Счет времени. Определение географической долготы

«Понятие об определенном промежутке времени нам необходимо
в качестве масштаба, а именно, времени, потому что время,
взятое само по себе, не является подобным масштабом…».
Плотин

Изучив эту тему Вы:

• узнаете об истории современного календаря; что такое «звездное» и «солнечное» время и есть ли уравнение времени; кто в экономически развитых странах является хранителем точного времени; по какому календарю мы с Вами живем; об истории приборов для измерения времени;
• сможете рассказать историю современного календаря; объяснить, что такое «звездное» и «солнечное» время; объяснить различия между истинными сутками, сутками и звездными сутками; пояснить, что такое уравнение времени; рассказать о приборах для измерения времени, которыми пользовались в древности; назвать один из этих приборов, который используется и в настоящее время.

Прежде чем приступить к освоению материала этой темы, прослушайте видеолекцию Сурдина Владимира Георгиевича «Астрономическое время и календарь ».

Нажмите на значок

Вся жизнь и деятельность людей проходят во времени. Наблюдая смену дня и ночи, люди издавна воспринимали течение времени, но измерять его научились значительно позднее.

Меры для измерения времени взяты у самой природы: более короткие тесно связаны с вращением Земли вокруг своей оси, а длительные - с движением Луны и нашей планеты по орбите вокруг Солнца.

При установлении эталонов для измерения времени возникали значительные трудности. Мерами времени служат естественные единицы, взятые человеком из окружающего его мира - это сутки, месяц и год. Важно, что они несоизмеримы.

Единицы же для измерения отрезков времени, меньших суток, - час, минута, секунда и ее доли - созданы самим человеком. Со временем он научился не только измерять эти условные единицы времени, но и хранить их. Для измерения более длительных промежутков времени человек использовал периодические природные явления. Систему счета значительных промежутков времени, основанную на периодических явлениях окружающего мира, принято называть календарем. Именно календарь позволяет устанавливать определенный порядок счета дней в году; он неотделим от человеческой культуры.

Календарь , которым мы постоянно пользуемся в настоящее время, появился не сразу; он имеет свою давнюю, весьма сложную историю, которая еще не завершена и до сих пор, так как современный календарь нельзя назвать совершенным.

Время. Единицы измерения и счета времени

Время - основная физическая величина, характеризующая последовательную смену явлений и состояний материи, длительность их бытия.

Исторически все основные и производные единицы измерения времени определяются на основе астрономических наблюдений за протеканием небесных явлений, обусловленных вращением Земли вокруг своей оси, вращением Луны вокруг Земли и вращением Земли вокруг Солнца. Для измерения и счета времени в астрометрии пользуются разными системами отсчета, связанными с теми или иными небесными светилами или определенными точками небесной сферы. Наибольшее распространение получили «звездное» и «солнечное» время. С введением в 1967 году атомного стандарта времени и Международной системы СИ в физике используется атомная секунда.

«Звездное» и «солнечное» время согласуются между собой путем специальных расчетов. В повседневной жизни используется среднее солнечное время.

Определение точного времени, его хранение и передача по радио составляют работу Службы точного времени, которая существует во всех развитых странах мира, в том числе и в России.

Основной единицей звездного, истинного и среднего солнечного времени являются сутки . Звездные, средние солнечные и иные секунды получаются делением соответствующих суток на 86400 (24 ч 60 мин 60 с). Сутки стали первой единицей измерения времени свыше 50000 лет назад.

Сутки - промежуток времени, в течение которого Земля делает один полный оборот вокруг своей оси относительно какого-либо ориентира.

Звездные сутки - период вращения Земли вокруг своей оси относительно неподвижных звезд, определяется как промежуток времени между двумя последовательными верхними кульминациями точки весеннего равноденствия.

Истинные солнечные сутки - период вращения Земли вокруг своей оси относительно центра диска Солнца, определяемый как промежуток времени между двумя последовательными одноименными кульминациями центра диска Солнца.

Ввиду того, что эклиптика наклонена к небесному экватору под углом, а Земля вращается вокруг Солнца по эллиптической орбите, скорость видимого движения Солнца по небесной сфере. Следовательно, на протяжении года продолжительность истинных солнечных суток будет постоянно изменяться: наиболее быстро вблизи точек равноденствий (март, сентябрь), наиболее медленно вблизи точек солнцестояний (июнь, январь).

Для упрощения расчетов времени в астрономии введено понятие средних солнечных суток - периода вращения Земли вокруг своей оси относительно «среднего Солнца».

Уравнение времени (УВ) - это разница между средним солнечным временем (ССВ) и истинным солнечным временем (ИСВ):

УВ = ССВ - ИСВ

Эта разница в каждый конкретный момент времени одинакова для наблюдателя в любой точке Земли.

Задание для обсуждения с учителем (можно на или в видеокомнате)

Истинные сутки – это то время, за которое Солнце делает полный круг по небу, в течение года колеблется от 23 часов 44 минут до 24 часов 14 минут в зависимости от времени года. Настоящая орбита Земли пересекается с круговой только четыре раза в году: 16 апреля , 14 июня , 1 сентября и 25 декабря . В эти дни уравнение времени равно 0. Соответственно, в каждое время года существует свой максимум уравнения времени: около 12 февраля + 14,3 мин, 15 мая – 3,8 мин, 27 июля + 6,4 мин и 4 ноября – 16,4 мин. Объясните, почему уравнение времени равно 0 в дни, когда орбита Земли пересекается с круговой.

Для определенности теоретических расчетов принята эфемеридная (табличная ) секунда, равная средней солнечной секунде 01 января 1900 года в 12 часов равнотекущего времени, не связанного с вращением Земли. Около 35000 лет назад люди обратили внимание на периодическое изменение вида Луны - смену лунных фаз. Фаза Ф небесного светила (Луны, планеты и т.д.) определяется отношением наибольшей ширины освещенной части диска d к его диаметру D :

Линия терминатора разделяет темную и светлую часть диска светила.

Луна движется вокруг Земли в ту же сторону, в какую Земля вращается вокруг своей оси: с запада на восток. Отображением этого движения является видимое перемещение Луны на фоне звезд навстречу вращению неба. Каждые сутки Луна смещается к востоку относительно звезд и за 27,3 суток совершает полный круг. Так была установлена вторая после суток мера времени - месяц .

Сидерический (звездный ) лунный месяц - период времени, в течение которого Луна совершает один полный оборот вокруг Земли относительно неподвижных звезд. Равен 27 сут 07 ч 43мин 11,51 с.

Синодический (календарный) лунный месяц - промежуток времени между двумя одноименными последовательными фазами (обычно новолуниями) Луны, равный 29 сут 12ч 44 мин 2,78 с.

Совокупность явлений видимого движения Луны на фоне звезд и смены фаз Луны позволяет ориентироваться по Луне на местности. Луна появляется узким серпом на западе и исчезает в лучах утренней зари таким же узким серпом на востоке. Если мысленно приставим слева к лунному серпу прямую линию, то можно прочесть на небе либо букву «Р» (растет), при этом «рога» месяца повернуты влево - месяц виден на западе; либо букву «С» (стареет), при этом «рога» месяца повернуты вправо - месяц виден на востоке. В полнолуние Луна в полночь видна на юге.

Поверхность Земли разбита на 24 участка, ограниченных меридианами, - часовыми поясами . Нулевой часовой пояс расположен симметрично относительно гринвичского (нулевого) меридиана; нумерация поясов идет от 0 до 23 с запада на восток. Реальные границы поясов совмещены с административными границами районов, областей или государств. Центральные меридианы часовых поясов отстоят друг от друга ровно на 1 час, поэтому при переходе из одного часового пояса в другой время изменяется на целое число часов, а число минут и секунд не изменяется. Новые календарные сутки (и Новый год ) начинаются на линии перемены даты (демаркационной линии ), проходящей в основном по меридиану 180 восточной долготы вблизи северо-восточной границы Российской Федерации. Западнее линии перемены дат, число месяца всегда на единицу больше, нежели к востоку от нее. При пересечении этой линии с запада на восток календарное число уменьшается на единицу, а при пересечении линии с востока на запад календарное число увеличивается на единицу. Это исключает ошибку в счете времени при кругосветных путешествиях, а также перемещениях из Восточного полушария Земли в Западное.

Декретное время - поясное время, измененное на целое число часов правительственным распоряжением. Для России равно поясному времени, плюс 1 час.

Московское время - декретное время второго часового пояса (плюс 1 час): Tм = T0 + 3 (часа) .

Летнее время - декретное поясное время, изменяемое дополнительно на плюс 1 час по правительственному распоряжению на период летнего времени с целью экономии энергоресурсов.

Вследствие вращения Земли разность между моментами наступления полдня или кульминаций звезд с известными экваториальными координатами в 2 пунктах равна разности географических долгот пунктов, что дает возможность определения долготы данного пункта из астрономических наблюдений Солнца и других светил и, наоборот, местного времени в любом пункте с известной долготой.

Географическая долгота местности отсчитывается к востоку от «нулевого» (гринвичского) меридиана и численно равна промежутку времени между одноименными кульминациями одного и того же светила на гринвичском меридиане и в пункте наблюдения:

где S - звездное время в точке с данной географической широтой, S 0 - звездное время на нулевом меридиане. Выражается в градусах или часах, минутах и секундах.

Для определения географической долготы местности, необходимо определить момент кульминации какого-либо светила (обычно Солнца) с известными экваториальными координатами. Переведя с помощью специальных таблиц или калькулятора время наблюдений из среднего солнечного в звездное, а также и зная по справочнику время кульминации этого светила на гринвичском меридиане, можно определить долготу местности. Для определения момента кульминации достаточно определить высоту (зенитное расстояние) светила в любой точно зафиксированный момент времени.

Задания для обсуждения с учителем (можно на или в видеокомнате)

Почему в повседневной жизни используется солнечное время, а не звездное?

Можно ли сконструировать солнечные часы, которые бы показывали среднее солнечное время, декретное, летнее и т.д.? Подготовьте обоснованные ответы, обсудите ответы с учителем.

Приборы для измерения и хранения времени

Еще в Древнем Вавилоне солнечные сутки были разделены на 24 часа (360: 24 = 15). Позднее каждый час был разделен на 60 минут, а каждая минута на 60 секунд.

Первыми приборами для измерения времени были солнечные часы. Простейшими солнечными часами был гномон - вертикальный шест в центре горизонтальной площадки с делениями. Тень от гномона описывает сложную кривую, зависящую от высоты Солнца и меняющуюся день ото дня в зависимости от положения Солнца на эклиптике, скорость движения тени тоже меняется. Посмотрите на рисунки: углы, соответствующие каждому часу, имеют различную величину.

Точность измерения времени с помощью гномон определялась его высотой: чем выше гномон, тем длиннее отбрасываемая им тень, что повышало точность измерения. Для удобства отсчёта на конце гномона было отверстие, которое было хорошо видно в тени. Повысить точность измерения времени можно было, если найти биссектрису утренней и вечерней тени одинаковой длины: на рассвете и закате скорость изменения длины тени выше и её направление (для заданной длины) устанавливается точнее.

Наклонив площадку так, чтобы шест от гномона был нацелен на полюс мира, получим экваториальные солнечные часы, в которых скорость движения тени равномерна.

Для измерения времени в ночное время и в ненастье изобретены песочные, огненные и водяные часы .

Песочные часы имеют простую конструкцию, могут использоваться в любое время суток и независимо от погоды, отличаются точностью, но громоздки и «заводятся» лишь на короткое время.

Огненные часы представляют собой спираль или палочку из горючего вещества с нанесенными делениями. Недостатки этих часов: низкая точность хода (зависимость скорости горения от состава вещества и погоды) и сложность изготовления.

Это интересно

В Древнем Китае создавались специальные смеси, которые могли гореть длительное время (месяцами) и не требовали постоянного наблюдения.

Древние рудокопы использовали огненные часы, представляющие глиняный сосуд с маслом, которого хватало на 10 часов горения светильника. Рудокоп заканчивал работу, когда масло выгорало.

Водяные часы использовались во многих странах Древнего мира.

Механические часы с гирями и колесами впервые были изобретены в Х-XI вв. В России первые башенные механические часы установил монах Лазарь Серб в Московском Кремле в 1404 г. Маятниковые часы изобрел в 1657 году голландский физик и астроном Х. Гюйгенс.

Это интересно

Отправьтесь в путешествие во времени вместе с Рональдом Топом, посмотрите видеофрагмент «Время. История создания часов. История изобретений».

Нажмите на значок

Календарь . Основные календари

Выделяют три основных типы календарей: лунный , солнечный , лунно-солнечный .

1. Лунный календарь . Возник свыше 30000 лет назад. В основе этого календаря лежит синодический лунный месяц продолжительностью 29,5 средних солнечных суток . Лунный год календаря содержит 354 (355) суток (на 11,25 суток короче солнечного) и делится на 12 месяцев: в каждом нечетном месяце 30 суток, а в четном – 29 суток. Поскольку календарный месяц на 0,0306 суток короче синодического, то за 30 лет разница между ними достигает 11 суток. Выделяют два цикла: 30-летний – арабский (11/30) и 8-ми летний – турецкий (8/3). В арабском 30-ти летнем цикле 19 «простых» лет по 354 суток и 11 «високосных» по 355 суток. В турецком 8-ми летнем цикле 5 «простых» и 3 «високосных» года. Лунный календарь принят в качестве религиозного и государственного во многих мусульманских странах.

2. Солнечный календарь . В основу солнечного календаря положен тропический год (периоды смены времен года). Появившись свыше 6000 лет назад в Древнем Египте, в настоящее время этот календарь принят в качестве мирового календаря.

Юлианский солнечный календарь «старого стиля» содержит 365,25 суток: три «простых» года насчитывают по 365 суток, один високосный – 366 суток. В году 12 месяцев по 30 и 31 день каждый (кроме февраля). Юлианский год отстает от тропического на 11 минут 13,9 секунды в год . За 1500 лет его применения накопилась ошибка в 10 суток.

В григорианском солнечном календаре «нового стиля» продолжительность года составляет 365, 242500 суток. Отличия от юлианского солнечного календаря: счет дней передвинули на 10 суток вперед; новые столетия и тысячелетия начинаются с 1 января «первого» года данного столетия и тысячелетия; каждое столетие, не делящееся на 4 без остатка, не считается високосным. Тем самым исправляется ошибка в 3 суток за каждые 400 лет.

В нашей стране до революции применялся юлианский календарь «старого стиля», ошибка которого к 1917 году составляла 13 суток. В 1918 году в стране был введен принятый во всем мире григорианский календарь "нового стиля" и все даты сдвинулись на 13 суток вперед.

Для любознательных

Посмотрите учебный мультфильм об истории юлианского и григорианского календарей.

Нажмите на значок

Формула для перевода дат юлианского календаря на григорианский:

где
Т Г и Т Ю – даты по григорианскому и юлианскому календарю;
n – целое число дней, С – число полных прошедших столетий;
С 1 – ближайшее число столетий, кратное четырем.

Рассмотрим другие примеры разновидностей солнечных календарей.

Персидский календарь . Разработан Омаром Хайямом в 1079 году; применялся на территории Персии и ряда других государств до середины XIX века. Продолжительность тропического года – 365,24242 суток; 33-летний цикл включает 25 «простых» и 8 «високосных» лет. Значительно точнее григорианского: ошибка в 1 год «набегает» за 4500 лет.

Коптский (Александрийский) календарь: в году - 12 месяцев по 30 суток; после 12 месяца в «простом» году добавляется 5, в «високосном» – 6 дополнительных дней. Используется на территории проживания коптов (Эфиопия, Египет, Судан, Турция и т.д.).

Кроме описанных основных типов календарей, у разных народов были созданы и другие календари, например, восточный, календарь майя, календарь ацтеков, индуистские календари и т.д.

К началу ХХ века рост международных научных, технических и культурно-экономических связей обусловил необходимость создания единого, простого и точного Всемирного календаря. Существующие календари имеют ряд недостатков: недостаточное соответствие продолжительности тропического года и датам астрономических явлений, связанных с движением Солнца по небесной сфере; неравная и непостоянная продолжительность месяцев; несогласованность чисел месяца и дней недели, несоответствия их названий положению в календаре и т.д. Были рассмотрены разнообразные проекты, один из которых в 1954 году был рекомендован к рассмотрению Генеральной Ассамблеей ООН. Однако по религиозным соображениям проект оказался не реализован. Введение единого Всемирного вечного календаря остается одной из проблем современности.

