Астрономические наблюдения. Что такое "координированное время"?

Вероятно, многим приходилось слышать слова "всемирное время", "эфемеридное время", "атомное время". Недавно появилось понятие "координированного", или, как иногда говорят, "согласованного" времени. Для чего нужно столько разных времен? Разные названия времени означают лишь различные методы его определения. Само время течет независимо от способов его измерения, подобно тому как расстояние между Москвой и Ленинградом остается неизменным, хотя, выражая его в километрах или милях, мы получаем разные величины.

Время регулирует повседневную жизнь человека. Но оно еще и отражает динамические свойства материи: изучение любых движений или изменений в окружающем нас мире немыслимо без непрерывной, равномерной и достаточно точной шкалы времени. В соответствии с этим перед наукой и практикой возникают следующие задачи: во-первых, выбрать удобные и точные единицы счета времени, основанные на каком-либо стабильном периодическом природном процессе, и установить систему отсчета времени, или, как говорят иначе, шкалу времени; во-вторых, создать счетчики равномерного времени и аппаратуру для их сличения; в-третьих, научиться сопоставлять показания этих счетчиков с тем природным процессом, который лежит в основе той или иной шкалы времени. В статье мы рассмотрим только первую из перечисленных проблем.

В астрономии исторически сложились три шкалы для измерения времени. Вращением Земли вокруг оси задается шкала всемирного времени. Вращение Земли и смена дня и ночи определяют самую естественную единицу времени - сутки. Сутки - это промежуток времени между последовательными верхними кульминациями на данном меридиане одной из трех фиксированных точек небесной сферы: точки весеннего равноденствия, центра видимого диска Солнца (истинного Солнца) либо фиктивной точки, равномерно движущейся по экватору и называемой "средним солнцем". В соответствии с этим сутки бывают звездные, истинные солнечные или средние солнечные. Начальным меридианом при всех измерениях времени с 1884 года считается меридиан Гринвичской обсерватории, а среднее солнечное время на меридиане Гринвича называется всемирным временем UT (Universal Time). Земной шар поделен на 24 часовых пояса шириной 15°, и каждому поясу приписано время, отличающееся на целое число часов от всемирного. Всемирное время определяется из астрономических наблюдений, которые ведутся специальными службами на многих обсерваториях мира. Но службы времени расположены на Земле, и, следовательно, результаты их наблюдений зависят от состояния и свойств вещества земных недр, от тектонических движений, приливов, циркуляции атмосферных масс. Иными словами, продолжительность суток изменяется в зависимости от геофизических явлений, происходящих внутри, на поверхности и в атмосфере Земли. Часть этих процессов приводит к непредвиденным изменениям в положении оси вращения Земли, другие - порождают неравномерности в ее суточном вращении. Если меняется положение оси вращения Земли, то меняется и положение земных полюсов, а значит, координаты точек земной поверхности. Очевидно, что эти изменения вносят "ошибку" в определяемое из астрономических наблюдений время. Сезонные перемещения воздушных масс в атмосфере Земли повторяются из года в год более или менее регулярно. Они вызывают годовые вариации угловой скорости вращения Земли: замедление вращения весной и ускорение - в конце лета. Тормозящее действие лунных и солнечных приливов приводит к вековому замедленного вращения Земли. Нерегулярные, или случайные, флуктуации скорости вращения пока не получили четкой физической интерпретации.

В зависимости от того, какие процессы, влияющие на шкалу всемирного времени, учитываются при ее построении, различаются три системы всемирного времени:

• UTO - всемирное время, полученное непосредственно из астрономических наблюдений. Оно не универсально, поскольку зависит от положения обсерватории на поверхности Земли;
• UT1 - всемирное время, в которое внесены поправки, связанные с изменением долгот обсерваторий вследствие движения полюсов;
• UT2 - всемирное время, в котором учтены также сезонные вариации в скорости вращения Земли. Они вычисляются на основании исследований, выполненных в предыдущие годы. Поэтому время UT2 называют предварительным равномерным или квазиравномерным. UT2 - наиболее возможное приближение к равномерной шкале времени, которое можно получить из наблюдений суточного движения звезд.

Наша страна участвует и в работе Международного бюро времени, образованного в 1920 году в Париже. В начале своей деятельности бюро использовало результаты наблюдений всего восьми служб времени, а в 1976 году шкала UT1 была определена по материалам наблюдений на 82 астрономических инструментах более 50 служб времени. Шкала всемирного времени СССР практически совпадает со шкалой UT1 Международного бюро времени.

Шкалу времени UT2 можно считать достаточно равномерной на протяжении года или нескольких лет. Но через несколько десятилетий ее равномерность будет нарушена вследствие медленных вековых и нерегулярных изменений в скорости вращения Земли. Поэтому шкала всемирного времени непригодна для построения теорий движения планет и их спутников. В уравнения движения небесных тел как независимый аргумент входит эфемеридное время ЕТ (Ephemeris Time). Это-равномерно текущее время ньютоновой механики. Шкала эфемеридного времени задается орбитальным движением тел Солнечной системы. Основная единица измерения эфемеридного времени-тропический год в фундаментальную эпоху 1900, январь 0, 12 ч, то есть промежуток времени между последовательными прохождениями центра истинного Солнца через среднюю точку весеннего равноденствия в эпоху 1900, январь 0, 12 ч. Эфемеридная секунда равна Vsi 556 925, 9477 части тропического года для начальной эпохи. Эфемеридные сутки содержат 86 400 эфемеридных секунд.

