Чем объясняется введение поясной системы счета времени
Календарь
Для того чтобы исправить расхождение, папа римский Григорий XIII в 1582 г. ввёл новый стиль, календарь, названный по его имени григорианским. Чтобы уменьшить отличие календарного года от тропического, было решено каждые 400 лет выбрасывать из счёта 3 суток путём сокращения числа високосных лет. Простыми, невисокосными условились считать все годы столетий, за исключением тех, у которых число столетий делится на 4 без остатка. Високосным считались 1600 и 2000 гг. В то же время 1700, 1800 и 1900 гг. были простыми.
В России новый стиль был введён только с 1 февраля 1918 г. К этому времени между ним и старым стилем накопилась разница в 13 дней. Эта разница сохранится до 2100 г., который по старому стилю должен был бы считаться високосным, а по новому — простым. Различие между старым и новым стилем обычно указывается, когда мы имеем дело с событиями, относящимися к прошлому. Так, например, мы говорим, что К. Э. Циолковский родился 5 (17) сентября 1857 г.
Год по григорианскому календарю оказывается в среднем на полминуты длиннее тропического, так что расхождение за 400 лет составляет всего 2 часа 53 минуты, или сутки за 3300 лет.
Нумерация лет как по новому, так и по старому стилю ведётся от года Рождества Христова, наступления новой эры. В России новая эра была введена указом Петра I, согласно которому после 31 декабря 7208 г. «от сотворения мира» наступило 1 января 1700 г. от Рождества Христова.
1. Чем объясняется введение поясной системы счёта времени? 2. Почему в качестве единицы времени используется атомная секунда? 3. В чём заключаются трудности составления точного календаря? 4. Чем отличается счёт високосных лет по старому и новому стилю?
1. На какую величину отличается время на ваших часах от всемирного времени?
2. Определите по карте географическую долготу вашей школы. Вычислите местное время для этой долготы. На сколько оно отличается от времени, по которому вы живёте?
3. Дата рождения Исаака Ньютона по новому стилю — 4 января 1643 г. Какова дата его рождения по старому стилю?
1. На 1 ч больше числа часов, равного номеру часового пояса в осенне-зимний период; на 2 ч больше числа часов, равного номеру часового пояса в весенне-летний период.
2. На число минут, равное разности географической долготы данного пункта и географической долготы центрального меридиана соответствующего часового пояса (больше — для пунктов восточнее центрального меридиана, меньше — западнее).
Поясное время
Полезное
Смотреть что такое «Поясное время» в других словарях:
ПОЯСНОЕ ВРЕМЯ — ПОЯСНОЕ время, среднее солнечное время, определяемое для 24 основных географических меридианов, отстоящих на 15ш по долготе. Поверхность Земли разделена на 24 часовых пояса (с номерами от 0 до 23), в пределах каждого из которых поясное время… … Современная энциклопедия
Поясное время — ПОЯСНОЕ ВРЕМЯ, среднее солнечное время, определяемое для 24 основных географических меридианов, отстоящих на 15° по долготе. Поверхность Земли разделена на 24 часовых пояса (с номерами от 0 до 23), в пределах каждого из которых поясное время… … Иллюстрированный энциклопедический словарь
поясное время — Время, определяемое для данного места на Земле, зависит от географической долготы места и одинаково для всех пунктов, расположенных на одном меридиане. Syn.: местное время поясное время Система счета времени по часовым поясам, простирающимся… … Словарь по географии
поясное время — Единое время в пределах часового пояса, исчисляемое в национальной шкале координированного времени и отличающееся от него на целое число часов, равное номеру часового пояса. Примечание Поясное время, измененное правительственными распоряжениями,… … Справочник технического переводчика
ПОЯСНОЕ ВРЕМЯ — время, определяемое в соответствии с международной системой его исчисления по условным поясам. Весь земной шар разделен меридианами на 24 полосы одинаковой ширины, причем в населенных местах границы поясов проведены не строго по меридианам, а с… … Технический железнодорожный словарь
ПОЯСНОЕ ВРЕМЯ — система счета времени, принятая теперь почти во всех странах ввиду ряда практических удобств, которые она дает. Заключается в том, что вся Земля делится меридианами на 24 пояса или зоны по 15° шириной и в пределах каждого пояса считается одно… … Морской словарь
поясное время — среднее солнечное время, определяемое для 24 основных географических меридианов, отстоящих на 15° по долготе. Поверхность Земли разделена на 24 часовых пояса (с номерами от 0 до 23), в пределах каждого из которых поясное время совпадает со… … Энциклопедический словарь
поясное время — juostinis laikas statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Laikas, skaičiuojamas pagal Žemės paviršiaus padalijimą į 24 valandines juostas; tai yra kiekvienos juostos viduriu einančio dienovidinio (0°, 15°, 30°, …) vienetinis… … Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas
Поясное время — Часовые пояса Часовые пояса регионы Земли, в которых принято одинаковое местное время. Иногда в понятие часового пояса включается ещё и совпадение даты в этом случае пояса UTC+14 будут считаться различными, хотя в них действует одинаковое время… … Википедия
Чем объясняется введение поясной системы счета времени
Я счастлива жить образцово и просто:
Как солнце – как маятник – как календарь
М. Цветаева
Тема Основы измерения времени.
