Каждое астрономическое наблюдение должно сопровождаться данными о моменте времени его выполнения. Точность момента времени может быть различной, в зависимости от требований и свойств наблюдаемого явления. Так, например, при обычных наблюдениях метеоров и переменных звезд вполне достаточно знать момент с точностью до минуты. Наблюдения же солнечных затмений, покрытий звезд Луной и в особенности наблюдения за движением искусственных спутников Земли требуют отметки моментов с точностью не меньшей, чем до десятой доли секунды. Точные же астрометрические наблюдения суточного вращения небесной сферы заставляют применять особые способы регистрации моментов времени с точностью до 0,01 и даже 0,005 секунды!
Поэтому одна из основных задач практической астрономии состоит в получении из наблюдений точного времени, хранении его и сообщении данных о времени потребителям.
Для хранения времени астрономы располагают очень точными часами, которые регулярно проверяют, определяя моменты кульминаций звезд при помощи специальных инструментов. Передача же сигналов точного времени по радио позволила им организовать всемирную Службу времени, т. е. связать все обсерватории, занимающиеся наблюдениями такого рода, в одну систему.
В обязанность Служб времени, помимо подачи в эфир сигналов точного времени, входит также передача упрощенных сигналов, которые всем радиослушателям хорошо известны. Это шесть коротких сигналов, «точек», которые подаются перед началом нового часа. Момент последней «точки», с точностью до сотой доли секунды, совпадает с началом нового часа. Любителю астрономии рекомендуется пользоваться этими сигналами для проверки своих часов. Проверяя часы, мы не должны их переводить, так как при этом механизм портите я, а астроном должен беречь свои часы, так как это один из основных его инструментов. Он должен определять «поправку часов» - разность между точным временем и их показаниями. Эти поправки должны систематически определяться и записываться в дневник наблюдателя; их дальнейшее изучение позволит определить ход часов и хорошо их исследовать.
Конечно, желательно иметь в своем распоряжении возможно лучшие часы. Что же надо понимать под термином «хорошие часы»?
Необходимо, чтобы они возможно точнее сохраняли свой ход. Сравним между собой два экземпляра обычных карманных часов:
Положительный знак поправки означает, что для получения точного времени надо к показанию часов прибавить поправку.
В двух половинах таблички приведены записи поправок часов. Вычитая из нижней поправки верхнюю и деля на количество прошедших между определениями суток, мы получаем суточный ход часов. Данные о ходе приведены в той же таблице.
Почему мы назвали одни часы плохими, а другие хорошими? У первых часов поправка близка к нулю, но их ход меняется нерегулярно. У вторых - поправка велика, но ход равномерен. Первые часы пригодны для таких наблюдений, которые не требуют отметки времени точнее, чем до минуты. Интерполировать их показания нельзя, а проверять их надо несколько раз в ночь.
Вторые, «хорошие часы», пригодны для выполнения более сложных наблюдений. Конечно, полезно их проверять чаще, но можно интерполировать их показания для промежуточных моментов. Покажем это на примере. Допустим, что наблюдение сделано 5 ноября в 23 ч. 32 м. 46 с. по нашим часам. Проверка часов, произведенная в 17 часов 4 ноября, дала поправку +2 м. 15 с. Суточный ход, как видно из таблицы, +5,7 с. С 17 часов 4 ноября до момента наблюдения прошли 1 сутки и 6,5 часа или 1,27 суток. Умножая это число на суточный ход, получаем +7,2 с. Поэтому поправка часов в момент наблюдения была равна не 2 м. 15 с., а +2 м. 22 с. Ее мы и прибавляем к моменту наблюдения. Итак, наблюдение произведено 5 ноября в 23 ч. 35 м. 8 с.
Точное время
Для измерения коротких промежутков времени в астрономии основной единицей является средняя длительность солнечных суток, т.е. средний промежуток времени между двумя верхними (или нижними) кульминациями центра Солнца. Среднее значение приходится использовать, потому что в течение года длительность солнечных суток слегка колеблется. Это связано с тем, что Земля обращается вокруг Солнца не по кругу, а по эллипсу и скорость ее движения при этом немного меняется. Это и вызывает небольшие неравномерности в видимом движении Солнца по эклиптике в течение года.
