Солнечное время
Солнечное время — это расчет течения времени, основанный на положении Солнца на небе . Фундаментальной единицей солнечного времени являются сутки , основанные на синодическом периоде вращения . Традиционно существует три типа расчета времени, основанные на астрономических наблюдениях: видимое солнечное время и среднее солнечное время (обсуждаемые в этой статье) и звездное время , которое основано на видимом движении звезд, отличных от Солнца. [1]
Введение
Высокий столб, вертикально закрепленный в земле, отбрасывает тень в любой солнечный день. В какой-то момент в течение дня тень будет указывать точно на север или юг (или исчезнет, когда и если Солнце будет двигаться прямо над головой). Этот момент называется местным видимым полднем или 12:00 местного видимого времени. Примерно через 24 часа тень снова направится с севера на юг, при этом Солнце, кажется, прошло дугу в 360 градусов вокруг оси Земли. Когда Солнце прошло ровно 15 градусов (1/24 круга, причем оба угла измеряются в плоскости, перпендикулярной оси Земли), местное видимое время составляет ровно 13:00; еще через 15 градусов будет ровно 14:00.
Проблема в том, что в сентябре Солнцу требуется меньше времени (по точным часам), чтобы совершить видимый оборот, чем в декабре; 24 «часа» солнечного времени могут быть на 21 секунду меньше или на 29 секунд больше, чем 24 часа часового времени. Это изменение количественно определяется уравнением времени и обусловлено эксцентриситетом орбиты Земли (например, орбита Земли не является идеально круглой, что означает, что расстояние Земля-Солнце меняется в течение года), а также тем фактом, что ось Земли не перпендикулярна плоскости своей орбиты (так называемое наклон эклиптики ).
Результатом этого является то, что часы, идущие с постоянной скоростью (например, совершающие одинаковое количество качаний маятника за каждый час), не могут следовать за реальным Солнцем; вместо этого он следует за воображаемым « средним Солнцем », которое движется вдоль небесного экватора с постоянной скоростью, соответствующей средней скорости реального Солнца за год. [2] Это «среднее солнечное время», которое все еще не является совершенно постоянным от одного столетия к другому, но достаточно близко для большинства целей. По состоянию на 2008 год [update], средний солнечный день составляет около 86 400,002 секунды СИ , т.е. около 24,0000006 часов. [3]
Видимое солнечное время
Видимое солнце — это истинное солнце, каким его видит наблюдатель на Земле. [4] Видимое солнечное время или истинное солнечное время [а] основано на кажущемся движении реального Солнца . Он основан на видимом солнечном дне , интервале между двумя последовательными возвращениями Солнца на местный меридиан . [5] [6] Видимое солнечное время можно грубо измерить с помощью солнечных часов . [б]
Продолжительность солнечного дня меняется в течение года, а совокупный эффект вызывает сезонные отклонения до 16 минут от среднего значения. Эффект имеет две основные причины. Во-первых, из-за эксцентриситета орбиты Земли Земля движется быстрее, когда она находится ближе всего к Солнцу ( перигелий ), и медленнее, когда она находится дальше всего от Солнца ( афелий ) (см. законы движения планет Кеплера ). Земли Во-вторых, из-за наклона оси как наклон эклиптики ( известного ), годовое движение Солнца происходит по большому кругу ( эклиптике Земли ), который наклонен к небесному экватору . Когда Солнце пересекает экватор в оба равноденствия , суточное смещение Солнца (относительно звезд фона) происходит под углом к экватору, поэтому проекция этого смещения на экватор меньше, чем в среднем за год; когда Солнце находится дальше всего от экватора в оба солнцестояния , смещение положения Солнца от одного дня к другому параллельно экватору, поэтому проекция на экватор этого смещения больше, чем в среднем за год (см. тропический год ). В июне и декабре, когда Солнце находится дальше всего от небесного экватора, заданное смещение вдоль эклиптики соответствует большому смещению на экваторе. Поэтому видимые солнечные дни в марте и сентябре короче, чем в июне или декабре.
| Дата | Продолжительность в среднем солнечном времени |
|---|---|
| 11 февраля | 24 часа |
| 26 марта | 24 часа − 18,1 секунды |
| 14 мая | 24 часа |
| 19 июня | 24 часа + 13,1 секунды |
| 25/26 июля | 24 часа |
| 16 сентября | 24 часа − 21,3 секунды |
| 2/3 ноября | 24 часа |
| 22 декабря | 24 часа + 29,9 секунды |
Эти длины немного изменятся через несколько лет и значительно через тысячи лет.