Цель Рассмотреть систему счета времени и ее связь с географической долготой. Дать представление о летоисчислении и календаре, определении географических координат (долготы) местности по данным астрометрических наблюдений.
Межпредметная связь: Географические координаты, счет времени и способы ориентирования, картографическая проекция (география, 6-8 кл)
Ход урока
б) 3 человека у доски.
1.Вывести формулу высоты светила.
2. Суточные пути светил (звезд) на разных широтах.
3. Доказать, что высота полюса мира равна географической широте.
2. Новый материал (20 мин)
Нужно обратить внимание учеников:
1. Продолжительность суток и года зависит от того, в какой системе отсчета рассматривается движение Земли (связана ли она с неподвижными звездами, Солнцем и т.д). Выбор системы отсчета отражается в названии единицы счета времени.
2. Продолжительность единиц счета времени связана с условиями видимости (кульминациями) небесных светил.
3. Введение атомного стандарта времени в науке было обусловлено неравномерностью вращения Земли, обнаруженной при повышении точности часов.
4. Введение поясного времени обусловлено необходимостью согласования хозяйственных мероприятий на территории, определяемой границами часовых поясов.
Система счета времени в нашей стране
1) С 1 июля 1919г вводится поясное время (декрет СНК РСФСР от 8.02.1919г)
2) В 1930г устанавливается Московское (декретное) время 2-го часового пояса в котором находится Москва, переводом на один час вперед по сравнению с поясным временем (+3 к Всемирному или +2 к среднеевропейскому) с целью обеспечения в дневное время более светлой части суток (декрет СНК СССР от 16.06.1930г). Существенно изменяется распределение по часовым поясам краев и областей. Отменено в феврале 1991г и опять восстановлено с января 1992г.
3) Этим же Декретом 1930г отменяется действующее с 1917г переход на летнее время (20 апреля и возврат 20 сентября).
4) В 1981г возобновляется в стране переход на летнее время. Постановлением Совета Министров СССР от 24 октября 1980г «О порядке исчисления времени на территории СССР» вводится летние время переводом в 0 часов 1 апреля стрелок часов на час вперед, а 1 октября на час назад с 1981г. (В 1981г переход на летнее время введено в подавляющем большинстве развитых стран – 70, кроме Японии). В дальнейшем в СССР перевод стали делать в ближайшее к этим датам воскресенье. Постановление внесло ряд существенных изменений и утвердило заново составленный перечень административных территорий, отнесённых к соответствующим часовым поясам.
5) В 1992г восстановлено Указам Президента, отмененное в феврале 1991г, декретное (Московское) время с 19 января 1992г с сохранением перевода на летнее время в последнее воскресенье марта в 2 часа ночи на час вперед, а на зимнее время в последнее воскресенье сентября в 3 часа ночи на час назад.
6) В 1996г Постановлением Правительства РФ №511 от 23.04.1996г летнее время продлевается на один месяц и заканчивается теперь в последнее воскресенье октября. В Западной Сибири регионы, ранее находившиеся в зоне MSK+4, перешли на время MSK+3, присоединившись к Омскому времени: Новосибирская область 23 мая 1993 в 00:00, Алтайский край и Республика Алтай 28 мая 1995 в 4:00, Томская область 1 мая 2002 в 3:00, Кемеровская область 28 марта 2010 в 02:00. (разность со всемирным временем GMT остается 6 часов).
