stringtranslate.com

Солнечное время

На прямой планете, такой как Земля , звездные сутки короче солнечных суток . В момент времени 1 Солнце и некая далекая звезда находятся над головой. В момент времени 2 планета совершила поворот на 360°, и далекая звезда снова находится над головой (1→2 = один звездный день). Но только немного позже, в момент времени 3, Солнце снова оказывается над головой (1→3 = один солнечный день). Проще говоря, 1→2 — это полный оборот Земли , но поскольку вращение вокруг Солнца влияет на угол , под которым Солнце видно с Земли, 1→3 — это то, сколько времени требуется полудню , чтобы вернуться. [Обратите внимание, что на этой диаграмме относительное движение и соответствующие углы сильно преувеличены для наглядности.]

Солнечное время — это расчет хода времени, основанный на положении Солнца на небе . Основной единицей солнечного времени являются сутки , основанные на синодическом периоде вращения . Традиционно существует три типа исчисления времени, основанные на астрономических наблюдениях: видимое солнечное время и среднее солнечное время (обсуждается в этой статье), а также звездное время , которое основано на видимых движениях звезд , отличных от Солнца . [1]

Введение

Орбита Земли вокруг Солнца, демонстрирующая ее эксцентриситет.

Высокий столб, вертикально закрепленный в земле, отбрасывает тень в любой солнечный день. В один момент в течение дня тень будет указывать точно на север или юг (или исчезнет, ​​когда и если Солнце будет двигаться прямо над головой). Этот момент называется местным видимым полднем или 12:00 местного видимого времени. Примерно через 24 часа тень снова будет указывать с севера на юг, и Солнце будет казаться покрывшим дугу в 360 градусов вокруг оси Земли. Когда Солнце покроет ровно 15 градусов (1/24 окружности, оба угла измеряются в плоскости, перпендикулярной оси Земли), местное видимое время будет ровно 13:00; еще через 15 градусов оно будет ровно 14:00.

Проблема в том, что в сентябре Солнцу требуется меньше времени (измеренного точными часами), чтобы совершить видимый оборот, чем в декабре; 24 «часа» солнечного времени могут быть на 21 секунду меньше или на 29 секунд больше 24 часов часового времени. Это изменение количественно определяется уравнением времени и обусловлено эксцентриситетом орбиты Земли (например, орбита Земли не идеально круговая, что означает, что расстояние от Земли до Солнца меняется в течение года), а также тем фактом, что ось Земли не перпендикулярна плоскости ее орбиты (так называемый наклон эклиптики ).

Эффект этого заключается в том, что часы, идущие с постоянной скоростью — например, совершающие одинаковое количество колебаний маятника в каждый час — не могут следовать за реальным Солнцем; вместо этого они следуют за воображаемым « средним Солнцем », которое движется вдоль небесного экватора с постоянной скоростью, которая соответствует средней скорости реального Солнца в течение года. [2] Это «среднее солнечное время», которое все еще не является идеально постоянным от одного столетия к другому, но достаточно близко для большинства целей. По состоянию на 2008 год средние солнечные сутки составляют около 86 400,002 секунд СИ , т. е. около 24,0000006 часов. [3]

Кажущееся солнечное время

Видимое солнце — это истинное солнце, видимое наблюдателем на Земле. [4] Видимое солнечное время или истинное солнечное время [a] основано на видимом движении фактического Солнца . Оно основано на видимых солнечных сутках , интервале между двумя последовательными возвращениями Солнца к местному меридиану . [5] [6] Видимое солнечное время можно грубо измерить с помощью солнечных часов . [b]

