Определение точного времени. Глава шестая
Я счастлива жить образцово и просто:
Как солнце - как маятник - как календарь
М. Цветаева
Урок 6/6
Тема Основы измерения времени.
Цель Рассмотреть систему счета времени и ее связь с географической долготой. Дать представление о летоисчислении и календаре, определении географических координат (долготы) местности по данным астрометрических наблюдений.
Задачи
:
1. Обучающая
: практической астрометрии о: 1) астрономических способах, инструментах и единицах измерения, счета и хранения времени, календарях и летоисчислении; 2) определении географических координат (долготы) местности по данным астрометрических наблюдений. Службы Солнца и точного времени. Применение астрономии в картографии. О космических явлениях: обращении Земли вокруг Солнца, обращении Луны вокруг Земли и вращении Земли вокруг своей оси и об их следствиях - небесных явлениях: восходе, заходе, суточном и годичном видимом движении и кульминациях светил (Солнца, Луны и звезд), смене фаз Луны.
2. Воспитывающая
: формирование научного мировоззрения и атеистическое воспитание в ходе знакомства с историей человеческого познания, с основными типами календарей и системами летоисчисления; развенчание суеверий, связанных с понятиями "високосный год" и переводом дат юлианского и григорианского календарей; политехническое и трудовое воспитание при изложении материала о приборах для измерения и хранения времени (часах), календарях и системах летоисчисления и о практических способах применения астрометрических знаний.
3. Развивающая
: формирование умений: решать задачи на расчет времени и дат летоисчисления и перевод времени из одной системы хранения и счета в другую; выполнять упражнения на применение основных формул практической астрометрии; применять подвижную карту звездного неба, справочники и Астрономический календарь для определения положения и условий видимости небесных светил и протекания небесных явлений; определять географические координаты (долготу) местности по данным астрономических наблюдений.
Знать:
1-й уровень (стандарт)
- системы счета времени и единицы измерения; понятие полдня, полуночи, суток, связи времени с географической долготой; нулевого меридиана и всемирного времени; поясное, местное, летнее и зимнее время; способы перевода; наше летоисчисление, возникновение нашего календаря.
2-й уровень
- системы счета времени и единицы измерения; понятие полдня, полуночи, суток; связи времени с географической долготой; нулевого меридиана и всемирного времени; поясное, местное, летнее и зимнее время; способы перевода; назначение службы точного времени; понятие летоисчисления и примеры; понятие календаря и основные типы календарей: лунный, лунно-солнечный, солнечный (юлианский и григорианский) и основы летоисчисления; проблему создания постоянно действующего календаря. Основные понятия практической астрометрии: принципы определения времени и географических координат местности по данным астрономических наблюдений. Причины повседневно наблюдаемых небесных явлений, порожденных обращением Луны вокруг Земли (смена фаз Луны, видимое движение Луны по небесной сфере).
Уметь:
1-й уровень (стандарт)
- находить время всемирное, среднее, поясное, местное, летнее, зимнее;
2-й уровень
- находить время всемирное, среднее, поясное, местное, летнее, зимнее; переводить даты со старого на новый стиль и обратно. Решать задачи на определение географических координат места и времени наблюдения.
Оборудование: плакат «Календарь», ПКЗН, маятниковые и солнечные часы, метроном, секундомер, кварцевые часы Глобус Земли, таблицы: некоторые практические применения астрономии. CD- "Red Shift 5.1"(Время -показ, Рассказы о Вселенной = Время и времена года). Модель небесной сферы; настенная карта звездного неба, карта часовых поясов. Карты и фотографии земной поверхности. Таблица "Земля в космическом пространстве". Фрагменты диафильмов "Видимое движение небесных светил"; "Развитие представлений о Вселенной"; "Как астрономия опровергла религиозные представления о Вселенной"
Межпредметная связь: Географические координаты, счет времени и способы ориентирования, картографическая проекция (география, 6-8 кл)
Ход урока
1. Повторение изученного
(10 мин).