7) С 28 марта 2010 года при переходе на летнее время территория России стала располагаться в 9 часовых поясах (со 2-го по 11-й включительно, за исключением 4-го- Самарскую область и Удмуртия 28 марта 2010 года в 2 часа ночи перешли на московское время) с одинаковым временем в пределах каждого часового пояса. Границы часовых поясов проходят по границам субъектов Российской Федерации, каждый субъект входит в один пояс, за исключением Якутии, которая входит в 3 пояса (MSK+6, MSK+7, MSK+8), и Сахалинской области, которая входит в 2 пояса (MSK+7 на Сахалине и MSK+8 на Курильских островах).
Все календари неудобны тем, что нет постоянства между датой и днем недели. Возникает вопрос, как придумать постоянный всемирный календарь. В ООН решается данный вопрос и в случае принятия такой календарь можно ввести, когда 1 января выпадет на воскресенье.
Итог:
1) Каким календарем мы пользуемся?
2) Чем старый стиль отличается от нового?
3) Что такое всемирное время?
4) Что такое полдень, полночь, истинные солнечные сутки?
5) Чем объясняется введение поясного времени?
6) Как определить поясное, местное время?
7) Оценки
Домашнее задание: §6; вопросы и задания для самоконтроля (стр29); стр29 «Что знать» – главные мысли, повторить полностью всю главу «Введение в астрономию», Контрольная работа №1 (если нет возможности провести отдельным уроком).
Задание: 1. Составить кроссворд, используя изученный материал первого раздела.
2. Подготовить доклад об одном из календарей.
3. Составить опросник по материалу первого раздела (не менее 20 вопросов, ответы в скобках).
Если по теме Вы будите проводить 7-й урок, или же с целью проверки усвоения узловых вопросов первой темы, вы можете использовать данную проверочную работу.
ВРЕМЯ
ВРЕМЯ, понятие, позволяющее установить, когда произошло то или иное событие по отношению к другим событиям, т.е. определить, на сколько секунд, минут, часов, дней, месяцев, лет или столетий одно из них случилось раньше или позже другого. Измерение времени подразумевает введение временнóй шкалы, пользуясь которой можно было бы соотносить эти события. Точное определение времени базируется на дефинициях, принятых в астрономии и отличающихся высокой точностью.
Сейчас используются три основные системы измерения времени. В основе каждой из них конкретный периодический процесс: вращение Земли вокруг своей оси – всемирное время UT; обращение Земли вокруг Солнца – эфемеридное время ЕТ; и излучение (или поглощение) электромагнитных волн атомами или молекулами некоторых веществ при определенных условиях – атомное время АТ, определяемое с помощью высокоточных атомных часов. Всемирное время, обычно обозначаемое как «гринвичское среднее время», представляет собой среднее солнечное время на нулевом меридиане (с долготой 0 ° ), который проходит через город Гринвич, входящий в конурбацию Большого Лондона. На основе всемирного времени определяется поясное время, используемое для счета гражданского времени. Эфемеридное время – временнáя шкала, используемая в небесной механике при исследовании движения небесных тел, где требуется высокая точность расчетов. Атомное время – физическая временнáя шкала, применяемая в тех случаях, когда требуется чрезвычайно точное измерение «временн
х интервалов» для явлений, связанных с физическими процессами.
Поясное время.
В повседневной практике на местах используется поясное время, которое отличается от всемирного на целое число часов. Всемирное время используется для счета времени при решении гражданских и военных задач, в астронавигации, для точного определения долготы в геодезии, а также при определении положения искусственных спутников Земли относительно звезд. Поскольку скорость вращения Земли вокруг своей оси не является абсолютно постоянной величиной, всемирное время не является строго равномерным по сравнению с эфемеридным или атомным временем.
Системы счета времени.
Единицей используемого в повседневной практике «среднего солнечного времени» являются «средние солнечные сутки», которые, в свою очередь, делятся следующим образом: 1 средние солнечные сутки = 24 средним солнечным часам, 1 средний солнечный час = 60 средним солнечным минутам, 1 средняя солнечная минута = 60 средним солнечным секундам. Одни средние солнечные сутки содержат 86 400 средних солнечных секунд.
Принято, что сутки начинаются в полночь и продолжаются 24 часа. В США для гражданских нужд принято сутки делить на две равные части – до полудня и после полудня, и соответственно в этих рамках вести 12-часовой счет времени.
В вооруженных силах США, а также в большинстве стран континентальной Европы время указывается четырехзначными цифрами по 24-часовому циферблату. В этой системе полночь (начало суток) обозначается как 0000, следующий затем полдень – 1200, 3 ч пополудни – 1500, а следующая полночь (окончание суток) – 2400, 1 ч 25 мин после полуночи – 0125 и т.п.