Эфемеридное время определяется из долголетних наблюдений за движением Солнца, Луны и планет, из наблюдений покрытий звезд Луною, затмений и т. п. Эфемеридный меридиан занимает такое положение в пространстве, которое занимал бы Гринвичский при условии, что Земля вращается равномерно с угловой скоростью, равной одному полному обороту за одни эфемеридные сутки. Эфемеридный меридиан отстоит от Гринвичского на угловом расстоянии ET-UT.

Так как предвычисленные положения небесных тел привязаны к эфемеридному времени, а наблюдаемые - к всемирному времени, сопоставление тех и других положений позволяет вычислить разность эфемеридного и всемирного времени. Различие между этими шкалами объясняется в основном вековым замедлением вращения Земли. С 1903 по 1977 год это различие достигло почти 49 с. Точные значения разности эфемеридного и всемирного времени могут быть получены лишь с большим опозданием для прошедших моментов времени.

С появлением молекулярных и атомных стандартов частоты возникла принципиально новая, не зависящая от вращения Земли и движения тел Солнечной системы, физическая шкала атомного времени. В 1967 году Международный комитет мер и весов постановил принять за единицу измерения времени в Международной системе единиц (СИ) атомную секунду. Она была определена как "продолжительность 9 192631 770 колебаний излучения, соответствующего резонансной частоте перехода между двумя уровнями сверхтонкой структуры основного состояния атома цезия-133, при отсутствии возмущений от внешних полей". Атомная секунда выбиралась таким образом, чтобы ее продолжительность была максимально близка к продолжительности эфемеридной. Атомная секунда соответствует эфемеридной с точностью ±2*10^-9, что было установлено в результате сравнения шкал эфемеридного и атомного времени на протяжении пяти лет. Шкала атомного времени чрезвычайно стабильна, равномерна и легко воспроизводима, однако выбор секунды атомного времени условен, как и начало счета времени в атомной шкале. Если в основе шкалы времени лежит вращение Земли, то моменты событий устанавливаются по числу циклов (и долей циклов) видимого перемещения Солнца. Эти циклы отсчитываются от некоторого условного начала, например, от "рождества Христова". Шкала атомного времени также устанавливается путем подсчета числа циклических колебаний сигнала, частота которого находится в резонансе с частотой излучения определенных атомов. Различие между этими шкалами заключается в том, что периоды колебаний атомных часов несравненно короче ежедневных циклов видимого перемещения Солнца и требуют более сложных устройств для подсчета периодов. Показания же атомных часов можно снять во много тысяч раз точнее и легче, чем показания земных часов. Атомное время обычно отсчитывается от начала того года, когда атомные часы вводятся в эксплуатацию. Сейчас приняты два унифицированных обозначения атомного времени: TA(i)- независимое местное атомное время, вычисленное i-той лабораторией по своим атомным часам; TAI (Time Atomic International)- международная шкала атомного времени.

Независимые национальные шкалы или шкалы отдельных обсерваторий TA(i) появились во второй половине 50-х годов. Национальная шкала атомного времени Советского Союза TA(SU) существует с 1962 года. В основе Государственного эталона времени и частоты лежит цезиевый репер частоты, который воспроизводит единицу частоты с ошибкой менее 10^-12. Эталон периодически проверяется. Он отделен от группы атомных часов, выверенных так, чтобы их ход соответствовал колебаниям эталона. Эти часы и задают рабочую шкалу атомного времени. Поскольку рабочих часов несколько, исключается возможность "потери" шкалы атомного времени. Синхронизация атомных эталонов частоты разных стран и обсерваторий осуществляется несколькими способами: по телевизионным сигналам точного времени (однако телевизионная сеть охватывает ограниченную территорию); по сигналам времени, транслируемым американской радионавигационной системой Лоран-С или системой советских радионавигационных станций; по сигналам, передаваемым искусственными спутниками Земли, которые служат ретрансляторами стандартов частоты или оборудованы собственными бортовыми часами. Наконец, атомные стандарты времени и частоты перевозят, например, самолетами. В этом случае шкалы времени двух обсерваторий можно сравнивать с ошибкой около 10^-7 с, если стабильность перевозимого стандарта 10^-12 и длительность транспортировки около 10^5 с.

Все это позволило создать чрезвычайно стабильную и высокоточную Международную шкалу атомного времени TAI, которая основана на постоянной секунде в системе СИ, реализованной на уровне моря. Эта шкала формируется Международным бюро времени. Она сохраняется непрерывно с 1 января 1958 года и является опорной для синхронизации часов во всем мире, для исследования движения небесных тел и изучения неравномерности вращения Земли. Точность Международной шкалы атомного времени составляет 10^-13 секунды СИ на уровне моря.