Продолжительность солнечного дня меняется в течение года, и накопленный эффект приводит к сезонным отклонениям до 16 минут от среднего значения. Эффект имеет две основные причины. Во-первых, из-за эксцентриситета орбиты Земли Земля движется быстрее, когда она находится ближе всего к Солнцу ( перигелий ), и медленнее, когда она находится дальше всего от Солнца ( афелий ) (см. законы движения планет Кеплера ). Во-вторых, из-за наклона оси Земли (известного как наклон эклиптики ), годовое движение Солнца происходит по большому кругу ( эклиптике ), который наклонен к небесному экватору Земли . Когда Солнце пересекает экватор в оба равноденствия , суточное смещение Солнца (относительно фоновых звезд) находится под углом к ​​экватору, поэтому проекция этого смещения на экватор меньше среднего за год; когда Солнце находится дальше всего от экватора в оба солнцестояния , смещение Солнца в положении от одного дня к другому параллельно экватору, поэтому проекция на экватор этого смещения больше, чем в среднем за год (см. тропический год ). В июне и декабре, когда Солнце находится дальше всего от небесного экватора, заданное смещение вдоль эклиптики соответствует большому смещению на экваторе. Поэтому видимые солнечные дни короче в марте и сентябре, чем в июне или декабре.

Эти длины немного изменятся через несколько лет и существенно — через тысячи лет.

Среднее солнечное время

Уравнение времени — выше оси x солнечные часы будут казаться идущими быстрее относительно часов, показывающих местное среднее время, а ниже оси солнечные часы будут казаться идущими медленнее .

Среднее солнечное время — это часовой угол среднего Солнца плюс 12 часов. Это 12-часовое смещение обусловлено решением начинать каждый день в полночь для гражданских целей, тогда как часовой угол или среднее солнце измеряется от местного меридиана. [10] По состоянию на 2009 год это реализовано с помощью шкалы времени UT1 , математически построенной на основе наблюдений интерферометрии с очень длинной базой суточного движения радиоисточников, расположенных в других галактиках, и других наблюдений. [11] : 68, 326  [12] Продолжительность дневного света меняется в течение года, но продолжительность среднего солнечного дня почти постоянна, в отличие от видимого солнечного дня. [13] Видимый солнечный день может быть на 20 секунд короче или на 30 секунд длиннее среднего солнечного дня. [9] [14] Длинные или короткие дни следуют друг за другом, поэтому разница накапливается до тех пор, пока среднее время не опережает истинное время примерно на 14 минут около 6 февраля и не отстает от истинного времени примерно на 16 минут около 3 ноября. Уравнение времени представляет собой эту разницу, которая циклична и не накапливается из года в год.

Среднее время следует за средним солнцем. Джин Меус описывает среднее солнце следующим образом:

Рассмотрим первое фиктивное Солнце, движущееся по эклиптике с постоянной скоростью и совпадающее с истинным солнцем в перигее и апогее (когда Земля находится в перигелии и афелии соответственно). Затем рассмотрим второе фиктивное Солнце, движущееся по небесному экватору с постоянной скоростью и совпадающее с первым фиктивным Солнцем в равноденствиях. Это второе фиктивное солнце и есть среднее Солнце . [15]

Продолжительность средних солнечных суток медленно увеличивается из-за приливного ускорения Луны Землей и соответствующего замедления вращения Земли Луной.

История

Солнце и Луна , Нюрнбергская хроника , 1493 г.

Солнце всегда было видно на небе, и его положение составляет основу видимого солнечного времени, метода измерения времени, использовавшегося в древности. Египетский обелиск, построенный около 3500 г. до н. э. [16], гномон в Китае, датируемый 2300 г. до н. э. [17] , и египетские солнечные часы, датируемые 1500 г. до н. э. [18], являются одними из самых ранних методов измерения положения солнца.

Вавилонские астрономы знали, что продолжительность светового дня меняется в течение года. Табличка 649 г. до н. э. показывает, что они использовали соотношение 2:1 для самого длинного дня к самому короткому и оценивали изменение с помощью линейной зигзагообразной функции. [19] Неясно, знали ли они об изменении продолжительности солнечных суток и соответствующем уравнении времени . Птолемей четко различает средние солнечные сутки и кажущиеся солнечные сутки в своем Альмагесте (II век), и он составил уравнение времени в своих Handy Tables . [20]

