Земное время

Стандарт времени для астрономических наблюдений с Земли

Земное время ( TT ) — это современный астрономический стандарт времени , определенный Международным астрономическим союзом , в первую очередь для измерения времени астрономических наблюдений, проводимых с поверхности Земли. ^[1] Например, Астрономический Альманах использует TT для своих таблиц положений ( эфемерид ) Солнца, Луны и планет, видимых с Земли. В этой роли ТТ продолжает Земное динамическое время (TDT или TD), ^[2] пришедшее на смену эфемеридному времени (ET) . ТТ разделяет первоначальную цель, для которой был создан ET, — освободиться от неравномерностей вращения Земли .

Единицей TT является секунда СИ , определение которой в настоящее время основано на цезиевых атомных часах ^[3] , но само TT не определяется атомными часами. Это теоретический идеал, и настоящие часы могут лишь приблизить его.

TT отличается от шкалы времени, часто используемой в качестве основы для гражданских целей, - всемирного координированного времени (UTC). TT косвенно является основой UTC через Международное атомное время (TAI). Из-за исторической разницы между TAI и ET, когда был введен TT, TT опережает TAI на 32,184 секунды.

История

Определение земного стандарта времени было принято Международным астрономическим союзом (МАС) в 1976 году на его XVI Генеральной ассамблее и позже названо Земным динамическим временем (TDT). Это был аналог барицентрического динамического времени (TDB), который был стандартом времени для эфемерид Солнечной системы и основывался на динамической шкале времени . Оба этих стандарта времени оказались несовершенно определенными. Были также высказаны сомнения по поводу значения слова «динамический» в названии TDT.

В 1991 году в Рекомендации IV XXI Генеральной Ассамблеи МАС дал новое определение TDT, также переименовав его в «Земное время». TT было формально определено в терминах геоцентрического координатного времени (TCG), определенного МАС в том же случае. TT было определено как линейное масштабирование TCG, так что единицей TT является «секунда СИ на геоиде » , ^[4] т.е. скорость приблизительно соответствует скорости собственного времени на поверхности Земли на среднем уровне моря. Таким образом, точное соотношение между временем TT и временем TCG было , где - константа, а - гравитационный потенциал на поверхности геоида, величина, измеренная с помощью физической геодезии . В 1991 году наилучшая доступная оценка была ${\displaystyle 1-L_{\mathrm {G} }}$ ${\displaystyle L_{\mathrm {G} }=U_{\mathrm {G} }/c^{2}}$ ${\displaystyle U_{\mathrm {G} }}$ ${\displaystyle L_{\mathrm {G} }}$6,969 291 × 10 ^-10 .

В 2000 году IAU незначительно изменил определение TT, приняв точное значение LG _G =6,969 290 134 × 10 ^-10 . ^[5]

Текущее определение

TT отличается от геоцентрического координатного времени (TCG) постоянной скоростью. Формально оно определяется уравнением

$${\displaystyle \mathrm {TT} ={\bigl (}1-L_{\mathrm {G} }{\bigr )}\times \mathrm {TCG} +E,}$$

где TT и TCG — линейные отсчеты секунд SI в земном времени и геоцентрическом координатном времени соответственно, — это постоянная разница в скоростях двух временных шкал и константа для разрешения эпох (см. ниже). определяется как точно ${\displaystyle L_{\mathrm {G} }}$ ${\displaystyle E}$ ${\displaystyle L_{\mathrm {G} }}$6,969 290 134 × 10 ^-10 . Из-за термина скорость ТТ немного медленнее, чем у TCG. ${\displaystyle 1-L_{\mathrm {G} }}$

Уравнение, связывающее TT и TCG, чаще всего имеет форму, заданную IAU:

$${\displaystyle \mathrm {TT} =\mathrm {TCG} -L_{\mathrm {G} }\times {\bigl (}\mathrm {JD_{TCG}} -2443144.5003725{\bigr )}\times 86400,}$$

