航海学Ⅱ天文航海3-时间

第四章时间•第一节时间系统概述•人们通过科学实践，相继选用了各种周期性变化过程作为时间的测量标准，即时间的计量单位。然而，无论采用什么计量单位，均应同时满足两个要求：第一，周期运动的稳定性(均匀性)；第二，周期运动的复现性(重复性)。这就是说，只能用一种均匀的、具有连续重复周期的现象作为时间的计量单位。历史上，时间计量单位的发展反映了不断满足上述要求的过程。迄今为止时间计量标准基本可分为三类：•1．建立在地球自转基础上的世界时系统；•2．建立在地球公转基础上由力学定律所确定的历书时系统；•3．建立在原子能级跃迁频率基础上的原子时系统。•一、世界时系统•世界时系统(universaltimesystem)是建立在地球自转运动基础上的时间系统。也就是说，以地球自转周期作为时间的计量单位。•地球上的人们无法直接测量地球的自转周期，但是，可以选择地球以外的一点作为参考点，观测该点的周日视运动的周期来间接地测出地球自转的周期，从而得到时间的计量单位。选择不同的参考点，得到的时间计量单位也不同。•以春分点为参考点得到：恒星时(siderealtime)；•以太阳为参考点得到：视时(apparenttime)；•以平太阳为参考点得到：平时(meantime)或世界时(universaltime，UT，GMT)。•在相当长的一段时间内，人们把世界时作为均匀的时间来使用，即认为地球自转的速率是均匀的。随着观测资料年复一年的积累和精密时钟的出现，人们才从实测中证实地球自转的速率是不均匀的，并具有相当复杂的表现形式，其中包含周期性变化、长周期性变化、短周期性变化和不规则变化等等各种因素，从而导致以地球的自转周期作为时间的计量单位也是不均匀的。•另外，地球在自转的过程中还存在“扭动”现象，从而使地极产生移动，简称极移。极移使地球上各点的经纬度发生变化，导致世界各地天文台测得的世界时之间存在微小的差别。•尽管由于上述诸因素引起的时刻误差很小，但是，随着科学的发展，人们对时间的精确性的要求也随之越来越高。1955年国际天文学联合会决定自1956年起，对直接观测到的世界时作两项改正。因此，世界时UT又可分为以下三种：•①UT0：直接由天文观测得到的世界时。由于极移的影响，使世界各地的天文台测得的UT0有微小的差别；•②UTl：UT0经极移改正后得出的世界时，这是真正反映地球自转的统一时间。也是天文航海所需要的世界时；•③UT2：UTl经过季节改正后得出的世界时。•UT2是1972年以前国际上公认的时间标准。但是，它仍然还受地球自转速率的长期变化和不规则变化的影响，所以UT2还是不均匀的。•二、原子时系统(atomictimesystem)•原子时系统是建立在原子能级跃迁频率基础上的时间系统。•1．原子时(atomictime，AT)：以铯(Cs)133原子基态超精细能级跃迁的电磁振荡919263l770周所经历的时间间隔定义为原子时ls的长度。•原子时的起始历元为1958年1月1日0时(世界时UT2)。•2．协调世界时(coordinateduniversaltime，UTC)：以原子时秒为时间计量单位，在时刻上与世界时UTl保持在0s.9之内。•协调世界时满足上述条件是通过“跳秒”来实现的。•调整的时刻是在12月31日或6月30日最后一秒。对原子时增加ls称正跳秒，减少ls称负跳秒。•正跳秒：23h59m60s之后是次日的00h00m00s这实质上是把原子时AT的时刻推迟ls。•负跳秒：23h59m58s之后是次日的00h00m00s。这实质上是把原子时AT的时刻提前1s。•具体跳秒时间和方法可查阅英版《无线电信号表》第二卷或英版《航海通告》第VI部分。•协调世界时UTC从1972年1月1日世界时00h开始实施。由于协调世界时UTC与世界时UT1相差不超过±0s.9，也就是说，协调世界时UTC是采用以世界时UT1制约的原子时系统。它的体制仍沿用世界时的体制。因此，1972年以后时间系统的更换对人们的生活、工作无任何明显的影响。•另外，人们除采用了世界时系统和原子时系统之外，还采用了建立在地球公转基础上的历书时系统。•历书时是一种由力学定律确定的均匀的时间系统。但是，由于观测误差较大，难于得到高精度的历书时，因而历书时只作为天文学的基本常数。•第二节恒星时•恒星时(siderealtime)是建立在地球自转运动基础上的时间系统，以春分点为参考点，以其周日视运动的周期作为时间的计量单位。•一、恒星日•在周日视运动中，春分点了连续两次经过某地午圈所经历的时间间隔称为恒星日(siderealday)，即：•l恒星日＝天球旋转(360º)所经历的时间间隔。•l恒星日可分为：•l恒星日＝24恒星小时(24h)；•l恒星小时＝60恒星分钟(60m)；•1恒星分钟＝60恒星秒钟(60s)。•在一个恒星日中，春分点Υ在同一个午圈上连续两次上中天，这期间春分点Υ正好完成一整周360º的周日视运动，所以时间与角度之间存在着如下时、度换算的关系：•24h=360º；•1h=15º；•lm=15′；lº=4m；•ls=15″=0′.25；1′=4s•例l：试将08h14m28s换算成角度单位。•例2：试将218º17′.5换算成时间单位。•解：例1例2•8h120º218º14h32m•14m3º30′17′.5lml0s•28s7′218º17′.514h33m10s8h14m28s123º37′•二、恒星时•恒星时(siderealtime)应是春分点Υ经过某地时圈时起算的，而午圈随着测者所在地点的经度不同而不同。因此，恒星时具有地方性。•1．地方恒星时(localsiderealtime，LST)：在周日视运动中，春分点Υ由某地午圈起，向西运行所经历的时间间隔称为地方恒星时。显然，春分点Υ上中天时，地方恒星时LST=00h，下中天时LST=12h，由于恒星时具有地方性，在同一时刻，不同经度上的地方恒星时则不一样，它们之间的关系是：LST2=LSTl十D12D•2．格林恒星时(Greenwichsiderealtime，GST)：在周日视运动中，春分点了由格林午圈起，向西运行所经历的时间间隔称为格林恒星时。显然，它是地方恒星时的一个特例。•春分点Υ格林上中天时，格林恒星时GST＝00h，下中天时GST＝12h。由于恒星时具有地方性，在同一时刻，任意经度上的地方恒星时LST与格林恒星时GST同样存在如下“东大西小”的关系：•LST＝GST±EW三、恒星时与春分点时角的关系•春分点时角是从午圈开始起算的，而恒星时也是从测者午圈开始起算的。由此可见，在同一时刻，任意经度上的春分点时角在数值上等于该时刻的恒星时，即：•LST=LHAΥ或GST=GHAΥ•由于春分点Υ在天球上没有标志，所以人们无法直接观测它的周日视运动的周期。在下图中，★为某天体，可以得到：•LST=LHAΥ=RA★+LHA★•若已知某天体的赤经RA★，则只要测定它在某一瞬间的地方时角LHA★，就可利用上式求出该瞬间的地方恒星时LST。当恒星上中天时LHA★=0º，LST=RA★，即该时刻的地方恒星时LST在数值上等于该星的赤经RA★。•在天文航海中，恒星时是以春分点时角来表示的。恒星时是天文学上采用的时间计量单位。它不宜用于日常生活和工作中。这主要是恒星时与昼夜关系不固定的缘故。我们已知，春分点每天中天的时间比太阳提前约4m。例如，3月21日，太阳位于春分点，这一天春分点与太阳同时上中天，恒星日从中午开始，到6月22日，春分点上中天的时间比太阳提前约6h，恒星日从黎明开始。同理，9月23日恒星日从午夜开始，12月22日恒星日从黄昏开始，由此可见，恒星时的时刻与昼夜的关系不固定。然而，人们的日常生活工作一般是。根据“昼夜”来安排的，所以恒星时不宜用于日常生活之中。第三节视时•视时(apparenttime)是建立在地球自转基础上的时间系统，它是以太阳⊙为参考点，以其周日视运动的周期作为时间的计量单位。•一、视太阳日•在周日视运动中，太阳中心连续两次经过某地子圈所经历的时间间隔称为l视太阳日。l视太阳日可分为：•l视太阳日＝24视太阳小时(24h)；•l视太阳小时=60视太阳分钟(60m)；•l视太阳分钟=60视太阳秒钟(60s)。•在一个视太阳日中，太阳在同一子圈上连续两次下中天，这期间太阳正好完成一整周360º的周日视运动。所以视时与角度之间同样存在着如同前面所述的时、度换算的关系。•二、视时•由视太阳日的定义可知，视时(localapparenttime，LAT)是太阳中心经过某地子圈时起算的，而子圈随着测者的经度不同而不同，因此，视时具有地方性。在周日视运动中，太阳中心由某地子圈起，向西运行所经历的时间间隔称为视时LAT。太阳上中天时LAT=12h，下中天时LAT=00h。由于太阳地方时角LHA⊙是从测者午圈起算的，而视时是从测者子圈起算的，因此，同一时刻视时LAT与太阳圆周地方时角LHA⊙相差180º(12h)，即：LAT=LHA⊙180180180LHALHA•三、视太阳日作为时间计量单位的缺陷•视太阳日作为时间计量单位的缺陷是它的长度逐日不一致。如图1所示，例如，对某一测者Z来说，3月21日太阳⊙位于春分点Υ，在某一瞬间，太阳⊙、春分点Υ同时下中天，尔后，天球带着太阳⊙和春分点Υ一起向西作周日视运动。一天后，当春分点了再次下中天时(天球旋转了360º)太阳⊙还没下中天(即还没到l太阳日)。如图2所示。这是由于太阳在向西作周日视运动的同时又沿黄道向东移动了一段弧距，其赤经相应变化了d(RA⊙)(即太阳赤经日变化量)，所以太阳⊙要连续两次下中天，则天球还要向西旋转d(RA⊙)，如图3所示。因此，•1视太阳日=天球旋转(360º+d(RA⊙))所经历的时间•1视太阳日=天球旋转(360º+d(RA⊙))所经历的时间•由于在一年中，太阳赤经日变化量d(RA⊙)最大约66′.6，最小约53′.8，所以最长和最短的视太阳日相差约51s，并且在逐日变化。作为时间计量单位，长短必须固定，所以视太阳日不宜作为时间的计量单位。图1图2图3•虽然视太阳日不宜作为时间的计量单位，但它与昼夜交替的关系固定，符合人们工作、休息的习惯。因此，人们又考虑在这个基础上制定一种既与昼夜交替关系稳定，长短又均匀的时间计量单位，于是产生了平时。第四节平时•平时(meantime)是建立在地球自转运动基础上的时间系统，它是以平太阳⊕为参考点，以其周日视运动的周期作为时间的计量单位。•一、平太阳•平太阳⊕(meansun)是一个假想的天体，它在天赤道上向东作匀速的周年视运动，其速度等于视太阳在黄道上运行的平均速度。•二、平太阳日•在周日视运动中，平太阳连续两次经过某地子圈所经历的时间间隔称为l平太阳日(meansolarday)。•l平太阳日=24平太阳小时(24h)；•l平太阳小时=60平太阳分钟(60m)；•l平太阳分钟=60平太阳秒钟(60s)。•在一个平太阳日中，平太阳在同一子圈上连续两次下中天。这期间平太阳正好完成一整周(即360º)周日视运动。所以平太阳日的时、分和秒与角度之间同样存在如前两节中所描述的固定时、度换算关系，只是它的时、分和秒的长短与恒星时和视时的均不相同。•由平太阳的定义可知，平太阳在天赤道上向东作等速的周年视运动，其速度等于太阳在黄道上运行的平均速度。太阳在黄道上连续两次经过春分点的时间间隔为l回归年，等于365.2422平太阳日(该值每百年减少约0s.5)，这期间太阳赤经变化了360º，则每日太阳赤经的平均变化量就是平太阳在天赤道上向东作周年视运动的速度，即平太阳赤经日变化量：56.5632422.36524smhRAd14.952422.365360RAd平太阳赤经日变化量：•这是由于平太阳⊕在向西作周日视运动的同时，又沿天赤道向东作周年视运动而移动了一段弧距d(RA⊕)，所以平太阳要连续两次下中天，则天球还要带着平太阳向西旋转d