天文学时间与历法

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时间与历法
§1、时间的本质
绝对的、真实的、数学的时间,由于它自身 的本性,与任何外界事物无关的,均匀的流逝。 —— 牛顿 —— 当宇宙开始收缩时,时间不颠倒方向。人 们会继续变老,所以不能指望等待宇宙收缩时 去恢复你的青春。 —— 史蒂芬 霍金——
时间是什么?
时间是建立在物质的运动和变化的基础上的
归年计年,二者兼顾。
二、太阴历(回历)
定义:以朔望月为基础,朔望月=29.5306日 规定:每年12个月,大月30天 、小月29天, 平均29.5天。 12个太阴月:29.5×12=354日 12个朔望月:29.5306×12=354.36708日 一年 相差8小时48分36秒 置闰:为保证每年的年初与月初都为残月, 30年加11个闰日。
§5、恒星时与平时的换算
S、m是两个不同的时间计量系统
1)时间单位不同:1恒星日≠1平太阳日 2)起始点不同: 上中天;下中天 因此,两时间计量系统的时间间隔不同, 时刻也不同。 时间间隔换算与时刻换算。
一、时间间隔的换算
回归年:平太阳连续两次过春分点的时间间隔。 1 回归年=365.2422平太阳日 =366.2422恒星日 1恒星日=(1-1/366.2422)平太阳日 = 0.9972696平太阳日 m=s(1-1/366.2422) 1平太阳日= (1+1/365.2422)恒星日 =1.0027379恒星日 s=m(1+1/365.2422)
国际标准时间(UTC、TAI)的形成
UTC: Official Time for the World 但UTC、TAI 是软钟(纸面钟)
• 全球约50个时间实验室 • 总共约280个高稳定性原子钟 • 国际间高精度时间比对
高精度时间传递技术, 参加BIPM 组织 时间比对网
§4、地方时、世界时、区时
定义:原子钟的稳定度达10 -13 秒(物理时) 以原子内部的运动规律为基础建立的时间计量 系统。
“ 位于海平面上的铯133原子基态两个超精细能级 间在零磁场中跃迁辐射振荡 9,192,631,770 周 所持续的时间为一个原子时秒。”
9,192,631,770
133Cs
1H 1,420,405,752 Hz
§3、几种时间计量系统 一、真太阳时
定义:以太阳视圆面中心的周日视运动为 依据建立的时间系统。
时间单位:真太阳日—真太阳连续两次下中天的时间间隔。 起始点: 下中天(半夜) 真太阳时以真太阳的时角度量: m⊙ = t⊙+12h 与日常生活节律一致, 但不能适应科学发展的需要。
真太阳时的缺陷:
最长(12.23)与最短(9.13)的真太阳日差51秒 真太阳的视运动是地球自转与公转运动的共同反映 (1)太阳在黄道上的运动不均匀。 (地球公转轨道为椭圆) (2)即使太阳在黄道上运动均匀,由于黄赤交角的存在, 投影在赤道上的太阳时角变化也不均匀。
1、真太阳时比恒星时每日约长4分钟
太阳在周日视运动的同时,又以逆时针 方向做周年视运动,每日在黄道上自西向东 约运行1度,因此真太阳时比恒星时约长4分 钟。 m⊙ ≈ s +3m56s
周年
北极点
子午线
春分点
周日
赤道
太阳时和 恒星时
四、协调世界时(UTC)
(协调原子时秒长与世界时时刻的时间计量系统)
二、平时时刻与恒星时时刻的换算
1、格林尼治的时刻换算:(λ=0o) 1)已知平时求恒星时:M→S S=So+M(1+1/365.2422) 2)已知恒星时求平时:S→M: M=Mo+S(1-1/366.2422) 0h Mo s0 S=0
M