а) 3 человека по индивидуальным карточкам.
1.
1. На какой высоте в Новосибирске (φ= 55º) кульминирует Солнце 21 сентября? [на вторую неделю октября по ПКЗН δ=-7º , тогда h=90 о -φ+δ=90 о -55º-7º=28º ]
2. Где на земле не видно никаких звезд южного полушария? [на северном полюсе]
3. Как ориентироваться на местности по Солнцу? [март, сентябрь - восход на востоке, заход на западе, полдень на юге]
2.
1. Полуденная высота Солнца 30º, а его склонение 19º. Определить географическую широту места наблюдения.
2. Как располагаются суточные пути звезд относительно небесного экватора? [параллельно]
3. Как ориентироваться на местности по Полярной звезде? [направление на север]
3.
1. Каково склонение звезды, если она кульминирует в Москве (φ= 56º
) на высоте 69º?
2. Как располагается ось мира относительно земной оси, относительно плоскости горизонта? [параллельно, под углом географической широты места наблюдения]
3. Как определить географическую широту местности из астрономических наблюдений? [замерить угловую высоту Полярной звезды]
б) 3 человека у доски.
1.Вывести формулу высоты светила.
2. Суточные пути светил (звезд) на разных широтах.
3. Доказать, что высота полюса мира равна географической широте.
в) Остальные самостоятельно
.
1. Какой наибольшей высоты достигает Вега (δ=38 о 47") в Колыбельке (φ=54 о 04 ")? [наибольшая высота в верхней кульминации, h=90 о -φ+δ=90 о -54 о 04 " +38 о 47"=74 о 43"]
2. Выбрать по ПКЗН любую яркую звезду и запишите ее координаты.
3. В каком созвездии находится Солнце сегодня и каковы его координаты? [на вторую неделю октября по ПКЗН в созв. Девы, δ=-7º , α=13 ч 06 м ]
г) в "Red Shift 5.1"
Найти Солнце:
- какую информацию можно получить о Солнце?
- каковы его координаты сегодня и в каком созвездии находится?
- как меняется склонение? [уменьшается]
- какая из звезд, имеющих собственное имя, наиболее близка по угловому расстоянию к Солнцу и каковы её координаты?
- докажите что Земля в данный момент двигаясь по орбите приближается к Солнцу (из таблицы видимости - растет угловой диаметр Солнца)
2.
Новый материал
(20 мин)
Нужно обратить внимание учеников
:
1. Продолжительность суток и года зависит от того, в какой системе отсчета рассматривается движение Земли (связана ли она с неподвижными звездами, Солнцем и т.д). Выбор системы отсчета отражается в названии единицы счета времени.
2. Продолжительность единиц счета времени связана с условиями видимости (кульминациями) небесных светил.
3. Введение атомного стандарта времени в науке было обусловлено неравномерностью вращения Земли, обнаруженной при повышении точности часов.
4. Введение поясного времени обусловлено необходимостью согласования хозяйственных мероприятий на территории, определяемой границами часовых поясов.
Системы счета времени. Связь с географической долготой.
Тысячи лет назад люди заметили, что многое в природе повторяется: Солнце встает на востоке и заходит на западе, лето сменяет зиму и наоборот. Именно тогда возникли первые единицы времени - день, месяц, год
. С помощью простейших астрономических приборов было установлено, что в году около 360 дней, и приблизительно за 30 дней силуэт Луны проходит цикл от одного полнолуния к следующему. Поэтому халдейские мудрецы приняли в основу шестидесятеричную систему счисления: сутки разбили на 12 ночных и 12 дневных часов
, окружность - на 360 градусов. Каждый час и каждый градус были разделены на 60 минут
, а каждая минута - на 60 секунд
.
Однако последующие более точные измерения безнадежно испортили это совершенство. Оказалось, что Земля делает полный оборот вокруг Солнца за 365 суток 5 часов 48 минут и 46 секунд. Луне же, чтобы обойти Землю, требуется от 29,25 до 29,85 суток.