Каждое астрономическое наблюдение должно сопровождаться данными о моменте времени его выполнения. Точность момента времени может быть различной, в зависимости от требований и свойств наблюдаемого явления. Так, например, при обычных наблюдениях метеоров и переменных звезд вполне достаточно знать момент с точностью до минуты. Наблюдения же солнечных затмений, покрытий звезд Луной и в особенности наблюдения за движением искусственных спутников Земли требуют отметки моментов с точностью не меньшей, чем до десятой доли секунды. Точные же астрометрические наблюдения суточного вращения небесной сферы заставляют применять особые способы регистрации моментов времени с точностью до 0,01 и даже 0,005 секунды!

Поэтому одна из основных задач практической астрономии состоит в получении из наблюдений точного времени, хранении его и сообщении данных о времени потребителям.

Для хранения времени астрономы располагают очень точными часами, которые регулярно проверяют, определяя моменты кульминаций звезд при помощи специальных инструментов. Передача же сигналов точного времени по радио позволила им организовать всемирную Службу времени, т. е. связать все обсерватории, занимающиеся наблюдениями такого рода, в одну систему.

В обязанность Служб времени, помимо подачи в эфир сигналов точного времени, входит также передача упрощенных сигналов, которые всем радиослушателям хорошо известны. Это шесть коротких сигналов, «точек», которые подаются перед началом нового часа. Момент последней «точки», с точностью до сотой доли секунды, совпадает с началом нового часа. Любителю астрономии рекомендуется пользоваться этими сигналами для проверки своих часов. Проверяя часы, мы не должны их переводить, так как при этом механизм портите я, а астроном должен беречь свои часы, так как это один из основных его инструментов. Он должен определять «поправку часов» - разность между точным временем и их показаниями. Эти поправки должны систематически определяться и записываться в дневник наблюдателя; их дальнейшее изучение позволит определить ход часов и хорошо их исследовать.

Конечно, желательно иметь в своем распоряжении возможно лучшие часы. Что же надо понимать под термином «хорошие часы»?

Необходимо, чтобы они возможно точнее сохраняли свой ход. Сравним между собой два экземпляра обычных карманных часов:

Положительный знак поправки означает, что для получения точного времени надо к показанию часов прибавить поправку.

В двух половинах таблички приведены записи поправок часов. Вычитая из нижней поправки верхнюю и деля на количество прошедших между определениями суток, мы получаем суточный ход часов. Данные о ходе приведены в той же таблице.

Почему мы назвали одни часы плохими, а другие хорошими? У первых часов поправка близка к нулю, но их ход меняется нерегулярно. У вторых - поправка велика, но ход равномерен. Первые часы пригодны для таких наблюдений, которые не требуют отметки времени точнее, чем до минуты. Интерполировать их показания нельзя, а проверять их надо несколько раз в ночь.

Вторые, «хорошие часы», пригодны для выполнения более сложных наблюдений. Конечно, полезно их проверять чаще, но можно интерполировать их показания для промежуточных моментов. Покажем это на примере. Допустим, что наблюдение сделано 5 ноября в 23 ч. 32 м. 46 с. по нашим часам. Проверка часов, произведенная в 17 часов 4 ноября, дала поправку +2 м. 15 с. Суточный ход, как видно из таблицы, +5,7 с. С 17 часов 4 ноября до момента наблюдения прошли 1 сутки и 6,5 часа или 1,27 суток. Умножая это число на суточный ход, получаем +7,2 с. Поэтому поправка часов в момент наблюдения была равна не 2 м. 15 с., а +2 м. 22 с. Ее мы и прибавляем к моменту наблюдения. Итак, наблюдение произведено 5 ноября в 23 ч. 35 м. 8 с.

Методика проведения 5 урока
"Время и календарь"

Цель урока: формирование системы понятий практической астрометрии о методах и инструментах измерения, счета и хранения времени.

Задачи обучения:
Общеобразовательные : формирование понятий:

Практической астрометрии о: 1) астрономических способах, инструментах и единицах измерения, счета и хранения времени, календарях и летоисчислении; 2) определении географических координат (долготы) местности по данным астрометрических наблюдений;

О космических явлениях: обращении Земли вокруг Солнца, обращении Луны вокруг Земли и вращении Земли вокруг своей оси и об их следствиях - небесных явлениях: восходе, заходе, суточном и годичном видимом движении и кульминациях светил (Солнца, Луны и звезд), смене фаз Луны.

Воспитательные: формирование научного мировоззрения и атеистическое воспитание в ходе знакомства с историей человеческого познания, с основными типами календарей и системами летоисчисления; развенчание суеверий, связанных с понятиями "високосный год" и переводом дат юлианского и григорианского календарей; политехническое и трудовое воспитание при изложении материала о приборах для измерения и хранения времени (часах), календарях и системах летоисчисления и о практических способах применения астрометрических знаний.

Развивающие: формирование умений: решать задачи на расчет времени и дат летоисчисления и перевод времени из одной системы хранения и счета в другую; выполнять упражнения на применение основных формул практической астрометрии; применять подвижную карту звездного неба, справочники и Астрономический календарь для определения положения и условий видимости небесных светил и протекания небесных явлений; определять географические координаты (долготу) местности по данным астрономических наблюдений.

Ученики должны знать:

1) причины повседневно наблюдаемых небесных явлений, порожденных обращением Луны вокруг Земли (смена фаз Луны, видимое движение Луны по небесной сфере);
2) связь продолжительности отдельных космических и небесных явлений с единицами и способами измерения, счета и хранения времени и календарями;
3) единицы измерения времени: эфемеридная секунда; сутки (звездные, истинные и средние солнечные); неделя; месяц (синодический и сидерический); год (звездный и тропический);
4) формулы, выражающие связь времен: всемирного, декретного, местного, летнего;
5) инструменты и способы измерения времени: основные типы часов (солнечные, водяные, огненные, механические, кварцевые, электронные) и правила их использования для измерения и хранения времени;
6) основные типы календарей: лунный, лунно-солнечный, солнечный (юлианский и григорианский) и основы летоисчисления;
7) основные понятия практической астрометрии: принципы определения времени и географических координат местности по данным астрономических наблюдений.
8) астрономические величины: географические координаты родного города; единицы измерения времени: эфемероидную секунду; сутки (звездные и средние солнечные); месяц (синодический и сидерический); год (тропический) и продолжительность года в основных типах календарей (лунном, лунно-солнечном, солнечном юлианском и григорианском); номера часового пояса Москвы и родного города.

Ученики должны уметь :

1) Использовать обобщенный план для изучения космических и небесных явлений.
2) Ориентироваться на местности по Луне.
3) Решать задачи, связанные с переводом единиц измерения времени из одной системы счета в другую по формулам, выражающим связь: а) между звездным и средним солнечным временем; б) Всемирного, декретного, местного, летнего времени и используя карту часовых поясов; в) между различными системами летоисчисления.
4) Решать задачи на определение географических координат места и времени наблюдения.

Наглядные пособия и демонстрации:

Фрагменты кинофильма"Практические применения астрономии".

Фрагменты диафильмов "Видимое движение небесных светил"; "Развитие представлений о Вселенной"; "Как астрономия опровергла религиозные представления о Вселенной".

Приборы и инструменты: географический глобус; карта часовых поясов; гномон и экваториальные солнечные часы, песочные часы, водяные часы (с равномерной и неравномерной шкалой); свеча с делениями как модель огненных часов, механические, кварцевые и электронные часы.

Рисунки, схемы, фотографии: смены фаз Луны, внутреннего устройства и принципа действия механических (маятниковых и пружинных), кварцевых и электронные часов, атомного стандарта времени.

Задание на дом:

1. Изучить материала учебников:
Б.А. Воронцов-Вельяминова : §§ 6 (1), 7.
Е.П. Левитана : § 6; задания 1, 4, 7
А.В. Засова, Э.В. Кононовича : §§ 4(1); 6; упражнение 6.6 (2,3)

2. Выполнить задания из сборника задач Воронцова-Вельяминова Б.А. : 113; 115; 124; 125.

План урока

Методика изложения материала

В начале урока следует провести проверку знаний, приобретенных на трех предыдущих уроках, актуализируя предназначенный к изучению материал вопросами и заданиями в ходе фронтального опроса и беседы с учащимися. Часть учеников выполняет программированные задания, решая задачи, связанные с применением подвижной карты звездного неба (аналогичные задачам заданий 1-3).

Ряд вопросов о причинах небесных явлений, основных линиях и точках небесной сферы, созвездиях, условиях видимости светил и т.д. совпадает с вопросами, задававшимися в начале прошлых уроков. Они дополняются вопросами:

1. Определите понятия "блеск светила" и "звездная величина". Что вы знаете о шкале звездных величин? От чего зависит блеск звезд? Запишите на доске формулу Погсона.

2. Что вы знаете о системе горизонтальных небесных координат? Для чего она применяются? Какие плоскости и линии являются основными в этой системе? Что такое: высота светила? Зенитное расстояние светила? Азимут светила? В чем преимущества и недостатки этой системы небесных координат?

3. Что вы знаете о I экваториальной системе небесных координат? Для чего она применяются? Какие плоскости и линии являются основными в этой системе? Что такое: склонение светила? Полярное расстояние? Часовой угол светила? В чем преимущества и недостатки этой системы небесных координат?

4. Что вы знаете о II экваториальной системе небесных координат? Для чего она применяются? Какие плоскости и линии являются основными в этой системе? Что такое прямое восхождение светила? В чем преимущества и недостатки этой системы небесных координат?

1) Как ориентироваться на местности по Солнцу? По Полярной звезде?
2) Как определить географическую широту местности из астрономических наблюдений?

Соответствующие программируемые задания:

1) Сборник задач Г.П. Субботина , задания NN 46-47; 54-56; 71-72.
2) Сборник задач Е.П. Разбитной , задания NN 4-1; 5-1; 5-6; 5-7.
3) Страут Е.К. : проверочные работы NN 1-2 темы "Практические основы астрономии" (преобразуются в программируемые в результате работы учителя).

На первом этапе урока в форме лекции осуществляется формирование понятий о времени, единицах измерения и счета времени, основанных на продолжительности космических явлений (вращении Земли вокруг своей оси, обращения Луны вокруг Земли и обращения Луны вокруг Солнца), связи между различными "временами" и часовых поясах. Мы считаем необходимым дать ученикам общее понятие о звездном времени.

Нужно обратить внимание учеников:

1. Продолжительность суток и года зависит от того, в какой системе отсчета рассматривается движение Земли (связана ли она с неподвижными звездами, Солнцем и т.д.). Выбор системы отсчета отражается в названии единицы счета времени.

2. Продолжительность единиц счета времени связана с условиями видимости (кульминациями) небесных светил.

3. Введение атомного стандарта времени в науке было обусловлено неравномерностью вращения Земли, обнаруженной при повышении точности часов.

4. Введение поясного времени обусловлено необходимостью согласования хозяйственных мероприятий на территории, определяемой границами часовых поясов. Широко распространенной бытовой ошибкой является отождествление местного времени с декретным временем.

1. Время. Единицы измерения и счета времени

Время - основная физическая величина, характеризующая последовательную смену явлений и состояний материи, длительность их бытия.

Исторически все основные и производные единицы измерения времени определяются на основе астрономических наблюдений за протеканием небесных явлений, обусловленных: вращением Земли вокруг своей оси, вращением Луны вокруг Земли и вращением Земли вокруг Солнца. Для измерения и счета времени в астрометрии пользуются разными системами отсчета, связанными с теми или иными небесными светилами или определенными точками небесной сферы. Наибольшее распространение получили:

1. "Звездное " время, связанное с перемещением звезд на небесной сфере. Измеряется часовым углом точки весеннего равноденствия: S = t ^ ; t = S - a

2. "Солнечное " время, связанное: с видимым движением центра диска Солнца по эклиптике (истинное солнечное время) или движением "среднего Солнца" - воображаемой точки, равномерно перемещающейся по небесному экватору за тот же промежуток времени, что и истинное Солнце (среднее солнечное время).

С введением в 1967 году атомного стандарта времени и Международной системы СИ в физике используется атомная секунда.

Секунда - физическая величина, численно равная 9192631770 периодам излучения, соответствующего переходу между сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133.

Все вышеописанные "времена" согласуются между собой путем специальных расчетов. В повседневной жизни используется среднее солнечное время.

Определение точного времени, его хранение и передача по радио составляют работу Службы Времени, которая существует во всех развитых странах мира, в том числе и в России.

Основной единицей звездного, истинного и среднего солнечного времени являются сутки. Звездные, средние солнечные и иные секунды мы получаем делением соответствующих суток на 86400 (24 h´ 60 m´ 60 s).

Сутки стали первой единицей измерения времени свыше 50000 лет назад.

Сутки - промежуток времени, в течение которого Земля делает один полный оборот вокруг своей оси относительно какого-либо ориентира.

Звездные сутки - период вращения Земли вокруг своей оси относительно неподвижных звезд, определяется как промежуток времени между двумя последовательными верхними кульминациями точки весеннего равноденствия.

Истинные солнечные сутки - период вращения Земли вокруг своей оси относительно центра диска Солнца, определяемый как промежуток времени между двумя последовательными одноименными кульминациями центра диска Солнца.

Ввиду того, что эклиптика наклонена к небесному экватору под углом 23њ 26¢ , а Земля вращается вокруг Солнца по эллиптической (слегка вытянутой) орбите, скорость видимого движения Солнца по небесной сфере и, следовательно, продолжительность истинных солнечных суток будет постоянно изменяться на протяжении года: наиболее быстро вблизи точек равноденствий (март, сентябрь), наиболее медленно вблизи точек солнцестояний (июнь, январь).

Для упрощения расчетов времени в астрономии введено понятие средних солнечных суток - периода вращения Земли вокруг своей оси относительно "среднего Солнца".

Средние солнечные сутки определяются как промежуток времени между двумя последовательными одноименными кульминациями "среднего Солнца".

Средние солнечные сутки на 3 m 55,009 s короче звездных суток.

24 h 00 m 00 s звездного времени равны 23 h 56 m 4,09 s среднего солнечного времени.

Для определенности теоретических расчетов принята эфемеридная (табличная) секунда, равная средней солнечной секунде 0 января 1900 года в 12 часов равнотекущего времени, не связанного с вращением Земли. Около 35000 лет назад люди обратили внимание на периодическое изменение вида Луны - смену лунных фаз. Фаза Ф небесного светила (Луны, планеты и т.д.) определяется отношением наибольшей ширины освещенной части диска d¢ к его диаметру D : . Линия терминатора разделяет темную и светлую часть диска светила.

Рис. 32. Смена фаз Луны

Луна движется вокруг Земли в ту же сторону, в какую Земля вращается вокруг своей оси: с запада на восток. Отображением этого движения является видимое перемещение Луны на фоне звезд навстречу вращению неба. Каждые сутки Луна смещается к востоку на 13њ относительно звезд и за 27,3 суток совершает полный круг. Так была установлена вторая после суток мера времени - месяц (рис. 32).

Сидерический (звездный) лунный месяц - период времени, в течение которого Луна совершает один полный оборот вокруг Земли относительно неподвижных звезд. Равен 27 d 07 h 43 m 11,47 s .

Синодический (календарный) лунный месяц - промежуток времени между двумя одноименными последовательными фазами (обычно новолуниями) Луны. Равен 29 d 12 h 44 m 2,78 s .

Рис. 33. Способы ориентации на местности по Луне

Совокупность явлений видимого движения Луны на фоне звезд и смены фаз Луны позволяет ориентироваться по Луне на местности (рис. 33). Луна появляется узеньким серпиком на западе и исчезает в лучах утренней зари таким же узким серпом на востоке. Мысленно приставим слева к лунному серпу прямую линию. Мы можем прочесть на небе либо букву "Р" - "растет", "рога" месяца повернуты влево - месяц виден на западе; либо букву "С" - "стареет", "рога" месяца повернуты вправо - месяц виден на востоке. В полнолуние Луна в полночь видна на юге.

В результате наблюдений за изменением положения Солнца над горизонтом в течение многих месяцев возникла третья мера времени - год .

Год - промежуток времени, в течение которого Земля делает один полный оборот вокруг Солнца относительно какого-либо ориентира (точки).

Звездный год - сидерический (звездный) период обращения Земли вокруг Солнца, равный 365,256320... средних солнечных суток.

Аномалистический год - промежуток времени между двумя последовательными прохождениями среднего Солнца через точку своей орбиты (обычно, перигелий), равен 365,259641... средних солнечных суток.

Тропический год - промежуток времени между двумя последовательными прохождениями среднего Солнца через точку весеннего равноденствия, равный 365,2422... средних солнечных суток или 365 d 05 h 48 m 46,1 s .

Всемирное время определяется как местное среднее солнечное время на нулевом (Гринвичском) меридиане.

Поверхность Земли разбита на 24 участка, ограниченных меридианами - часовые пояса . Нулевой часовой пояс расположен симметрично относительно нулевого (гринвичского) меридиана. Нумерация поясов дается от 0 до 23 с запада на восток. Реальные границы поясов совмещены с административными границами районов, областей или государств. Центральные меридианы часовых поясов отстоят друг от друга ровно на 15њ (1 час), поэтому при переходе из одного часового пояса в другой время изменяется на целое число часов, а число минут и секунд не изменяется. Новые календарные сутки (и Новый год) начинаются на линии перемены даты (демаркационной линии ), проходящей в основном по меридиану 180њ восточной долготы вблизи северо-восточной границы Российской Федерации. Западнее линии перемены дат число месяца всегда на единицу больше, нежели к востоку от нее. При пересечении этой линии с запада на восток календарное число уменьшается на единицу, а при пересечении линии с востока на запад календарное число увеличивается на единицу, что исключает ошибку в счете времени при кругосветных путешествиях и перемещениях людей из Восточного в Западное полушария Земли.

Поясное время определяется по формуле:
T n = T 0 + n , где Т 0 - всемирное время; n - номер часового пояса.

Декретное время - поясное время, измененное на целое число часов правительственным распоряжением. Для России равно поясному, плюс 1 час.

Московское время - декретное время второго часового пояса (плюс 1 час):
Tм = T 0 + 3 (часа).

Летнее время - декретное поясное время, изменяемое дополнительно на плюс 1 час по правительственному распоряжению на период летнего времени с целью экономии энергоресурсов.

Вследствие вращения Земли разность между моментами наступления полдня или кульминаций звезд с известными экваториальными координатами в 2 пунктах равна разности географических долгот пунктов, что дает возможность определения долготы данного пункта из астрономических наблюдений Солнца и других светил и, наоборот, местного времени в любом пункте с известной долготой.

Географическая долгота местности отсчитывается к востоку от "нулевого" (гринвичского) меридиана и численно равна промежутку времени между одноименными кульминациями одного и того же светила на гринвичском меридиане и в пункте наблюдения: , где S - звездное время в точке с данной географической широтой, S 0 - звездное время на нулевом меридиане. Выражается в градусах или часах, минутах и секундах.

Чтобы определить географическую долготу местности, необходимо определить момент кульминации какого-либо светила (обычно Солнца) с известными экваториальными координатами. Переведя с помощью специальных таблиц или калькулятора время наблюдений из среднего солнечного в звездное и зная по справочнику время кульминации этого светила на гринвичском меридиане, мы без труда определим долготу местности. Единственную сложность вычислений составляет точный перевод единиц времени из одной системы в другую. Момент кульминации можно не "караулить": достаточно определить высоту (зенитное расстояние) светила в любой точно зафиксированный момент времени, но вычисления будут довольно сложными.

На втором этапе урока ученики знакомятся с приборами для измерения, хранения и счета времени – часами. Показания часов служат эталоном, с которым можно сравнивать промежутки времени. Следует внимание учащихся на то, что необходимость в точном определении моментов и промежутков времени стимулировала развитие астрономии и физики: вплоть до середины ХХ века астрономические способы измерения, хранения времени и эталоны времени лежали в основе мировой Службы Времени. Точность хода часов контролировалась астрономическими наблюдениями. В настоящее время развитие физики привело к созданию более точных способов определения и эталонов времени, которые стали использоваться астрономами для исследования явлений, лежавших в основе прежних способов измерения времени.

Материал излагается в виде лекции, сопровождаемой демонстрациями принципа действия и внутреннего устройства часов различного типа.

2. Приборы для измерения и хранения времени

Еще в Древнем Вавилоне солнечные сутки были разделены на 24 часа (360њ : 24 = 15њ ). Позднее каждый час был разделен на 60 минут, а каждая минута на 60 секунд.

Первыми приборами для измерения времени были солнечные часы. Простейшие солнечные часы - гномон - представляют собой вертикальный шест в центре горизонтальной площадки с делениями (рис. 34). Тень от гномона описывает сложную кривую, зависящую от высоты Солнца и меняющуюся день ото дня в зависимости от положения Солнца на эклиптике, скорость движения тени тоже меняется. Солнечные часы не требуют завода, не останавливаются и всегда идут правильно. наклонив площадку так, чтобы шест от гномона был нацелен на полюс мира, мы получим экваториальные солнечные часы, в которых скорость движения тени равномерна (рис. 35).

Рис. 34. Горизонтальные солнечные часы. Углы, соответствующие каждому часу, имеют различную величину и рассчитываются по формуле:, где a - угол между полуденной линией (проекцией небесного меридиана на горизонтальную поверхность) и направлением на числа 6, 8, 10..., указывающих часы; j - широта места; h - часовой угол Солнца (15њ , 30њ , 45њ )

Рис. 35. Экваториальные солнечные часы. Каждому часу на циферблате соответствует угол в 15њ

Для измерения времени в ночное время и в ненастье изобретены песочные, огненные и водяные часы.

Песочные часы отличаются простотой конструкции и точностью, но громоздки и "заводятся" лишь на короткое время.

Огненные часы представляют собой спираль или палочку из горючего вещества с нанесенными делениями. В Древнем Китае создавались смеси, горящие месяцами без постоянного присмотра. Недостатки этих часов: низкая точность хода (зависимость скорости горения от состава вещества и погоды) и сложность изготовления (рис. 36).

Водяные часы (клепсидры) применялись во всех странах Древнего мира (рис. 37 а, б).

Механические часы с гирями и колесами были изобретены в Х-XI веках. В России первые башенные механические часы были установлены в московском Кремле в 1404 году монахом Лазарем Сорбиным. Маятниковые часы изобрел в 1657 году голландский физик и астроном Х. Гюйгенс. Механические часы с пружиной изобрели в XVIII веке. В 30-е годы нашего века изобрели кварцевые часы. В 1954 году в СССР возникла идея создания атомных часов - "Государственного первичного эталона времени и частоты". Они были установлены в научно-исследовательском институте под Москвой и давали случайную ошибку в 1 секунду раз в 500000 лет.

Еще более точный атомный (оптический) стандарт времени был создан в СССР 1978 году. Ошибка в 1 секунду происходит раз в 10000000 лет!

С помощью этих и многих других современных физических приборов удалось с очень высокой точностью определить значения основных и производных единиц измерения времени. Были уточнены многие характеристики видимого и истинного движения космических тел, открыты новые космические явления, в том числе изменения в скорости вращения Земли вокруг своей оси на 0,01-1 секунду в течение года.

3. Календари. Летоисчисление

Календарь - непрерывная система счисления больших промежутков времени, основанная на периодичности явлений природы, особенно отчетливо проявляющейся в небесных явлениях (движении небесных светил). С календарем неразрывно связана вся многовековая история человеческой культуры.

Потребность в календарях возникла в такой глубокой древности, когда человек не умел еще читать и писать. Календари определяли наступление весны, лета, осени и зимы, периоды цветения растений, созревания плодов, сбора лекарственных трав, изменений в поведении и жизни животных, изменения погоды, время земледельческих работ и многое другое. Календари отвечают на вопросы: "Какое сегодня число?", "Какой день недели?", "Когда произошло то или иное событие?" и позволяют регулировать и планировать жизнь и хозяйственную деятельность людей.

Выделяют три основных типы календарей:

1. Лунный календарь , в основе которого лежит синодический лунный месяц продолжительностью 29,5 средних солнечных суток. Возник свыше 30000 лет назад. Лунный год календаря содержит 354 (355) суток (на 11,25 суток короче солнечного) и делится на 12 месяцев по 30 (нечетные) и 29 (четные) суток в каждом (в мусульманском календаре они называются: мухаррам, сафар, раби аль-авваль, раби ас-сани, джумада аль-уля, джумада аль-ахира, раджаб, шаабан, рамадан, шавваль, зуль-каада, зуль-хиджжра). Поскольку календарный месяц на 0,0306 суток короче синодического и за 30 лет разница между ними достигает 11 суток, в арабском лунном календаре в каждом 30-летнем цикле насчитывается 19 "простых" лет по 354 суток и 11 "високосных" по 355 суток (2-й, 5-й, 7-й, 10-й, 13-й, 16-й, 18-й, 21-й, 24-й, 26-й, 29-й годы каждого цикла). Турецкий лунный календарь менее точен: в его 8 –летнем цикле 5 "простых" и 3 "високосных" года. Новогодняя дата не фиксируется (медленно перемещается из года в год): так, 1421 год хиджжры начался 6 апреля 2000 г. и закончится 25 марта 2001 года. Лунный календарь принят в качестве религиозного и государственного в мусульманских государствах Афганистане, Ираке, Иране, Пакистане, ОАР и других. Для планирования и регулирования хозяйственной деятельности параллельно применяются солнечный и лунно-солнечный календари.