s
So是当日世界时为零时所对应的恒星时。 Mo是当日或前一日恒星时为零时所对应的世界时。
§6、历法
一、制历的基本原则:
1、历法:推算年、月、日的时间长度,协调它们的关系, 制定一定的时间序列法则。 年:以地球公转为依据、四季变化的周期。 1回归年=365.2422平日 月:以月球公转为依据、月相变化的周期。 1朔望月=29.5306平日 日:以地球自转为依据、昼夜交替的周期 。 这是三种完全独立的运动,没有简单的通约关系,是 基本单位不能分割,这种整日数的年和月为历年、历月。
古代和现代的天文定时
3、以太阳系天体的运动 为计量标准的历书时(ET)
定义: 以地球公转为依据,即观测太阳位置反演时间。是 由力学定律确定的均匀时间。又称牛顿时。 时间单位 : 1回归年(1900年回归年长度) =365.2422历书日 1历书秒 =1/365.2422×24×60×60= 1/31556925.9747 (1回归年)
,时间和空间都是物质存在的基本形式,物质的 运动与变化永远是在时间和空间中进行的。脱离 了物质,脱离了物质的运动和变化,时间和空间 都将是毫无意义的。
时间基本原则
选择某一运动规律已掌握, 运动状态可观测到的具体事物 。 选取该事物的某一运动过程为 时间的基本单位。 选取该事物的某一运动状态为 时间计量的起算点。
2、任意经度区的时刻的换算
(S=s-λ; M=m-λ; M=Th-Nh) 1)已知区时化地方恒星时: S=So+M(1+1/365.2422) s=S0+(Th-Nh)(1+1/365.2422)+λ 2)已知地方平时化地方恒星时: s=So+(m-λ)(1+1/365.2422)+λ 3)已知地方恒星时换地方平时: M=Mo+S(1-1/366.2422) m=Mo+(s-λ)(1-1/366.2422)+λ =M0+s-(s-λ)1/366.2422
先民日出而作,日入而息, 太阳是天然的钟表。
S1
S2
S3
R21=(x-x1) 2+(y-y1) 2+(z-z1) 2 R22=(x-x2) 2+(y-y2) 2+(z-z2) 2
R23=(x-x3) 2+(y-y3) 2+(z-z3) 2
信号传播时间 t
=
R/c
解方程得 x、y、z, t 的百万分之一秒的
起算历元:
1900年1月0日12时 (公历1899.12.31) λ⊙=279o41’48”.04 历书时的测定: 在UT的某一瞬间,观测太阳位置,对照太阳历表 ,找出对应的时间。 小结: 均匀,秒长固定。但观测复杂,且精度不高。 1960年启用,1967年后原子时取代了历书时,1984 年后停用。
UTC系统
时间单位:原子时秒(SI) 协调:用跳秒(也叫闰秒即增加1s或减少1s)的方法,使其与世 界时(UT1)的偏离在0s9之内。(通常是正闰秒) 调整时刻:每年首选是12月31日和6月30日或 3月31日和9月30日 的最后一秒,由国际地球自转服务中心局(IERS)根据天文 观测做出决定,并预先通知。 启用时间:1972、1、1 它虽不是严格均匀的时间系统,但与原子时有确定的换算关系 ,故其时刻能纳入均匀的时间计量。 当前钟表所指示的时刻正是协调世界时。
2、以地球自转为计量标准世界时(UT)
1)原始的时间计量系统 初民 日出而作,日落而息— 以日出为起点,以一天为计量单 位,计量标准为地球自转 。 古人确立了以太阳连续两次在一地上中天的时间间隔为一天— —用圭表、日晷计时(用铜壶滴漏守时) 真太阳时——与地球自转不同步, 为什么? 19世纪90年代人们设计了 平太阳时、恒星时——与地球自转同步 但都不是均匀的时间系统, 为什么?
