Стандарт времени — это спецификация для измерения времени: либо скорость течения времени, либо моменты времени, либо и то, и другое. В наше время несколько спецификаций времени были официально признаны стандартами, тогда как раньше они были вопросом обычаев и практики. Примером своего рода эталона времени может быть шкала времени, определяющая метод измерения делений времени. Стандарт гражданского времени может определять как временные интервалы, так и время суток.
Стандартизированные измерения времени производятся с использованием часов для подсчета периодов некоторых изменений периода, которые могут быть изменениями природного явления или искусственной машины.
Исторически стандарты времени часто основывались на периоде вращения Земли. С конца 18 века по 19 век считалось, что суточная скорость вращения Земли постоянна. Астрономические наблюдения нескольких видов, в том числе записи затмений, изученные в XIX веке, вызвали подозрения, что скорость вращения Земли постепенно замедляется, а также демонстрирует мелкие неравномерности, и это было подтверждено в начале XX века. Стандарты времени, основанные на вращении Земли, были заменены (или первоначально дополнены) для астрономического использования с 1952 года эфемеридным стандартом времени , основанным на периоде обращения Земли и на практике на движении Луны. Изобретение в 1955 году цезиевых атомных часов привело к замене старых и чисто астрономических стандартов времени для большинства практических целей новыми стандартами времени, полностью или частично основанными на атомном времени.
В качестве основного интервала времени для большинства шкал времени используются различные типы секунд и дней. Другие интервалы времени (минуты, часы и годы) обычно определяются через эти два.
Термин «время» обычно используется для многих близких, но разных понятий, в том числе:
Было только три определения секунды: как доля дня, как доля экстраполированного года и как микроволновая частота атомных часов цезия. [6]
В ранней истории часы не были достаточно точными, чтобы отслеживать секунды. После изобретения механических часов система единиц CGS и система единиц MKS определяли секунду как 1/86 400 среднего солнечного дня . MKS был принят на международном уровне в 1940-х годах.
В конце 1940-х годов часы с кварцевым генератором могли измерять время более точно, чем вращение Земли. Метрологи также знали, что орбита Земли вокруг Солнца (год) была гораздо более стабильной, чем вращение Земли. Это привело к определению эфемеридного времени и тропического года , а эфемеридная секунда была определена как «доля 1 ⁄ 31 556 925,9747 тропического года на 0 января 1900 года в 12 часов эфемеридного времени». [7] [8] Это определение было принято как часть Международной системы единиц в 1960 году. [9]
Совсем недавно были разработаны атомные часы, обеспечивающие повышенную точность. С 1967 года базовой единицей времени в системе СИ является секунда в системе СИ , определяемая как именно «продолжительность 9 192 631 770 периодов излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133 » (при температуре 0 К и на среднем уровне моря ). [10] [11] Секунда СИ является основой всех атомных шкал времени, например, всемирного координированного времени, времени GPS, международного атомного времени и т. д.
Геоцентрическое координатное время (TCG) — это координатное время , пространственное начало которого находится в центре массы Земли. ВКГ — это теоретический идеал, и любая конкретная реализация будет иметь ошибку измерения .
Международное атомное время (TAI) [12] является основным физически реализуемым стандартом времени. TAI производится Международным бюро мер и весов (BIPM) и основан на объединении сигналов многих атомных часов по всему миру, [13] с поправкой на экологические и релятивистские эффекты (как гравитационные, так и из-за скорости, как в ГНСС ). TAI не связан с TCG напрямую, а скорее является реализацией земного времени (TT), теоретической шкалы времени, которая представляет собой изменение масштаба TCG, так что скорость времени примерно соответствует собственному времени на среднем уровне моря .
Всемирное время (UT1) — это угол вращения Земли (ERA), линейно масштабированный в соответствии с историческими определениями среднего солнечного времени на долготе 0°. С высокой точностью вращение Земли является нерегулярным и определяется по положениям далеких квазаров с использованием интерферометрии с длинной базой, лазерной локации Луны и искусственных спутников, а также орбит спутников GPS.
Всемирное координированное время (UTC) — это атомарная шкала времени, приближенная к UT1. UTC отличается от TAI на целое число секунд. UTC удерживается в пределах 0,9 секунды от UT1 за счет введения шагов в одну секунду к UTC, « дополнительной секунды ». На сегодняшний день эти шаги (и разница «TAI-UTC») всегда были положительными.
Система глобального позиционирования транслирует очень точный сигнал времени по всему миру вместе с инструкциями по преобразованию времени GPS (GPST) в UTC. Оно было определено с постоянным смещением от TAI: GPST = TAI - 19 с. Стандарт времени GPS поддерживается независимо, но регулярно синхронизируется со временем UTC или относительно него.