Периодические явления, сопровождаемые суточным вращением небесной сферы и видимое годовое движение Солнца по эклиптике
лежат в основе различных систем счета времени.
Время
- основная физическая величина, характеризующая последовательную смену явлений и состояний материи, длительность их бытия.
Короткие
- сутки, час, минута, секунда
Длинные
- год, квартал, месяц, неделя.
1.
"Звездное
" время, связанное с перемещением звезд на небесной сфере. Измеряется часовым углом точки весеннего равноденствия: S = t ^
; t = S - a
2.
"Солнечное
" время, связанное: с видимым движением центра диска Солнца по эклиптике (истинное солнечное время) или движением "среднего Солнца" - воображаемой точки, равномерно перемещающейся по небесному экватору за тот же промежуток времени, что и истинное Солнце (среднее солнечное время).
С введением в 1967 году атомного стандарта времени и Международной системы СИ в физике используется атомная секунда.
Секунда
- физическая величина, численно равная 9192631770 периодам излучения, соответствующего переходу между сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133.
Все вышеописанные "времена" согласуются между собой путем специальных расчетов. В повседневной жизни используется среднее солнечное время
. Основной единицей звездного, истинного и среднего солнечного времени являются сутки.
Звездные, средние солнечные и иные секунды мы получаем делением соответствующих суток на 86400 (24 h , 60 m ,
60 s). Сутки стали первой единицей измерения времени свыше 50000 лет назад. Сутки
- промежуток времени, в течение которого Земля делает один полный оборот вокруг своей оси относительно какого-либо ориентира.
Звездные сутки
- период вращения Земли вокруг своей оси относительно неподвижных звезд, определяется как промежуток времени между двумя последовательными верхними кульминациями точки весеннего равноденствия.
Истинные солнечные сутки
- период вращения Земли вокруг своей оси относительно центра диска Солнца, определяемый как промежуток времени между двумя последовательными одноименными кульминациями центра диска Солнца.
Ввиду того, что эклиптика наклонена к небесному экватору под углом 23 о 26", а Земля вращается вокруг Солнца по эллиптической (слегка вытянутой) орбите, скорость видимого движения Солнца по небесной сфере и, следовательно, продолжительность истинных солнечных суток будет постоянно изменяться на протяжении года: наиболее быстро вблизи точек равноденствий (март, сентябрь), наиболее медленно вблизи точек солнцестояний (июнь, январь). Для упрощения расчетов времени в астрономии введено понятие средних солнечных суток - периода вращения Земли вокруг своей оси относительно "среднего Солнца".
Средние солнечные сутки
определяются как промежуток времени между двумя последовательными одноименными кульминациями "среднего Солнца". Они на 3 m 55,009 s короче звездных суток.
24 h 00 m 00 s звездного времени равны 23 h 56 m 4,09 s среднего солнечного времени. Для определенности теоретических расчетов принята эфемеридная (табличная)
секунда, равная средней солнечной секунде 0 января 1900 года в 12 часов равнотекущего времени, не связанного с вращением Земли.
Около 35000 лет назад люди обратили внимание на периодическое изменение вида Луны - смену лунных фаз. Фаза
Ф
небесного светила (Луны, планеты и т.д.) определяется отношением наибольшей ширины освещенной части диска d
к его диаметру D
: Ф=
d/D
. Линия терминатора
разделяет темную и светлую часть диска светила. Луна движется вокруг Земли в ту же сторону, в какую Земля вращается вокруг своей оси: с запада на восток. Отображением этого движения является видимое перемещение Луны на фоне звезд навстречу вращению неба. Каждые сутки Луна смещается к востоку на 13,5 o относительно звезд и за 27,3 суток совершает полный круг. Так была установлена вторая после суток мера времени - месяц
.
Сидерический (звездный) лунный месяц
- период времени, в течение которого Луна совершает один полный оборот вокруг Земли относительно неподвижных звезд. Равен 27 d 07 h 43 m 11,47 s .