地方时与地方经度的关系: 在同一计时系统内,任意两地同一瞬间测得的地方 时之差,在数值上等于这两地的地方经度之差。
λA -λB = mA –mB = tA – tB SA – SB = tA – tB = λA -λB
2、世界时与区时:
世界时:(S、M⊙、M)以本初子午线为标准的地方时为世界 时。 (λ= 0h ) m - M = △λ ( + 东、 - 西 ) s - S = △λ ( + 东、 - 西 ) 区时: (Th)为平时系统 ( λN = N150) 把全球分成24个时区,每区跨经度150,各区把中央经 线的地方时作为本区统一使用的标准时。这样的区域称为 时区 ;这样的时间称为区时。
误差会造成 300m 的定位误差,因此必须有很 高的钟的同步准确度。
§2、时间计量标准的发展
1、时间计量和时间标准
时间的计量包括时刻和间隔的计算, 是既有差别又有联系的两个内容
时刻:事物运动中,某一状态发生的瞬间。 (可看成均匀流失的单方向几何直线--时间轴,轴上的一点为 瞬间,人们建立一定的时间计量系统计量这个瞬间,赋予 它以定量的标志即得到时刻。同一瞬间,所用时间计量系 统不同,得到的时刻不同。) 间隔:事物某一运动过程所经历的时间 (两个瞬间之间的距离为时间间隔)
平太阳时:
定义:以平太阳的周日视运动为依据建立的时间系统 时间单位:平太阳日—平太阳连续两次上中天的时间 间隔 起始点:下中天 平太阳时以平太阳的时角度量。 m = tm+12h
是一种基本均匀的时间系统
时差:
真太阳的时角与平太阳的时角之差。
时差:η= t ⊙ – t m
时差的零点与极大值:
(一年中η四次为零,四次为极大值)
2、历法的制定原则
(1)尽可能准确反映天文客观规律的历法,才能正 确的反映天象和四季变化。 (2)日历要简单、明了、易记。宁可牺牲精度以满 足简单。 (3)有通用性,能为广大地区所接受。
3、主要有三种类型
(1)太阴历:(回历)以朔望月为基本单位。
(2)太阳历:(公历)以回归年为基本单位。
(3)阴阳历:(农历)以朔望月计月,以回
由于地球自转的不均匀性使得天文方法所得到的
时间(世界时)精度只能达到3年不差一秒,这已
无法满足二十世纪社会经济各方面的需求。于是,
一种更为精确和稳定的时间标准应运而生,这就是
“原子时”,它的稳定度能够达到30万年不差一秒
。目前世界各国都采用原子钟来产生和保持标准时 间。
4、以原子内部能级跃迁频率 为计量标准的原子时(TAI)
199Hg+
起始点:
为1958年1月1日 UT 0h。 (即规定此瞬间原子时TAI与世界时UT重合。事 后发现当初取的这一瞬间并非重合,而是相差了 -0 s.0039,并一直保留下来。) UT=ATI-0 s.0039 ET=ATI+32s.84 原子时自1972年1月1日0时正式启用。 靠全世界100多台原子钟维持,经国际时间局 统一进行数据处理,由各授时单位向全世界发布 。
计量系统的地方性 恒星时、真太阳时、平太阳时是以春分点、 真太阳、平太阳为参考点,以过当地子午圈的时 刻为起算点,以时角量的。 对于观测者,只要位于不同的地理经圈,就 对应不同的天子午圈,因此,参考点过的天子午 圈不同,所得时刻也不同。
1、地方时:
定义:
以本地子午面为起算平面,根据任意量时天体所确定 的时间。(s、m ⊙、m)
二、平太阳时
1.平太阳
19世纪末美天文学家钮康
引入的一个假想参考点。 第一个辅助点建立在黄道上:
在黄道上均匀运动,其速度等于真太阳的平均速度, 并与真太阳同时过近日点和远日点。
第二个辅助点建立在赤道上:
在赤道上匀速运动,其速度等于真太阳的平均速度, 与第一辅助点同时过春分点和秋分点。
第二个辅助点为在赤道上做匀速运动的平太阳。
3、国际日期变更线——日界线
日界线:太平洋中经度1800线(避开陆地与岛屿画出的 一条国际日期变更线)。 日界线东西两侧是东12时区与西12时区重合的区 域,时分秒相同,但日期相差一天。 由西向东每过一个时区,就要增加一个小时,因 此,由西向东越过日界限,日期减少一天;而由东向 西越过日界限,日期增加一天。
世界时与原子时的折衷协调产物 大地测量、天文导航、空间探测器的跟踪、定位需要以地球 自转为依据的世界时时刻,精密校频等物理领域则要求以 原子时为基准的均匀时间间隔。 由于世界时的秒长逐年增加,势必造成世界时落后于原子时 ,一年内可累计达1秒左右。为避免原子时与世界时产生太 大的偏离,1975年决定采用UTC系统,其时间单位用SI秒, 其时刻与UT1的偏离保持在0.9秒内,保持方法为跳秒,跳秒 前预先通知各使用门。
日 期
η
4.16
6.15
9.1
12.24
2.12
5.15
7.26
11.3
0
0
0
0
-14m24s
+3m48s
-6mwk.baidu.com8s
+16m24s
三. 恒星时
定义:以春分点的周日视运动为依据建立的时间 系统。 时间单位:恒星日—春分点连续两次上中天的时 间间隔。 起始点:上中天 恒星时在数值上 等于春分点的时角。 S = tr = α+ t 当任一恒星时上中天时 t=0;即s=α。
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