第五章 时间

第五章时间由天文定位原理可知，获取观测时刻的天体位置是实施天文定位的条件之一。

由于天体视运动的存在，天体在天球上的位置随着时间不断变化。

因此，获取天体的实际位置，首先需要掌握时间的基本知识。

第一节时间单位与时间计量时间是物质存在和运动的基本形式之一，因此可以选择适当的物质运动过程来计量时间。

选择不同的物质运动过程来计量时间，就相应地得到不同的时间单位。

一、恒星日与恒星时春分点周日视运动一周，即春分点连续两次上中天所经历的时间，称为一个恒星日。

由天体周日视运动的成因可知，恒星日事实上即为以春分点（春分点并不真实存在，实际上取某一非常遥远的恒星代替）为参照物所度量的地球自转一周所经历的时间，亦即天球相对于恒星周日视运动360︒所经历的时间。

出于计量上的需要，常将一个恒星日等分为24个恒星小时；一个恒星小时等分为60个恒星分；一个恒星分等为成60个恒星秒，即1恒星日＝24恒星小时；1恒星小时＝60恒星分；1恒星分＝60恒星秒。

2．恒星时春分点上中天后所经历的时间（以恒星日为基本时间单位度量），称为恒星时，用S表示。

恒星时以春分点上中天为计量起点，此时春分点的西行时角为0︒，恒星时为0恒星小时（一56个恒星日的开始）；当春分点向西转动15︒，即春分点西行时角为15︒时，恒星时为1恒星小时；当春分点向西转动90︒，即春分点西行时角为90︒时，恒星时为6恒星小时；当春分向西转动360︒，即春分点回到上中天时，恒星时为24或0恒星小时（一个恒星日的结束或下一个恒星日的开始）。

显然，如图5-1-1所示，恒星时在数值上等于以小时为单位的春分点西行时角，即W S t =。

在图5-1-1中，α和W t 分别表示恒星B 的赤经和西行时角。

可见，某一瞬间恒星时在数值上亦等于天体的西行时角与天体的赤经之和，即α+=W t S （5-1-1）显然，当恒星B 上中天时，0W t =︒，由式（5-1-1）可得S α=。

可见，任一时刻的恒星时在数值上等于此刻上中天恒星的赤经。

据此，可借助观测某一已知赤经的恒星的上中天，进而得到此恒星上中天时刻的恒星时。

3．恒星时不能用于日常生活用于日常生活的时间计量，除其所用的时间单位需等长外，还应当与太阳周日视运动所导致的昼夜交替现象基本保持一致，以符合人类的生活习惯。

恒星时虽然使用长短均匀的恒星日作为时间单位，但其度量起点——春分点上中天与昼夜之间的关系并不固定，因此不能用于日常生活。

导致这一问题存在的原因，是太阳除作周日视运动外还同时作周年视运动（在天球上每个恒星日东移约1︒），因此地球上的测者每天所见的昼夜交替现象各不相同。

具体分析如下：设某一瞬间太阳和春分点同时上中天，则恒星时0小时（一个恒星日的开始）对应于中午时分；经过一个恒星日后，春分点再次上中天，但太阳由于东移约1︒并未再次到达上中天，即恒星时0小时（下一个恒星日的开始）对应于中午前的某一时刻；当太阳再次上中天时，春分点必定已经向西转动约1︒（4分钟），即恒星时为4分钟（下一个恒星日）。

上述分析说明，春分点每天比太阳提前约4分钟上中天，即恒星时0小时（新恒星日的开始）相对于太阳每天提前4分种。

以此类推，三个月后，太阳东移约90︒，即太阳时圈与春分点在天赤道上相隔的弧距约为90︒，太阳位于测者真地平圈附近，则恒星时0小时（新恒星日的开始）对应于日出时分。