Время и долгота местности.
Часовые пояса.
Чтобы не вводить местное время для каждого градуса (или каждой минуты) широты, поверхность Земли была условно поделена на 24 часовых пояса. При переходе из одного часового пояса в другой значения минут и секунд (времени) сохраняются, изменяется лишь значение часов.
Существуют некоторые районы, в которых местное время отличается от всемирного не только на целое количество часов, но еще дополнительно на 30, 40 или 45 мин. Правда, такие временные зоны не являются стандартными часовыми поясами.
На Северном и Южном полюсах меридианы сходятся в одной точке, и поэтому там понятие часовых поясов теряет смысл. По сложившейся традиции считается, что время на полюсах соответствует всемирному.
Теоретически все часовые пояса земного шара должны ограничиваться прямыми линиями, проходящими на 7,5 ° восточнее и западнее среднего меридиана каждого пояса, однако в реальности для сохранения единого времени внутри одной и той же административной или природной единицы их границы часто смещены относительно общепринятой.
Летнее время
было введено в период Первой мировой войны с целью экономии электроэнергии. С введением летнего времени часы переводятся на час вперед, таким образом, на конец рабочего дня приходится больше светлого времени. Во время Второй мировой войны в США часы оставались переведенными на час вперед как летом, так и зимой. В Англии использовалось «удвоенное летнее время» – часы устанавливались на два часа вперед летом и на час зимой.
Линия перемены даты.
При пересечении границы часового пояса мы переводим часы на 1 ч. На Земле также существует условная граница, при пересечении которой календарная дата меняется на одни сутки. Эта граница называется Линией перемены даты и проходит в Тихом океане по 180-му меридиану.
Чтобы понять, зачем нужна такая линия, рассмотрим следующий пример. Пусть на Гринвичском меридиане в данный момент будет 0300, 10 июня. Тогда на 165 ° в.д. по местному времени будет на 11 ч позже (165 ° = 11 ґ 15 ° ), т.е. 1400, 10 июня. На 165 ° з.д. местное время будет отставать на 11 ч по сравнению с гринвичским, и, следовательно, там будет еще только 1600 предыдущего дня, т.е. 9 июня. На 180-м меридиане будет 1500 – 10 июня или 9 июня в зависимости от того, как рассматривать этот меридиан – западной или восточной долготы. Чтобы выйти из такого затруднения, для часового пояса со средним меридианом 180 ° было принято: в той части, которая находится к востоку от Линии перемены даты, календарная дата будет на сутки меньше, чем в той которая расположена к западу от этой линии. В некоторых районах, чтобы избежать изменения даты в пределах одной и той же группы островов, Линия перемены даты проводится не строго по 180-му меридиану.
Если человек пересекает эту линию, следуя на запад, например, из Сан-Франциско в Токио, календарная дата изменяется на более позднюю (на сутки позже), и таким образом путешественник как бы теряет день. При пересечении этой линии с запада на восток дата изменяется на более раннюю, и он еще раз проживает предыдущие календарные сутки. На кораблях практикуется изменение календарной даты в полночь, что аналогично пересечению именно в это время Линии перемены даты.
Поправки к всемирному времени.
Сигналы точного времени по радио передаются в системе координированного времени (UTC), аналогичного среднему гринвичскому времени. Однако в системе UTC ход времени не вполне равномерен, там возникают отклонения с периодом ок. 1 года. В соответствии с международным соглашением в передаваемые сигналы вводится поправка, учитывающая эти отклонения.
На станциях службы времени определяется местное звездное время, по которому вычисляется местное среднее солнечное время. Последнее преобразуется в единое всемирное время (UT0) путем прибавления соответствующего значения, принятого для долготы, на которой расположена станция (к западу от Гринвичского меридиана). Таким образом устанавливается координированное всемирное время.
С 1892 известно, что ось земного эллипсоида испытывает колебания по отношению к оси вращения Земли с периодом примерно 14 мес. Расстояние между этими осями, измеренное на любом полюсе, составляет ок. 9 м. Следовательно, долгота и широта любой точки на Земле испытывают периодические вариации. Для получения более однородной шкалы времени в вычисленную для конкретной станции величину UT0 вводится поправка за изменение долготы, которая может достигать 30 мс (в зависимости от положения станции); таким образом получается время UT1.