Первоначально Международное бюро времени строило шкалу TAI по национальным шкалам времени Великобритании, Швейцарии и США, каждая из которых основывалась не менее чем на трех атомных эталонах частоты. Позднее к созданию TAI были привлечены семь местных атомных шкал TA(i), в том числе Канады, ФРГ, Франции. С июля 1973 года Международное бюро времени вычисляет TAI, опираясь непосредственно на показания отдельных атомных часов. В 1974 году при формировании этой шкалы использовались показания 59 атомных часов, в 1975 году - показания 94 часов шестнадцати лабораторий.

Атомные часы позволили создать очень стабильную и равномерную шкалу времени. Но продолжительность суток, как мы уже говорили, меняется, поэтому ход атомных часов не совпадает с ходом земных. Расхождение между атомной и всемирной шкалами времени составляет примерно секунду в год. Аналогичная проблема существует и в календарном счете времени. Год не равен целому числу суток, но мы хотим, чтобы год "шел в ногу" с календарем. Прибавляя в високосном году один день к календарю, можно поддерживать соответствие между календарем и временами года. Для согласования физической шкалы атомного времени TAI вначале изменяли продолжительность секунды. Секунда была "резиновой", но это оказалось неудобно, поэтому была введена шкала координированного времени UTC (Universal Time Coordination), включающая в себя понятие "дополнительной секунды".

С 1 января 1972 года большая часть программ радиосигналов точного времени стала передаваться в шкале UTC. Началу передач предшествовало согласование шкал атомного и всемирного времени. Дело в том, что в 1971 году расхождение между ними достигло 10 с. Поэтому в конце 1971 года была проведена специальная коррекция сигналов точного времени таким образом, что по шкале всемирного координированного времени отсчет 1972 год, январь 1, Оч Ом Ос соответствовал моменту атомного времени Международного бюро времени 1972 года, январь 1, Оч Ом 10с. Было принято за правило, что разность между координированным временем и атомным не должна превышать 0,75-0,9с. Приблизительная величина UT1-UTC определяется заранее и сообщается всем радиостанциям, передающим сигналы времени, за месяц вперед. Когда разность UT1-UTC достигает 0,75-0,9с, Международное бюро времени объявляет о введении дополнительной секунды (положительной или отрицательной), и шкала UTC смещается точно на одну секунду. Обычно это происходит 31 декабря или 30 июня:

положительная секунда начинается в 23ч 59м 60с и кончается в Оч Ом Ос первых суток следующего месяца; если вводится отрицательная секунда, то через секунду после 23ч 59м 58с идет Оч Ом Ос первого дня следующего месяца. Совсем недавно произошло еще одно изменение в международной шкале атомного времени. Мы уже говорили о том, что в ее формировании участвуют более 90 атомных часов различных лабораторий. Все эти часы серийного изготовления, по разным причинам они не могут очень хорошо "держать" номинальную частоту. В последние годы было проведено исследование атомных часов и сравнение их с метрологическими эталонами. Оказалось, что разность частоты серийных часов с метрологическими эталонами в среднем составляет 10-10^-13 с ошибкой примерно ±10^-13. На основании этих исследований Международный астрономический союз рекомендовал 1 января 1977 года в Оч Ом Ос всемирного координированного времени изменить масштаб атомного времени, то есть изменить длительность единицы шкалы ТА! - атомной секунды - на (10±2)*10^-13. Длительность единицы шкалы ТА1 была таким образом подогнана к секунде СИ.

Передаваемые радиостанциями разных стран сигналы точного времени могут иметь своей основой либо координированное время Международного бюро времени, либо координированное время национальной шкалы.

Национальная шкала времени СССР - это шкала равномерного атомного времени, в которой начало отсчета совмещено со шкалой всемирного времени UT1 в 12 ч всемирного времени 1 января 1964 года. Размер единицы времени - секунды, воспроизводимой Государственным эталоном времени и частоты СССР, соответствует определению, которое принял в 1967 году Международный комитет мер и весов.

В шкале координированного времени СССР секунда равна атомной секунде СИ, а счет Времени может меняться на 1с в Оч Ом Ос всемирного времени так, чтобы расхождение между шкалами всемирного и координированного времени не превышало 0,75-0,9с. Шкалы координированного времени СССР и Международного бюро времени согласованы с точностью выше Ю-3 с. Сигналы точного времени, передаваемые советскими радиостанциями, формируются на основе шкалы координированного времени СССР. Итак, проблема создания системы счета времени, основанной на стабильном природном процессе, решена. Шкала атомного времени очень стабильна и равномерна. Однако это вовсе не означает, что отпала надобность во всемирном времени. Внедрение в практику атомных эталонов и сравнение атомного времени со всемирным дает возможность изучать тонкие особенности вращения Земли, еще не получившие геофизической интерпретации. Шкала всемирного времени нужна и при работах в космосе, для слежения и корректировки с Земли движения космических аппаратов. Астрономическое и атомное время имеют свои области применения, и необходимость обеих шкал подчеркивается введением компромиссной системы передач сигналов координированного времени по радио, удовлетворяющей потребности, как в астрономическом, так и атомном времени.

Главная страница раздела