2. Солнечный календарь , в основу которого положен тропический год. Возник свыше 6000 лет назад. В настоящее время принят в качестве мирового календаря.

Юлианский солнечный календарь "старого стиля" содержит 365,25 суток. Разработан александрийским астрономом Созигеном, введен императором Юлием Цезарем в Древнем Риме в 46 г. до н.э. и распространился затем по всему миру. На Руси был принят в 988 г. н.э. В юлианском календаре продолжительность года определяется в 365,25 суток; три "простых" года насчитывают по 365 суток, один високосный - 366 суток. В году 12 месяцев по 30 и 31 день каждый (кроме февраля). Юлианский год отстает от тропического на 11 минут 13,9 секунды в год. За 1500 лет его применения накопилась ошибка в 10 суток.

В григорианском солнечном календаре "нового стиля" продолжительность года составляет 365, 242500 суток. В 1582 году юлианский календарь по указу Папы Римского Григория XIII был реформирован в соответствие с проектом итальянского математика Луиджи Лилио Гаралли (1520-1576 гг.). Счет дней передвинули на 10 суток вперед и условились каждое столетие, не делящееся на 4 без остатка: 1700, 1800, 1900, 2100 и т. д. не считать високосным. Тем самым исправляется ошибка в 3 суток за каждые 400 лет. Ошибка в 1 сутки "набегает" за 2735 лет. Новые столетия и тысячелетия начинаются с 1 января "первого" года данного столетия и тысячелетия: так, XXI век и III тысячелетие нашей эры (н.э.) начнется 1 января 2001 года по григорианскому календарю.

В нашей стране до революции применялся юлианский календарь "старого стиля", ошибка которого к 1917 году составляла 13 суток. В 1918 году в стране был введен принятый во всем мире григорианский календарь "нового стиля" и все даты сдвинулись на 13 суток вперед.

Перевод дат юлианского календаря на григорианский календарь осуществляется по формуле: , где Т Г и Т Ю – даты по григорианскому и юлианскому календарю; n – целое число дней, С – число полных прошедших столетий, С 1 - ближайшее число столетий, кратное четырем.

Другими разновидностями солнечных календарей являются:

Персидский календарь, определявший продолжительность тропического года в 365,24242 суток; 33-летний цикл включает в себя 25 "простых" и 8 "високосных" лет. Значительно точнее григорианского: ошибка в 1 год "набегает" за 4500 лет. Разработан Омаром Хайямом в 1079 году; применялся на территории Персии и ряда других государств до середины XIX века.

Коптский календарь похож на юлианский: в году насчитывается 12 месяцев по 30 суток; после 12 месяца в "простом" году добавляется 5, в "високосном" – 6 дополнительных дней. Используется в Эфиопии и некоторых других государствах (Египет, Судан, Турция и т.д.) на территории проживания коптов.

3. Лунно-солнечный календарь , в котором движение Луны согласовывается с годичным движением Солнца. Год состоит из 12 лунных месяцев по 29 и по 30 суток в каждом, к которым для учета движения Солнца периодически добавляются "високосные" годы, содержащие дополнительный 13-й месяц. В результате "простые" годы продолжаются 353, 354, 355 суток, а "високосные" - 383, 384 или 385 суток. Возник в начале I тысячелетия до н.э., применялся в Древнем Китае, Индии, Вавилоне, Иудее, Греции, Риме. В настоящее время принят в Израиле (начало года приходится на разные дни между 6 сентября и 5 октября) и применяется, наряду с государственным, в странах Юго-Восточной Азии (Вьетнаме, Китае и т.д.).

Помимо вышеописанных основных типов календарей были созданы и в некоторых регионах Земли до сих пор применяются календари, учитывающие видимое движение планет на небесной сфере.

Восточный лунно-солнечно-планетный 60-летний календарь основан на периодичности движения Солнца, Луны и планет Юпитера и Сатурна. Возник в начале II тысячелетия до н.э. в Восточной и Юго-Восточной Азии. В настоящее время используется в Китае, Корее, Монголии, Японии и некоторых других странах данного региона.

В 60-летнем цикле современного восточного календаря насчитывается 21912 суток (в первых 12-ти годах содержится 4371 суток; во вторых и четвертых – 4400 и 4401суток; в третьих и в пятых – 4370 суток). В этот промежуток времени укладывается два 30-летних цикла Сатурна (равных сидерическим периодам его обращения Т Сатурна = 29,46 » 30 лет), приблизительно три 19-летних лунно-солнечных цикла, пять 12-летних циклов Юпитера (равных сидерическим периодам его обращения Т Юпитера = 11,86 » 12 лет) и пять 12-летних лунных циклов. Количество дней в году непостоянно и может составлять в "простые" годы 353, 354, 355 суток, в високосные 383, 384, 385 суток. Начало года в разных государствах приходится на различные даты с 13 января по 24 февраля. Текущий 60-летний цикл начался в 1984 году. Данные о сочетании знаков восточного календаря приведены в Приложении.

Центральноамериканский календарь культур индейцев майя и ацтеков применялся в период около 300–1530 гг. н.э. Основан на периодичности движения Солнца, Луны и синодических периодов обращения планет Венеры (584 d) и Марса (780 d). "Длинный" год продолжительностью 360 (365) суток состоял из 18 месяцев по 20 суток в каждом и 5 праздничных дней. Параллельно в культурно-религиозных целях использовался "короткий год" из 260 суток (1/3 синодического периода обращения Марса) делился на 13 месяцев по 20 суток в каждом; "номерные" недели состояли из 13 дней, имевших свой номер и название. Продолжительность тропического года была определена с высочайшей точностью в 365,2420 d (ошибка в 1 сутки на накапливается за 5000 лет!); лунного синодического месяца – 29,53059 d .

К началу ХХ века рост международных научных, технических и культурно-экономических связей обусловил необходимость создания единого, простого и точного Всемирного календаря. Существующие календари имеют многочисленные недостатки в виде: недостаточного соответствия продолжительности тропического года и датам астрономических явлений, связанных с движением Солнца по небесной сфере, неравной и непостоянной продолжительности месяцев, несогласованности чисел месяца и дней недели, несоответствия их названий положению в календаре и т.д. Неточности современного календаря проявляются

Идеальный вечный календарь обладает неизменной структурой, позволяющей быстро и однозначно определять дни недели по любой календарной дате летоисчисления. Одним из наилучших проектов вечных календарей был рекомендован к рассмотрению Генеральной Ассамблеей ООН в 1954 году: при схожести с григорианским календарем он был проще и удобнее. Тропический год делится на 4 квартала по 91 сутки (13 недель). Каждый квартал начинается с воскресения и кончается субботой; состоит из 3 месяцев, в первом месяце 31 сутки, во втором и третьем – 30 суток. В каждом месяце 26 рабочих дней. Первый день года всегда воскресение. Данные по этому проекту приведены в Приложении. Он оказался не реализован по религиозным соображениям. Введение единого Всемирного вечного календаря остается одной из проблем современности.

Начальная дата и последующая система летоисчисления называются эрой . Начальную точку отсчета эры называют ее эпохой .

С древних времен начало определенной эры (известно более 1000 эр в различных государствах различных регионов Земли, в том числе 350 – в Китае и 250 в Японии) и весь ход летоисчисления связывался с важными легендарными, религиозными или (реже) реальными событиями: временем царствования определенных династий и отдельных императоров, войнами, революциями, олимпиадами, основанием городов и государств, "рождением" бога (пророка) или "сотворением мира".

За начало китайской 60-летней цикловой эры принята дата 1-го года царствования императора Хуанди - 2697 г. до н.э.

В Римской империи счет велся от "основания Рима" с 21 апреля 753 г. до н.э. и с дня воцарения императора Диоклетиана 29 августа 284 г. н.э.

В Византийской империи и позднее, по традиции, на Руси – с принятия христианства князем Владимиром Святославовичем (988 г. н.э.) до указа Петра I (1700 г. н.э.) счет лет велся "от сотворения мира": за начало отсчета была принята дата 1 сентября 5508 г. до н.э (первый год "византийской эры"). В Древнем Израиле (Палестине) "сотворение мира" произошло попозже: 7 октября 3761 г. до н.э (первый год "еврейской эры"). Существовали и другие, отличные от наиболее распространенных вышеуказанных эр "от сотворения мира".

Рост культурно-экономических связей и широкое распространение христианской религии на территории Западной и Восточной Европы породили необходимость в унификации систем летоисчисления, единиц измерения и счета времени.

Современное летоисчисление – "наша эра ", "новая эра " (н.э.), "эра от Рождества Христова" (Р.Х .), Anno Domeni (A.D. – "год господа") – ведется от произвольно выбранной даты рождения Иисуса Христа. Поскольку ни в одном историческом документе она не указана, а Евангелия противоречат друг другу, ученый монах Дионисий Малый в 278 г. эры Диоклетиана решил "научно", на основе астрономических данных вычислить дату эпохи. В основу расчетом была положены: 28-летний "солнечный круг" – промежуток времени, за который числа месяцев приходятся точно на те же дни недели, и 19-летний "лунный круг" – промежуток времени, за который одинаковые фазы Луны приходятся на одни и те же дни месяца. Произведение циклов "солнечного" и "лунного" круга с поправкой на 30-летнее время жизни Христа (28 ´ 19S + 30 = 572) дало начальную дату современного летоисчисления. Счет лет согласно эре "от Рождества Христова" "приживался" очень медленно: вплоть до XV века н.э. (т.е. даже 1000 лет спустя) в официальных документах Западной Европы указывалось 2 даты: от сотворения мира и от Рождества Христова (A.D.).

В мусульманском мире за начало летоисчисления принято 16 июля 622 года нашей эры – день "хиджжры" (переселения пророка Мохаммеда из Мекки в Медину).

Перевод дат из "мусульманской" системы летоисчисления Т М в "христианскую" (григорианскую) Т Г можно осуществить по формуле: (лет).

Для удобства астрономических и хронологических расчетов с конца XVI века применяется предложенное Ж. Скалигером летоисчисление юлианского периода (J. D. ). Непрерывный счет дней ведется с 1 января 4713 г. до н.э.

Как на предыдущих уроках, следует поручить ученикам самостоятельно дополнить табл. 6 сведениями об изученных на уроке космических и небесных явлениях. На это отводится не более 3 минут, затем учитель проверяет и корректирует работу школьников. Таблица 6 дополняется сведениями:

Материал закрепляется при решении задач:

Упражнение 4:

1. 1 января солнечные часы показывают 10 часов утра. Какое время показывают в этот момент ваши часы?

2. Определите разницу в показаниях точных часов и хронометра, идущего по звездному времени, спустя 1 год после их одновременного пуска.

3. Определите моменты начала полной фазы лунного затмения 4 апреля 1996 года в Челябинске и в Новосибирске, если по всемирному времени явление произошло в 23 h 36 m .

4. Определите, можно ли наблюдать во Владивостоке затмение (покрытие) Луной Юпитера, если оно произойдет в 1 h 50 m по всемирному времени, а Луна зайдет во Владивостоке в 0 h 30 m по местному летнему времени.

5. Сколько суток содержал 1918 год в РСФСР?

6. Какое наибольшее число воскресений может быть в феврале?

7. Сколько раз в году восходит Солнце?

8. Почему Луна всегда повернута к Земле одной и той же стороной?

9. Капитан корабля измерил в истинный полдень 22 декабря зенитное расстояние Солнца и нашел его равным 66њ 33". Хронометр, идущий по гринвичскому времени, показал в момент наблюдения 11 h 54 m утра. Определите координаты корабля и его положение на карте мира.

10. Каковы географические координаты места, где высота Полярной звезды 64њ 12", а кульминация звезды a Лиры происходит на 4 h 18 m позже, чем в обсерватории Гринвича?

11. Определите географические координаты места, в котором верхняя кульминация звезды a - - дидактика - контрольные работы - задача

Обыкновенные смертные редко задумываются над тем, что такое время. Они узнают его по своим часам, которые проверяются по ТВ или по радио.

Однако там часы тоже надо проверять.

Это делается по сигналам точного времени, передаваемым астрономическими обсерваториями, а те в свою очередь проверяют часы по звездам. В астрономических наблюдениях используется звездное время.

Астрономическое время и часовые пояса

ЗВЕЗДНОЕ ВРЕМЯ

Звездное время, это время, связанное с вращением Земли не по отношению к Солнцу, а по отношению к определенной точке небесной сферы - точке весеннего равноденствия. Период между двумя последовательными кульминациями этой точки составляет звездные сутки, с которыми мы уже давно знакомы.

Итак, звездное время является фундаментом, на котором покоится вся наша система счета времени, хотя многие об этом и не подозревают, так как в основе нашей жизни лежит солнечное время.

СОЛНЕЧНОЕ ВРЕМЯ

Термин солнечное время не совсем точен, так как существуют два солнечных времени: истинное солнечное время и среднее солнечное время. Особым видом последнего является поясное время.

Чтобы понять, что такое поясное время, мы сначала должны узнать, что представляет собой истинное солнечное время.

ИСТИННОЕ СОЛНЕЧНОЕ ВРЕМЯ

Это то время, которое определяется по солнечным часам.

На солнечных часах - полдень, когда Солнце пересекает меридиан. Интервал времени между двумя последовательными прохождениями через меридиан есть истинные солнечные сутки.

ИСТИННЫЕ СОЛНЕЧНЫЕ СУТКИ

Солнечные сутки начинаются и. заканчиваются в полдень. Это простой и естественный способ измерения времени, им пользовались на протяжении многих столетий.

Однако в наш век, когда требуется знать точное время и нужно, чтобы счет времени был равномерным, такой способ хранения времени не годится, так как истинные солнечные сутки имеют разную продолжительность.

Сейчас единица времени - секунда - отсчитывается по промежутку времени, за который происходит 9192631770 колебаний электромагнитного излучения, частота которого равна частоте, которую имеет определенная линия поглощения в спектре атомов цезия.

Такой отсчет секунды значительно точнее, чем вычисление с помощью астрономических наблюдений.

Истинное суточное движение Солнца по небу неравномерно на протяжении года.

Иногда кажется, что Солнце перемещается немного быстрее, иногда - немного медленнее, и интервалы времени между двумя последовательными полуднями различны.

Они могут отличаться почти на целую минуту.

Поэтому если наши часы проверять по Солнцу, их каждый день придется переводить немного вперед или назад в соответствии с положением Солнца, что, несомненно, было бы очень неудобно с практической точки зрения.

Это происходит, в частности, из-за того, что орбита Земли - не правильная окружность, а эллипс, водном из фокусов которого находится Солнце.

Поэтому Земля расположена иногда ближе, а иногда дальше от Солнца. Когда Земля ближе к Солнцу, она движется по орбите быстрее, поэтому кажется, что Солнце движется по небу немного быстрее. Отклонение от окружности невелико - всего около 3%.

В наиболее близкой к Солнцу точке - перигелии (греческое peri - около, Helios - Солнце) - Земля на 5 миллионов километров ближе к Солнцу, чем в афелии (по латыни apo - от), в то время как среднее расстояние до Солнца примерно 150 миллионов километров.

В северном полушарии от весеннего до осеннего равноденствия проходит примерно 186 дней, а с осени до весны - 179 дней (разница около 3%). В нашем полушарии лето приблизительно на неделю длиннее, чем зима.

Кроме того, солнечное время зависит от места наблюдения. Истинный полдень смещается примерно на одну минуту с изменением долготы на каждые четверть градуса. Чтобы избежать первого из этих двух неудобств - неравной длины истинных солнечных суток, астрономы ввели среднее солнечное время.

СРЕДНЕЕ СОЛНЕЧНОЕ ВРЕМЯ

Среднее солнечное время, основой которого являются средние солнечные сутки, т. е. солнечные сутки, усредненные за год.

