Конспект лекцій Паляниця

З трикутника K Z

sin x sin AN sin z ,

Системи вимірювання часу.

У попередніх розділах були розглянуті основні системи небесних координат, за допомогою яких задається положення небесних світил на небесній сфері. Враховуючи, що всі світила є рухомими об'єктами, виникає, як необхідний, фактор фіксування часу спостереження світила в конкретному його положенні на небесній сфері. Спочатку для вимірювання часу, тобто завдання шкали часу, вибирався періодично повторюваний процес або явище. У першу чергу звернули увагу на три таких явища: це зміна дня і ночі, зміна фаз Місяця і зміна пір року. Періоди повторення цих явищ були покладені в основу трьох основних одиниць вимірювання часу: добу, синодичний місяць і рік. Взагалі побудовою астрономічних шкал часу займаються національні служби часу і Міжнародне бюро часу. На даний час в основі всіх відомих способів побудови безперервних шкал часу лежать наступні періодичні процеси:

-обертання Землі навколо своєї осі;

-обертання Землі навколо Сонця;

-обертання Місяця навколо Землі по орбіті;

-коливання маятника під дією сили тяжіння;

-пружні коливання кристала кварцу під дією змінного струму;

-електромагнітні коливання молекул і атомів;

-радіоактивний розпад ядр атомів та інші процеси.

Перший із названих періодичних процесів – обертання Землі навколо своєї осі, є надзвичайно рівномірним, не обмеженим у часі, безперервним протягом усього існування людства, тому слугує еталоном вимірювання часу у заданні доби. Цей процес покладений в основі двох систем вимірювання часу – зоряній і сонячній. Також у геодезичній астрономії, астрометрії і небесній механіці використовуються системи:

-ефемеридного і динамічного часу, як ідеальна побудова рівномірної шкали часу,

-атомного часу, як практична реалізація ідеально рівномірної шкали часу.

З 16 липня 1930 р. декретом Уряду СРСР стрілки годинника були переведені щодо поясного

СРСР уведено літній час (додаванням 1 години), який діє з останньої неділі березня до останньої неділі жовтня. Таким чином, декретний час є:

Декретний, поясний і всесвітній час – варіанти системи середнього сонячного часу, утворені лише зміщенням нуль-пунктів на сталу величину.

Примітка: В Україні, після проголошення незалежності, було скасовано декретний час.

Зв'язок між середнім сонячним часом і зоряним часом.

Системи середнього сонячного m і зоряного s часу засновані на добовому обертанні Землі, але мають різний масштаб – різну тривалість діб. Різниця масштабів обумовлена тим, що Земля, крім добового руху навколо осі, здійснює річний рух навколо Сонця.

Нехай початок зоряної і сонячної діб збігаються. Земля бере участь у двох рухах (добовому і річному), тому через одну добу Земля пройде по орбіті відстань, рівною дузі γF – приблизно 1º

Через 365,2422 доби Сонце знову пройде точку весняного рівнодення . Такий проміжок часу між двома послідовними проходженнями істинного Сонця через точку весняного рівнодення, що містить 365,2422 доби, називається тропічним роком. Враховуючи попереднє зауваження стосовно різниці між сонячною і зоряною добою, за один рік різниця у кількості діб сягає однієї доби, тобто, тропічний рік містить 366,2422 зоряних діб.

Звідси

Рис. 30. Нерівність зоряних і сонячних діб.

Для зворотного переходу від зоряного до середнього сонячного часу є справедливим вираз

1 зор. доба = 365,2422/366,2422 сер. сон. діб = (1 - ) сер. сон. діб,

де = 1/366,2422 = 0,00273043 – масштабний коефіцієнт переходу від зоряних одиниць до середніх сонячних. Отже, s зоряних одиниць часу містять (1 )s одиниць середнього сонячного

часу

m (1 )s .

Ці формули дають можливість переходу від інтервалів середнього сонячного часу до інтервалів зоряного часу і навпаки.

Зоряний час в середню опівніч на різних меридіанах.

У момент середньої опівночі (нижньої кульмінації середнього екваторіального Сонця)

so = αсер.екв. + 12h.

Зоряний час в опівніч на меридіані Гринвіча позначається So. В Астрономічному Щорічнику публікуються значення So на кожен день року. Вираз для So на будь-яку дату знаходиться за формулою

Оскільки на різних меридіанах опівніч настає неодночасно, то зоряний час в місцеву опівніч на різних меридіанах не є однаковим. Момент soE на схід від Гринвіча настає раніше від So, а момент soW (на захід) – пізніше. В одному і тому ж пункті зоряний час опівночі за добу

Перехід від зоряного часу до середнього і навпаки.

Ефемеридний час.

Ідеально рівномірна шкала часу введена ухвалою 8-го з'їзду Міжнародного Астрономічного Союзу у 1952 р.

1.Механізм – обертання Землі протягом року навколо Сонця.

2.Масштаб – тривалість одної ефемеридної секунди, що рівна 1/31556925,9747 тропічного

року.

Оскільки тропічний рік не є сталим, то за еталон прийнята тривалість конкретного тропічного року у фундаментальну епоху 1900.0, січень, 0, 12h ET .

3. Нуль-пункт – фундаментальна епоха 1900.0, січень, 0, 12h ET на початковому меридіані.

де T – поправка за вікове сповільнення обертання Землі, яку отримують зі спостережень Місяця і публікують в Астрономічному Щорічнику.

У першому наближенні систему ET можна представити як систему, засновану на добовому обертанні Землі, але виправлену за нерівномірність цього обертання. Оскільки ефемеридна секунда прив'язана до тривалості цілком певного року, еталон ET не може бути відтворений – це ідеальна побудова. Шкала ET існувала до 1986 року, а потім була замінена динамічним часом.

Динамічний час.

З 1986 року шкала ефемеридного часу ET замінена двома шкалами динамічного часу DT : 1) земний динамічний час TDT , рівний за масштабом ET , віднесений до центру мас Землі і

служить незалежним аргументом видимих геоцентричних ефемерид, у тому числі при визначенні ефемерид ШСЗ;

2) барицентричний динамічний час TDB , який враховує рух центру мас Сонця навколо центру мас всієї Сонячної системи (барицентра Сонячної системи), віднесений до барицентру Сонячної системи і є аргументом диференціальних рівнянь всіх гравітаційних теорій руху тіл Сонячної системи у Ньютоновому наближенні. Різниці TDB і TDT полягають у періодичних варіаціях масштабу з амплітудою 0,00166 сек.

Атомний час

З появою у 1955 р. надстабільних еталонів частоти, основаних на квантових переходах між енергетичними рівнями молекул і атомів, стало можливим створення атомних шкал часу. Атомний

випромінюється атомами або молекулами при переході з одного енергетичного стану в інший.

За уточненням і доповненням Консультативного комітету із визначення секунди: TAI - координатний час, який визначається в геоцентричній системі відліку з одиницею виміру, що

тривалості 9192631770 періодів випромінювання, що відповідає переходу між двома надтонкими рівнями основного стану атома цезію 133. Відносна точність цезієвого еталона частоти 10-10÷10-11 протягом декількох років.

Нуль-пункт шкали TAI зміщений щодо нуль-пункту шкали ET на сталу величину

Еталон атомного часу не має ні добових, ні вікових коливань, не старіє і володіє достатньою визначеністю, точністю та відтворюваністю.

Системи Всесвітнього часу. Всесвітній координований час.

Всесвітній час UT, за визначенням, є середній сонячний час на меридіані Гринвіча. З огляду на нерівномірність обертання Землі Гринвіцький меридіан також обертається нерівномірно. Крім того, внаслідок безперервного зміщення осі обертання в тілі Землі географічні полюси зміщуються по поверхні Землі, а разом з ними змінюють своє положення і площини істинних меридіанів. Через ці фактори виділяють наступні системи виміру часу:

●UT0 – час на миттєвому Гринвіцькому меридіані, визначений за миттєвим положенням полюсів Землі. Це час, безпосередньо отриманий з астрономічних спостережень;

●UT1 - час на середньому Гринвіцькому меридіані, виправлений за рух полюсів,

UT1 UT0 ,

де - поправка, що залежить від координат миттєвого полюса, що відраховуються відносно загальноприйнятого середнього полюса;

● UT2 - час, виправлений за сезонну нерівномірність обертання Землі Ts ,

Фактори, що викликають зміни координат світил.

екваторіальної системи координат безперервно змінюються внаслідок добового обертання небесної сфери. Координати другої екваторіальної системи ( і ) та екліптичні координати ( b і l ) від добового обертання не залежать.

Однак, існують фактори, які викликають зміни як горизонтних, так і екваторіальних та екліптичних координат. Оскільки ці зміни необхідно враховувати при опрацюванні астрономічних визначень, розглянемо причини, що їх викликають, і методи їх врахування.

Одною із таких причин є астрономічна рефракція. Наявність земної атмосфери викликає зміну напрямку світлового променя, що йде від світила до ока спостерігача. Враховуючи вплив астрономічної рефракції на координати світил, ми якби отримуємо координати з поверхні, що є без земної атмосфери.

