Земное время

Стандарт времени для астрономических наблюдений с Земли

Земное время ( TT ) — современный астрономический стандарт времени, установленный 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 TT продолжает земное динамическое время (TDT или TD), ^[2] которое пришло на смену эфемеридному времени (ET) . TT разделяет первоначальную цель, для которой было разработано ET, — быть свободным от нерегулярностей вращения Земли .

Единицей TT является секунда SI , определение которой в настоящее время основано на цезиевых атомных часах , ^[3] но само TT не определяется атомными часами. Это теоретический идеал, и реальные часы могут только приближаться к нему.

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 было введено TT, TT опережает TAI на 32,184 с.

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). Оно было аналогом Барицентрического динамического времени (TDB), которое было стандартом времени для эфемерид Солнечной системы , и было основано на динамической шкале времени . Оба эти стандарта времени оказались несовершенно определенными. Были также высказаны сомнения относительно значения слова «динамический» в названии TDT.

В 1991 году в Рекомендации IV XXI Генеральной Ассамблеи МАС переопределил 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 соответствовала скорости собственного времени на поверхности Земли на среднем уровне моря. Таким образом, точное соотношение между временем TT и временем TCG было , где было константой, а был гравитационным потенциалом на поверхности геоида, значением, измеренным физической геодезией . 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 МАС немного изменил определение TT, приняв точное значение L _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 СИ в земном времени и геоцентрическом координатном времени соответственно, — постоянная разница в скоростях двух шкал времени, а — константа для разрешения эпох (см. ниже). определяется как ${\displaystyle L_{\mathrm {G} }}$ ${\displaystyle E}$ ${\displaystyle L_{\mathrm {G} }}$6,969 290 134 × 10 ⁻¹⁰ . Из-за этого термина скорость TT немного медленнее, чем у TCG. ${\displaystyle 1-L_{\mathrm {G} }}$

Уравнение, связывающее TT и TCG, чаще всего имеет форму, данную МАС,

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

где — время TCG, выраженное в виде юлианской даты (JD) . Юлианская дата — это линейное преобразование сырого количества секунд, представленного переменной TCG, поэтому эта форма уравнения не упрощается . Использование юлианской даты полностью определяет эпоху . Приведенное выше уравнение часто приводится с юлианской датой 2443 144,5 для эпохи, но это неточно (хотя и несущественно из-за малого 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 указываются условно с использованием традиционных средств указания дней, унаследованных от неравномерных стандартов времени, основанных на вращении Земли. В частности, используются как юлианские даты, так и григорианский календарь . Для преемственности с их предшественником эфемеридным временем (ET), TT и TCG были установлены так, чтобы соответствовать ET около юлианской даты 2443 144,5 (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, можно точно и просто связать с помощью уравнения

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

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

Реализации

TT — это теоретический идеал, не зависящий от конкретной реализации. Для практического использования физические часы должны быть измерены, а их показания обработаны для оценки TT. Простого расчета смещения достаточно для большинства приложений, но в сложных приложениях может потребоваться детальное моделирование релятивистской физики и неопределенностей измерений. ^[6]

ТАЙ

Основная реализация TT ​​предоставляется TAI. Служба BIPM TAI, выполняемая с 1958 года, оценивает TT, используя измерения ансамбля атомных часов, распределенных по поверхности и низкоорбитальному пространству Земли. TAI канонически определяется ретроспективно, в ежемесячных бюллетенях, относительно показаний, показанных этой конкретной группой атомных часов в то время. Оценки TAI также предоставляются в реальном времени учреждениями, которые эксплуатируют участвующие часы. Из-за исторической разницы между TAI и ET, когда был введен TT, реализация TT ​​TAI определяется следующим образом: ^[7]

