Сидерическое время («сидерическое» произносится / s aɪ ˈ d ɪər i əl , s ə -/ sy- DEER -ee-əl, sə- ) — система измерения времени , используемая особенно астрономами . Используя звездное время и небесную систему координат , легко определить положение небесных объектов на ночном небе . Сидерическое время — это «шкала времени, основанная на скорости вращения Земли , измеренной относительно неподвижных звезд ». [1]
Если смотреть из того же места , звезда, видимая в одном месте на небе, будет видна в том же месте в другую ночь в то же время дня (или ночи), если день определен как звездный день (также известный как звездный день). сидерический период вращения ). Это похоже на то, как время, хранящееся на солнечных часах ( солнечное время ), можно использовать для определения местоположения Солнца . Так же, как Солнце и Луна кажутся восходящими на востоке и заходящими на западе из-за вращения Земли, то же самое происходит и со звездами. И солнечное, и сидерическое время используют регулярность вращения Земли вокруг своей полярной оси: солнечное время отсчитывается по положению Солнца на небе, тогда как сидерическое время основано приблизительно на положении неподвижных звезд на теоретической небесной системе. сфера.
Точнее, звездное время — это угол, измеренный вдоль небесного экватора , от меридиана наблюдателя до большого круга , который проходит через мартовское равноденствие (весеннее равноденствие северного полушария) и оба небесных полюса , и обычно выражается в часах, минутах, и секунды. (В контексте звездного времени «мартовское равноденствие», или «равноденствие», или «первая точка Овна» в настоящее время представляет собой направление от центра Земли вдоль линии, образованной пересечением земного экватора и орбиты Земли вокруг Солнце — к созвездию Рыб — в древние времена оно было к созвездию Овна). [2] Общее время на типичных часах (с использованием среднего солнечного времени ) измеряет немного более длинный цикл, на который влияет не только осевое вращение Земли, но и орбита Земли вокруг Солнца.
Само мартовское равноденствие медленно прецессирует на запад относительно неподвижных звезд, совершая один оборот примерно за 25 800 лет, поэтому неправильно названный «сидерический» день («сидерический» происходит от латинского sidus , означающего «звезда») на 0,0084 секунды короче звездного . день — фактический период вращения Земли относительно неподвижных звезд. [3] Немного более длинный звездный период измеряется как угол вращения Земли (ERA), ранее — звездный угол. [4] Увеличение ЭРА на 360° — это полный оборот Земли.
Звездные сутки на Земле составляют примерно 86164,0905 секунды (23 часа 56 минут 4,0905 секунды или 23,9344696 часов). (Секунды определяются в соответствии с Международной системой единиц , и их не следует путать с эфемеридными секундами .) Каждый день звездное время в любом данном месте и времени будет примерно на четыре минуты короче местного гражданского времени (которое основано на солнечном времени). ), так что за полный год количество сидерических «дней» на один больше, чем количество солнечных дней.
Солнечное время измеряется видимым суточным движением Солнца. Местный полдень по наблюдаемому солнечному времени — это момент, когда Солнце находится точно на юге или севере (в зависимости от широты наблюдателя и сезона). Средний солнечный день (то, что мы обычно измеряем как «день») — это среднее время между местными солнечными полднями («среднее», поскольку оно немного меняется в течение года).
Земля совершает один оборот вокруг своей оси за каждый звездный день; за это время он перемещается на небольшое расстояние (около 1°) по своей орбите вокруг Солнца. Таким образом, после того, как прошел звездный день, Земле все еще нужно вращаться еще немного, прежде чем Солнце достигнет местного полудня по солнечному времени. Таким образом, средний солнечный день почти на 4 минуты длиннее звездного дня.
Звезды находятся так далеко, что движение Земли по ее орбите почти не влияет на их видимое направление (за исключением ближайших звезд, если они измерены с предельной точностью; см. Параллакс ), и поэтому они возвращаются в свою самую высокую точку в одно и то же время каждый звездный период. день.