где время TCG, выраженное в юлианском времени (JD) . Юлианская дата — это линейное преобразование исходного отсчета секунд, представленного переменной TCG, поэтому эта форма уравнения не упрощается . Использование юлианской даты полностью определяет эпоху . Приведенное выше уравнение часто дается с юлианской датой 2443 144,5 для эпохи, но это неточно (хотя и незначительно из-за небольшого размера множителя ). Значение 2443 144,500 3725 точно соответствует определению. ${\displaystyle \mathrm {JD_{TCG}} }$ ${\displaystyle L_{\mathrm {G} }}$

Координаты времени в шкалах TT и TCG задаются традиционно с использованием традиционных средств указания дней, унаследованных от неоднородных стандартов времени, основанных на вращении Земли. В частности, используются как юлианские даты, так и григорианский календарь . Для обеспечения преемственности со своим предшественником «Эфемеридное время» (ET), TT и TCG были установлены в соответствии с ET примерно на 2443 144,5 по юлианскому времени (1977-01-01T00Z). Точнее, было определено, что момент TT 1977-01-01T00:00:32.184 и момент TCG 1977-01-01T00:00:32.184 точно соответствуют моменту Международного атомного времени (TAI) 1977-01-01T00:00:00.000. . Это также момент, когда TAI ввел поправки на гравитационное замедление времени .

TT и TCG, выраженные в юлианских датах, могут быть связаны точно и проще всего уравнением

$${\displaystyle \mathrm {JD_{TT}} =E_{\mathrm {JD} }+{\bigl (}\mathrm {JD_{TCG}} -E_{\mathrm {JD} }{\bigr )}\times {\bigl (}1-L_{\mathrm {G} }{\bigr )},}$$

где именно 2443 144.500 3725 . ${\displaystyle E_{\mathrm {JD} }}$

Реализации

ТТ — это теоретический идеал, не зависящий от конкретной реализации. Для практического использования необходимо измерить физические часы и обработать их показания для оценки TT. Простого расчета смещения достаточно для большинства приложений, но в требовательных приложениях может потребоваться детальное моделирование релятивистской физики и неопределенностей измерений. ^[6]

ТАЙ

Основную реализацию ТТ осуществляет компания TAI. Служба BIPM TAI, действующая с 1958 года, оценивает TT с использованием измерений ансамбля атомных часов , разбросанных по поверхности и низкоорбитальному пространству Земли. TAI канонически определяется ретроспективно, в ежемесячных бюллетенях, в отношении показаний, показанных этой конкретной группой атомных часов в данный момент. Оценки TAI также предоставляются в режиме реального времени учреждениями, которые эксплуатируют участвующие часы. Из-за исторической разницы между TAI и ET, когда было введено TT, реализация TT ​​TAI определяется следующим образом: ^[7]

$${\displaystyle \mathrm {TT(TAI)=TAI+32.184~s} .}$$

Смещение 32,184 с вытекает из истории. Атомная шкала времени A1 (предшественница TAI) была установлена ​​равной UT2 в ее обычную дату начала 1 января 1958 года ^[8] , когда Δ T (ET - UT) составляло около 32 секунд. Смещение 32,184 секунды было оценкой разницы между эфемеридным временем (ET) и TAI в 1976 году, «чтобы обеспечить непрерывность текущих значений и практику использования эфемеридного времени». ^[9]

TAI никогда не пересматривается после публикации, а TT(TAI) имеет небольшие ошибки по сравнению с TT(BIPM) ^[6] порядка 10-50 микросекунд. ^[10]

Шкала времени GPS имеет номинальное отличие от атомного времени (TAI − время GPS = +19 секунд) , ^[11] так что TT ≈ время GPS + 51,184 секунды . Эта реализация вносит дополнительную ошибку до микросекунды, поскольку сигнал GPS не синхронизирован точно с TAI, но устройства приема GPS широко доступны. ^[12]

ТТ(МБМВ)

Примерно ежегодно, начиная с 1992 года, Международное бюро мер и весов ( BIPM ) обеспечивает более качественную реализацию TT на основе повторного анализа исторических данных TAI. Реализации TT BIPM имеют название «TT(BIPM08)», где цифры указывают год публикации. Они публикуются в виде таблицы отличий от TT(TAI) вместе с уравнением экстраполяции, которое можно использовать для дат, более поздних, чем таблица. Последним по состоянию на декабрь 2023 года ^{[обновлять]}является TT(BIPM22). ^[13]