Синодический (календарный) лунный месяц
- промежуток времени между двумя одноименными последовательными фазами (обычно новолуниями) Луны. Равен 29 d 12 h 44 m 2,78 s ..jpg)
Совокупность явлений видимого движения Луны на фоне звезд и смены фаз Луны позволяет ориентироваться по Луне на местности (рис). Луна появляется узеньким серпиком на западе и исчезает в лучах утренней зари таким же узким серпом на востоке. Мысленно приставим слева к лунному серпу прямую линию. Мы можем прочесть на небе либо букву "Р" - "растет", "рога" месяца повернуты влево - месяц виден на западе; либо букву "С" - "стареет", "рога" месяца повернуты вправо - месяц виден на востоке. В полнолуние Луна в полночь видна на юге.
В результате наблюдений за изменением положения Солнца над горизонтом в течение многих месяцев возникла третья мера времени - год
.
Год
- промежуток времени, в течение которого Земля делает один полный оборот вокруг Солнца относительно какого-либо ориентира (точки).
Звездный год
- сидерический (звездный) период обращения Земли вокруг Солнца, равный 365,256320... средних солнечных суток.
Аномалистический год
- промежуток времени между двумя последовательными прохождениями среднего Солнца через точку своей орбиты (обычно, перигелий), равен 365,259641... средних солнечных суток.
Тропический год
- промежуток времени между двумя последовательными прохождениями среднего Солнца через точку весеннего равноденствия, равный 365,2422... средних солнечных суток или 365 d 05 h 48 m 46,1 s .
Всемирное время
определяется как местное среднее солнечное время на нулевом (Гринвичском) меридиане (Т о,
UT
- Universal Time). Так как в повседневной жизни местным временем пользоваться нельзя (так как в Колыбельке оно одно, а в Новосибирске другое (разные λ
)), поэтому и утверждено было Конференцией по предложению канадского инженера-железнодорожника Сэнфорда Флеминга
(8 февраля 1879
при выступлении в Канадском институте в г.Торонто) поясное время,
разделив земной шар на 24 часовых зоны (по 360:24=15 о, по 7,5 о от центрального меридиана). Нулевой часовой пояс расположен симметрично относительно нулевого (гринвичского) меридиана. Нумерация поясов дается от 0 до 23 с запада на восток. Реальные границы поясов совмещены с административными границами районов, областей или государств. Центральные меридианы часовых поясов отстоят друг от друга ровно на 15 о (1 час), 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 (и Новый год) начинаются на линии перемены даты
(демаркационной линии
), проходящей в основном по меридиану 180 о восточной долготы вблизи северо-восточной границы Российской Федерации. Западнее линии перемены дат число месяца всегда на единицу больше, нежели к востоку от нее. При пересечении этой линии с запада на восток календарное число уменьшается на единицу, а при пересечении линии с востока на запад календарное число увеличивается на единицу, что исключает ошибку в счете времени при кругосветных путешествиях и перемещениях людей из Восточного в Западное полушария Земли.
Поэтому Международной меридианной Конференцией (1884г, Вашингтон, США) в связи с развитием телеграфа и железнодорожного транспорта вводится:
- начало суток с полуночи, а не с полудня, как это было.
- начальный (нулевой) меридиан от Гринвича (Гринвичская обсерватория возле Лондона, основанная Дж. Флемстид в 1675г, через ось телескопа обсерватории).
- система счета поясного времени
Поясное время определяется по формуле: T n = T 0 + n
, где Т 0
- всемирное время; n
- номер часового пояса.
Декретное время
- поясное время, измененное на целое число часов правительственным распоряжением. Для России равно поясному, плюс 1 час.
Московское время
- декретное время второго часового пояса (плюс 1 час): Tм = T 0 + 3
(часа).
Летнее время
- декретное поясное время, изменяемое дополнительно на плюс 1 час по правительственному распоряжению на период летнего времени с целью экономии энергоресурсов. По примеру Англии, которая в 1908г впервые вводит переход на летнее время, сейчас 120 стран мира, в том числе и Российская Федерация осуществляет ежегодно переход на летнее время.