Стандартное время или гражданское время в часовом поясе отклоняется на фиксированную круглую величину, обычно на целое число часов, от какой-либо формы всемирного времени , обычно UTC. Смещение выбирается таким, чтобы новый день начинался примерно в момент пересечения Солнцем надирного меридиана. В качестве альтернативы разница на самом деле не фиксирована, а меняется два раза в год на круглую величину, обычно на один час, см. Летнее время .
Число дней по юлианскому календарю — это количество дней, прошедших со среднего полудня по Гринвичу 1 января 4713 г. до н.э. по юлианскому предваряющему календарю. Юлианская дата — это номер дня по юлианскому календарю, за которым следует доля дня, прошедшего с предыдущего полудня. Это удобно для астрономов, поскольку позволяет избежать пропуска дат во время ночи наблюдений. Модифицированный юлианский день (MJD) определяется как MJD = JD - 2400000,5. Таким образом, день MJD начинается в полночь по официальному дню. Юлианские даты могут быть выражены в UT1, TAI, TT и т. д., поэтому для точных приложений необходимо указать шкалу времени, например, MJD 49135.3824 TAI. [14]
Барицентрическое координатное время (TCB) — это координатное время , имеющее пространственное начало в центре масс Солнечной системы , который называется барицентром.
Преобразования между атомными системами времени (TAI, GPST и UTC) по большей части точны. Однако время GPS — это измеренная величина, а не вычисленная «бумажная» шкала. [15] Таким образом, оно может отличаться от UTC(USNO) на несколько сотен наносекунд, [16] что, в свою очередь, может отличаться от официального UTC на целых 26 наносекунд. [15] Преобразования для UT1 и TT основаны на опубликованных таблицах разностей, которые по состоянию на 2022 год [обновлять]указаны как 10 микросекунд и 0,1 наносекунды соответственно.
Определения:
TCG линейно связан с TT следующим образом: TCG - TT = L G * (JD -2443144,5) * 86400 секунд, при этом разница масштабов LG G определяется точно как 6,969290134e-10.
TCB представляет собой линейное преобразование TDB , а TDB отличается от TT небольшими, в основном периодическими, сроками. Если пренебречь этими членами (порядка 2 миллисекунд на протяжении нескольких тысячелетий вокруг настоящей эпохи), [17] TCB связано с TT соотношением: TCB - TT = L B * (JD -2443144,5) * 86400 секунд. [18] Разница масштабов L B была определена МАС как 1,550519768e-08. [17]
Видимое солнечное время или истинное солнечное время основано на солнечном дне, который представляет собой период между одним солнечным полуднем (прохождением реального Солнца через меридиан ) и следующим. Продолжительность солнечных суток составляет примерно 24 часа среднего времени. Поскольку орбита Земли вокруг Солнца эллиптическая, а также из-за наклона земной оси относительно плоскости орбиты (эклиптики) , видимый солнечный день изменяется на несколько десятков секунд выше или ниже среднего значения 24 часов. Поскольку вариации накапливаются в течение нескольких недель, разница между видимым солнечным временем и средним солнечным временем достигает 16 минут (см. Уравнение времени ). Однако эти изменения компенсируются в течение года. Есть и другие возмущения, такие как колебание Земли, но они происходят менее секунды в год.
Сидерическое время – это время звезд. Сидерическое вращение — это время, за которое Земля совершает один оборот с вращением к звездам, примерно 23 часа 56 минут 4 секунды. Средний солнечный день примерно на 3 минуты 56 секунд длиннее среднего звездного дня или на 1/366 длиннее среднего звездного дня. В астрономии звездное время используется для предсказания момента, когда звезда достигнет своей высшей точки на небе. Для точных астрономических работ на суше для измерения среднего солнечного времени обычно наблюдали звездное время, а не солнечное, поскольку наблюдения «неподвижных» звезд можно было измерить и обработать более точно, чем наблюдения Солнца (несмотря на необходимость производить различные небольшие компенсации рефракции, аберрации, прецессии, нутации и собственного движения). Хорошо известно, что наблюдения Солнца создают существенные препятствия для достижения точности измерений. [19] В прежние времена, до распространения точных сигналов времени, частью рутинной работы любой обсерватории было наблюдение звездного времени прохождения меридиана избранных «звезд-часов» (хорошо известных положения и движения) и использовать их для корректировки часов обсерваторий, отображающих местное среднее звездное время; но в настоящее время местное звездное время обычно генерируется компьютером на основе сигналов времени. [20]
Среднее солнечное время было стандартом времени, используемым особенно на море для навигационных целей и рассчитываемым путем наблюдения за видимым солнечным временем и последующего добавления к нему поправки, уравнения времени , которое компенсировало две известные неравномерности длины дня, вызванные эллиптичность земной орбиты и наклон земного экватора и полярной оси к эклиптике (которая является плоскостью орбиты Земли вокруг Солнца). Его заменило Всемирное время .