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

Смещение в 32,184 с возникло из истории. Атомная шкала времени A1 (предшественник TAI) была установлена ​​равной UT2 в ее условную начальную дату 1 января 1958 г. ^[8] , когда Δ T (ET − UT) составляло около 32 секунд. Смещение в 32,184 секунды было оценкой 1976 года разницы между эфемеридным временем (ET) и TAI, «чтобы обеспечить преемственность с текущими значениями и практикой использования эфемеридного времени». ^[9]

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

Шкала времени GPS имеет номинальную разницу с атомным временем (TAI − время GPS = +19 секунд) , ^[11] так что TT ≈ время GPS + 51,184 секунды . Такая реализация вносит до микросекунды дополнительной ошибки, поскольку сигнал GPS не точно синхронизирован с TAI, но устройства приема GPS широко доступны. ^[12]

ТТ (МБМВ)

Примерно ежегодно с 1992 года Международное бюро мер и весов ( BIPM ) выпускало более совершенные реализации TT на основе повторного анализа исторических данных TAI. Реализации TT BIPM имеют название в форме «TT(BIPM08)», где цифры указывают год публикации. Они публикуются в виде таблицы отличий от TT(TAI) вместе с уравнением экстраполяции, которое может использоваться для дат, более поздних, чем в таблице. Последняя по состоянию на июль 2024 года ^[update]— TT(BIPM23). ^[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 пульсара является независимым средством вычисления TT. Исследователи заметили, что их шкала находится в пределах 0,5 микросекунд от TT(BIPM17), со значительно меньшими ошибками с 2003 года. Использованных данных было недостаточно для анализа долгосрочной стабильности, и они содержали несколько аномалий, но по мере сбора и анализа большего количества данных эта реализация может в конечном итоге оказаться полезной для выявления дефектов в TAI и TT(BIPM). ^[14]

Другие стандарты

TT по сути является продолжением (но более точно однородным, чем) бывшего Эфемеридного времени (ET). Оно было разработано для обеспечения непрерывности с ET, ^[15] и работает со скоростью секунды SI, которая сама была получена из калибровки с использованием секунды ET (см. в разделах Эфемеридное время, Переопределение секунды и Реализации ). Аргумент эфемеридного времени 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 уровне +67,6439 секунд (TT опережает UT1) в 0 часов UTC 1 января 2015 года; ^[16] и по ретроспективным расчетам Δ T было близко к нулю около 1900 года. Ожидается, что Δ T продолжит расти, при этом UT1 будет неуклонно (но нерегулярно) отставать от TT в будущем. В мелких деталях Δ T несколько непредсказуемо, с 10-летними экстраполяциями, отклоняющимися на 2-3 секунды от фактического значения. ^[17]

Релятивистские соотношения

Наблюдатели в разных местах, которые находятся в относительном движении или на разных высотах, могут не соглашаться относительно скоростей часов друг друга из-за эффектов, описанных 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] Переопределение не изменило количественно TT, а скорее сделало существующее определение более точным. По сути, оно определило геоид (средний уровень моря) в терминах определенного уровня гравитационного замедления времени относительно воображаемого наблюдателя, находящегося на бесконечно большой высоте.

Текущее определение TT представляет собой линейное масштабирование геоцентрического координатного времени (TCG), которое является собственным временем воображаемого наблюдателя, который находится бесконечно далеко (поэтому не подвержен гравитационному замедлению времени) и находится в покое относительно Земли. TCG до сих пор используется в основном для теоретических целей в астрономии. С точки зрения наблюдателя на поверхности Земли секунда TCG проходит немного быстрее, чем секунда SI наблюдателя. Сравнение часов наблюдателя с TT зависит от высоты наблюдателя: они будут совпадать на геоиде, а часы на большей высоте будут идти немного быстрее.

