменяли продолжительность секунды. Секунда была "резиновой", но это оказалось неудобно, поэтому была введена шкала координированного времени UTC (Universal Time Coordination), включающая в себя понятие "дополнительной секунды".

С 1 января 1972 года большая  часть программ радиосигналов точного  времени стала передаваться в  шкале UTC. Началу передач предшествовало согласование шкал атомного и всемирного времени. Дело в том, что в 1971 году расхождение между ними достигло 10 с. Поэтому в конце 1971 года была проведена специальная коррекция сигналов точного времени таким образом, что по шкале всемирного координированного времени отсчет 1972 год, январь 1, Оч Ом Ос соответствовал моменту атомного времени Международного бюро времени 1972 года, январь 1, Оч Ом 10с. Было принято за правило, что разность между координированным временем и атомным не должна превышать 0,75-0,9с. Приблизительная величина UT1-UTC определяется заранее и сообщается всем радиостанциям, передающим сигналы времени, за месяц вперед. Когда разность UT1-UTC достигает 0,75-0,9с, Международное бюро времени объявляет о введении дополнительной секунды (положительной или отрицательной), и шкала UTC смещается точно на одну секунду. Обычно это происходит 31 декабря или 30 июня:

положительная секунда  начинается в 23ч 59м 60с и кончается  в Оч Ом Ос первых суток следующего месяца; если вводится отрицательная  секунда, то через секунду после 23ч 59м 58с идет Оч Ом Ос первого дня  следующего месяца. Совсем недавно произошло еще одно изменение в международной шкале атомного времени. Мы уже говорили о том, что в ее формировании участвуют более 90 атомных часов различных лабораторий. Все эти часы серийного изготовления, по разным причинам они не могут очень хорошо "держать" номинальную частоту. В последние годы было проведено исследование атомных часов и сравнение их с метрологическими эталонами. Оказалось, что разность частоты серийных часов с метрологическими эталонами в среднем составляет 10-10^-13 с ошибкой примерно ±10^-13. На основании этих исследований Международный астрономический союз рекомендовал 1 января 1977 года в Оч Ом Ос всемирного координированного времени изменить масштаб атомного времени, то есть изменить длительность единицы шкалы ТА! - атомной секунды - на (10±2)*10^-13. Длительность единицы шкалы ТА1 была таким образом подогнана к секунде СИ.

Передаваемые радиостанциями разных стран сигналы точного  времени могут иметь своей  основой либо координированное время  Международного бюро времени, либо координированное время национальной шкалы.

Национальная шкала  времени СССР - это шкала равномерного атомного времени, в которой начало отсчета совмещено со шкалой всемирного времени UT1 в 12 ч всемирного времени 1 января 1964 года. Размер единицы времени - секунды, воспроизводимой Государственным эталоном времени и частоты СССР, соответствует определению, которое принял в 1967 году Международный комитет мер и весов.

В шкале координированного  времени СССР секунда равна атомной  секунде СИ, а счет Времени может меняться на 1с в Оч Ом Ос всемирного времени так, чтобы расхождение между шкалами всемирного и координированного времени не превышало 0,75-0,9с. Шкалы координированного времени СССР и Международного бюро времени согласованы с точностью выше Ю-3 с. Сигналы точного времени, передаваемые советскими радиостанциями, формируются на основе шкалы координированного времени СССР. Итак, проблема создания системы счета времени, основанной на стабильном природном процессе, решена. Шкала атомного времени очень стабильна и равномерна. Однако это вовсе не означает, что отпала надобность во всемирном времени. Внедрение в практику атомных эталонов и сравнение атомного времени со всемирным дает возможность изучать тонкие особенности вращения Земли, еще не получившие геофизической интерпретации. Шкала всемирного времени нужна и при работах в космосе, для слежения и корректировки с Земли движения космических аппаратов. Астрономическое и атомное время имеют свои области применения, и необходимость обеих шкал подчеркивается введением компромиссной системы передач сигналов координированного времени по радио, удовлетворяющей потребности, как в астрономическом, так и атомном времени.

Время,

основная (наряду с  пространством) форма существования  материи, заключающаяся в закономерной координации сменяющих друг друга явлений. Оно существует объективно и неразрывно связано с движущейся материей. См. Пространство и время, Относительности теория.  

