книги / Сферическая астрономия

определения ИТ не проводились из-за сложности и невысокой точ­ ности. Для этого использовались наблюдения звезд в меридиане. Бо­ лее подробно с вопросом определения времени с помощью классиче­ ских астрометрических инструментов можно ознакомиться по учеб­ никам астрометрии.

Высокоточные наблюдения звезд с целью определения вариаций ИТ ведутся уже более 50 лет. Тем не менее, можно проследить за скоростью вращения Земли на несколько тысяч лет назад. В этом нам помогают записи, сделанные жрецами в Древнем Египте, Вави­ лоне, Греции, Китае, о времени солнечных и лунных затмений. Зная точные эфемериды Солнца, Луны и современную скорость враще­ ния Земли, можно вычислить время затмений в Древнем мире. Раз­ ность между записанным и вычисленным временем объясняется за­ медлением вращения Земли.

Накопленная неравномерность ИТ за промежуток времени от 1\ до 12 есть

Если скорость вращения изменяется линейно, то 80 — —801, где 80 = сопз!. Знак минус соответствует увеличению продолжитель­ ности суток при замедлении скорости вращения. Интегрируя (4.8), получим:

80 — Ь

^2

Из уравнения (4.7) имеем:

<5 г<и >-ва;г<4,л|>

Это означает, что 3000 лет назад затмения происходили на 7,5 часов раньше, чем дают эфемериды на основе современной скорости вра­ щения Земли. Другими словами, полоса затмения должна была бы проходить западнее на 7,5 часов по долготе от места, где оно в дей­ ствительности наблюдалось. Если бы замедления вращения Земли не было, то в месте, где жрецы наблюдали затмение, его нельзя было бы видеть.

Причиной векового замедления скорости вращения Земли является приливное трение в системе Земля-Луна.

Механизм, приводящий к диссипации приливной энергии, сле­ дующий. Сила притяжения Луны приводит к появлению приливно­ го выступа. Если бы не было диссипации энергии, то выступ был бы направлен точно на Луну, и замедляющего момента сил не было бы. Так было бы в случае идеально упругой Земли с невязкими океана­ ми и ядром. Но так как Земля не является упругим телом, то мак­ симальный прилив происходит не в момент кульминации Луны, а спустя небольшой промежуток времени, равный ~ 10 минутам. Лу­ на при этом находится западнее меридиана на угол ~ 0?1. Можно сказать, что из-за вязкости тела Земли приливный выступ «зацеп­ ляется» за Землю, и так как угловая скорость вращения Земли боль­ ше среднего движения Луны, выносится вперед Луны. Поэтому, мо­ мент сил приводит, с одной стороны, к замедлению скорости враще­ ния Земли, а с другой стороны, к уменьшению среднего движения Луны и ее удалению от Земли на ~ 3 см в год.

Периодические вариации скорости с периодом от нескольких су­ ток до нескольких лет вызываются изменением углового момента атмосферы. В основе этого вывода лежит один из законов сохране­ ния: в отсутствие внешнего момента сил угловой момент (или мо­ мент количества движения) тела является постоянной величиной. Применительно к Земле можно утверждать, что суммарный угловой момент твердой Земли + атмосферы сохраняется. Это означает, что если атмосфера в целом начинает вращаться быстрее, то для сохра­ нения углового момента системы Земля должна вращаться медлен­ нее.

Источником циркуляции атмосферы является неравномерный нагрев из-за поглощения солнечного излучения, который приводит к появлению постоянных ветров, дующих с востока на запад в низ­ ких широтах и с запада на восток в средних и высоких широтах.

Момент сил, создаваемый воздушными течениями, передается ко­ ре Земле благодаря трению атмосферы о поверхность и из-за раз­ ности давления воздуха на противоположных сторонах горных це­ пей. Амплитуды наиболее значимых гармоник (двухнедельной, ме­ сячной, полугодовой и годовой) составляют 2-3 мс.

Аналогичный механизм действует и в океанах: энергия течений передается коре Земли. Кроме сезонных вариаций в угловой скоро­ сти вращения Земли обнаружены суточные и полусуточные вариа­ ции, которые объясняются приливами в океане.

Причиной нерегулярных вариаций могут быть различные про­ цессы. Наиболее известно явление Эль-Ниньо (перемещение масс воздуха над тропическими частями Индийского и Тихого океанов в экваториальной зоне из-за аномального распределения температу­ ры верхних слоев воды в океанах). Аномально большое изменение скорости вращения Земли в 1983 году вызвано как раз мощным яв­ лением Эль-Ниньо.

К нерегулярным вариациям относят «декадные» вариации. Счи­ тается, что эти вариации с амплитудой 4-5 мс и периодом 20-30 лет связаны с взаимодействием жидкого ядра и мантии Земли из-за сложной топографии границы ядро-мантия, а также их магнитного сцепления.

На рис. 4.3 показано изменение продолжительности суток АЬО И на интервале 1980-2000 г. по данным МСВЗ1.

Продолжительность суток на интервале 1980-2000 г. превышает среднее значение, равное 86400 с, на ~ 2 мс (верхний рисунок). При­ чины этого будут объяснены при определении шкалы атомного вре­ мени и атомной секунды. Если из величины АЬО И исключить зо­ нальные приливы (второй рисунок сверху), то в спектре останутся декадные и сезонные гармоники (третий и четвертый рисунок). Зо­ нальные приливы изменяют полярный момент инерции Земли, что приводит к изменению угловой скорости вращения.

В движении полюса также выделяют вековую и периодические компоненты. Вековое движение полюса происходит со скоростью ~ 3,3 мс дуги/год в направлении ~ 75°7 западной долготы и объ­ ясняется, согласно современным теориям, снятием ледовой нагруз-

1 Полную информация о задачах МСВЗ, публикациях, стандартах, ряды парамет­ ров вращения Земли и др. можно найти на сайте МСВЗ: Ьир://Лу,м\у.1ег5.огб.

Рис. 4.4. Движение полюса на интервале 1900-2000 г. (вековой ход — жир­ ная линия) и на интервале 1995-2000 г. Отсчет координат ведется от услов­ ного международного начала (СЮ ).

на мгновенном меридиане. Для исключения влияния движения по­ люса и частичного исключения изменений скорости вращения Зем­ ли на измерение времени были введены различные системы всемир­ ного времени.

Различают следующие системы IIТ:

это всемирное время, полученное из наблюдений, то есть время на мгновенном гринвичском меридиане, соответствующем мгновенно­ му полюсу Земли; определением времени ЧТО занимались специ­ альные организации — службы времени, которые проводили регу­ лярные наблюдения звезд на специальных астрометрических ин­ струментах (фотографических зенитных трубах, пассажных инстру­ ментах, астролябиях);

это всемирное время среднего гринвичского меридиана, определяе­ мого средним положением полюса Земли; оно получается исправ-

лением времени 11Т0 на изменение долготы ДА наблюдателя из-за смещения мгновенного полюса относительно среднего:

где Хр, Ур —координаты мгновенного полюса относительно условно­

это всемирное время среднего гринвичского меридиана, исправлен­ ное за сезонные периодические вариации угловой скорости враще­ ния Земли:

ДТ5 = О,8О22Озт27г0 —О,8О12Осоз27г0

—О,8ОО6Озт47г0 + О,8ОО7Ос о з 47г0 7

где

в= 2000,0 + УБ - 2451544,533)/365,2422,

№—юлианская дата наблюдения (см. ниже).

Наиболее важна система 11Т1, отражающая действительное вра­

щение Земли. Она определяет ориентацию среднего гринвичского меридиана, т. е. оси х земной системы координат. Шкалы НТО и 11Т2 в настоящее время практически не используются. Причиной этого является метод вычисления времени 11Т1. Ранее время НТО опре­ делялось службами времени независимо, затем 11Т0 каждой служ­ бы времени исправлялось за движение полюса (4.10) в центрах об­ работки. Сейчас основной вклад в измерение ПТ 1 вносят радиоин­ терферометры, т. е. используется группа обсерваторий. Преобразо­ вание мгновенных координат радиотелескопов и времени выполня­ ется последовательностью поворотов матриц, в которые 11Т0 в яв­ ном виде не входит. Кроме этого, формула (4.11) и, следовательно, (4.10) верны лишь до линейных членов (см. §6.6.3). Такая точность недостаточна.