由上可知，恒星时与昼夜之间的关系并不固定，将其用于日常生活，将有悖于人类的生活习惯，给生活作息带来极大的不便利，因此不能用于日常生活。

在天文学中，恒星时常用于计算恒星的时角。

二、太阳日与视时 1．太阳日考虑用于日常生活的时间计量应当与昼夜交替现象基本一致这一需求，可以选择太阳视运动这一决定昼夜关系的运动过程来计量时间。

太阳周日视运动一周，即太阳连续两次下中天所经历的时间间隔，称为一个太阳日。

显然，太阳日即为以太阳为参照物所度58 量的地球自转一周所经历的时间。

需要说明的是，以太阳下中天为参照定义太阳日，目的在于贴合人类的日常生活习惯，人类常把太阳下中天，即所谓的子夜时分，作为新的一天的开始。

此外，类似于恒星日，为满足计量上的需求，太阳日同样被等分成24个太阳小时，每个太阳小时等分成60太阳分，每太阳分等分成60太阳秒，简记为时、分、秒。

2．视时（真太阳时）太阳下中天后所经历的时间（以太阳日为基本时间单位度量）称为视时，或称真太阳时，用T 表示。

当太阳下中天即太阳位于子圈时，视时为0或24时（一个太阳日的开始或结束）；当太阳位于午圈时，视时为12时。

由图5-1-2可知，视时亦等于从子圈起算，沿天赤道向西度量到太阳时圈，以时、分、秒表示的弧距。

如图5-1-2所示，太阳西行时角W t 从午圈起算，则视时与太阳西行时角的关系为180W T t =±︒ （5-1-2）式中：当180W t <︒时，取正（＋）号；当180W t >︒时，取负（－）号。

3．太阳日长短不固定虽然视时以太阳日为时间单位，具有与昼夜之间的关系相对固定的优点，但由于在周年视运动中，太阳的赤经日变量不等，所以太阳日长短不一，并不固定。

因此，视时用作日常生活的时间计量，同样存在着所用时间单位不等长的缺陷。

如图5-1-3所示，当太阳位于1S 时，与恒星B 同时下中天。

当天球向西旋转一周（360︒），恒星B 再次下中天时，因存在周年视运动，太阳已由1S 沿黄道运动到2S ，天球还需继续向西转过一个等于太阳赤经日变量α∆的角度后，太阳才第二次下中天。

因此，一个太阳日的长度为一个太阳日 ＝ 天球转动（360︒＋α∆）所需的时间＝ 一个恒星日＋α∆ （5-1-3）由于太阳赤经日变量α∆在53.8'~66.6'之间变化，将α∆的最大和最小值分别代入式（5-1-3），可得最长的太阳日比最短的太阳日约长51秒。

数值虽小，但已不能满足科学上的需要。

三、平阳日与平时为利用视时与昼夜之间的关系相对固定的优点，同时弥补太阳日长短不固定的缺陷，在天文学中引进了一个假想的天体——平太阳，并以平太阳的周日视运动过程来计量时间。

1．平太阳沿天赤道以太阳周年视运动的平均速度，匀速59向东作周年视运动的假想天体，称为平太阳，符号⊕。

显然，平太阳周年视运动与太阳周年视运动周期相同，即365.2422天，则平太阳赤经日变量恒为360/365.242259.1α⊕'∆=︒= （5-1-4）2．平阳日平太阳连续两次下中天所经历的时间，称为一个平阳日。

显然，平阳日即为以平太阳为参照物所度量的地球自转一周所经历的时间。

由式（5-1-4）可得平阳日的长度为一个平阳日 ＝ 天球转（360︒＋α⊕∆）所用时间 ＝ 360︒＋59.1'＝ 一个恒星日＋3m 56s .56为满足计量上的需求，同恒星日和太阳日，平阳日也被划分为时、分、秒等时间单位。