Скорость вращения Земли подвержена сезонным изменениям, вследствие которых время, измеряемое вращением планеты, оказывается то «впереди», то «позади» звездного (эфемеридного) времени, причем отклонения в течение года могут достигать 30 мс. UT1, в которое внесена поправка, учитывающая сезонные изменения, обозначается UT2 (предварительное равномерное, или квазиравномерное, всемирное время). Время UT2 определяется на основе средней скорости вращения Земли, но на нем сказываются долгопериодные изменения этой скорости. Поправки, позволяющие рассчитать время UT1 и UT2 по UТ0, вводятся в унифицированной форме Международным бюро времени, находящимся в Париже.
АСТРОНОМИЧЕСКОЕ ВРЕМЯ
Звездное время и солнечное время.
Для определения среднего солнечного времени астрономы используют наблюдения не самого солнечного диска, а звезд. По звездам же определяется т.н. звездное, или сидерическое (от лат. siderius – звезда или созвездие), время. С помощью математических формул по звездному времени рассчитывается среднее солнечное время.
Если воображаемую линию земной оси продлить в обе стороны, она пересечется с небесной сферой в точках т.н. полюсов мира – Северного и Южного (рис. 1). На угловом расстоянии 90 ° от этих точек проходит большой круг, называемый небесным экватором, который является продолжением плоскости земного экватора. Видимый путь движения Солнца называется эклиптикой. Плоскости экватора и эклиптики пересекаются под углом ок. 23,5 ° ; точки пересечения носят название точек равноденствия. Ежегодно, примерно 20–21 марта, Солнце пересекает экватор при движении с юга на север в точке весеннего равноденствия. Эта точка почти неподвижна по отношению к звездам и используется в качестве репера для определения положения звезд в системе астрономических координат, а также звездного времени. Последнее измеряется величиной часового угла, т.е. угла между меридианом, на котором находится объект, и точкой равноденствия (отсчет производится на запад от меридиана). В пересчете на время один час соответствует 15 дуговым градусам. По отношению к наблюдателю, находящемуся на определенном меридиане, точка весеннего равноденствия ежедневно описывает на небосводе замкнутую траекторию. Промежуток времени между двумя последовательными пересечениями этого меридиана называется звездными сутками.
Среднее солнечное время.
Появление в 17 в. механических часов привело к необходимости введения среднего солнечного времени. «Среднее (или среднее эклиптическое) солнце» – это фиктивная точка, равномерно движущаяся по небесному экватору со скоростью, равной средней за год скорости движения истинного Солнца по эклиптике. Среднее солнечное время (т.е. время, протекшее от нижней кульминации среднего солнца) в любой момент на данном меридиане численно равно часовому углу среднего солнца (выраженному в часовой мере) минус 12 ч. Разность между истинным и средним солнечным временем, которая может достигать 16 мин, называется уравнением времени (хотя фактически уравнением не является).
Как отмечалось выше, среднее солнечное время устанавливается с помощью наблюдений за звездами, а не за Солнцем. Среднее солнечное время строго определяется угловым положением Земли относительно ее оси, вне зависимости от того, постоянна или переменна скорость ее вращения. Но именно потому, что среднее солнечное время является мерой вращения Земли, оно используется для определения долготы местности, а также во всех других случаях, когда требуются точные данные о положении Земли в пространстве.
Эфемеридное время.
Движение небесных тел описывается математически уравнениями небесной механики. Решение этих уравнений позволяет установить координаты тела в виде функции времени. Время, входящее в эти уравнения, по определению, принятому в небесной механике, является равномерным, или эфемеридным. Существуют специальные таблицы эфемеридных (теоретически вычисленных) координат, которые дают расчетное положение небесного тела через определенные (обычно одинаковые) промежутки времени. Эфемеридное время может быть установлено по движению любой планеты или ее спутников в Солнечной системе. Астрономы определяют его по движению Земли по орбите вокруг Солнца. Оно может быть найдено путем наблюдений за положением Солнца по отношению к звездам, но обычно для этого следят за движением Луны вокруг Земли. Видимый путь, который Луна проходит в течение месяца среди звезд, может рассматриваться как своеобразные часы, в которых звезды образуют циферблат, а Луна служит часовой стрелкой. При этом эфемеридные координаты Луны должны быть вычислены с высокой степенью точности, и столь же точно должно быть определено ее наблюдаемое положение.