Шкала 11Т2 также представляет главным образом исторический интерес. Шкала 11Т2 более стабильна, чем 1ЛГ1, т. к. сезонная и го­ дичная вариации в скорости вращения исключались из 11Т1. Перво­ начально, когда в конце 50-х годов появились первые атомные стан­ дарты частоты и времени, шкала IIТ2 использовалась для подгонки под нее атомной шкалы времени.

4.1. Солнечное время

13 Зак. 286

Для точного вычисления звездного времени (4.97) требуется знать разницу 11Т1 —11ТС, которая находится на основе наблюдений и табулируется МСВЗ на начало каждых суток (11ТС — всемирное координированное время, см. ниже). Для обеспечения большей точ­ ности интерполяции разности 11Т1 —11ТС на произвольный момент времени МСВЗ рекомендует сначала удалить из 11Т1 предсказу­ емые периодические вариации, вызываемые зональными прилива­ ми. После вычисления интерполированного значения 11Т1 - 11ТС к нему следует добавить эти вариации. В «Стандартах МСВЗ» 1996 г. определены три модели периодических вариаций 11Т1. Исключение из IIТ1 короткопериодических гармоник (с периодами от 5 до 35 су­ ток) приводит к системе всемирного времени, обозначаемой 11Т1К. Если из 11Т1 вычесть гармоники с периодами от 5 суток до 18,6 лет, вызываемые как зональными, так и долгопериодическими океани­ ческими приливами, то получим систему 11Т15. Если из 11Т1 вы­ честь 4 близсуточных и 4 полусуточных гармоники, которые связа­ ны с приливами в океанах, то получим систему 11ТШ.

В «Стандартах МСВЗ» 2003 г. (глава 8) приводится новая мо­ дель учета зональных вариаций во всемирном времени 11Т1, а также модель учета суточных и полусуточных вариаций в 11Т1 и в движе­ нии полюса, включающая 71 гармонику. Эти модели можно найти на сайте: <Ьир://^ду^лег5.ог§/(1оситеп1з/риЫ1са1:юпзДп/1:п32/1:п32>.

4.1.2. Всемирное координированное время 1ГГС

Аббревиатура IIТС образована из первых букв английского «Соогс1та1;ес1 11туегза1 Типе» или французского названия «Тетрз 11шуегзе1 СоогсЬппё». Следуя рекомендациям Международного теле­ коммуникационного союза по обозначению шкал времени, было ре­ шено для краткого названия всемирного координированного време­ ни использовать аббревиатуру 11ТС, а не С11Т или Т1Ю, чтобы она не зависела от языка. Аббревиатура 11ТС была одобрена на XIII Ге­ неральной Ассамблее МАС в 1967 г.

Причиной появления всемирного координированного времени является необходимость учета потребностей двух групп пользова­ телей. Первые —астрономы, геодезисты, а также бблыпая часть на­ селения Земли — хотели бы, чтобы время определялось вращени­ ем Земли и измерялось часовым углом Солнца или точки весеннего равноденствия. Вторые, к которым относятся физики и инженеры,

Из таблицы видно, что дополнительная секунда прибавляется примерно раз в полтора года. Это означает, что за полтора года на­ капливается разница в 1 с между равномерным атомным временем и временем, задаваемым вращением Земли. Она связана с тем, что продолжительность средних солнечных суток в настоящее время приблизительно на 2 мс больше продолжительности суток, точно равных 86400 секунд СИ.

Аналогичная ситуация случается, когда мы подводим стрелки наручных часов. Если часы отстают за сутки на 2 с относительно атомного времени, то через месяц накопится ошибка, примерно рав­ ная 1 минуте. Эта минута может быть добавлена путем перевода ми­ нутной стрелки часов.

Так как исправить скорость вращения Земли мы не можем, то со­ гласование шкал всемирного и атомного времени производится пу­ тем перестановки атомных стандартов частоты.

Система 11Т1 составляет основу измерения времени в повседнев­ ной жизни, так как с ней связана система 11ТС, сигналы которой передаются по радиовещательным сетям. Согласно решению МАС, шкала IIТС должна быть переопределена. Для этого создана рабочая группа, которая должна представить рекомендации по новому опре­ делению времени 11ТС.