Момент верхней кульминации центра Солнца, как мы уже говорили, называется истинным полднем. Но для проверки часов, для определения точного времени нет надобности отмечать по ним именно момент кульминации Солнца. Удобнее и точнее отмечать моменты кульминации звезд, так как разность моментов кульминации любой звезды и Солнца точно известна для любого времени. Поэтому для определения точного времени с помощью специальных оптических приборов отмечают моменты кульминаций звезд и проверяют по ним правильность хода часов, «хранящих» время. Определяемое таким образом время было бы абсолютно точным, если бы наблюдаемое вращение небосвода происходило со строго постоянной угловой скоростью. Однако оказалось, что скорость вращения Земли вокруг оси, а следовательно и видимое вращение небесной сферы, испытывает со временем очень небольшие изменения. Поэтому для «хранения» точного времени сейчас используются специальные атомные часы, ход которых контролируется колебательными процессами в атомах, происходящими на неизменной частоте. Часы отдельных обсерваторий сверяются по сигналам атомного времени. Сравнение времени, определяемого по атомным часам и по видимому движению звезд, позволяет исследовать неравномерности вращения Земли.
Определение точного времени, его хранение и передача по радио всему населению составляют задачу службы точного времени, которая существует во многих странах.
Сигналы точного времени по радио принимают штурманы морского и воздушного флота, многие научные и производственные организации, нуждающиеся в знании точного времени. Знать точное время нужно, в частности, и для определения географических долгот разных пунктов земной поверхности.
Счет времени. Определение географической долготы. Календарь
Из курса физической географии СССР вам известны понятия местного, поясного и декретного счета времени, а также что разность географических долгот двух пунктов определяют по разности местного времени этих пунктов. Эта задача решается астрономическими методами, использующими наблюдения звезд. На основании определения точных координат отдельных пунктов производится картографирование земной поверхности.
Для счета больших промежутков времени люди с древних пор использовали продолжительность либо лунного месяца, либо солнечного года, т.е. продолжительность оборота Солнца по эклиптике. Год определяет периодичность сезонных изменений. Солнечный год длится 365 солнечных суток 5 часов 48 минут 46 секунд. Он практически несоизмерим с сутками и с длиной лунного месяца - периодом смены лунных фаз (около 29,5 суток). Это и составляет трудность создания простого и удобного календаря. За многовековую историю человечества создавалось и использовалось много различных систем календарей. Но все их можно разделить на три типа: солнечные, лунные и лунно-солнечные. Южные скотоводческие народы пользовались обычно лунными месяцами. Год, состоящий из 12 лунных месяцев, содержал 355 солнечных суток. Для согласования счета времени по Луне и по Солнцу приходилось устанавливать в году то 12, то 13 месяцев и вставлять в год добавочные дни. Проще и удобнее был солнечный календарь, применявшийся еще в Древнем Египте. В настоящее время в большинстве стран мира принят тоже солнечный календарь, но более совершенного устройства, называемый григорианским, о котором говорится дальше.
При составлении календаря необходимо учитывать, что продолжительность календарного года должна быть как можно ближе к продолжительности оборота Солнца по эклиптике и что календарный год должен содержать целое число солнечных суток, так как неудобно начинать год в разное время суток.
Этим условиям удовлетворял календарь, разработанный александрийским астрономом Созигеном и введенный в 46 г. до н.э. в Риме Юлием Цезарем. Впоследствии, как вам известно, из курса физической географии, он получил название юлианского или старого стиля. В этом календаре годы считаются трижды подряд по 365 суток и называются простыми, следующий за ними год - в 366 суток. Он называется високосным. Високосными годами в юлианском календаре являются те годы, номера которых без остатка делятся на 4.
Средняя продолжительность года по этому календарю составляет 365 суток 6 ч, т.е. она примерно на 11 мин длиннее истинной. В силу этого старый стиль отставал от действительного течения времени примерно на 3 суток за каждые 400 лет.
В григорианском календаре (новом стиле), введенном в СССР в 1918 г. и еще ранее принятом в большинстве стран, годы, оканчивающиеся на два нуля, за исключением 1600, 2000, 2400 и т.п. (т.е. тех, у которых число сотен делится на 4 без остатка), не считаются високосными. Этим и исправляют ошибку в 3 суток, накапливающуюся за 400 лет. Таким образом, средняя продолжительность года в новом стиле оказывается очень близкой к периоду обращения Земли вокруг Солнца.