Положение Луны обычно определялось по времени прохождения через меридиан и покрытию звезд лунным диском. Наиболее современный метод представляет собой фотографирование Луны среди звезд с помощью специальной фотокамеры. В этой камере используется плоскопараллельный светофильтр из темного стекла, которому во время 20-секундной экспозиции придается наклон; вследствие этого изображение Луны смещается, и это искусственное смещение как бы компенсирует действительное движение Луны по отношению к звездам. Таким образом, Луна сохраняет строго фиксированное положение относительно звезд, и все элементы на снимке получаются отчетливыми. Поскольку положение звезд известно, измерения по снимку позволяют точно определить координаты Луны. Эти данные сводятся в виде эфемеридных таблиц Луны и позволяют рассчитать эфемеридное время.
Определение времени с помощью наблюдений за вращением Земли.
В результате вращения Земли вокруг оси происходит кажущееся движение звезд с востока на запад. В современных методах определения точного времени используются астрономические наблюдения, заключающиеся в регистрации моментов прохождения звезд через небесный меридиан, положение которого строго определено по отношению к астрономической станции. Для этих целей обычно использовался т.н. «малый пассажный инструмент» – телескоп, смонтированный таким образом, что его горизонтальная ось ориентирована по широте (с востока на запад). Труба телескопа может быть направлена в любую точку небесного меридиана. Для наблюдения прохождения звезды через меридиан в фокальной плоскости телескопа помещается крестообразная тонкая нить. Время прохождения звезды фиксируется с помощью хронографа (устройства, регистрирующего одновременно сигналы точного времени и импульсы, возникающие внутри самого телескопа). Таким образом определяется точное время прохождения каждой звезды через данный меридиан.
Значительно бóльшую точность измерения времени вращения Земли дает использование фотографической зенитной трубы (ФЗТ). ФЗТ представляет собой телескоп с фокусным расстоянием 4,6 м и входным отверстием диаметром 20 см, обращенным прямо в зенит. Небольшая фотографическая пластинка размещается под линзой на расстоянии ок. 1,3 см. Еще ниже, на расстоянии, равном половине фокусного, расположена ванна с ртутью (ртутный горизонт); ртуть отражает свет звезд, фокусирующийся на фотопластинке. И линза, и фотопластинка могут поворачиваться как единый блок на 180 ° вокруг вертикальной оси. При фотографировании звезды делается четыре 20-секундных экспозиции при различных положениях линзы. Пластинка перемещается с помощью механического привода таким образом, чтобы компенсировать видимое суточное движение звезды, удерживая ее в поле зрения. При движении каретки с фотокассетой автоматически регистрируются моменты прохождения ее через определенную точку (например, путем замыкания контакта часов). Отснятая фотопластинка проявляется, и полученное на ней изображение измеряется. Данные измерений сопоставляются с показаниями хронографа, что дает возможность установить точное время прохождения звезды через небесный меридиан.
В другом инструменте для определения звездного времени – призменной астролябии (не следует путать этот прибор со средневековым угломерным инструментом того же названия), 60-градусная (равносторонняя) призма и ртутный горизонт помещаются перед линзой телескопа. В призменной астролябии получаются два изображения наблюдаемой звезды, которые совпадают в момент, когда звезда находится на высоте 60 ° над горизонтом. При этом автоматически регистрируется показание часов.
Во всех этих инструментах используется один и тот же принцип – для звезды, координаты которой известны, определяется время (звездное или среднее) прохождения через определенную линию, например небесный меридиан. При наблюдениях специальными часами фиксируется время прохождения. Разность между вычисленным временем и показаниями часов дает поправку. Величина поправки показывает, сколько минут или секунд нужно прибавить к показаниям часов, чтобы получить точное время. Например, если расчетное время 3 ч 15 мин 26,785 с, а на часах 3 ч 15 мин 26,773 с, то часы отстают на 0,012 с и поправка составляет 0,012 с.
Обычно за ночь проводится наблюдение за 10–20 звездами, и по ним вычисляется средняя поправка. Последовательная серия поправок позволяет определить точность хода часов. При помощи таких инструментов, как ФЗТ и астролябия, за одну ночь устанавливается время с точностью ок. 0,006 с.
Все эти инструменты предназначены для определения звездного времени, по которому устанавливается среднее солнечное время, а последнее переводится в поясное время.