Другой способ понять эту разницу — заметить, что относительно звезд, если смотреть с Земли, положение Солнца в одно и то же время каждый день, кажется, перемещается вокруг Земли один раз в год. В году около 36,5,24 солнечных и 36,6,24 сидерических дней. Следовательно, солнечных дней в году на один меньше, чем сидерических дней, что аналогично наблюдению парадокса вращения монеты . [5] Это составляет примерно звездный день.365,24/366,24раз больше продолжительности 24-часового солнечного дня.
Вращение Земли — это не просто вращение вокруг оси, которая всегда остается параллельной самой себе. Сама ось вращения Земли вращается вокруг второй оси, ортогональной плоскости орбиты Земли, и для полного вращения требуется около 25 800 лет. Это явление называется прецессией равноденствий . Из-за этой прецессии кажется, что звезды движутся вокруг Земли более сложным образом, чем простое постоянное вращение.
По этой причине, чтобы упростить описание ориентации Земли в астрономии и геодезии , было принято наносить на карту положения звезд на небе в соответствии с прямым восхождением и склонением , которые основаны на системе отсчета, которая следует за прецессией Земли, и чтобы отслеживать вращение Земли в звездном времени относительно этой системы отсчета. (Обычная система отсчета для целей звездных каталогов была заменена в 1998 году Международной небесной системой отсчета , которая фиксирована по отношению к внегалактическим радиоисточникам. Из-за больших расстояний эти источники не имеют заметного собственного движения . [ 6] ) В этой системе отсчета вращение Земли близко к постоянному, но звезды, кажется, вращаются медленно с периодом около 25 800 лет. Также в этой системе отсчета тропический год (или солнечный год), год, связанный с временами года на Земле, представляет собой один оборот Земли вокруг Солнца. Точное определение звездного дня — это время, необходимое для одного оборота Земли в этой прецессирующей системе отсчета.
В прошлом время измерялось путем наблюдения за звездами с помощью таких инструментов, как фотографические зенитные трубки и астролябии Данжона , а прохождение звезд через определенные линии измерялось с помощью часов обсерватории. Затем, используя прямое восхождение звезд из звездного каталога, вычислялось время, когда звезда должна была пройти через меридиан обсерватории, и вычислялась поправка ко времени, сохраняемому часами обсерватории. Звездное время было определено таким образом, чтобы мартовское равноденствие проходило через меридиан обсерватории в 0 часов местного звездного времени. [7]
Начиная с 1970-х годов радиоастрономические методы интерферометрии со сверхдлинной базой (РСДБ) и синхронизации пульсаров обогнали оптические инструменты для наиболее точной астрометрии . Это привело к определению UT1 (среднего солнечного времени на долготе 0 °) с использованием VLBI, новой меры угла вращения Земли, и новых определений звездного времени. Эти изменения вступили в силу 1 января 2003 года. [8]
Угол вращения Земли ( ERA ) измеряет вращение Земли от начала координат на небесном экваторе, Небесного промежуточного начала координат , также называемого Небесным эфемеридным началом , [9] которое не имеет мгновенного движения вдоль экватора; первоначально его называли невращающимся началом координат . Эта точка очень близка к равноденствию J2000. [10]
ERA, измеряемая в радианах , связана с UT1 простым линейным соотношением: [3]
ERA заменяет кажущееся звездное время по Гринвичу (GAST). Начало координат на небесном экваторе для GAST, называемое истинным равноденствием , действительно перемещается из-за движения экватора и эклиптики. Отсутствие движения источника ЭРА считается существенным преимуществом. [11]
ERA может быть преобразована в другие единицы; например, в Астрономическом альманахе на 2017 год он представлен в градусах, минутах и секундах. [12]
Например, в Астрономическом альманахе на 2017 год ERA в 0 часов 1 января 2017 года UT1 указана как 100 ° 37 '12,4365 дюйма. [13]
Хотя ERA предназначена для замены звездного времени, существует необходимость поддерживать определения звездного времени во время перехода, а также при работе со старыми данными и документами.