3．平时平太阳下中天后所经历的时间（以平阳日为基本时间单位度量），称为平时，用T 表示。

当平太阳位于子圈时，平时为0或24时（一个平阳日的开始或结束）；当平太阳位于午圈时，平时为12时。

由图5-1-4可知，平时亦等于从子圈起算，沿天赤道向西度量到平太阳时圈，以时、分、秒表示的弧距。

如图5-1-4所示，平时T 从子圈起算，平太阳西行时角W t ⊕从午圈起算，两者相差180︒，因此，平时和平太阳西行时角之间的关系为180W T t ⊕=±︒ （5-1-5）式中：当 ︒<⊕180W t 时，取正(＋)号；当 ︒>⊕180W t 时，取负(-)号。

4．时度换算关系在解算天文航海问题时，经常进行时间单位的时（h ）、分（m ）、秒（s ）与角度单位的度（︒）、分（'）、秒（''）之间的换算。

不论是恒星日、太阳日还是平阳日，一日都等于相应时间系统中的24小时，而且，在一日中，计量时间所用春分点、太阳和平太阳的西行时角均变化360︒，亦即1日＝24小时与相应的参考天体自东向西视运动360︒对等。

因此，时度之间的换算关系为24h ＝360︒；1h ＝15︒；4m ＝1︒；1m ＝15'；4s ＝1'；1s ＝0'.25＝15''。

5．时差及时差曲线60 平太阳沿天赤道以真太阳周年视运动的平均速度向东作周年视运动，显然，在周年视运动中，真太阳的运动速度有时大于平太阳的运动速度，有时则小于平太阳的运动速度。

反映在天球上，平太阳的赤经值有时比真太阳的赤经值大，即平太阳时圈位于真太阳时圈东边，有时则比真太阳的赤经值小，即平太阳时圈位于真太阳时圈的西边。

因此，在同一瞬间视时与平时常常不等。

如图5-1-5所示，同一时刻视时与平时之差称为时差（η），我国规定T T η=- （5-1-6） 按时间与时角的关系亦可写为W Wt t η⊕=- （5-1-7）或者按式（5-1-1）和W S t =得()()W W t t ηαααα⊕⊕=---=- （5-1-8）由于一年中太阳赤经日变量逐日不同，因此时差值也逐日变化。

此外，时差值的变化也具有以一年（365.2422天）为周期的周期性。

图5-1-6为2011年时差变化曲线图，图中横坐标表示日期，纵坐标表示时差值。

在横轴以上为正时差，横轴以下为负时差。

由图可知，一年中，有4次时差值等于0；两次正时差值最大，分别为+3m 41s 和+16m 26s ；两次负时差值最大，分别为－14m 16s 和－6m 28s 。

上述数值说明，由于太阳赤经日变量在53.8'~66.6'之间变化，平太阳时圈和真太阳时圈相距不会太远，亦即视时与平时之间的差值最大不超过17分钟。

因此，平时具有既使用长短固定的时间单位，又与昼夜保持基本稳定关系的特性，是用于日常生活的理想时间计量。

时差η(分钟)图5-1-6 时差变化曲线图616．视时与平时的换算《航海天文历》中刊有每天的时差值。

由式（5-1-6）可知，当时差值已知时，视时和平时的换算关系为T T η=+ 或 T T η=-例1．已知2011年10月16日平时为10h 20m 30s ，求该时的视时。

解：自《航海天文历》查得2011年10月16日的时差为＋14m 16s ，由T T η=+计算可得T 10h 20m 30s 10.1 ＋）η ＋ 14m 16sT ⊙ 10h 34m 46s 10.1例2．求2011年1月25日太阳上中天时的平时。

解：自《航海天文历》查得1月25日的时差为－12m 07s 。

太阳上中天的视时h 12T =，由T T η=-计算得：T ⊙ 12h 00m 00s 3.16 －）η －12m 07sT 12h 12m 07s 3.16四、原子时1．平阳日的不均匀性平阳日为平太阳周日视运动一周所经历的时间，亦即以平太阳为参照物所度量的地球自转一周所经历的时间。