Очевидное солнечное время стало менее полезным по мере роста торговли и усовершенствования механических часов. Среднее солнечное время было введено в альманахах в Англии в 1834 году и во Франции в 1835 году. Поскольку солнце было трудно наблюдать непосредственно из-за его большого размера на небе, среднее солнечное время определялось как фиксированное отношение времени, наблюдаемого по звездам, которые использовали точечные наблюдения. Конкретный стандарт для измерения «среднего солнечного времени» от полуночи стал называться Всемирным временем. [11] : 9–11 

Концептуально всемирное время — это вращение Земли относительно Солнца и, следовательно, среднее солнечное время. Однако, UT1, версия, которая широко используется с 1955 года, использует немного иное определение вращения, которое корректирует движение полюсов Земли по мере ее вращения. Разница между этим скорректированным средним солнечным временем и всемирным координированным временем (UTC) определяет, нужна ли дополнительная секунда . (С 1972 года шкала времени UTC работает на секундах SI , а секунда SI, когда была принята, уже была немного короче текущего значения секунды среднего солнечного времени. [21] [11] : 227–231  )

Смотрите также

Примечания

  1. ^ «apparent» обычно используется в англоязычных источниках, но «true» используется во французской астрономической литературе и стало почти таким же распространенным в англоязычных источниках. Смотрите:
    • Винс, Сэмюэл (1797). Полная система астрономии, том 1. Издательство Кембриджского университета. стр. 44. То, что мы называем явным временем, французы называют истинным
    • «Comprendre - Concepts Fondamentaux - Echelles de Temps». Бюро долгот (на французском языке). 23 ноября 2009 г. Архивировано из оригинала 23 ноября 2009 г. temps vrai [true time]
    • Allison, Michael; Schmunk, Robert (30 июня 2015 г.). «Технические заметки о солнечном времени Марса, принятые солнечными часами Mars24». Goddard Institute for Space Studies . National Aeronautics and Space Administration . Архивировано из оригинала 25 сентября 2015 г. . Получено 8 октября 2015 г. . угол солнечного часа или истинное солнечное время (TST)
  2. ^ Эквивалент на Марсе называется истинным солнечным временем Марса (LTST). [7] [8]

