К. В. Куимов, ГАИШ, Москва
Все люди, интересующиеся астрономией, знают, что слово "сутки" имеет много разных значений. Например, звёздные сутки, солнечные сутки. Но в последнее время возникли многие новые понятия, для которых используется то же самое слово. В этой статье мы дадим более точные определения.
1. Сутки как единица времени
Прежде всего напомним, что единицей времени в астрономии, как и в других науках, является секунда международной системы единиц СИ - атомная секунда. Приведём определение секунды, как оно дано 13-й Генеральной конференцией мер и весов в 1967 г.:
секунда - это продолжительность 9 192 631 770 периодов излучения атома цезия 133, испускаемого им при переходе между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния (см. страницу Международного бюро мер и весов, там же приводятся некоторые уточнения). |
Если слово "сутки" используется для обозначения единицы времени, оно должно пониматься как 86400 атомных секунд. В астрономии употребляются и более крупные единицы времени: юлианский год - 365.25 суток точно, юлианское столетие - 36525 суток точно. Международный астрономический союз (общественная организация астрономов) в 1976 г. рекомендовал астрономам использовать именно такие единицы времени. Основная шкала времени, Международное атомное время (Time Atomic International, TAI), строится на основе показаний множества атомных часов в разных странах. Следовательно, с формальной точки зрения, основа измерения времени ушла из астрономии. Старые единицы "средняя солнечная секунда", "звёздная секунда" не должны использоваться.
2. Сутки как период вращения Земли вокруг оси
Дать определение такому употреблению слова "сутки" несколько сложнее. Причин тому много.
Во-первых, ось вращения Земли, или, выражаясь научно, вектор её угловой скорости, не сохраняет постоянного направления в пространстве. Это явление носит название прецессии и нутации. Во-вторых, сама Земля не сохраняет постоянной ориентировки относительно вектора её угловой скорости. Это явление называется движением полюсов. Поэтому радиус-вектор (отрезок от центра Земли до точки на поверхности) наблюдателя на поверхности Земли не вернётся через один оборот (и вообще никогда) к прежнему направлению. В-третьих, скорость вращения Земли, т.е. абсолютная величина вектора угловой скрости, тоже не остаётся постоянной. Так что, строго говоря, определённого периода вращения Земли не существует. Но с определённой степенью точности, несколько миллисекунд, можно говорить о периоде вращения Земли вокруг оси.
Кроме того, надо указать направление, относительно которого мы будем отсчитывать обороты Земли. Таких направлений в астрономии сейчас используется три. Это направление на точку весеннего равноденствия, на Солнце и небесное эфемеридное начало.
Период вращения Земли относительно точки весеннего равноденствия называется звёздными сутками. Он равен 23h 56m 04.0905308s. Обратите внимание, что звёздные сутки - это период относительно точки весны, а не звёзд.
Точка весеннего равноденствия сама совершает сложное движение на небесной сфере, поэтому это число следует понимать как среднее значение. Вместо этой точки Международный астрономический союз предложил использовать "небесное эфемеридное начало". Мы не будем давать его определения (оно довольно сложно). Оно выбрано так, чтобы период вращения Земли относительно него был близок к периоду относительно инерциальной системы отсчёта, т.е. относительно звёзд или точнее, внегалактических объектов. Угол поворота Земли относительного этого направления называется звёздным углом. Он равен 23h 56m 04.0989036s, чуть больше звёздных суток на величину, на которую точка весны смещается на небе из-за прецессии за сутки.
Наконец, рассмотрим вращение Земли относительно Солнца. Это самый сложный случай, поскольку Солнце движется на небе не по экватору, а по эклиптике и притом неравномерно. Но эти солнечные сутки, очевидно, и самые важные для людей. Исторически сложилось так, что атомная секунда была подогнана под период вращения Земли относительно Солнца, причём осреднение было сделано приблизительно за 19 век. Этот период равен 86400 единиц времени, которые назывались средними солнечными секундами. Подгонка произошла в два приёма: сначала было введено "эфемеридное время" и "эфемеридная секунда", а затем атомная секунда была положена равной эфемеридной секунде. Таким образом, атомная секунда всё-таки "происходит от Солнца", но атомные часы в миллион раз точнее, чем "земные часы".
Период вращения Земли не остаётся постоянным. Причин для этого много. Это и сезонные изменения в распределении температуры и давления воздуха по земному шару, и внутренние процессы, и внешние воздействия. Различают вековое замедление, декадные (в течение десятилетий) неравномерности, сезонные и внезапные. На рис. 1 и 2 приведены графики, показывающие изменение продолжительности суток в 1700-2000 гг. и в 2000-2006 гг. На рис. 1 прослеживается тенденция к увеличению суток, а на рис. 2 - сезонная неравномерность. Графики основаны на материалах Международной службы вращения Земли и опорных систем (International Earth Rotation and Reference Systems Service, IERS, iers/).
Нельзя ли вернуть основу измерения времени в астрономию и стоит ли это делать? Такая возможность существует. Это пульсары, периоды вращения которых сохраняются с большой точностью. Кроме того, их известно много. Не исключено, что на больших промежутках времени, например, десятилетиях, наблюдения пульсаров послужат уточнению атомного времени и будет создана шкала "пульсарного времени".
Изучение неравномерности вращения Земли очень важно для практики и интересно с научной точки зрения. Например, спутниковая навигация невозможна без знания вращения Земли. А его особенности несут информацию о внутреннем строении Земли. Эта сложная проблема ждёт своих исследователей.
Рис. 1. Отличие периода вращения Земли от 86400 с СИ, в миллисекундах. Данные до начала 20 в. не очень надёжны, но тенденция к увеличению продолжительности суток видна отчётливо.
Рис. 2. Изменение длительности суток в 2000-2006 гг. График показывает отличие периода вращения Земли от 86400 с (секунд СИ), в миллисекундах. Хорошо видна сезонная неравномерность.
Рис. 3. Радиотелескоп недалеко от Калязина. Инструменты такого типа используются для исследования вращения Земли.
Список литературы
Жаров В.Е. Сферическая астрономия. (Эта книга имеется в Astronet).
Труды Института прикладной астрономии РАН, вып. 10, 2004.
Сидоренков Н.С. Физика нестабильностей вращения Земли. М., Физматлит. 2002.
Kovalevsky J., Seidelman P.K. Fundamentals of astrometry. Cambridge University Press, 2004.
Одуан К., Гино Б. Измерение времени, основы GPS. М., Техносфера, 2002.
Для подготовки данной работы были использованы материалы с сайта astronet/
Другие работы по теме:
Кажимость и действительность
Простой человек, не обремененный знанием физики, просыпаясь рано утром и засыпая поздно вечером, а между делом наблюдая за движением Солнца по небосводу, не имеет и тени сомнения в том, что Солнце вращается вокруг Земли.
Шпоры по физике
Определить абсолютное ускорение точки, записать выражение абсолютного ускорения точки в развернутой форме , выбрать систему координат и спроецировать это ур-ние га оси координат.
Плазма и ее применение
Если любое вещество накалить до очень высокой температуры или пропускать через него сильный электрический ток , его электроны начинают отрываться от атомов . То , что остается от атомов после отрыва электрона , имеет положительный заряд и называется
Видимое движение планет.
Издавна люди наблюдали на небе такие явления как видимое вращение звездного неба, смена фаз Луны, восход и заход небесных светил, видимое движение Солнца по небу в течение дня, солнечные затмения, изменение высоты Солнца над горизонтом в течение года, лунные затмения.
Эфир есть
Существуют классические опытные данные о том, что эфир является неотъемлемой частью нашей Вселенной. Перечислим экспериментальные доказательства этого.
Причина магнитного поля Земли?
Существует несколько версий происхождения магнитного поля Земли и планет. Например, новаторская статья «Магнитное поле Земли», в которой предлагается новая трактовка образования магнитного поля Земли.
Время
Вращение Земли и Луны определяет продолжительность лет, времен года, месяцев и дней. Когда-то такого разделения времени было достаточно для организации людьми своей жизнедеятельности, но сегодня мы не можем представить свою жизнь без часов.
Разделение труда 2
Совместный труд требует единства при распределении труда по времени - по часам суток, дням недели и более длительными отрезками времени. В процессе труда работоспособность, т.е. способность человека к трудовой деятельности определенного рода, а соответственно, и функциональное состояние организма подвергаются изменениям.
Планеты Меркурий и Венера
Близость Венеры и особенно Меркурия к ослепительному Солнцу, а также отсутствие возможности наблюдать их диски на небе целиком, когда они от Солнца дальше, а к Земле ближе, очень затрудняют изучение поверхности и атмосферы этих планет.
Планетарные характеристики Земли
Длительное существование воды и жизни на поверхности Земли стало возможным благодаря трем основным характеристикам – ее массе, гелиоцентрическому расстоянию и быстрому вращению вокруг своей оси.
Планета Меркурий
Строение планеты Меркурий. Магнитосфера планеты Меркурий. Поверхность планеты Меркурий.
Притяжение и движение тел в пространстве
Более точная формула третьего закона Кеплера, которая была получена Ньютоном, дает возможность определить одну из важнейших характеристик любого небесного тела - массу.
Закон всемирного тяготения
Исаак Ньютон смог объяснить движение тел в космическом пространстве с помощью закона всемирного тяготения. Ньютон пришел к своей теории в результате многолетних исследований движения Луны и планет.
Астрономические основы календаря
Сутки как одна из основных единиц измерения времени. Вращение Земли и видимое движение звездного неба. Видимое годовое движение Солнца. Эклиптика.
Календарь
Главное назначение календаря – соотносить события с чередой дней. Слово «календарь» пришло к нам из древнего Рима. Оно происходит от латинских слов caleo «провозглашать» и calendarium «долговая книга».
Солнце
Общие сведения о Солнце. Спектр и химический состав Солнца.
Основы измерения времени
На наблюдениях суточного вращения небесного свода и годичного движения Солнца, т.е. на вращении Земли вокруг оси и на обращении Земли вокруг Солнца, основано измерение времени. Звездные сутки. Звездное время.
Импульсная механика
Импульсная механика рассматривает вопросы взаимодействия материальных тел, движущихся с ускорением и торможением, динамику вращения и кинематику переносного движения в силовых полях СП неинерциальных систем НС.
О возможности изменения гравитационного воздействия
Вращение присуще всем объектам нашей Вселенной, от микромира до макромира. Элементарные частицы обладают собственным механическим моментом – спином, все планеты, звёзды, галактики также вращаются вокруг своей оси.
Сатурн
Сатурн виден на небе в виде светила второй звёздной величины (хорошо различимая, но не особенно привлекающая внимание "звёздочка"). Сатурн отстоит от Солнца на 9,54 а.е. От Солнца до него в среднем - 1 426 980 000 км.
Диктофон
Автор: Зощенко М.М. Ах, до чего все-таки американцы народ острый! Сколько удивительных открытий, сколько великих изобретений они сделали! Пар, безопасные бритвы Жиллет, вращение Земли вокруг своей оси -- все это открыто и придумано американцами и отчасти англичанами.
Новоюлианский календарь
Новоюлиа́нский календа́рь — модификация юлианского календаря, разработанная сербским астрономом, профессором математики и небесной механики Белградского университета Милутином Миланковичем.
Юлианский год астрономия
Юлиа́нский год (символ: ) — единица измерения времени. Один юлианский год равен 365,25 юлианским дням по 86 400 секунд СИ каждый, то есть в точности 31 557 600 секунд. Это средняя продолжительность года в юлианском календаре, использовавшемся до 1582 года.[1] Юлианские годы используются в астрономии для выражения периодов обращения вокруг Солнца каких-либо объектов Солнечной системы (астероидов, комет и т. п.), в геохронологии для измерения больших промежутков времени, в ядерной физике для выражения периодов полураспада радионуклидов.
Мусульманское летосчисление
В основу мусульманского календаря положен свободный лунный год. Этим термином, как было указано выше, принято называть календарный год, состоящий из 12 лунных месяцев.
Лунно-солнечный календарь
План Введение 1 Теория календаря 2 Лунно-солнечные календари Введение 1. Теория календаря Продолжительность синодического месяца в среднем составляет 29,53059 суток, а тропический год - из 365,24220 дней. Т. о., один тропический год содержит в себе 12,36827 синодических месяцев. Значит, календарный год может состоять или из 12 (обычный год), или из 13 (эмболисмический год; др.-греч. ἐμβολή — вторжение) календарных месяцев, причем месяцы в году чередуются, чтобы дни месяца как можно лучше попадали на одни и те же фазы Луны.
Годовое и суточное вращение Земли
Движение Земли вокруг Солнца происходит по орбите, имеющей приблизительно форму эллипса. Скорость движения Земли — около 30 км в секунду. Полный оборот Земля совершает за 365,26 суток.
Сейсмическая активность Земли
Еще Гюйгенс заметил, что ряд маятников на общей подставке и с разной длиной после совершения свободных колебаний отдает в конце концов остаток энергии колебаний маятнику с наибольшей длиной (с наибольшим периодом колебаний).
Киви
В 20-е годы в Новой Зеландии среди сеянцев актинидии китайской, выращенных из семян, завезенных из Китая, были выделены сорта, необычные по урожайности, крупноплодности и вкусовым качествам.
Режимы радиационной защиты населения
Режим радиационной защиты населения означает порядок действия людей, оказавшихся в зоне радиоактивного заражения, а также порядок применения средств защиты для уменьшения возможных доз облучения.
Планеты Земной группы
Меркурий. Меркурий является ближайшей к Солнцу планетой. Его диаметр всего в полтора раза больше диаметра Луны. Орбита имеет значительный эксцентриситет по сравнению с другими планетами. В перигелии Меркурий проходит на расстоянии 46 млн. км от Солнца, а в афелии удаляется до 70 млн. километров. Из-за сложения неравномерного движения по орбите (благодаря ее сильной вытянутости) с медленным вращением, Солнце на небе Меркурия останавливается, и даже двигается назад.
Луна
Основные данные. Естественный спутник Земли, Луна, - наиболее изученное небесное светило. Лунная орбита - эллиптическая. Среднее расстояние Луны от земли равно 384400 км, а эксцентриситет орбиты равен 0,055. Во время одного оборота по орбите расстояние Луны от Земли изменяется от 356410 км в перигее до 406740 км в апогее.
Венера - планета загадок
Венера - вечерняя и утренняя звезда. Существование атмосферы Венеры. Продолжительность суток, дня и ночи, года, смена времен года. Состав атмосферы Венеры. Запуски зондов непосредственно на поверхность планеты. Поверхность планеты, моря и горы.