Чтобы следить за течением времени, необходим простой способ его определения. В древности для этого использовались водяные или песочные часы. Точное определение времени стало возможным после того, как Галилей в 1581 установил, что период колебаний маятника почти не зависит от их амплитуды. Однако практическое использование этого принципа в маятниковых часах началось лишь спустя сто лет. Самые совершенные маятниковые часы сейчас имеют точность хода ок. 0,001–0,002 с в сутки. Начиная с 1950-х годов, маятниковые часы перестали использоваться для точных измерений времени и уступили место кварцевым и атомным часам. См. также ЧАСЫ.
Кварцевые часы.
Кварц обладает т.н. «пьезоэлектрическими» свойствами: при деформации кристалла возникает электрический заряд, и наоборот под действием электрического поля происходит деформация кристалла. Контроль, осуществляемый с помощью кристалла кварца, позволяет получить почти постоянную частоту электромагнитных колебаний в электрическом контуре. Пьезокварцевый генератор обычно создает колебания с частотой 100 000 Гц и выше. Специальное электронное устройство, известное под названием «делитель частоты», позволяет снизить частоту до 1000 Гц. Сигнал, полученный на выходе, усиливается и приводит в действие синхронный электромотор часов. Фактически, работа электромотора синхронизирована с колебаниями пьезокристалла. С помощью системы зубчатых передач мотор может быть соединен со стрелками, показывающими часы, минуты и секунды. По существу, кварцевые часы представляют собой сочетание пьезокварцевого генератора, делителя частоты и синхронного электромотора. Точность хода лучших кварцевых часов достигает нескольких миллионных долей секунды в сутки.
Атомные часы.
Для отсчета времени могут быть использованы также процессы поглощения (или излучения) электромагнитных волн атомами или молекулами некоторых веществ. Для этого применяется сочетание атомного генератора колебаний, делителя частоты и синхронного мотора. Согласно квантовой теории, атом может находиться в различных состояниях, каждое из которых соответствует определенному энергетическому уровню Е, представляющему дискретную величину. При переходе с более высокого энергетического уровня на более низкий возникает электромагнитное излучение, и наоборот, при переходе на более высокий уровень излучение поглощается. Частота излучения, т.е. число колебаний в секунду, определяется формулой:
где E2 – начальная энергия, E1 – конечная энергия и h – постоянная Планка.
Многие квантовые переходы дают очень высокую частоту, примерно 5 ґ 10 14 Гц, и возникающее излучение находится в диапазоне видимого света. Для создания атомного (квантового) генератора необходимо было найти такой атомный (или молекулярный) переход, частота которого могла бы быть воспроизведена с помощью электронной техники. Микроволновые устройства, подобные используемым в радиолокаторе, способны генерировать частоты порядка 10 10 (10 млрд.) Гц.
Первые точные атомные часы, в которых использовался цезий, были разработаны Л.Эссеном и Дж.В.Л.Парри в Национальной физической лаборатории в Теддингтоне (Великобритания) в июне 1955. Атом цезия может существовать в двух состояниях, причем в каждом из них он притягивается или одним, или другим полюсом магнита. Атомы, выходящие из нагревательной установки, проходят по трубке, расположенной между полюсами магнита «А». Атомы, находящиеся в состоянии, условно обозначаемом 1, отклоняются магнитом и ударяются о стенки трубки, тогда как атомы, находящиеся в состоянии 2, отклоняются в другую сторону таким образом, что проходят вдоль трубки через электромагнитное поле, частота колебаний которого соответствует радиочастоте, и затем направляются ко второму магниту «В». Если радиочастота подобрана правильно, то атомы, переходя в состояние 1, отклоняются магнитом «В» и улавливаются детектором. В противном случае атомы сохраняют состояние 2 и отклоняются в сторону от детектора. Частота электромагнитного поля изменяется до тех пор, пока счетчик, присоединенный к детектору, не покажет, что генерируется нужная частота. Резонансная частота, генерируемая атомом цезия ( 133 Cs), составляет 9 192 631 770 ± 20 колебаний в секунду (эфемеридного времени). Эта величина называется цезиевым эталоном.
Преимущество атомного генератора перед кварцевым пьезоэлектрическим заключается в том, что его частота не меняется со временем. Однако он не может непрерывно функционировать столь же долго, как кварцевые часы. Поэтому принято комбинировать в одних часах пьезоэлектрический кварцевый генератор с атомным; частота кварцевого генератора время от времени проверяется по атомному генератору.