Часовые пояса мира и России
Далее следует кратко ознакомить учеников с астрономическими методами определения географических координат (долготы) местности. Вследствие вращения Земли разность между моментами наступления полдня или кульминаций (кульминация.
Что это за явление?) звезд с известными экваториальными координатами в 2 пунктах равна разности географических долгот пунктов, что дает возможность определения долготы данного пункта из астрономических наблюдений Солнца и других светил и, наоборот, местного времени в любом пункте с известной долготой.
Например: один из Вас находится в Новосибирске, второй в Омске (Москве). Кто из Вас раньше будет наблюдать верхнюю кульминацию центра Солнца? А почему? (замечание, имеется ввиду что Ваши часы идут по времени Новосибирска). Вывод
- в зависимости от местонахождения на Земле (меридиана - географической долготы) кульминация любого светила наблюдается в разное время, то есть время связано с географической долготой
или Т= UT+λ,
а разность во времени для двух пунктов, расположенных на разных меридианах будет Т 1 -Т 2 = λ 1 - λ 2 .
Географическая долгота
(λ
) местности отсчитывается к востоку от "нулевого" (гринвичского) меридиана и численно равна промежутку времени между одноименными кульминациями одного и того же светила на гринвичском меридиане (UT)
и в пункте наблюдения (Т
). Выражается в градусах или часах, минутах и секундах. Чтобы определить
географическую долготу местности, необходимо определить момент кульминации какого-либо светила (обычно Солнца) с известными экваториальными координатами. Переведя с помощью специальных таблиц или калькулятора время наблюдений из среднего солнечного в звездное и зная по справочнику время кульминации этого светила на гринвичском меридиане, мы без труда определим долготу местности. Единственную сложность вычислений составляет точный перевод единиц времени из одной системы в другую. Момент кульминации можно не "караулить": достаточно определить высоту (зенитное расстояние) светила в любой точно зафиксированный момент времени, но вычисления тогда будут довольно сложными.
Для измерения времени служат часы. От простейших, применяемые еще в древности, - это гномон
- вертикальный шест в центре горизонтальной площадки с делениями, затем песочные, водные (клепсидры) и огневые, до механических, электронных и атомных. Еще более точный атомный (оптический) стандарт времени был создан в СССР 1978 году. Ошибка в 1 секунду происходит раз в 10 000 000 лет!
Система счета времени в нашей стране
1) С 1 июля 1919г вводится поясное время
(декрет СНК РСФСР от 8.02.1919г)
2) В 1930г устанавливается Московское (декретное)
время 2-го часового пояса в котором находится Москва, переводом на один час вперед по сравнению с поясным временем (+3 к Всемирному или +2 к среднеевропейскому) с целью обеспечения в дневное время более светлой части суток (декрет СНК СССР от 16.06.1930г). Существенно изменяется распределение по часовым поясам краев и областей. Отменено в феврале 1991г и опять восстановлено с января 1992г.
3) Этим же Декретом 1930г отменяется действующее с 1917г переход на летнее время (20 апреля и возврат 20 сентября).
4) В 1981г возобновляется в стране переход на летнее время. Постановлением Совета Министров СССР от 24 октября 1980г «О порядке исчисления времени на территории СССР» вводится летние время
переводом в 0 часов 1 апреля стрелок часов на час вперед, а 1 октября на час назад с 1981г. (В 1981г переход на летнее время введено в подавляющем большинстве развитых стран - 70, кроме Японии). В дальнейшем в СССР перевод стали делать в ближайшее к этим датам воскресенье. Постановление внесло ряд существенных изменений и утвердило заново составленный перечень административных территорий, отнесённых к соответствующим часовым поясам.
5) В 1992г восстановлено Указам Президента, отмененное в феврале 1991г, декретное (Московское) время с 19 января 1992г с сохранением перевода на летнее время в последнее воскресенье марта в 2 часа ночи на час вперед, а на зимнее время в последнее воскресенье сентября в 3 часа ночи на час назад.