Подобно солнечному времени, каждое место на Земле имеет свое местное звездное время (LST), зависящее от долготы точки. Поскольку опубликовать таблицы для каждой долготы невозможно, в астрономических таблицах используется звездное время по Гринвичу (GST), которое представляет собой звездное время на эталонном меридиане IERS , менее точно называемом Гринвичским или нулевым меридианом . Существует две разновидности: среднее звездное время , если используются средний экватор и равноденствие даты, и видимое звездное время , если используются видимый экватор и равноденствие даты. Первый игнорирует эффект астрономической нутации , а второй включает его. Когда выбор местоположения сочетается с выбором включения или отсутствия астрономической нутации, в результате получаются аббревиатуры GMST, LMST, GAST и LAST.
Верны следующие соотношения: [14]
Новые определения среднего времени по Гринвичу и кажущегося звездного времени (с 2003 г., см. Выше):
так что θ — угол вращения Земли, E PREC — накопленная прецессия, а E 0 — уравнение начала координат, которое представляет собой накопленную прецессию и нутацию. [15] Расчет прецессии и нутации описан в главе 6 книги Urban & Seidelmann.
Например, в Астрономическом альманахе на 2017 год ERA в 0 часов 1 января 2017 года UT1 указана как 100 ° 37 '12,4365 дюйма. GAST составил 6 часов 43 минуты 20,7109 секунды. Для GMST часы и минуты были одинаковыми, но секунда была 21.1060. [13]
Если определенный интервал I измеряется как в среднем солнечном времени (UT1), так и в звездном времени, числовое значение в звездное время будет больше, чем в UT1, поскольку звездные дни короче, чем дни UT1. Соотношение следующее:
так что t представляет собой количество юлианских столетий, прошедших с полудня 1 января 2000 года по земному времени . [16]
Шесть из восьми солнечных планет имеют прямое вращение, то есть они вращаются более одного раза в год в том же направлении, в котором вращаются вокруг Солнца, поэтому Солнце восходит на востоке. [17] Однако Венера и Уран имеют ретроградное вращение. Для прямого вращения формула, связывающая продолжительность сидерических и солнечных дней, имеет вид:
или, что то же самое:
При расчете формулы ретроградного вращения оператором в знаменателе будет знак плюс (другими словами, в исходной формуле продолжительность звездных суток должна рассматриваться как отрицательная). Это связано с тем, что солнечный день короче сидерического дня при ретроградном вращении, поскольку вращение планеты будет против направления орбитального движения.
Если планета вращается прямо, а сидерический день точно равен орбитальному периоду, то приведенная выше формула дает бесконечно длинный солнечный день ( деление на ноль ). Так обстоит дело с планетой, находящейся в синхронном вращении ; в случае нулевого эксцентриситета одно полушарие испытывает вечный день, другое — вечную ночь, с разделяющим их «сумеречным поясом».
Все солнечные планеты, более удаленные от Солнца, чем Земля, подобны Земле в том смысле, что, поскольку они совершают множество оборотов за один оборот вокруг Солнца, существует лишь небольшая разница между продолжительностью сидерического дня и продолжительностью солнечного дня – отношение первого ко второму никогда не бывает меньше земного отношения, равного 0,997. Но ситуация совершенно иная для Меркурия и Венеры. Звездный день Меркурия составляет около двух третей его орбитального периода, поэтому по прямой формуле его солнечный день длится два оборота вокруг Солнца - в три раза дольше, чем его сидерический день. Венера вращается ретроградно, сидерический день длится около 243,0 земных дней, что примерно в 1,08 раза превышает ее орбитальный период, составляющий 224,7 земных дня; следовательно, по ретроградной формуле его солнечный день составляет около 116,8 земных дней, а на орбитальный период приходится около 1,9 солнечных дней.
По соглашению, периоды вращения планет даются в сидерических единицах, если не указано иное.