Для создания генератора используется также изменение состояния молекул аммиака NH3. В устройстве, называемом «мазер» (микроволновом квантовом генераторе), внутри полого резонатора генерируются колебания в радиодиапазоне с почти постоянной частотой. Молекулы аммиака могут находиться в одном из двух энергетических состояний, различно реагирующих на электрический заряд определенного знака. Пучок молекул проходит в поле электрически заряженной пластины; при этом те из них, которые находятся на более высоком энергетическом уровне, под воздействием поля направляются в небольшое входное отверстие, ведущее в полый резонатор, а молекулы, находящиеся на более низком уровне, отклоняются в сторону. Часть молекул, попавших в резонатор, переходит на более низкий энергетический уровень, испуская при этом излучение, на частоту которого оказывает воздействие конструкция резонатора. По результатам экспериментов в Невшательской обсерватории в Швейцарии, полученная частота составила 22 789 421 730 Гц (в качестве эталона при этом использовалась резонансная частота цезия). Проводившееся в международных масштабах с помощью радио сопоставление частот колебаний, измеренных для пучка атомов цезия показало, что величина расхождений частот, получаемых в установках различной конструкции, составляет примерно две миллиардных. Квантовый генератор, в котором используется цезий или рубидий, известен под названием газонаполненного фотоэлемента. В качестве квантового генератора частот (мазера) применяется также водород. Изобретение (квантовых) атомных часов в значительной степени способствовало исследованиям изменений скорости вращения Земли и разработке общей теории относительности.
Секунда.
Использование атомной секунды в качестве эталонной единицы времени было принято 12-й Международной конференцией по мерам и весам в Париже в 1964. Она определяется на основе цезиевого эталона. С помощью электронных устройств осуществляется подсчет колебаний цезиевого генератора, и время, за которое происходит 9 192 631 770 колебаний, принимается за эталон секунды.
Гравитационное (или эфемеридное) время и атомное время.
Эфемеридное время устанавливается по данным астрономических наблюдений и подчиняется законам гравитационного взаимодействия небесных тел. Определение времени с помощью квантовых стандартов частоты основано на электрических и ядерных взаимодействиях внутри атома. Вполне возможно несовпадение масштабов атомного и гравитационного времени. В таком случае частота колебаний, генерируемых атомом цезия, будет изменяться по отношению к секунде эфемеридного времени в течение года, и это изменение нельзя отнести за счет ошибки наблюдения.
Радиоактивный распад.
Хорошо известно, что атомы некоторых, т.н. радиоактивных, элементов самопроизвольно распадаются. В качестве показателя скорости распада используется «период полураспада» – промежуток времени, за который число радиоактивных атомов данного вещества уменьшается вдвое. Радиоактивный распад также может служить мерой времени – для этого достаточно подсчитать, какая часть от общего числа атомов подверглась распаду. По содержанию радиоактивных изотопов урана оценивается возраст горных пород в пределах нескольких миллиардов лет. Большое значение имеет радиоактивный изотоп углерода 14 С, образующийся под воздействием космического излучения. По содержанию этого изотопа, имеющего период полураспада 5568 лет, можно датировать образцы возрастом несколько более 10 тыс. лет. В частности, его используют для определения возраста объектов, связанных с деятельностью человека, как в историческое, так и в доисторическое время.
Вращение Земли.
Как предполагали астрономы, период вращения Земли вокруг своей оси изменяется во времени. Поэтому оказалось, что течение времени, отсчет которого ведется на основе вращения Земли, иногда бывает ускоренным, а иногда – замедленным по сравнению с тем, которое определяется по орбитальному движению Земли, Луны и других планет. За последние 200 лет ошибка в отсчете времени на основе суточного вращения Земли по сравнению с «идеальными часами» достигала 30 с.
За сутки отклонение составляет несколько тысячных долей секунды, однако за год накапливается ошибка в 1–2 с. Различают три типа изменения скорости вращения Земли: вековые, являющиеся следствием приливов под воздействием лунного притяжения и приводящие к увеличению продолжительности суток примерно на 0,001 с в столетие; малые скачкообразные изменения продолжительности суток, причины которых точно не установлены, удлиняющие или укорачивающие сутки на несколько тысячных долей секунды, причем такая аномальная продолжительность может сохраняться на протяжении 5–10 лет; наконец, отмечаются периодические изменения, главным образом с периодом в один год.
Бакунин П.И., Блинов Н.С. Служба точного времени. М., 1977
Физика космоса. М., 1986
Завельский Ф.С. Время и его измерение от биллионных долей секунды до миллиардов лет. М., 1987