1.5. Всемирное, звёздное и атомное время

Первоначально промежутки времени измеряли астрономическими методами. Основной астрономической единицей времени являются сутки - промежуток времени, за который Земля делает один оборот вокруг своей оси относительно какой-либо избранной точки на небесной сфере. В зависимости от выбранной точки отсчета (точка весеннего равноденствия, центр видимого диска Солнца, «среднее экваториальное Солнце») сутки отличаются по длительности и имеют разное название.

Звездные сутки - промежуток времени между двумя последовательными одноимёнными кульминациями точки весеннего равноденствия на меридиане пункта земной поверхности. За начало звёздных суток принимается момент верхней кульминации точки весеннего равноденствия на меридиане данного пункта. Продолжительность звёздных суток составляет 86400 секунд звёздного времени.

Промежуток времени внутри суток от момента верхней кульминации точки весеннего равноденствия до данного момента называют звездным временем в данный момент. Местное звездное время s в пункте с долготой измеряется часовым углом t точки весеннего равноденствия γ относительно небесного меридиана данного пункта. Звёздное время, измеренное на данном меридиане, называется местным звёздным временем данного меридиана. Местное звездное время, измеренное на Гринвичском меридиане, называется гринвичским звездным временем и обозначается S. Звездное время можно выразить и в угловых единицах с учетом того, что за 1 час звёздного времени Земля поворачивается на 15°. Например, местному звездному времени s = 2 часа 3 минуты 1 секунда соответствует угол, равный 30°45'15".

Для точных расчетов следует учитывать также, что ось вращения Земли совершает медленное периодическое колебательное движение, состоящее из прецессии (движение по конусу) и нутации (небольшие колебания оси). Если учитывается только прецессионное движение оси, то полученное звездное время называют средним и соответственно звездные сутки средними. Если же учитывается прецессия и нутация, то получаем истинное звездное время и истинные звёздные сутки.

Истинные солнечные сутки - промежуток времени между двумя последовательными одноимёнными кульминациями центра видимого диска Солнца («истинного Солнца») на меридиане пункта земной поверхности. За начало истинных солнечных суток принимается момент нижней кульминации «истинного Солнца» на меридиане данного пункта. Продолжительность истинных солнечных суток составляет 86400 секунд истинного солнечного времени.

Вследствие непостоянства скорости движения Земли по орбите продолжительность истинных солнечных суток в течение года изменяется, поэтому в повседневной жизни за основную единицу солнечного времени принимают так называемые средние солнечные сутки.

Средние солнечные сутки - промежуток времени между двумя последовательными одноимёнными кульминациями «среднего экваториального Солнца» («среднее экваториальное Солнце» - фиктивная точка, равномерно перемещающаяся по небесному экватору и совершающая полный оборот за такое же время, как и истинное Солнце по эклиптике) на меридиане пункта земной поверхности. За начало средних солнечных суток принимается момент нижней кульминации «среднего экваториального Солнца» на меридиане данного пункта. Продолжительность средних солнечных суток составляет 86400 секунд среднего солнечного времени.

Интервал времени от момента нижней кульминации «среднего экваториального Солнца» называется средним солнечным временем. Продолжительность звёздных суток приблизительно на 4 минуты короче продолжительности средних солнечных суток, а именно, 24 часа звездного времени (звёздные сутки) равны примерно 23 часа 56 минут 4,091 секунд (или 86 164,091 секунд) среднего солнечного времени.

Среднее солнечное время на Гринвичском меридиане составляет основу Всемирного времени UT (Universal Time). Это время содержит год, месяц, число, отсчитываемые по общепринятому Григорианскому календарю, а также час, минуту, секунду, отсчитываемые по гринвичскому среднему солнечному времени. Эта система отсчета времени введена Международным астрономическим союзом в 1928 году.

Так как движение полюсов Земли приводит к изменению положения меридианов, то по степени учета возмущающих факторов различают следующие разновидности шкалы Всемирного времени:

UT0 - шкала Всемирного времени, определяемого на основе текущих астрономических измерений относительно, так называемого, мгновенного положения Гринвичского меридиана (мгновенного положения полюса Земли).

UT1 - шкала всемирного времени среднего Гринвичского меридиана, рассчитанного с учетом движения полюсов. Время UT1 может быть получено путем коррекции шкалы UT0 на величину Δλ, вызванную движением полюсов Земли:

UT1 = UT0 + Δλ ;

UT2 - шкала времени, учитывающая дополнительно сезонные поправки, связанные с сезонным изменением скорости вращения Земли;

UTR - шкала времени, учитывающая также поправки за океанические приливы и приливы в твердом теле Земли.