Среднее солнечное время
Среднее солнечное время — это часовой угол среднего Солнца плюс 12 часов. Это 12-часовое смещение обусловлено решением в гражданских целях начинать каждый день в полночь, тогда как часовой угол или среднее солнце измеряется от местного меридиана. [10] По состоянию на 2009 год [update]Это реализуется с помощью шкалы времени UT1 , построенной математически на основе очень длинной базой интерферометрических наблюдений с за суточными движениями радиоисточников, расположенных в других галактиках, и других наблюдений. [11] : 68, 326 [12] Продолжительность светового дня варьируется в течение года, но продолжительность среднего солнечного дня почти постоянна, в отличие от видимого солнечного дня. [13] Видимый солнечный день может быть на 20 секунд короче или на 30 секунд длиннее среднего солнечного дня. [9] [14] Длинные или короткие дни происходят подряд, поэтому разница увеличивается до тех пор, пока среднее время не опережает видимое время примерно на 14 минут около 6 февраля и отстает от видимого времени примерно на 16 минут около 3 ноября. Уравнение времени и есть эта разница, которая носит циклический характер и не накапливается из года в год.
Среднее время следует за средним солнцем. Жан Меус описывает среднее солнце следующим образом:
Рассмотрим первое фиктивное Солнце, движущееся по эклиптике с постоянной скоростью и совпадающее с истинным Солнцем в перигее и апогее (когда Земля находится в перигелии и афелии соответственно). Затем рассмотрим второе фиктивное Солнце, движущееся вдоль небесного экватора с постоянной скоростью и совпадающее с первым фиктивным Солнцем в точках равноденствия. Это второе фиктивное солнце — среднее Солнце . [15]
Продолжительность среднего солнечного дня медленно увеличивается из-за приливного ускорения Луны Землей и соответствующего замедления вращения Земли Луной.
История
Солнце всегда было видно на небе, и его положение формирует основу видимого солнечного времени — метода измерения времени, использовавшегося в древности. Египетский обелиск, построенный ок. 3500 г. до н.э., [16] гномон в Китае , датированный 2300 г. до н. э., [17] и египетские солнечные часы, датированные 1500 г. до н.э. [18] являются одними из самых ранних методов измерения положения Солнца.
Вавилонские астрономы знали, что продолжительность светового дня меняется в течение года. Табличка 649 г. до н.э. показывает, что они использовали соотношение 2:1 для самого длинного дня к самому короткому и оценивали изменение с помощью линейной зигзагообразной функции. [19] Неясно, знали ли они об изменении продолжительности солнечного дня и соответствующем уравнении времени . Птолемей четко различает средний солнечный день и видимый солнечный день в своем «Альмагесте» (II век), а уравнение времени он составил в своих « Удобных таблицах» . [20]
Видимое солнечное время становилось менее полезным по мере роста торговли и совершенствования механических часов. Среднее солнечное время было введено в альманахи в Англии в 1834 году и во Франции в 1835 году. Поскольку Солнце было трудно наблюдать непосредственно из-за его большого размера на небе, среднее солнечное время определялось как фиксированное соотношение времени, наблюдаемого звездами. , в котором использовались точечные наблюдения. Особый стандарт измерения «среднего солнечного времени» от полуночи стал называться Универсальным временем. [11] : 9–11
Концептуально Всемирное время — это вращение Земли относительно Солнца и, следовательно, среднее солнечное время. Однако UT1, версия, широко используемая с 1955 года, использует немного другое определение вращения, которое корректирует движение полюсов Земли при ее вращении. Разница между этим скорректированным средним солнечным временем и всемирным координированным временем (UTC) определяет, ли дополнительная секунда нужна . (С 1972 года шкала времени UTC измеряется секундами СИ , и секунда СИ, когда она была принята, уже была немного короче текущего значения секунды среднего солнечного времени. [21] [11] : 227–231 )
См. также
Примечания
- ^ «Кажущееся» обычно используется в англоязычных источниках, но «истинное» используется во французской астрономической литературе и стало почти таким же распространенным в английских источниках. Видеть:
- Винс, Сэмюэл (1797). Полная система астрономии Том 1 . Издательство Кембриджского университета. п. 44.