6) В 1996г Постановлением Правительства РФ №511 от 23.04.1996г летнее время продлевается на один месяц и заканчивается теперь в последнее воскресенье октября. В Западной Сибири регионы, ранее находившиеся в зоне MSK+4, перешли на время MSK+3, присоединившись к Омскому времени: Новосибирская область 23 мая 1993 в 00:00, Алтайский край и Республика Алтай 28 мая 1995 в 4:00, Томская область 1 мая 2002 в 3:00, Кемеровская область 28 марта 2010 в 02:00. (разность со всемирным временем GMT остается 6 часов
).
7) С 28 марта 2010 года при переходе на летнее время территория России стала располагаться в 9 часовых поясах (со 2-го по 11-й включительно, за исключением 4-го- Самарскую область и Удмуртия 28 марта 2010 года в 2 часа ночи перешли на московское время) с одинаковым временем в пределах каждого часового пояса. Границы часовых поясов проходят по границам субъектов Российской Федерации, каждый субъект входит в один пояс, за исключением Якутии, которая входит в 3 пояса (MSK+6, MSK+7, MSK+8), и Сахалинской области, которая входит в 2 пояса (MSK+7 на Сахалине и MSK+8 на Курильских островах).
Итак, для нашей страны в зимнее время Т= UT+n+1 ч , а в летнее время Т= UT+n+2 ч
Можно предложить выполнить дома лабораторную (практическую) работу: Лабораторная работа
"Определение координат местности по наблюдениям Солнца"
Оборудование
: гномон; мел (колышки); "Астрономический календарь", тетрадь, карандаш.
Порядок выполнения работы
:
1. Определение полуденной линии (направления меридиана).
При суточном движении Солнца по небу тень от гномона постепенно меняет свое направление и длину. В истинный полдень она имеет наименьшую длину и показывает направление полуденной линии - проекции небесного меридиана на плоскость математического горизонта. Для определения полуденной линии необходимо в утренние часы отметить точку, в которую падает тень от гномона и провести через нее окружность, принимая гномон за ее центр. Затем следует подождать, когда тень от гномона вторично коснется линии окружности. Полученную дугу делят на две части. Линия, проходящая через гномон и середину полуденной дуги, будет полуденной линией.
2. Определение широты и долготы местности по наблюдениям Солнца.
Наблюдения начинаются незадолго до момента истинного полудня, наступление которого фиксируется в момент точного совпадения тени от гномона и полуденной линии по хорошо выверенным часам, идущим по декретному времени. Одновременно измеряют длину тени от гномона. По длине тени l
в истинный полдень к моменту его наступления Т
д по декретному времени с помощью простых расчетов определяют координаты местности. Предварительно из соотношения tg h ¤ =Н/l
, где Н
- высота гномона, находят высоту гномона в истинный полдень h ¤ .
Широта местности вычисляется по формуле φ=90-h ¤ +d ¤
, где d ¤ - склонение Солнца. Для определения долготы местности используют формулу λ=12 h +n+Δ-D
, где n
- номер часового пояса, h - уравнение времени на данные сутки (определяется по данным "Астрономического календаря"). Для зимнего времени D = n
+ 1; для летнего времени D = n
+ 2.
| «Планетарий» 410,05 мб | Ресурс позволяет установить на компьютер учителя или учащегося полную версию инновационного учебно-методического комплекса "Планетарий". "Планетарий" - подборка тематических статей - предназначены для использования учителями и учащимися на уроках физики, астрономии или естествознания в 10-11 классах. При установке комплекса рекомендуется использовать только английские буквы в именах папок. | ||
| Демонстрационные материалы 13,08 мб | Ресурс представляет собой демонстрационные материалы инновационного учебно-методического комплекса "Планетарий". | ||
| Планетарий 2,67 мб
Часы 154,3 кб Поясное время 374,3 кб Карта поясного времени 175,3 кб |
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 .
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.