  Измерение времени. Проблемой измерения В., независимо от способа и системы его отсчёта, занимаются различные разделы науки и техники. Технические средства — счётчики В. (часы и другие приборы) для счёта В. и воссоздания его единиц и их долей разрабатываются в хронометрии. Астрономия даёт возможность с помощью специальных наблюдений небесных светил контролировать работу счётчиков В. и определять поправки к шкалам В. 

 Уже в глубокой  древности в основу измерения больших и малых промежутков В. легли астрономические явления, обусловленные движением небесных светил, прежде всего Земли и Луны. В качестве единицы для измерения больших интервалов В. стал применяться год, определяемый периодом обращения Земли вокруг Солнца; с этой единицей В. связан цикл изменений в природе. Более мелкой единицей В. стал служить цикл смены лунных фаз (синодический месяц), который, несколько изменившись, превратился в существующий поныне месяц. Сутки связаны с циклом смены светлого и тёмного времени и обусловлены вращением Земли. Для отсчёта ещё более мелких интервалов В. сутки делились на часы, причём первоначально светлое время суток делилось на 12 дневных часов, а тёмное — на 12 ночных часов, различных по длине и не имеющих постоянной продолжительности в течение года. Позже было введено деление суток на 24 равных часа. С развитием хозяйственной деятельности человека к проблеме измерения В. стали предъявлять более высокие требования. Совершенствовались приборы для измерения В. — часы, что позволяло вводить всё более точные системы счёта В., применительно к практическим и научным требованиям. В современных часах система счёта В. задаётся тем или иным искусственным периодическим процессом: качанием балансира (морские хронометры, часы в быту и др.), маятника (астрономические часы и др.), колебанием кварцевой пластинки (кварцевые часы). В наиболее точных кварцевых часах стабильность колебаний кварца контролируется квантовыми генераторами, действие которых основано на периодических процессах, происходящих в атомах и молекулах (атомные часы). 

 Вращение Земли  вокруг оси относительно звёзд  определяет звёздное В. Поскольку  звёзды имеют собственные движения, недостаточно хорошо изученные,  звёздное В. измеряют относительно весеннего равноденствия точки, движение которой среди звёзд хорошо известно. Момент её верхней кульминации (см. Кульминация небесного светила) принимается за начало звёздных суток. Звёздные сутки подразделяют на звёздные часы, минуты и секунды. Звёздное В. определяется непосредственно из астрономических наблюдений и служит для согласования показаний часов-хранителей В. с астрономической системой счёта В. Знание звёздного В. необходимо при различных астрономических наблюдениях, а также в геодезических измерениях, навигации и других работах, связанных с наблюдениями небесных светил. В практической жизни оно неудобно, так как не согласуется со сменой дня и ночи. Поэтому на практике употребляется солнечное В. 

 Истинное солнечнее  В. определяется видимым суточным  движением Солнца, моменты верхней  и нижней кульминации которого  называются соответственно истинным  полднем и истинной полночью. Промежуток В. между двумя последовательными одноимёнными кульминациями центра Солнца называются истинными солнечными сутками. Однако вследствие неравномерности движения Земли по орбите, а следовательно и видимого годичного движения Солнца по эклиптике, а также неперпендикулярности оси Земли к плоскости её орбиты, истинные солнечные сутки непостоянны по своей продолжительности, т. е. система счёта истинного солнечного В. неравномерна. Равномерная в течение года система солнечного В. — среднее солнечное В. — основана на суточном движении так называемого среднего Солнца — фиктивной точки, равномерно движущейся по экватору с такой скоростью, что в своем годичном движении она всегда одновременно с истинным Солнцем проходит через точку весеннего равноденствия. Моменты верхней и нижней кульминаций среднего Солнца называются соответственно средним полднем и средней полночью. Промежуток В. между двумя последовательными одноимёнными кульминациями среднего Солнца называется средними солнечными сутками, за начало которых принимается его нижняя кульминация. Средние солнечные сутки подразделяются на средние солнечные часы, минуты, секунды. 

 Разность между  средним и истинным солнечным  В. называется уравнением времени,  которое в течение года изменяется  в пределах от —14 мин 22 сек до + 16 мин 24 сек (см. Уравнение времени). Среднее солнечное В. контролируется с помощью звёздного В. на основе следующего соотношения, установленного многочисленными наблюдениями: