Vremya (metody izmereniya)

VREMYa (metody izmereniya). Dlya izmereniya V. neobhodima etalonnaya edinica V. i ustroistva, pozvolyayushie s izvestnoi stepen'yu tochnosti vosproizvodit' etu edinicu i osushestvlyat' schet edinic V.

Dlya polucheniya etalonnoi edinicy V. ispol'zovalis' sleduyushie periodich. processy: vrashenie Zemli vokrug svoei osi; vrashenie Zemli vokrug Solnca; izluchenie (pogloshenie) el.-magn. voln atomami ili molekulami nek-ryh veshestv pri opredelennyh vnesh. usloviyah.

Poskol'ku zhiznedeyatel'nost' lyudei tesneishim obrazom svyazana so smenoi dnya i nochi, t. e. s vrasheniem Zemli vokrug svoei osi, etot process i ispol'zovalsya dlya izmereniya V. na protyazhenii mnogih tysyacheletii.

Promezhutok V., v techenie k-rogo Zemlya delaet odin oborot vokrug svoei osi otnositel'no k.-n. orientira na nebe, naz. sutkami. Prodolzhitel'nost' sutok budet razlichna v zavisimosti ot togo, kakoi orientir ispol'zuetsya v kachestve tochki otscheta. Dlya etih celei sluzhat: tochka vesennego ravnodenstviya (sm. Koordinaty astronomicheskie); centr vidimogo diska Solnca; srednee Solnce - fiktivnaya tochka, ravnomerno dvizhushayasya po ekvatoru so srednei za god skorost'yu dvizheniya istinnogo Solnca po ekliptike.

Opredelyaemye takim obrazom tri raznyh promezhutka V. naz. sootvetstvenno zvezdnymi, istinnymi i srednimi solnechnymi sutkami. Poskol'ku vrashenie Zemli vokrug osi proyavlyaetsya v vidimom sutochnom dvizhenii nebesnoi sfery, v astronomii sutki opredelyayutsya kak promezhutok vremeni mezhdu dvumya posledovatel'nymi odnoimennymi kul'minaciyami (prohozhdeniyami cherez meridian dannogo mesta) sootvetstvuyushei tochki na nebe.

Etalonom V., k-rym vpervye nauchilos' pol'zovat'sya chelovechestvo, stali istinnye solnechnye sutki. Dlya izmereniya dolei istinnyh solnechnyh sutok ispol'zovalis' solnechnye chasy, prosteishii variant k-ryh predstavlyal vertikal'nyi shest i nanesennye na zemle deleniya. Ten' ot shesta, otrazhaya dvizhenie Solnca po nebu, peremeshaetsya ot deleniya k deleniyu, pokazyvaya V.

Sopernikom solnechnyh chasov byli vodyanye chasy - klepsidra, v k-ryh uroven' vody, peretekavshei po kaple iz odnogo sosuda v drugoi, pokazyval, skol'ko chasov proshlo s momenta puska klepsidry.

Vodyanye i solnechnye chasy byli izvestny v Drevnem Egipte, Kitae, Grecii, Mesopotamii zadolgo do nashei ery.

Pervye mehanich. kolesnye chasy, snabzhennye spuskovym ustroistvom, poyavilis' v Evrope v 13 v. Oni imeli tol'ko chasovuyu strelku, v dvizhenie privodilis' girei. Ideya mayatnikovyh chasov s mayatnikom v kachestve regulyatora ih hoda byla predlozhena i realizovana gollandskim fizikom X. Gyuigensom v 1656 g. Vo 2-i polovine 16 v. u mehanich. chasov poyavilas' minutnaya strelka, a v 1760 g.- sekundnaya.

Usovershenstvovanie chasov - hranitelei V., sozdanie astronomich. mayatnikovyh chasov privelo k tomu, chto istinnye solnechnye sutki uzhe ne mogli bol'she ispol'zovat'sya dlya kontrolya za hodom chasov. Delo v tom, chto istinnye solnechnye sutki neodinakovy v techenie goda v silu dvuh prichin: 1) istinnoe Solnce, otrazhaya vrashenie Zemli po elliptich. orbite, dvizhetsya po ekliptike neravnomerno; 2) naklon ekliptiki k ekvatoru privodit k tomu, chto proekcii odinakovyh otrezkov ekliptiki na ekvator ne ravny mezhdu soboi, i, sledovatel'no, chasovoi ugol Solnca (otschityvaemyi po ekvatoru) izmenyaetsya neravnomerno. Poetomu dlya izmereniya V. stali ispol'zovat' sr. solnechnye sutki, a poskol'ku sr. Solnce predstavlyaet soboi fiktivnuyu tochku, ego polozhenie na nebe vychislyalos' teoreticheski, na osnovanii mnogoletnih nablyudenii istinnogo Solnca. Mestnoe sr. solnechnoe V. na meridiane Grinvicha (Velikobritaniya) bylo nazvano Vsemirnym vremenem i oboznacheno UT (ot angl. Universal Time).

Raznost' mezhdu srednim i istinnym solnechnym V. naz. uravneniem vremeni. Chetyre raza v godu uravnenie vremeni byvaet ravno nulyu, a ego maks. i minim. znacheniya ravny primerno +15 min (ris. 1).

Ris.1. Uravnenie vremeni

Nedostatkom solnechnogo V. yavl. trudnost' ego opredeleniya iz astronomich. nablyudenii. Solnce imeet bol'shoi vidimyi disk, chto zatrudnyaet otschet polozheniya ego centra. Ono sil'no nagrevaet teleskop, vyzyvaya ego deformaciyu i tem samym umen'shaya tochnost' nablyudenii. Poetomu astronomich. nablyudeniya v spec. sluzhbah vremeni proizvodyatsya noch'yu po zvezdam.

Mestnoe zvezdnoe vremya na dannom meridiane (vremya, proshedshee ot momenta verhnei kul'minacii tochki vesennego ravnodenstviya) opredelyaetsya po nablyudeniyam zvezd i ravno pryamomu voshozhdeniyu kazhdoi zvezdy v moment ee verhnei kul'minacii (t. e. v moment, kogda zvezda prohodit cherez meridian yuzhnee severnogo polyusa mira). T. o., nablyudayutsya zvezdy, a ne sama fiktivnaya, nevidimaya tochka vesennego ravnodenstviya. Sluzhby V. registriruyut momenty prohozhdeniya ryada zvezd cherez meridian i po nim nahodyat popravki svoih chasov. Ispol'zovat' zvezdnoe V. neposredstvenno v povsednevnoi zhizni neudobno, t. k. vsledstvie godovogo dvizheniya Zemli po orbite zvezdnye sutki koroche srednesolnechnyh na 3 min 56 s. Zvezdnoe V. i sredne-solnechnoe V. bystro rashodyatsya. Chasy sluzhb V., kak pravilo, idut po srednesolnechnomu V., pri vychislenii ih popravok proizvoditsya pereschet ot zvezdnogo V. k srednemu solnechnomu.

T. o., iz astronomich. nablyudenii opredelyaetsya mestnoe V. dlya dannogo meridiana. Po mestnomu zvezdnomu V. vychislyaetsya mestnoe sr. solnechnoe V., a po nemu, s uchetom dolgoty mesta nablyudenii ot Grinvicha,- Vsemirnoe V., poluchaemoe na dannoi observatorii. Eto V. oboznachaetsya UT0.

Dvizhenie polyusov Zemli smeshaet zemnye meridiany, na k-ryh vedutsya nablyudeniya, i privodit k tomu, chto shkala UTO, poluchaemaya v razlichnyh tochkah Zemli, okazyvaetsya neodinakovoi. Poetomu dlya polucheniya bolee odnorodnoi shkaly V., nazyvaemoi UT1, v nablyudeniya otdel'nyh sluzhb vremeni vvodyatsya popravki Dl, za dvizhenie polyusa, tak chto UT1 = UTO + Dl.

Odnako i shkalu UT1 nel'zya schitat' dostatochno tochnoi, ee iskazhayut vse vidy neravnomernosti vrasheniya Zemli vokrug svoei osi.

Neravnomernosti vrasheniya Zemli podrazdelyayut na tri vida.

1. Vekovoe zamedlenie skorosti vrasheniya Zemli, izmenyayushee prodolzhitel'nost' sutok primerno na 0,002 s za stoletie. Eta velichina nastol'ko mala, chto obychno ne prinimaetsya vo vnimanie.

2. Sezonnaya (obuslovlennaya v osnovnom sezonnoi cirkulyaciei atmosfery) neravnomernost' vrasheniya Zemli, izmenyayushaya prodolzhitel'nost' sutok ot ih sr. za god znacheniya na velichinu nemnogo men'shuyu +0,001 s. Uchet sezonnoi neravnomernosti daet novuyu shkalu V. UT2 = UT1 + DT_sezon.

3. Neregulyarnye izmeneniya skorosti (yavlyayushiesya rezul'tatom deistviya razlichnyh faktorov, v chastnosti, po-vidimomu, nestacionarnyh processov vnutri Zemli), iz-za k-ryh prodolzhitel'nost' sutok izmenyaetsya na velichinu ~10^-3 s na intervale ot nesk. let do nesk. mesyacev. Eti izmeneniya ne mogut byt' prognozirovany zaranee i pochti celikom vhodyat v UT2.

Uchet fluktuacii v skorosti vrasheniya Zemli provoditsya putem sravneniya teoreticheski vychislennyh (efemeridnyh) koordinat nebesnyh tel s ih koordinatami, poluchennymi iz nablyudenii. Naidennye popravki DT_e dayut vozmozhnost' vvesti shkalu efemeridnogo V. TE = UT2 + DT_e, k-raya yavl. naibolee ravnomernoi astronomich. shkaloi V., poluchaemoi iz nablyudenii. V., otschityvaemoe po etoi shkale, naz. efemeridnym. Ego ne sleduet putat' s ravnomernym efemeridnym V.- matematich. ponyatiem, upotreblyaemym v f-lah nebesnoi mehaniki. Tochnost' opredeleniya efemeridnogo V. po otdel'nym nablyudeniyam iz-za sluchainyh oshibok men'she, chem tochnost' opredeleniya UT2. Poetomu popravku DT_e vychislyayut kak srednyuyu po bol'shomu ryadu nablyudenii (obychno za god ili za polgoda). T. o., tochnye znacheniya TE mogut byt' polucheny lish' zadnim chislom. Ekstrapolyaciya TE vpered ne mozhet byt' effektivnoi.

Esli do otkrytiya neravnomernosti vrasheniya Zemli osn. edinica V.- sekunda opredelyalas' kak 1/86400 dolya sr. solnechnyh sutok, to s vvedeniem efemeridnogo V. v kachestve ego edinicy byla prinyata efemeridnaya sekunda. V 1956 g. Mezhdunarodnoe byuro mer i vesov dalo sleduyushee opredelenie sekundy: "Sekunda est' 1/31556925,9747 dolya tropicheskogo goda dlya 1900 g. yanvar' 0, v 12 chasov efemeridnogo vremeni".

Izobretenie atomnyh standartov V. i chastoty pozvolilo poluchit' novuyu shkalu V., nezavisimuyu ot vrasheniya Zemli i imeyushuyu znachitel'no bol'shuyu tochnost'. V kachestve edinicy atomnogo V. prinyata atomnaya sekunda, opredelyaemaya kak "vremya, ravnoe 9192631770 periodam izlucheniya, sootvetstvuyushego perehodu mezhdu dvumya sverhtonkimi urovnyami osnovnogo sostoyaniya atoma ceziya 133". Eto opredelenie prinyato v 1967 g. na XIII General'noi konferencii po meram i vesam. Atomnaya sekunda yavl. odnoi iz semi osn. edinic Mezhdunarodnoi sistemy edinic (SI). Na praktike Mezhdunarodnaya shkala atomnogo vremeni (TAI) realizuetsya putem usredneniya pokazanii nesk. desyatkov atomnyh (cezievyh) chasov sluzhb vremeni razlichnyh stran. Pokazaniya vseh chasov analiziruyutsya i usrednyayutsya v Mezhdunarodnom byuro vremeni v Parizhe.

Otnositel'naya pogreshnost' sovr. promyshlennyh atomnyh chasov kolebletsya ot 1^.10^-13 do 1^.10^-14, chto pozvolyaet otdel'nym sluzhbam V. sohranyat' shkalu TAI s pogreshnost'yu ~1 mks za god.

Neskol'ko otlichnaya ot TAI shkala ispol'zuetsya pri podache signalov tochnogo V. Eta shkala poluchila nazvanie Vsemirnogo koordinirovannogo vremeni (UTC). V osnovu UTC polozhena atomnaya sekunda, a ego otlichie ot TAI sostoit v tom, chto kogda raznost' mezhdu UT1 i UTC dostigaet 0,7 s, chasy, s k-ryh peredayutsya signaly V. v sisteme UTC, perevodyatsya vpered ili nazad na 1 s v zavisimosti ot znaka raznosti UT1 - UTC. T. o., otklonenie sistemy UTC ot astronomich. shkaly V. ne mozhet prevyshat' 0,7 s (ris. 2). Korrekcii chasov proizvodyatsya v poslednyuyu sekundu sutok, obychno 31 dek. ili 30 iyunya po rekomendacii Mezhdunarodnogo byuro vremeni. Shkala UTC, udovletvoryayushaya etim usloviyam, byla vvedena s 1 yanv. 1972 g.

Ris.2. Princip postroeniya shkaly UTC.

Shkalu UTC nado schitat' nek-rym kompromissom mezhdu atomnym i astronomich. V.: ona obladaet vysokoi tochnost'yu i otrazhaet vrashenie Zemli.

Dlya teh, komu znanie astronomich. V. neobhodimo operativno i s tochnost'yu bol'shei, chem ~1 s, v signaly tochnogo V., peredavaemye v Mezhdunarodnoi sisteme UTC, spec. kodom vnositsya informaciya o raznosti UT1 - UTC. Znacheniya etoi raznosti s tochnost'yu do 0,1 s mozhno poluchit', podschityvaya special'no razdvoennye sekundnye signaly V. V sisteme signalov SSSR raznost' UT1 - UTS daetsya s tochnost'yu do 0,02 s. S eshe bol'shei tochnost'yu, do 0,0001 s, privodyatsya raznosti astronomich. i atomnyh shkal V. v byulletenyah Mezhdunarodnogo byuro vremeni i byulletenyah "Vsemirnoe vremya", izdavaemyh Gosstandartom SSSR. V etih izdaniyah soderzhitsya takzhe obshirnaya informaciya o vrashenii Zemli, o podachah signalov V. i etalonnyh chastot, o tochnosti hraneniya i peredachi V. Odnako nado uchityvat', chto vremya izdaniya etih byulletenei zanimaet neskol'ko mesyacev, t. e. operativnost' informacii nevelika.

Osobuyu gruppu sostavlyayut sistemy scheta V., ustanavlivaemye na territoriyah otdel'nyh gosudarstv ili gruppy gosudarstv na osnovanii pravitel'stv, dekretov ili mezhdunarodnyh soglashenii. K etim sistemam otnosyatsya poyasnoe, letnee i dekretnoe V.

S 1884 g. vo mnogih stranah vvedeno poyasnoe vremya. Vsya poverhnost' Zemli razdelena na 24 chasovyh: poyasa s granicami po meridianam, otstoyashim drug ot druga po dolgote na 15^o. Vo vseh punktah poyasa chasy pokazyvayut odno i to zhe V.- mestnoe V. sr. meridiana poyasa. Pri perehode v sosednii poyas chasovye strelki perevodyatsya na chas vpered ili nazad v zavisimosti ot napravleniya dvizheniya. Takaya sistema scheta ustranyaet neudobstva mestnogo V., k-roe razlichno dlya vseh tochek zemnoi poverhnosti, ne lezhashih na odnom meridiane. V nashei strane poyasnoe V. bylo vvedeno s 1 iyulya 1919 g.

V celyah ekonomii elektroenergii v letnie mesyacy v nek-ryh stranah vesnoi strelki chasov perevodyatsya na chas vpered. Eto vremya poluchilo nazvanie letnego vremeni. Osen'yu chasy snova stavyat po poyasnomu V. Letnee V. neodnokratno vvodilos' v SSSR. No s 16 iyunya 1930 g. dekretom Sovetskogo pravitel'stva strelki vseh chasov v strane byli perevedeny vpered i tak ostavleny. Eto V., na chas bol'she poyasnogo, poluchilo nazvanie dekretnogo. V 1981 g. v SSSR vnov' vvedeno letnee V. T. o., s 1 apr. po 1 okt. V. dlya punktov na territorii SSSR otlichaetsya ot poyasnogo na 2 ch.

Lit.: Zavel'skii F. S., Vremya i ego izmerenie, 4 izd., M., 1977; Abalakin V. K., Osnovy efemeridnoi astronomii, M., 1979; Bakulin P. I., Blinov N. S., Sluzhba tochnogo vremeni, 2 izd., M., 1977; Pipunyrov V. N., Istoriya chasov, M., 1982.

(N.S. Blinov)