Ссылки

  1. ↑ О трех видах времени см. (например) пояснительный раздел в альманахе Connaissance des Temps за 1902 год, стр. 759. Архивировано 10 августа 2011 года на Wayback Machine .
  2. ^ "солнечное время, среднее". Глоссарий, Astronomical Almanac Online . Управление морского альманаха Ее Величества и Военно-морская обсерватория США . 2021.
  3. ^ "Leap Seconds". Департамент службы времени, Военно-морская обсерватория США . 1999. Архивировано из оригинала 12 марта 2015 года.
  4. ^ Татум, Дж. Б. (27 марта 2022 г.). "Celestial Mechanics Chapter 6" (PDF) . Университет Виктории . Архивировано (PDF) из оригинала 23 сентября 2015 г.
  5. ^ "солнечное время, видимое". Глоссарий, Astronomical Almanac Online . Управление морского альманаха Ее Величества и Военно-морская обсерватория США . 2021.
  6. ^ Яллоп, Б. Д.; Хохенкер, С. Ю. (август 1989 г.). "Астрономический информационный лист № 58" (PDF) . Управление морского альманаха Ее Величества . Схема расположения Солнца.
  7. ^ Эллисон, Майкл; Шмунк, Роберт (30 июня 2015 г.). «Технические заметки о солнечном времени Марса, принятые солнечными часами Mars24». Институт космических исследований Годдарда . Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства . Архивировано из оригинала 25 сентября 2015 г. Получено 8 октября 2015 г.
  8. ^ Эллисон, Майкл; Макьюэн, Меган (2000). «Оценка ареоцентрических солнечных координат после Pathfinder с улучшенными рецептами синхронизации для сезонных/дневных климатических исследований Марса». Planetary and Space Science . 48 (2–3): 215. Bibcode :2000P&SS...48..215A. doi :10.1016/S0032-0633(99)00092-6. hdl : 2060/20000097895 . S2CID  123014765. Архивировано из оригинала 23 июня 2015 г.
  9. ^ ab Джин Миус (1997), Кусочки математической астрономии (Ричмонд, Вирджиния: Willmann-Bell) 346. ISBN 0-943396-51-4 . 
  10. ^ Хилтон, Джеймс Л.; Маккарти, Деннис Д. (2013). «Прецессия, нутация, полярное движение и вращение Земли». В Urban, Шон Э.; Зайдельманн, П. Кеннет (ред.). Пояснительное приложение к Астрономическому альманаху (3-е изд.). Mill Valley, CA: University Science Books. ISBN 978-1-891389-85-6.
  11. ^ abc Маккарти, ДД ; Зайдельман, П.К. (2009). ВРЕМЯ От вращения Земли до атомной физики . Вайнхайм: Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGa . ISBN 978-3-527-40780-4.
  12. ^ Capitaine, N .; Wallace, PT; McCarthy, DD (2003). «Выражения для реализации определения UT1 МАС 2000». Астрономия и астрофизика . 406 (3): 1135–1149. Bibcode : 2003A&A...406.1135C. doi : 10.1051/0004-6361:20030817 . S2CID  54008769.(или в формате PDF); и для некоторых более ранних определений UT1 см. Aoki, S.; Guinot, B.; Kaplan, GH; Kinoshita, H.; McCarthy, DD; Seidelmann, PK (1982). "Новое определение универсального времени". Astronomy and Astrophysics . 105 (2): 359–361. Bibcode :1982A&A...105..359A.
  13. ^ Обсуждение небольших изменений, влияющих на средние солнечные сутки, см. в статье ΔT .
  14. ^ Риччи, Пьерпаоло. "Продолжительность истинных солнечных суток". pierpaoloricci.it . Архивировано из оригинала 26 августа 2009 г.
  15. ^ Меус, Дж. (1998). Астрономические алгоритмы. 2-е изд. Ричмонд, Вирджиния: Уиллманн-Белл. п. 183.
  16. ^ "Прогулка по времени - Ранние часы". Прогулка по времени - Эволюция измерения времени на протяжении веков . Национальный институт стандартов и технологий . 12 августа 2009 г.
  17. ^ Ли, Гэн (2015). «Гномоны в Древнем Китае». В Рагглз, К. (ред.). Справочник по археоастрономии и этноастрономии . стр. 2095–2104. Bibcode : 2015hae..book.2095L. doi : 10.1007/978-1-4614-6141-8_219. ISBN 978-1-4614-6140-1.
  18. ^ Водолажская, Л. Н. (2014). «Реконструкция древнеегипетских солнечных часов» (PDF) . Археоастрономия и древние технологии . 2 (2): 1–18. arXiv : 1408.0987 .
  19. ^ Пингри, Дэвид; Райнер, Эрика (1974). «Неовавилонский отчет о сезонных часах». Архив для ориентирования . 25 :50–55. ISSN  0066-6440. JSTOR  41636303.
  20. ^ Нойгебауэр, Отто (1975), История древней математической астрономии , Нью-Йорк / Гейдельберг / Берлин: Springer-Verlag, стр. 984–986, ISBN 978-0-387-06995-1
  21. ^ :(1) В статье «Физическая основа високосной секунды» Д.Д. Маккарти, К. Хэкмена и Р.А. Нельсона в Astronomical Journal, т.136 (2008), стр. 1906-1908, утверждается (стр. 1908), что «секунда СИ эквивалентна более старой мере секунды UT1, которая была слишком мала для начала, и далее, по мере увеличения продолжительности секунды UT1, расхождение увеличивается». :(2) В конце 1950-х годов цезиевый стандарт использовался для измерения как текущей средней длины секунды среднего солнечного времени (UT2) (результат: 9192631830 циклов), так и секунды эфемеридного времени (ET) (результат: 9192631770 ± 20 циклов), см. «Time Scales» Л. Эссена. Архивировано 19 октября 2008 г. в Wayback Machine , в Metrologia, т. 4 (1968), стр. 161-165, на стр. 162. Как известно, для секунды СИ была выбрана цифра 9192631770. Л. Эссен в той же статье 1968 года (стр. 162) заявил, что это «кажется разумным ввиду вариаций в UT2».

Внешние ссылки