Смотрите также

• Барицентрическое координатное время
• Геоцентрическое координатное время

Ссылки

1. Определение 1991 года относится к шкале, соответствующей секунде СИ «на геоиде», т.е. близкой к среднему уровню моря на поверхности Земли, см. Резолюции XXI Генеральной Ассамблеи МАС 1991 г. (Буэнос-Айрес), Резолюция A.4 (Рекомендация IV). Переопределение резолюцией 24-й Генеральной Ассамблеи МАС 2000 г. (Манчестер), Резолюция B1.9, в других терминах, предназначено для обеспечения преемственности и максимально приближения к одному стандарту.
2. TT эквивалентен TDT, см. конференцию МАС 1991 г., резолюцию A4, рекомендацию IV, примечание 4.
3. Конференция МАС 1991 г., Резолюция А4, рекомендация IV, часть 2 гласит, что единица измерения ТТ должна соответствовать секунде СИ «на геоиде».
4. "РЕКОМЕНДАЦИЯ IV IAU (1991)" . ИЕРС .
5. «Резолюция B1.9 XXIV Генеральной ассамблеи МАС, 2000 г.».
6. Guinot, B. (1 марта 1988 г.). «Атомные шкалы времени для исследований пульсаров и других сложных приложений». Астрономия и астрофизика . 192 (1–2): 370–373. Bibcode : 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. "TT(BIPM22)" . Получено 14 декабря 2023 г. .
11. Стив Аллен. «Временные шкалы». Ликская обсерватория . Получено 13 августа 2017 г.
12. "Точность времени GPS до 100 наносекунд". Галеон. Архивировано из оригинала 14 мая 2012 года . Получено 12 октября 2012 года .
13. "Индекс /ftp/pub/tai/ttbipm". webtai.bipm.org . Получено 8 июля 2024 г. .
14. Hobbs, G.; Guo, L.; Caballero, RN; Coles, W.; Lee, KJ; Manchester, RN; Reardon, DJ; Matsakis, D.; Tong, ML; Arzoumanian, Z.; Bailes, M.; Bassa, CG; Bhat, ND R.; Brazier, A.; Burke-Spolaor, S.; Champion, DJ; Chatterjee, S.; Cognard, I.; Dai, S.; Desvignes, G.; Dolch, T.; Ferdman, RD; Graikou, E.; Guillemot, L.; Janssen, GH; Keith, MJ; Kerr, M.; Kramer, M.; Lam, MT; и др. (2020). «Временная шкала на основе пульсаров из International Pulsar Timing Array». Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества . 491 (4): 5951–5965. arXiv : 1910.13628 . Bibcode : 2020MNRAS.491.5951H. doi : 10.1093/mnras/stz3071 . S2CID  204961320.
15. PK Seidelmann (ред.) (1992), «Пояснительное дополнение к Астрономическому альманаху», на стр. 42; также Комиссия 4 МАС (Эфемериды), Рекомендации Генеральной ассамблее МАС 1976 г., Примечания к Рекомендации 5, примечание 2.
16. Военно-морской обсерватории США ( USNO ) онлайн по адресу https://web.archive.org/web/20190808224315/http://maia.usno.navy.mil:80/ser7/deltat.data (дата обращения: 27 октября 2015 г.).
17. "Delta T: Past, Present and Future". The Astronomical Almanac Online . 2020. Архивировано из оригинала 18 сентября 2022 года.
18. Например, Комиссия 4 МАС (Эфемериды), Рекомендации Генеральной ассамблее МАС 1976 г., Заметки к Рекомендации 5, примечание 1, а также другие источники указывают шкалу времени для кажущихся геоцентрических эфемерид как собственное время.
19. Б. Гино (1986), «Является ли международное атомное время координатным временем или собственным временем?», Небесная механика, 38 (1986), стр. 155-161.
20. Генеральная Ассамблея МАС 1991 г., Резолюция A4, Рекомендации III и IV, определяют TCB и TCG как шкалы координатного времени, а TT — как линейную шкалу TCG, следовательно, также как координатное время.

Ссылки Google Chrome

• Технические услуги BIPM: Время
• Время и частота от А до Я