Наступною із таких причин є те, що астрономічні спостереження проводяться з різних точок земної поверхні, що викликає зміни напрямку на світило і робить неспівставимими між собою спостереження одного і того ж світила, що виконані в один і той же момент часу. Аналогічні зміни напрямків на спостережувані світила викликає обертання Землі. Це явище називається добовим паралаксом. Звільнивши координати світил, отримані зі спостережень, від впливу добового паралаксу, ми тим самим приводимо результати спостережень до центру Землі.

Спостерігач, що знаходиться на поверхні Землі, приймає участь у річному русі Землі навколо Сонця, що також викликає відповідні зміни напрямків на світила, а, відповідно, і координат світил, отриманих із спостережень в різних точках земної орбіти. Це явище називається річним паралаксом. Враховуючи вплив річного паралаксу на координати світил, ми приводимо ці координати до центру Сонця.

Наступною причиною, що викликає зміну координат світил, є добова і річна аберація. Річ у тому, що швидкість обертання Землі і швидкість її річного руху навколо Сонця не є величинами нескінченно малими порівняно зі швидкістю поширення світла. Внаслідок цього спостерігач, що знаходиться на поверхні Землі, бачить світило зміщеним з його істинного місця по дузі великого кола до тої точки небесної сфери, в яку в даний момент направлений вектор швидкості спостерігача. Звільнивши отримані зі спостережень координати світил від впливу добової та річної аберації, ми відносимо їх до нерухомої Землі, ніби зупиняючи обертання довкола осі та її річний рух навколо Сонця.

Враховуючи вплив астрономічної рефракції, добового та річного паралаксу, добової та річної аберації, ми тим самим враховуємо вплив факторів, що спотворюють положення світил на небесній сфері. Якби небесний екватор і точка весняного рівнодення не змінювали свого положення у просторі, то після врахування впливу названих факторів координати світил, що не мають власних рухів, залишались би незмінними.

Однак, самі координатні площини і основні напрямки внаслідок гравітаційних явищ у сонячній системі змінюють своє положення у просторі. Під дією місячно-сонячного притягання полюс світу повільно переміщується поміж зірок, що викликає зміщення небесного екватора і точки весняного рівнодення. Інакше кажучи, сама система відліку з плином часу змінює своє положення по відношенню до нерухомих зірок. Внаслідок цього координати світила, отримані зі спостережень, що відносяться до різних моментів часу (до різних епох), будуть різними навіть у тому випадку, якщо враховані всі фактори, що спотворюють його положення на небесній сфері. Для порівняння координат світила, що відносяться до різних моментів часу, положення системи координат для певного моменту часу приймається за початкове і до нього приводяться координати, що відносяться до будь-яких інших моментів.

Віковий рух полюса світу, що викликає зміщення системи відліку, називається прецесією, а періодичний – нутацією.

Існує ще одна причина зміни координат світил – так званий власний рух зірок у просторі (у напрямку перпендикулярному променю зору).

Враховуючи вплив вищеназваних факторів, ми приводимо спостереження, виконані з різних точок Землі у різний час, до одної системи, тобто редукуємо їх.

Астрономічна рефракція та її вплив на горизонтні координати світил.

Світло поширюється прямолінійно тільки у вакуумі та в абсолютно однорідному середовищі.

середовища в інше різної густини промінь світла відхиляється від свого прямолінійного спрямування на деякий кут. Величина цього кута пропорційна густині матеріального середовища. Явище заломлення променів світла матеріальним середовищем, а також числову величину кута відхилення називають рефракцією.

Атмосферною рефракцією називається заломлення променів світла земною атмосферою. Атмосферну рефракцію розділяють на земну і астрономічну. Земна рефракція, під якою розуміють заломлення атмосферою променів світла, що йдуть від земних предметів, вивчається в курсі вищої геодезії. Розглянемо астрономічну рефракцію, тобто заломлення земною атмосферою променів світла, що йдуть від небесних світил, та її вплив на координати світил. Атмосфера Землі є причиною того, що спостерігач бачить світило не там, де воно в дійсності знаходиться. Оскільки земна атмосфера є оптично неоднорідним середовищем, у якому густина збільшується від верхньої межі атмосфери до поверхні Землі, тому прямолінійний промінь, що йде від світила, буде поширюватися в атмосфері не прямолінійно, а за деякою кривою, зверненою опуклістю до прямовисної лінії. Внаслідок цього спостерігач, що знаходиться на земній поверхні в точці М (рис.

розміри земної атмосфери знехтувано малі у порівнянні з відстанями до небесних світил, тому

Рис. 28. Астрономічна рефракція.