Пульсары

Исследователи из коллаборации International Pulsar Timing Array создали реализацию TT (IPTA16) TT на основе наблюдений ансамбля пульсаров до 2012 года. Эта новая шкала времени пульсаров является независимым средством расчета TT. Исследователи заметили, что их масштаб находится в пределах 0,5 микросекунды от TT (BIPM17), при этом ошибки значительно ниже с 2003 года. Используемых данных было недостаточно для анализа долгосрочной стабильности и содержалось несколько аномалий, но по мере сбора и анализа большего количества данных это реализация может в конечном итоге оказаться полезной для выявления дефектов в TAI и TT(BIPM). ^[14]

Другие стандарты

TT, по сути, является продолжением (но, точнее, единообразным) прежнего эфемеридного времени (ET). Он был разработан для обеспечения непрерывности с ET ^[15] и работает со скоростью секунды SI, которая сама была получена в результате калибровки с использованием секунды ET (см. раздел «Эфемеридное время», « Переопределение секунды» и «Реализации »). Аргумент времени эфемерид JPL T _eph находится в пределах нескольких миллисекунд от TT.

TT немного опережает UT1 (уточненная мера среднего солнечного времени в Гринвиче) на величину, известную как Δ T = TT - UT1. Δ T было измерено на отметке +67,6439 секунды (TT перед UT1) в 0 часов UTC 1 января 2015 года; ^[16] и согласно ретроспективным расчетам, Δ T было близко к нулю примерно в 1900 году. Ожидается, что Δ T будет продолжать расти, при этом UT1 будет стабильно (но нерегулярно) отставать от TT в будущем. В мелких деталях Δ T несколько непредсказуем: 10-летние экстраполяции отклоняются от фактического значения на 2–3 секунды. ^[17]

Релятивистские отношения

Наблюдатели в разных местах, находящихся в относительном движении или на разных высотах, могут не соглашаться относительно хода часов друг друга из-за эффектов, описываемых теорией относительности . В результате TT (даже как теоретический идеал) не соответствует собственному времени всех наблюдателей.

В релятивистских терминах TT описывается как собственное время часов, расположенных на геоиде (по сути, на среднем уровне моря ). ^[18] Однако ^[19] TT теперь фактически определяется как координатная шкала времени . ^[20] Новое определение не изменило количественно ТТ, а, скорее, сделало существующее определение более точным. По сути, он определял геоид (средний уровень моря) как определенный уровень гравитационного замедления времени относительно условного наблюдателя, находящегося на бесконечно большой высоте.

Нынешнее определение TT представляет собой линейное масштабирование геоцентрического координатного времени (TCG), которое является собственным временем условного наблюдателя, который находится бесконечно далеко (поэтому на него не влияет гравитационное замедление времени) и находится в состоянии покоя относительно Земли. TCG используется в настоящее время в основном для теоретических целей в астрономии. С точки зрения наблюдателя на поверхности Земли секунда ВКГ проходит чуть меньше секунды СИ наблюдателя. Сравнение часов наблюдателя с TT зависит от высоты наблюдателя: на геоиде они будут совпадать, а часы на большей высоте тикают немного быстрее.