Из-за неравномерности суточного вращения Земли продолжительность звездных и солнечных суток изменяется. Для точных расчетов введено равномерно текущее время – так называемое Эфемеридное время (ЕТ). В 1952 году в Риме на VIII съезде МАС принято решение: «Рекомендуется во всех случаях, когда солнечная секунда неудовлетворительна как единица времени, вследствие её изменяемости, принимать за единицу времени секунду, определяемую как 1/31556925,9747=1/(365,24219879·86400) часть тропического года на момент фундаментальной эпохи таблиц Солнца Ньюкома; время, выраженное в этих единицах, рекомендуется обозначать как «эфемеридное время; оно считается от того момента вблизи начала календарного года 1900, когда геометрическая средняя долгота Солнца, отнесённая к среднему равноденствию даты, была 279^o 41’ 48^’’,04, т.е. от момента, когда по Эфемеридному времени было точно 1900, январь 0, 12^h (фундаментальная эпоха таблиц движения Солнца)»

Создание высокостабильных атомных эталонов частоты (времени) позволило перейти к физическому (неастрономическому) способу измерения времени и ввести искусственную единицу меры времени, не зависящую от особенностей суточного вращения Земли, - атомную секунду, которая близка по продолжительности к эфемеридной секунде. Атомная секунда принята в качестве единицы измерения времени XIII Генеральной конференцией по мерам и весам в 1967 году. Атомная секунда равна интервалу времени, в течение которого совершается 9192631770 колебаний, возникающих при квантовых переходах электронов на определённых энергетических уровнях атома Цезия-133. Атомная секунда является основой шкалы международного Атомного времени ТАI. Нестабильность атомной шкалы составляет величину порядка 1·10^-11 с и не связана с нерегулярностью вращения Земли. Атомная секунда принята в настоящее время за единицу времени в системе SI (вместо эфемеридной секунды).

В повседневной жизни используется, так называемое, Всемирное координированное время UTC. Это время измеряется по атомным часам, показания которых периодически корректируются. В Российской Федерации существует Государственный эталон времени UTC: UTC(SU), являющийся российской реализацией Всемирного координированного времени. Отличие между UTC и UTC(SU) не превышает ~ 100 нс.

Моменты наблюдения, например, искусственного спутника Земли фиксируются обычно к шкале Всемирного координированного или согласованного времени UTC, являющегося аналогом атомного времени и единицей измерения которого служит секунда международной системы единиц SI. Согласованным же это время называется потому, что шкала UTC подстраивается к шкале всемирного времени UT1 путём пропуска или добавления лишней секунды в начале и/или в середине года, когда абсолютная величина разности между всемирным и всемирным согласованным временем приближается к , то есть в течение года всегда соблюдается условие .

При определении компонент геоцентрического радиус-вектора спутника в равноденственной геоцентрической системе координат динамическим методом космической геодезии приходится интегрировать дифференциальные уравнения движения спутника, независимой переменной в которых должно фигурировать геоцентрическое координатное время .

При наблюдениях спутника с поверхности Земли и при последующей обработке этих наблюдений необходимо также знать угол поворота Земли, например, начального меридиана, относительно точки весеннего равноденствия. Этим углом поворота является часовой угол точки весеннего равноденствия, который служит мерой измерения гринвичского звёздного времени .

Таким образом, при обработке наблюдений спутника надо располагать моментами наблюдений в шкале земного координатного времени TCG и в шкале гринвичского звёздного времени S. Для вычисления моментов наблюдения в этих шкалах времени при последующей обработке выполненных наблюдений спутника можно использовать регулярно издающиеся бюллетени (в нашей стране это бюллетени всемирного времени и координат полюса, выпускаемые Институтом времени и пространства ГП «ВНИИФТРИ»), в которых публикуется величина разности , а также на начало каждых суток даётся разность .

Первая разность позволяет вычислить момент наблюдения в шкале международного атомного времени TAI по формуле

(1.25)

Затем по формуле (1.23) вычисляется момент земного времени TT и, наконец, по формуле (1.24) вычисляется момент времени в шкале TCG. С помощью второй разности можно воспроизвести UT1 на моменты наблюдения спутника

. (1.26)

По моменту всемирного времени UT1 вычисляется момент Гринвичского истинного звёздного времени S по формуле

, (1.27)

где

, (1.28)

- промежуток времени в юлианских столетиях по 36525 средних солнечных суток, отсчитываемый от стандартной эпохи J2000.0 до рассматриваемого момента;

- нутация в долготе;

- наклон эклиптики к экватору.