книги / Сферическая астрономия

Главной причиной такого решения является широкое использо­ вание спутниковых навигационных систем, телекоммуникационных и компьютерных систем. С расширением услуг электронной свя­ зи для надежной работы приемо-передающих устройств требуется их точная временная синхронизация. В момент добавления секунды возможна рассинхронизация этих устройств и, как следствие, нару­ шение связи.

Нормальный режим работы счетчиков в электронных часах пред­ полагает переход от пятьдесят девятой секунды к нулевой (началу следующей минуты). Добавление еще одной секунды означает изме­ нение последовательности: после 59-й следует шестидесятая, а затем нулевая секунда. В результате работа многих компьютерных систем, имеющих внутренние часы, может быть нарушена.

Поэтому заинтересованность в новом определении времени 11ТС проявляют многие международные организации: Международный телекоммуникационный союз, Ассоциация геодезии, Союз радиона­ ук, Бюро мер и весов, а также организации, решающие навигацион­ ные задачи.

Для точного координатно-временного обеспечения широко ис­ пользуются навигационные системы СР5 (С1оЪа1 РозШошпё Зуз- 1:ет) и ГЛОНАСС (ГЛОбальная НАвигационная Спутниковая Си­ стема). В основе всех измерений с использованием ОРЗ лежит атом­ ная шкала ТА1(СР5) (см. ниже), которая не связана с 11ТС. Инфор­ мация о шкале ИТС вводится по командам с наземных пунктов, и приемник СРЗ вычисляет время ИТС из ТА1(СР5). В отличие от ОРЗ система ГЛОНАСС использует в качестве шкалы времени шка­ лу ИТС. Поэтому после добавления секунды часы на спутниках за­ ново должны быть синхронизованы. В течение некоторого времени система фактически не функционирует.

В качестве возможных рекомендаций по определению шкалы ИТС рассматриваются следующие.

1.Продолжать использовать сегодняшнюю процедуру вычисле­ ния 11ТС. Однако к 2050 г. необходимо будет дополнительно вводить ~ 1,5 с каждый год.

2.Исключить введение дополнительной секунды, т. е. отменить использование шкалы ИТС. В этом случае к 2050 г. разность 11Т1 - ИТС достигнет 1 мин.

3.Изменить масштаб, т. е. увеличить число 0,9 с. Это самый про­ стой способ, который уже использовался (ранее максимальная разница 11Т1 - ИТС составляла 0,7 с). Однако он не решает проблем.

4.Переопределить секунду времени.

5.Разработать новую модель вычисления ИТС. В этом случае можно будет вводить дополнительные секунды в строго опре­ деленные даты (например, 29 февраля, т. е. один раз в четы­ ре года). Предполагается, что число дополнительных секунд можно будет предварительно вычислить на основе теории вра­ щения Земли.

Каждый из вариантов имеет достоинства и недостатки, хотя пе­ реопределение секунды времени, наверное, самый неудачный. Про­ должение используемой процедуры или отмена шкалы 11ТС имеют примерно равные шансы на утверждение будущей Генеральной Ас­ самблеей МАС и другими заинтересованными организациями.

Гринвичем (с учетом декретного времени в России и без учета лет­ него времени).

От Гринвича к востоку от пояса к поясу время увеличивается, а к западу уменьшается. В 180° от Гринвича проходит линия изме­ нения даты (точнее, эта линия проходит с учетом государственных границ). Новый день на Земле начинается на этой линии. При пере­ сечении этой линии с востока на запад необходимо прибавить один день и, наоборот, при пересечении линии изменения дат с запада на восток —вычесть один день, т. е. считать одну дату дважды.

Определение 4.1.5. В России декретное время второго часового по­ яса, в котором находится Москва, называется московским.

Таким образом разница московского и всемирного времени рав­ на трем часам.

Найдем связь среднего солнечного и декретного времени. Пояс­ ное время пункта с долготой Л

Мр = ИТ -\-п = т —А + п,

где га —среднее солнечное время, п —номер пояса. Декретное время

Мд = Мр + 1Ь.

Значит, Мд = т - Л + п + 1ь. По этой формуле можно определить де­ кретное время местного полдня, (га = 12ь). Например, для Москвы Л = 2Ь301!1, п —2 получим Мд — 12ь30т .

4.2.Звездное время

Вкачестве начала отсчета суток может быть выбрана кульмина­ ция не только конкретного светила, но и кульминация некоторой точки. Если в качестве такой точки выбрана точка весеннего равно­ денствия Т, то шкала времени, основанная на измерении часовых углов точки Т, называется звездной.

Определение 4.2.1. Звездное время есть часовой угол точки весенне­ го равноденствия.

Определение 4.2.2. Промежуток времени между двумя последова­ тельными одноименными кульминациями точки весеннего равноден­ ствия называется звездными сутками.

За начало звездных суток принимают момент верхней кульмина­ ции точки Т. На рис. 4.7 показана плоскость небесного экватора, ви­ димая с северного полюса мира Рм> а также небесный меридиан на­ блюдателя, 2 —зенит. Согласно определению, звездное время 5 на

Если С —звезда, которая имеет прямое восхождение а и часовой угол 1>то на основании рис. 4.7 сразу получим

Теорема. Звездное время равно сумме прямого восхождения и часово­ го угла звезды.

Определение 4.2.3. Звездное время на гринвичском меридиане на­ зывается звездным гринвичским временем (С5Т — СгеептгсН 5Ыегеа1 Тгте).

Как и местное среднее солнечное время га, местное звездное вре­ мя 5 отличается от гринвичского на долготу:

5 = С 8Т + Л.

Когда звезда наблюдается в верхней кульминации, т.еЛ = 0, по­ лучим

Для момента нижней кульминации справедливо уравнение:

Уравнения (4.16) и (4.17) используются в астрометрии как для определения прямых восхождений звезд, так и для определения звездного времени.

Звездное время, также как и IIТ, зависит от вращения Земли, и, следовательно, шкала звездного времени является неравномерной.

4.3. Эфемеридное время

Попытка астрономов использовать всемирное и звездное время в качестве равномерных шкал оказалась неудачной. В качестве новой более точной шкалы времени было предложено использовать шка­ лу, определяемую периодическом движением тел в Солнечной си­ стеме.

Вньютоновской физике время I считается абсолютным и являет­ ся аргументом в выражениях, которые определяют эфемериды пла­ нет, Солнца и Луны. Если теорию движения планет, Солнца и Лу­ ны считать безупречной, то на основе наблюдений можно построить строго равномерную (в ньютоновском приближении) шкалу време­ ни. Такая шкала называется эфемеридным временем (ЕТ). Эфеме­ ридное время было независимой переменной в теории орбитально­ го движения Земли, Луны и планет. Время ЕТ было рекомендовано

в1952 г. МАС и использовалось до 1984 г. В более широком смыс­ ле эфемеридное время как аргумент динамической теории является динамическим временем. О современных шкалах динамического вре­ мени будет говориться ниже.

Воснову шкалы эфемеридного времени были положены вычис­ ления координат планет и Солнца, выполненные С. Ньюкомбом (1835-1909). Если время в выражениях геоцентрических эфемерид считать всемирным, то между наблюдаемыми и эфемеридными ко­ ординатами планет, Солнца, Луны возникают расхождения. Такие расхождения были интерпретированы как неравномерность шкалы

IIТ по отношению к шкале ЕТ. Накапливающаяся разность А Т = ЕТ —и Т объясняется главным образом вековым замедлением вра­ щения Земли.

Введение эфемеридного времени привело к замене определения единицы времени. Прежнее определение секунды как 1/86400 ча­ сти средних солнечных суток в 1960 г. было заменено следующим: секунда есть 1/31556925,9747 часть тропического года для эпохи 1900.0. Секунда была названа эфемеридной. Секунда ЕТ более по­ стоянна по величине, чем секунда, определяемая средними солнеч­ ными сутками, но ее гораздо труднее измерить и реализовать с по­ мощью часов.

Рост точности наблюдений привел к отказу от эфемеридного времени. На Генеральной Ассамблее МАС (1976 г.) были опреде­ лены новые шкалы: земное ТБТ (Теггез1;па1 Бупаппса1 Т1те) и ба­ рицентрическое динамическое время ТБ В (Вагусеп1пс Бупаппса1 Т1те). Первое, ТБТ, является аргументом в уравнениях динамики, записанных в рамках общей теории относительности в геоцентриче­ ской системе координат. Время ТБ В используется как аргумент для вычисления эфемерид, отнесенных к барицентру Солнечной систе­ мы. ТБ В отличается от ТБТ только периодическими вариациями, амплитуда которых меньше 0,8002.

По решению МАС время ТБТ заменило эфемеридное время ЕТ

в1984 г.

4.4.Атомное время

Шкала атомного времени ТА1 (по-французски, Тетрз А^оппдие 1п1егпа1лопа1) была построена в середине XX века. Она основана на использовании квантовых стандартов частоты и повторяющим­ ся с большой точностью естественном процессе: резонансном пе­ реходе атомов с одного энергетического уровня на другой. Шкала ТА1 равномерна на длительных промежутках времени и не зависит от вращения Земли. За единицу измерения времени принимается атомная секунда (секунда СИ), определяемая в соответствии с ре­ золюцией XIII конференции Международного комитета мер и весов (1967 г.) как промежуток времени, в течение которого совершает­ ся 9192631770 колебаний, соответствующих частоте излучения ато­ ма 133Сз при резонансном переходе между энергетическими уров-

нями сверхтонкой структуры основного состояния при отсутствии внешних магнитных полей на уровне моря. В основу этого опреде­ ления атомной секунды были положены результаты эксперимента, проведенного Морской обсерваторией США и Национальной фи­ зической лабораторией (Англия) по определению номинальной ча­ стоты цезиевого стандарта. Длительность секунды ТА1 была выбра­ на такой, чтобы она соответствовала длительности секунды эфемеридиого времени ЕТ для 1900 г. Атомная секунда определена с точ­ ностью порядка 2 • 10-9 относительно эфемеридной секунды.

Чтобы исключить неоднозначную трактовку термина «на уровне моря», в стандартах Международной службы вращения Земли (1996 г.) выбран геоид, соответствующий значению геопотенциа­ ла (3.6) ТУо — 62636856,85 м2с-2 . С 2000 г. значение IVо переопре­ делено (см. ниже).

Каждый атомный стандарт частоты определяет собственную шка­ лу времени, которая находится интегрированием частоты, определя­ емой квантовым переходом между конкретными состояниями ато­ мов цезия (С§), водорода (Н), рубидия (КЬ), ртути (Н§) и др. По­ этому стандарты частоты бывают цезиевые, водородные, рубидие­ вые и др. Цезиевые и водородные стандарты составляют основу на­ циональных эталонов времени и используются для формирования национальных и международной шкал атомного времени.

При интегрировании частоты начало шкалы времени не опреде­ лено. Следовательно, нуль-пункты различных шкал атомного вре­ мени могут не совпадать. Кроме того разность нуль-пунктов шкал может изменяться из-за случайных и систематических погрешно­ стей (или вариаций хода) атомных стандартов частоты. Со случай­ ными и систематическими вариациями частоты связаны две важ­ нейшие характеристики атомных часов: нестабильность и точность.

Нестабильность частоты определяется дисперсией Аллана.

В идеальном случае на выходе генератора частоты имеется сину­ соидальный сигнал вида:

уо —номинальная частота генератора. Однако в действительности сигнал представляется выражением