К XX в. разница между новым стилем и старым (юлианским) достигла 13 суток. Поскольку в нашей стране новый стиль был введен только в 1918 г., то Октябрьская революция, совершенная в 1917 г. 25 октября (по старому стилю), отмечается 7 ноября (по новому стилю).
Разница между старым и новым стилями в 13 суток сохранится и в XXI в., а в XXII в. возрастет до 14 суток.
Новый стиль, конечно, не является совершенно точным, но ошибка в 1 сутки накопится по нему только через 3300 лет.
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:
m = t + 12h .
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 23.50 .
Вследствие этих причин применение системы истинного солнечного времени на практике неудобно. Переход к равномерной шкале солнечного времени происходит в два этапа .
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 + 12h .
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-
довым периодами:
1 + 2 -7.7m sin (l + 790 )+ 9.5m 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 +14m до –16m .
В Астрономическом Ежегоднике на каждую дату приводится величина Е, равная
Е = + 12 h .
С данной величиной связь между средним солнечным временем и часовым углом истинного Солнца определяется выражением
m = t -E.
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 0,12h UT соответствует юлианская дата JD 2415020.0, а эпохе 2000, январь 1, 12h UT - JD2451545.0.
На обсерваториях есть инструменты, при помощи которых определяют точнейшим образом время - проверяют часы. Время устанавливают по положению, занимаемому светилами над горизонтом. Для того чтобы часы обсерватории шли как можно точнее и равномернее в промежутке между вечерами, когда их проверяют по положению звезд, часы помещают в глубокие подвалы. В таких подвалах круглый год сохраняется постоянная температура. Это очень важно, так как изменения температуры влияют на ход часов.
Для передачи сигналов точного времени по радио на обсерватории имеется специальная сложная часовая, электрическая и радиоаппаратура. Передаваемые из Москвы сигналы точного времени - одни из самых точных в мире. Определение точного времени по звездам, хранение времени при помощи точных часов и передача его по радио - все это составляет Службу времени.
ГДЕ РАБОТАЮТ АСТРОНОМЫ
Научную работу астрономы ведут на обсерваториях и в астрономических институтах.
Последние занимаются главным образом теоретическими исследованиями.
После Великой Октябрьской социалистической революции в нашей стране были созданы Институт теоретической астрономии в Ленинграде, Астрономический институт им. П. К. Штернберга в Москве, астрофизические обсерватории в Армении, Грузии и ряд других астрономических учреждений.
Подготовка и обучение астрономов происходит в университетах на механико-математических или физико-математических факультетах.
Главная обсерватория в нашей стране - Пулковская. Она была построена в 1839 г. вблизи Петербурга под руководством крупнейшего русского ученого . Во многих странах ее справедливо называют астрономической столицей мира.
Симеизская обсерватория в Крыму после Великой Отечественной войны была полностью восстановлена, а недалеко от нее выстроена новая обсерватория в селе Партизанском под Бахчисараем, где теперь установлен крупнейший в СССР телескоп-рефлектор с зеркалом диаметром в 1 ¼ м, а скоро будет установлен рефлектор с зеркалом диаметром в 2,6 м - третий по величине в мире. Обе обсерватории теперь составляют одно учреждение - Крымскую астрофизическую обсерваторию Академии наук СССР. Астрономические обсерватории есть в Казани, Ташкенте, Киеве, Харькове и других местах.
На всех обсерваториях у нас ведется научная работа по согласованному плану. Достижения астрономической науки в нашей стране помогают широким слоям трудящихся выработать правильное, научное представление об окружающем нас мире.
Много астрономических обсерваторий существует и в других странах. Из них наиболее известны старейшие из существующих - Парижская и Гринвичская, от меридиана которой ведется счет географических долгот на земном шаре (недавно эта обсерватория перенесена на новое место, дальше от Лондона, где много помех для ночных наблюдений неба). Самые крупные в мире телескопы установлены в Калифорнии на обсерваториях Маунт-Паломар, Маунт-Вильсон и Ликской. Последняя из них построена в конце XIX в., а первые две - уже в XX в.
Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter .
