TimeService

ЛАБОРАТОРИЯ ГЕОДИНАМИКИ

Новости

Структура

Служба точного времени

Зав.Лабораторией геодинамики - канд.физ.-мат.наук В.Л.Горшков vigor@gaoran.ru


                        Из всех  механизмов, сконструированных человеком, самый  интересный,
                        по-моему, часы, машина  специфически  человеческая, которую  простое 
                        животное никогда бы не придумало…  И по правде говоря, вовсе не столь
                        уж важно, что он их изготовляет,достаточно того, что он ими пользуется,
                        и даже больше: достаточно того, что он в них испытывает необходимость. 
                        Ибо человек есть животное, измеряющее своё время. 
                                                     Антонио Мачадо

I.Астрономическое определение времени

Астрономические основания и задачи службы времени

Секунды и минуты, часы и дни, месяцы и годы - привычное безостановочное течение времени. Весь наш жизненный путь протекает во времени. Иногда кажется, что оно несётся, иногда наоборот - еле плетётся. Это наше субъективное время. Но с древнейших времён человек пытался исчислить время, то есть установить объективную меру времени, её шкалу как последовательность равных интервалов времени, воспроизводимых некоторым эталоном и отсчитываемых от некоторого нуль-пункта (начало суток, года, эпохи).
Природа дала для этого замечательные ориентиры астрономического характера - смена дней и лунных месяцев, повторяемость сезонов, складывающихся в года. Именно на этих единицах измерения и в такой последовательности возникали первобытные календари.
Однако календарная проблема не связана с основными задачами службы точного времени, и поэтому для более подробного ознакомления с увлекательной историей календарей можно рекомендовать книги [ 3 , 4 , 11 ]. Отметим лишь, что суть календарной проблемы в том, что календарный год должен содержать целое количество средних солнечных суток, иначе жить по нему будет неудобно. Однако такого удобства нам не предоставлено - в тропическом году 365 суток 5 часов 48 минут и 46 секунд. Да, к тому же, и сама эта продолжительность - величина непостоянная. Поэтому и "врут все календари", поэтому и приходится их всегда подправлять как спешащие или отстающие часы.
Каковы же задачи службы точного времени? Эти задачи просты - определить точное время, уметь его сохранить и донести до потребителя. Первая задача решается с помощью средств наблюдения (регистрации) астрономических объектов. Равномерное вращение Земли вокруг своей оси и, как следствие, видимое движение звездного неба обеспечивают естественную единицу времени - период обращения Земли вокруг своей оси ( звёздные сутки). Если представить, что стрелка часов это оптическая ось телескопа, вертикально направленного в небо, то циферблат - это звёзды, одна за другой попадающие в поле зрения этого телескопа. Регистрация моментов прохождения звёзд через визир телескопа - таков общий принцип классического определения астрономического времени. Судя по дошедшим до нас мегалитическим памятникам, самым известным из которых является Стоунхендж в Англии [ 5 , 6 ], этот метод визирных засечек с успехом использовался ещё в бронзовом веке.

Астрономическое определение точного времени

Классический астрономический способ определения точного времени (Всемирное время, UT) связан с измерением угла поворота любого избранного меридиана Земли относительно "сферы неподвижных звёзд". Избранным, в итоге, оказался Гринвичский меридиан. Однако в России, например, долгое время за нулевой принимался Пулковский меридиан. Фактически любой меридиан, на котором установлен специализированный для регистрации моментов звёздных прохождений телескоп (пассажный инструмент, зенитная труба, астролябия), подходит для решения первой задачи службы точного времени. Но не любая широта является для этого оптимальной, что очевидно, например, ввиду схождения всех меридианов в географических полюсах.
Из способа определения астрономического времени очевидна его связь с определением долгот на Земле и вообще с координатными измерениями. В сущности, это единая задача координатно-временного обеспечения (КВО). Понятна сложность этой задачи, решение которой длилось много столетий и продолжает оставаться актуальнейшей задачей геодезии, астрономии и геодинамики. Популярное изложение истории её решения можно найти во многих книгах [ 7 , 8 ].
При определении UT астрономическими методами необходимо учитывать,