Смотрите также

• Барицентрическое координатное время
• Геоцентрическое координатное время

Рекомендации

1. Определение 1991 года относится к шкале, соответствующей секунде системы СИ «на геоиде», то есть близкой к среднему уровню моря на поверхности Земли, см. Резолюции XXI Генеральной ассамблеи МАС 1991 года (Буэнос-Айрес), Резолюцию A.4 (Рекомендация IV). Переопределение, внесенное резолюцией 24-й Генеральной ассамблеи МАС 2000 г. (Манчестер) в Резолюции B1.9, в различных терминах предназначено для обеспечения преемственности и приближения к одному и тому же стандарту.
2. TT эквивалентно TDT, см. конференцию IAU 1991 г., Резолюцию A4, рекомендацию IV, примечание 4.
3. Конференция МАС 1991 г., Резолюция A4, рекомендация IV, часть 2 гласит, что единица измерения TT ​​должна согласовываться с секундой СИ «на геоиде».
4. "РЕКОМЕНДАЦИЯ IV IAU (1991)" . ИЕРС .
5. «Резолюция B1.9 XXIV Генеральной ассамблеи МАС, 2000 г.» .
6. Гино, Б. (1 марта 1988 г.). «Атомные шкалы времени для исследований пульсаров и других сложных приложений». Астрономия и астрофизика . 192 (1–2): 370–373. Бибкод : 1988A&A...192..370G. ISSN  0004-6361.
7. Конференция МАС 1991 г., Резолюция A4, рекомендация IV, примечание 9.
8. Л. Эссен, «Временные шкалы», Metrologia, том 4 (1968), 161–165, на 163.
9. Комиссия МАС 4 (Эфемериды), Рекомендации Генеральной Ассамблее МАС 1976 г., Примечания к Рекомендации 5, примечание 2.
10. "ТТ(BIPM22)" . Проверено 14 декабря 2023 г.
11. Стив Аллен. «Временные весы». Ликская обсерватория . Проверено 13 августа 2017 г.
12. «Время GPS с точностью до 100 наносекунд» . Галеон. Архивировано из оригинала 14 мая 2012 года . Проверено 12 октября 2012 г.
13. "Индекс /ftp/pub/tai/ttbipm". webtai.bipm.org . Проверено 24 апреля 2022 г.
14. Хоббс, Г.; Го, Л.; Кабальеро, Р.Н.; Коулз, В.; Ли, К.Дж.; Манчестер, штат РН; Рирдон, диджей; Мацакис, Д.; Тонг, МЛ; Арзуманян З.; Бейлс, М.; Басса, КГ; Бхат, Северная Дакота; Брейзер, А.; Берк-Сполаор, С.; Чемпион, диджей; Чаттерджи, С.; Коньяр, И.; Дай, С.; Девинь, Г.; Дольч, Т.; Фердман, Р.Д.; Грайку, Е.; Гиймо, Л.; Янссен, Г.Х.; Кейт, MJ; Керр, М.; Крамер, М.; Лам, Монтана; и другие. (2020). «Шкала времени на основе пульсаров из Международной системы синхронизации пульсаров». Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества . 491 (4): 5951–5965. arXiv : 1910.13628 . Бибкод : 2020MNRAS.491.5951H. дои : 10.1093/mnras/stz3071 . S2CID  204961320.
15. П. К. Зайдельманн (редактор) (1992), «Пояснительное приложение к астрономическому альманаху», стр. 42; также Комиссия МАС 4 (Эфемериды), Рекомендации Генеральной Ассамблее МАС 1976 г., Примечания к Рекомендации 5, примечание 2.
16. Военно-морской обсерватории США ( USNO ) на сайте https://web.archive.org/web/20190808224315/http://maia.usno.navy.mil:80/ser7/deltat.data (по состоянию на 27 октября 2015 г.) .
17. «Дельта Т: прошлое, настоящее и будущее». Астрономический альманах онлайн . 2020. Архивировано из оригинала 18 сентября 2022 года.
18. Например, Комиссия МАС 4 (Эфемериды), Рекомендации Генеральной Ассамблее МАС 1976 г., Примечания к Рекомендации 5, примечание 1, а также другие источники указывают временную шкалу для видимых геоцентрических эфемерид как собственное время.
19. Б. Гино (1986), «Является ли международное атомное время координатным временем или собственным временем?», Celestial Mechanics, 38 (1986), стр. 155-161.
20. Генеральная Ассамблея МАС 1991 г., Резолюция A4, Рекомендации III и IV, определяют TCB и TCG как координатные шкалы времени, а TT как линейное масштабирование TCG, следовательно, также как координатное время.

Внешние ссылки

• Технические услуги МБМВ: Метрология времени
• Время и частота от А до Я