Среднее время по Гринвичу изначально представляло собой среднее время, полученное на основе меридианных наблюдений, выполненных в Королевской Гринвичской обсерватории (RGO). Главный меридиан этой обсерватории был выбран в 1884 году Международной меридианной конференцией в качестве нулевого меридиана . GMT под этим названием или как «среднее время по Гринвичу» раньше было международным стандартом времени, но теперь это не так; Первоначально оно было переименовано в 1928 году во Всемирное время (UT) (частично из-за двусмысленности, возникшей из-за изменившейся практики начала астрономического дня в полночь, а не в полдень, принятой с 1 января 1925 года). На самом деле UT1 по-прежнему соответствует среднему времени в Гринвиче. Сегодня GMT является часовым поясом , но по-прежнему является законным временем в Великобритании зимой (с поправкой на один час для летнего времени). Но Всемирное координированное время (UTC) (атомарная шкала времени, которая всегда находится в пределах 0,9 секунды от UT1) широко используется в Великобритании, и для его обозначения часто используется название GMT. (См. статьи «Среднее время по Гринвичу» , «Всемирное время» , «Всемирное координированное время» и источники, которые они цитируют.)
Версии всемирного времени , такие как UT0 и UT2, были определены, но больше не используются. [21] [22]
Эфемеридное время (ET) и его последующие шкалы времени, описанные ниже, были предназначены для астрономического использования, например, в расчетах движения планет, с целями, включая однородность, в частности, отсутствие неравномерностей вращения Земли. Некоторые из этих стандартов являются примерами динамических шкал времени и/или координатных шкал времени . Эфемеридное время было с 1952 по 1976 год официальным стандартом шкалы времени Международного астрономического союза ; это была динамическая шкала времени , основанная на орбитальном движении Земли вокруг Солнца, из которой была получена эфемеридная секунда как определенная доля тропического года. Эта эфемеридная секунда была стандартом секунды СИ с 1956 по 1967 год, а также источником калибровки атомных часов цезия ; его длина была точно дублирована, с точностью до 1 части из 10 10 , в размере текущей секунды СИ, отнесенной к атомному времени. [23] [24] Этот стандарт эфемеридного времени был нерелятивистским и не удовлетворял растущим потребностям в релятивистских координатных шкалах времени. Он использовался для официальных альманахов и планетарных эфемерид с 1960 по 1983 год и был заменен в официальных альманахах с 1984 года и позже на численно интегрированную программу разработки Лаборатории реактивного движения Ephemeris DE200 (на основе релятивистской координатной шкалы времени T eph ).
Для приложений на поверхности Земли официальной заменой ET было Земное динамическое время (TDT), которое поддерживало с ним непрерывность. TDT — это единая атомная шкала времени, единицей измерения которой является секунда СИ. Скорость TDT привязана к секунде системы СИ, как и Международное атомное время (TAI), но поскольку при его создании в 1958 году TAI было несколько произвольно определено как первоначально равное уточненной версии UT, TDT было смещено от TAI на постоянные 32,184 секунды. Смещение обеспечило непрерывность от эфемеридного времени до TDT. С тех пор TDT было переопределено как земное время (TT).
Для расчета эфемерид официально рекомендовалось заменить ET барицентрическое динамическое время (TDB). TDB похож на TDT, но включает релятивистские поправки, которые перемещают начало координат в барицентр, следовательно, это динамическое время в барицентре. [25] TDB отличается от TT только периодичностью. Разница составляет максимум 2 миллисекунды. Были обнаружены недостатки в определении TDB (хотя они не затрагивают T eph ), и TDB был заменен барицентрическим координатным временем (TCB) и геоцентрическим координатным временем (TCG) и переопределен как аргумент эфемеридного времени JPL T eph , особый фиксированный линейное преобразование ТХБ. Согласно определению, TCB (наблюдаемый с поверхности Земли) имеет разную скорость относительно всех ET, T eph и TDT/TT; [26] и то же самое, в меньшей степени, справедливо и для ТКГ. Эфемериды Солнца, Луны и планет, которые в настоящее время широко и официально используются, по-прежнему рассчитываются в Лаборатории реактивного движения (обновлено с 2003 года до DE405 ) с использованием в качестве аргумента T eph .
Время GPS ежедневно автоматически переводится в UTC(USNO), чтобы системное время не превышало одну микросекунду от UTC(USNO), но в течение последних нескольких лет оно было в пределах нескольких сотен наносекунд.
UT2 в настоящее время считается устаревшим.