что "сферы неподвижных звёзд" не существует, т. е. координаты звёзд ("циферблат" звездных часов, определяющих и точность этих часов) надо постоянно уточнять из наблюдений,
что ось вращение Земли под влиянием гравитационных сил Солнца, Луны и других планет совершает сложные периодические (прецессионные и нутационные) движения, описываемые рядами из сотен гармоник,
что наблюдения происходят с поверхности сложно движущейся в пространстве Земли и, следовательно, необходимо учитывать параллактические и аберрационные эффекты,
что телескопы, на которых производятся наблюдения UT, имеют свои непостоянные погрешности, зависящие, в частности, от климатических условий и определяемые из тех же наблюдений,
что наблюдения происходят "на дне" атмосферного океана, искажающего истинные координаты звёзд (рефракция) часто трудно учитываемым образом,
что сама ось вращения "болтается" в теле Земли и это явление также как и ряд приливных эффектов и эффектов, обусловленных атмосферными влияниями на вращение Земли, определяются из самих наблюдений,
что вращение Земли вокруг своей оси, вплоть до 1956 года служившее эталоном времени, происходит неравномерно, что также определяется из самих наблюдений.

Профессионал может сильно расширить этот список [ 9 , 10 ]. Вычислительные программы [представленные, например, на сайте http://aa.usno.navy.mil/software/novas/], производящие обработку наблюдений на самом простеньком визуальном телескопе, насчитывают сотни строк и оперируют с эфемеридными данными в десятки мегабайт. Строго говоря, последние из этих пунктов являются скорее научными результатами службы времени, обусловленными возросшей точностью как в области определения, так и в области хранения и распространения точного времени. Раньше основной задачей астрономических наблюдений вращения Земли было определения поправок часов, имевших большие суточные (до 0.005 сек) и прогрессивные вариации хода. С совершенствованием кварцевых, а затем и атомных часов, имеющих теперь ничтожные вариации хода (менее 0.000001 сек), астрономические наблюдения в рамках службы времени используются главным образом для исследования сложного движения Земли в пространстве и процессов переноса моментов вращения между различными оболочками Земли. Само название астрономической службы времени теперь устарело. С 1988 года эта служба называется Международная Служба Вращения Земли (International Earth Rotation Service http://hpiers.obspm.fr/eop-pc/). Долгое время в качестве объектов регистрации использовались объекты солнечной системы и звёзды. Сравнение моментов их наблюдений, зарегистрированных на каких-нибудь часах, с предвычисленными по теории (эфемеридными) значениями этих моментов даёт искомую поправку часов. В последней четверти ХХ века для целей определения Всемирного времени использовались уже и внегалактические астрономические объекты - квазары. При этом регистрируется их широкополосный радиосигнал на двух разнесённых на тысячи километров радиотелескопах (радиоинтерферометры со сверхдлинной базой - РСДБ) в синхронизованной шкале атомных стандартах времени и частоты. Помимо этого используются системы, основанные на наблюдениях спутников (GPS - Global Positioning System, ГЛОНАСС - глобальная навигационная спутниковая система и ЛЛС - Лазерная Локация Спутников) и уголковых отражателей, установленных на Луне (Лазерная Локация Луны - ЛЛЛ).

Необходимые астрономические понятия.