То, что мы называем кажущимся временем, французы называют истинным.
- «Понимание – Фундаментальные понятия – Временные масштабы» . Бюро долгот (на французском языке). 23 ноября 2009 г. Архивировано из оригинала 23 ноября 2009 г.
temps vérité [true time]
- Эллисон, Майкл; Шмунк, Роберт (30 июня 2015 г.). «Технические примечания к солнечному времени Марса, принятому солнечными часами Mars24» . Годдардский институт космических исследований . Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства . Архивировано из оригинала 25 сентября 2015 года . Проверено 8 октября 2015 г.
угол солнечного часа или истинное солнечное время (TST)
- Винс, Сэмюэл (1797). Полная система астрономии Том 1 . Издательство Кембриджского университета. п. 44.
- ^ Эквивалент на Марсе называется местным истинным солнечным временем Марса (LTST). [7] [8]
Ссылки
- ^ О трех видах времени см. (например) пояснительный раздел в альманахе Connaissance des Temps за 1902 год, стр. 759. Архивировано 10 августа 2011 года в Wayback Machine .
- ^ «солнечное время, имею в виду» . Глоссарий, Онлайн-астрономический альманах . Морской альманах Ее Величества и Военно-морская обсерватория США . 2021.
- ^ «Високосные секунды» . Департамент службы времени, Военно-морская обсерватория США . 1999. Архивировано из оригинала 12 марта 2015 года.
- ^ Татум, Дж. Б. (27 марта 2022 г.). «Небесная механика. Глава 6» (PDF) . Университет Виктории . Архивировано (PDF) из оригинала 23 сентября 2015 г.
- ^ «солнечное время, видимое» . Глоссарий, Онлайн-астрономический альманах . Морской альманах Ее Величества и Военно-морская обсерватория США . 2021.
- ^ Яллоп, Б.Д.; Хоэнкер, Калифорния (август 1989 г.). «Астрономический информационный лист № 58» (PDF) . Управление морского альманаха Ее Величества . Схема расположения Солнца.
- ^ Эллисон, Майкл; Шмунк, Роберт (30 июня 2015 г.). «Технические примечания к солнечному времени Марса, принятому солнечными часами Mars24» . Годдардский институт космических исследований . Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства . Архивировано из оригинала 25 сентября 2015 года . Проверено 8 октября 2015 г.
- ^ Эллисон, Майкл; МакИвен, Меган (2000). «Пост-Pathfinder оценка ареоцентрических солнечных координат с улучшенными рецептами времени для исследований сезонного/дневного климата Марса» . Планетарная и космическая наука . 48 (2–3): 215. Бибкод : 2000P&SS...48..215A . дои : 10.1016/S0032-0633(99)00092-6 . hdl : 2060/20000097895 . S2CID 123014765 . Архивировано из оригинала 23 июня 2015 года.
- ^ Jump up to: а б Джин Миус (1997), Кусочки математической астрономии (Ричмонд, Вирджиния: Willmann-Bell) 346. ISBN 0-943396-51-4 .
- ^ Хилтон, Джеймс Л; Маккарти, Деннис Д. (2013). «Прецессия, нутация, движение полюсов и вращение Земли». В Урбане Шон Э.; Зайдельманн, П. Кеннет (ред.). Объяснительное приложение к Астрономическому альманаху (3-е изд.). Милл-Вэлли, Калифорния: Университетские научные книги. ISBN 978-1-891389-85-6 .