В этом разделе приведены те астрономические термины и определения, которые необходимы для понимания проблем службы времени. Более подробно астрономическую терминологию помимо учебников можно узнать в книгах [ 1 , 2 ]
Астрономическое Время. До 1925 года в астрономической практике за начало средних солнечных суток принимали момент верхней кульминации (полдень) среднего солнца. Такое время называлось средним астрономическим или просто астрономическим. В качестве единицы измерения использовалась средняя солнечная секунда. С 1 января 1925 года заменено на всемирное время (UT)
Атомное время (АТ - Atomic Time) введено с 1 января 1964 года. За единицу времени принята атомная секунда, равная промежутку времени, в течение которого совершается 9 192 631 770 колебаний, соответствующих частоте излучения между двумя уровнями сверхтонкой структуры основного состояния атома цезия-133 в отсутствии внешних магнитных полей. Носителями АТ являются более 200 атомных стандартов времени и частоты, расположенных в более чем 30 странах мира. Эти стандарты (часы) постоянно сличаются между собой через систему спутников GPS/ГЛОНАСС, с помощью чего и выводится международная шкала атомного времени (TAI). На основании сличения считается, что шкала TAI не расходится с воображаемыми абсолютно точными часами более чем на 0.1 микросекунды за год. АТ не связано с астрономическим способом определения времени, основанным на измерении скорости вращения Земли, поэтому с течением времени шкалы АТ и UT могут разойтись на значительную величину. Для исключения этого с 1 января 1972 года введено Всемирное координированное время (UTC).
Всемирное время (UT - Universal Time) используется с 1 января 1925 года вместо астрономического времени. Отсчитывается от нижней кульминации среднего солнца на меридиане Гринвича. С 1 января 1956 года определены три шкалы всемирного времени:
UT0 - всемирное время, определяемое на основе непосредственных астрономических наблюдений, т.е. время мгновенного гринвичского меридиана, положение плоскости которого характеризуется мгновенным положением полюсов Земли;
UT1 - время среднего гринвичского меридиана, определяемое средним положением полюсов Земли. Отличается от UT0 поправками на смещение географического полюса вследствие смещения тела Земли относительно оси ее вращения;
UT2 - это "сглаженное" время UT1 с поправками на сезонные изменения угловой скорости вращения Земли.
Всемирное координированное время (UTC). В основе UTC лежит шкала АТ, которая по мере необходимости, но только 1 января или 1 июля, может корректироваться вводом дополнительной отрицательной или положительной секунды так, чтобы разность между UTC и UT1 не превышала 0.8 сек. Шкала времени Российской федерации UTC(SU) воспроизводится Государственным эталоном времени и частоты и согласована со шкалой международного бюро времени UTC. В настоящее время (начало 2005 года) TAI - UTC = 32 секунды. Существует множество сайтов, где можно взять точное время, например, на сервере международной бюро Мер и Весов (BIPM) http://www.bipm.fr/en/scientific/tai/time_server.html.
Звёздные сутки - промежуток времени между двумя последовательными одноименными кульминациями точки весеннего равноденствия на одном и том же меридиане. За начало звёздных суток принят момент её верхней кульминации. Существует истинное и среднее звёздное время в зависимости от выбранной точки весеннего равноденствия. Средние звёздные сутки равны 23 часам.56 минутам 04,0905 секундам среднесолнечных суток.
Истинное солнечное время - неравномерное время, определяемое движением истинного солнца и выражаемое в долях истинных солнечных суток. Неравномерность истинного солнечного времени (уравнение времени) обусловлена 1) наклоном эклиптики к экватору и 2) неравномерностью движения солнца по эклиптике ввиду эксцентриситета орбиты Земли.
Истинные солнечные сутки - промежуток времени между двумя последовательными одноименными кульминациями истинного солнца на одном и том же меридиане. За начало истинных солнечных суток принят момент нижней кульминации (полночь) истинного солнца.
Среднее солнечное время - равномерное время, определяемое движением среднего солнца. Использовалось как эталон равномерного времени с масштабом в одну среднюю солнечную секунду (1/86400 доля средних солнечных суток) до 1956 года.
Средние солнечные сутки - промежуток времени между двумя последовательными одноименными кульминациями среднего солнца на одном и том же меридиане. За начало среднесолнечных суток принят момент нижней кульминации (полночь) среднего солнца.
Среднее (экваториальное) солнце - фиктивная точка на небесной сфере, равномерно движущаяся по экватору со среднегодовой скоростью движения истинного Солнца по эклиптике.
Среднее эклиптическое солнце - фиктивная точка на небесной сфере, равномерно движущаяся по эклиптике со среднегодовой скоростью истинного Солнца. Движение среднего эклиптического солнца по экватору неравномерно.
Точка весеннего равноденствия - та их двух точек пересечения экватора и эклиптики на небесной сфере, которую центр солнца проходит весной. Существуют истинная (движущаяся вследствие прецессии и нутации) и средняя (движущаяся только вследствие прецессии) точки весеннего равноденствия.
Тропический год - промежуток времени между двумя последовательными прохождениями среднего солнца через среднюю точку весеннего равноденствия, равен 365,24219879 среднесолнечных суток или 366,24219879 звёздных суток.
Уравнение времени - разность между истинным солнечным временем и средним солнечным временем. Она достигает +16 минут в начале ноября и -14 минут в средине февраля. Публикуется в Астрономических ежегодниках.
Эфемеридное время (ЕТ - Ephemeris time) - независимая переменная (аргумент) в небесной механике (ньютоновская теория движения небесных тел). Введено с 1 января 1960 года в астрономических ежегодниках как более равномерное, чем Всемирное время, отягощенное долгопериодическими неравномерностями во вращении Земли. Определяется из наблюдения тел солнечной системы (в основном Луны). В качестве единицы измерения принята эфемеридная секунда как 1/31556925,9747 доля тропического года для момента 1900 январь 0, 12 часов ЕТ или, иначе, как 1/86400 доля продолжительности средних солнечных суток для этого же момента.