- ^ Jump up to: а б с Маккарти, Д.Д. ; Зайдельманн, ПК (2009). ВРЕМЯ От вращения Земли до атомной физики . Вайнхайм: Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGa . ISBN 978-3-527-40780-4 .
- ^ Капитан, Н. ; Уоллес, ПТ; Маккарти, Д.Д. (2003). «Выражения для реализации определения UT1 согласно IAU 2000» . Астрономия и астрофизика . 406 (3): 1135–1149. Бибкод : 2003A&A...406.1135C . дои : 10.1051/0004-6361:20030817 . S2CID 54008769 . (или в формате pdf ); а некоторые более ранние определения UT1 см. Аоки, С.; Гино, Б.; Каплан, Г.Х.; Киносита, Х.; Маккарти, Д.Д.; Зайдельманн, ПК (1982). «Новое определение всемирного времени» . Астрономия и астрофизика . 105 (2): 359–361. Бибкод : 1982A&A...105..359A .
- ^ Обсуждение небольших изменений, влияющих на средний солнечный день, см. в статье ΔT .
- ^ Риччи, Пьерпаоло. «Продолжительность истинного солнечного дня» . pierpaoloricci.it . Архивировано из оригинала 26 августа 2009 года.
- ^ Меус, Дж. (1998). Астрономические алгоритмы. 2-е изд. Ричмонд, Вирджиния: Уиллманн-Белл. п. 183.
- ^ «Прогулка во времени — ранние часы» . Прогулка во времени: эволюция измерения времени на протяжении веков . Национальный институт стандартов и технологий . 12 августа 2009 г.
- ^ Ли, Гэн (2015). «Гномоны в Древнем Китае». В Рагглсе, К. (ред.). Справочник по археоастрономии и этноастрономии . стр. 2095–2104. Бибкод : 2015hae..book.2095L . дои : 10.1007/978-1-4614-6141-8_219 . ISBN 978-1-4614-6140-1 .
- ^ Водолажская, Л.Н. (2014). «Реконструкция древнеегипетских солнечных часов» (PDF) . Археоастрономия и древние технологии . 2 (2): 1–18. arXiv : 1408.0987 .
- ^ Пингри, Дэвид; Райнер, Эрика (1974). «Неовавилонский отчет о сезонных часах» . Архив востоковедения . 25 :50-55. ISSN 0066-6440 . JSTOR 41636303 .
- ^ Нойгебауэр, Отто (1975), История древней математической астрономии , Нью-Йорк / Гейдельберг / Берлин: Springer-Verlag, стр. 984–986, ISBN 978-0-387-06995-1
- ^ :(1) В «Физической основе дополнительной секунды» Д.Д. Маккарти, К. Хэкмана и Р.А. Нельсона в Astronomical Journal, том 136 (2008), страницы 1906–1908, утверждается (стр. 1908), что «секунда SI эквивалентна более старой мере секунды UT1, которая была слишком маленькой для начала, и в дальнейшем, по мере увеличения продолжительности секунды UT1, несоответствие увеличивается». :(2) В конце 1950-х годов цезиевый стандарт использовался для измерения как текущей средней длины секунды среднего солнечного времени (UT2) (результат: 9192631830 циклов), так и секунды эфемеридного времени (ET) (результат: 9192631770 ± 20 циклов), см. «Временные шкалы», Л. Эссен. Архивировано 19 октября 2008 года, в Wayback Machine , в Metrologia, том 4 (1968), стр. 161-165, на стр. 162. Как известно, для секунды СИ была выбрана цифра 9192631770 . Л. Эссен в той же статье 1968 года (стр. 162) заявил, что это «казалось разумным с учетом изменений в UT2».
Внешние ссылки
- Восход и закат солнца, а также максимальная высота Солнца круглый год и в любом месте.
- Солнечный темпометр Astrarium : видимое солнечное время на цифровом дисплее.