Именно средние солнечные сутки мы имеем в виду, когда говорим, что звездные сутки на 3 минуты 55,91 секунды короче солнечных (т. е. минут и секунд солнечных суток). В звездных сутках 24 звездных часа, которые, конечно, так же как и звездные минуты и секунды, короче солнечных часов, минут и секунд.

Чтобы сутки кончались не в полдень, а в полночь, было введено гражданское время; оно равно среднему солнечному времени плюс 12 часов. Таким образом, гражданские сутки начинаются и кончаются в полночь.

Так что если ваши часы идут достаточно точно, они указывают время средних гражданских суток, т. е. отсчитывают часы, минуты и секунды средних гражданских суток.

Остается второе неудобство - хотя продолжительность средних солнечных суток постоянна, момент их начала и конца зависит от места наблюдения. Полдень по местному гражданскому времени сдвигается на одну минуту при изменении долготы на четверть градуса.

При такой системе все большие и малые города и селения имели свое местное время и это вызывало бесконечные недоразумения до тех пор, пока повсеместно не ввели поясное время.

Мы отсчитываем наши сутки от полуночи, иначе нам приходилось бы садиться обедать во вторник, а вставать из-за стола в среду.

ПОЯСНОЕ ВРЕМЯ

Это был медленный процесс, начавшийся с международного конгресса в Вашингтоне в 1884 г. и продолжавшийся десятки лет. В результате земной шар разделен на 24 часовых пояса, каждый шириной 15′ по долготе (с незначительными отклонениями, сделанными по практическим соображениям).

От пояса к поясу время меняется точно на один час.

Время в каждом поясе равно среднему гражданскому времени на среднем меридиане пояса. На этом меридиане поясное время совпадает с местным гражданским временем, но у границ пояса, которые находятся на расстоянии 7.5′ от среднего меридиана, поясное и местное время отличаются примерно на 30 минут.

Около восточной границы пояса ваши часы, показывающие поясное время, на 30 минут отстают от местного гражданского времени, а около западной границы - на 30 минут спешат.

Это довольно заметно, если определять время по положению звезд, хотя в других случаях разница не ощутима.

В 1930 г. в СССР было введено декретное время, по которому все часы были переведены на 1 час вперед, т. е. декретное время опережает поясное на 1 час.

Кстати, а древний календарь майя, завершение самого большого цикла которого приходится предположительно на 21 декабря 2012 года, был более точным, чем наш современный календарь.

******

Служба точного времени
Задачи службы точного времени - определить точное время, уметь его сохранить и донести до потребителя. Если представить, что стрелка часов это оптическая ось телескопа, вертикально направленного в небо, то циферблат - это звёзды, одна за другой попадающие в поле зрения этого телескопа. Регистрация моментов прохождения звёзд через визир телескопа - таков общий принцип классического определения астрономического времени. Судя по дошедшим до нас мегалитическим памятникам, самым известным из которых является Стоунхендж в Англии, этот метод визирных засечек с успехом использовался ещё в бронзовом веке. Само название астрономической службы времени теперь устарело. С 1988 года эта служба называется Международная Служба Вращения Земли (International Earth Rotation Service http://hpiers.obspm.fr/eop-pc/).
Классический астрономический способ определения точного времени (Всемирное время, UT) связан с измерением угла поворота любого избранного меридиана Земли относительно "сферы неподвижных звёзд". Избранным, в итоге, оказался Гринвичский меридиан. Однако в России, например, долгое время за нулевой принимался Пулковский меридиан. Фактически любой меридиан, на котором установлен специализированный для регистрации моментов звёздных прохождений телескоп (пассажный инструмент, зенитная труба, астролябия), подходит для решения первой задачи службы точного времени. Но не любая широта является для этого оптимальной, что очевидно, например, ввиду схождения всех меридианов в географических полюсах.
Из способа определения астрономического времени очевидна его связь с определением долгот на Земле и вообще с координатными измерениями. В сущности, это единая задача координатно-временного обеспечения (КВО) . Понятна сложность этой задачи, решение которой длилось много столетий и продолжает оставаться актуальнейшей задачей геодезии, астрономии и геодинамики.
При определении UT астрономическими методами необходимо учитывать:

• что "сферы неподвижных звёзд" не существует, т. е. координаты звёзд ("циферблат" звездных часов, определяющих и точность этих часов) надо постоянно уточнять из наблюдений,
• что ось вращение Земли под влиянием гравитационных сил Солнца, Луны и других планет совершает сложные периодические (прецессионные и нутационные) движения, описываемые рядами из сотен гармоник,
• что наблюдения происходят с поверхности сложно движущейся в пространстве Земли и, следовательно, необходимо учитывать параллактические и аберрационные эффекты,
• что телескопы, на которых производятся наблюдения UT, имеют свои непостоянные погрешности, зависящие, в частности, от климатических условий и определяемые из тех же наблюдений,
• что наблюдения происходят "на дне" атмосферного океана, искажающего истинные координаты звёзд (рефракция) часто трудно учитываемым образом,
• что сама ось вращения "болтается" в теле Земли и это явление также как и ряд приливных эффектов и эффектов, обусловленных атмосферными влияниями на вращение Земли, определяются из самих наблюдений,
• что вращение Земли вокруг своей оси, вплоть до 1956 года служившее эталоном времени, происходит неравномерно, что также определяется из самих наблюдений.

Для точного счета времени необходим эталон. Выбранный эталон - период вращения Земли - оказался не вполне надежным. Солнечные сутки - одна из основных единиц времени, избрана давно. Но скорость вращения Земли меняется на протяжении года, поэтому и применяются средние солнечные сутки, отличающееся от истинных до 11 минут. Из-за неравномерности движения Земли по эклиптике принятые солнечные сутки в 24 часа больше за год на 1 сутки звездных, составляющих 23 час 56 мин 4, 091 сек, в то время средние солнечные 24 час 3 мин 56, 5554 сек.
В 1930-х годах было установлено неравномерное вращение Земли вокруг своей оси. Неравномерность связана в частности: с вековым замедлением вращения Земли вследствие приливного трения от Луны и Солнца; нестационарными процессами внутри Земли. Средние звездные сутки вследствие процессии земной оси на 0,0084 с короче действительного периода вращения Земли. Приливное действие Луны тормозит вращение Земли на 0,0023с за 100 лет. Поэтому понятно, что определение секунды как единицы времени, составляющей 1/86400 часть суток, потребовало уточнения.
1900 год был принят за единицу измерения тропического года (продолжительность между двумя последовательными прохождениями центра Солнца через точку весеннего равноденствия) равного 365,242196 суток, или 365 суток 5 часов 48 минут 48,08 секунд. Через него определена продолжительность секунды =1/31556925,9747 тропического 1900 года.
В октябре 1967г в Париже 13 Генеральная конференция Международного комитета мер и весов определяет продолжительность атомного секунды - промежутка времени, за который совершается 9 192 631 770 колебаний, соответствующих частоте излечения (поглощения) атомом Цезия - 133 при резонансном переходе между двумя сверхтонкими энергетическими уровнями основного состояния атома при отсутствии возмущений от внешних магнитных полей и фиксируется как радиоизлучение с длиной волны около 3,26 см.
Точностью атомных часов - ошибка в 1с за 10000 лет. Погрешность 10-14с.
С 1 января 1972г СССР и многие страны мира перешли на атомный стандарт времени.
Транслируемые по радио сигналы точного времени передаются по атомным часам для точного определения местного времени (т.е географической долготы - местонахождения опорных пунктов, находя моменты кульминации звезд), а также для авиационной и морской навигации.
Первые сигналы точного времени по радио начали передавать станция г. Бостон (США) в 1904г, с 1907г в Германии, с 1910г в Париже (радиостанция Эйфелевой башни). В нашей стране с 1 декабря 1920г Пулковская обсерватория приступила к передачам ритмического сигнала через Петроградскую радиостанцию «Новая Голландия», а с 25 мая 1921г через Московскую Октябрьскую радиостанцию на Ходынке. Организаторами в стране радиотехническую службу времени были Николай Иванович ДНЕПРОВСКИЙ (1887-1944), Александр Павлович Константинов (1895-1937) и Павел Андреевич Азбукин (1882-1970).
Постановлением Совнаркома в 1924г при Пулковской обсерватории организован Междуведомственный комитет службы времени, который с 1928г стал публиковать бюллетени сводных моментов. В 1931г были организованы две новые службы времени в ГАИШ и ЦНИИГАиК и начала регулярную работу служба времени Ташкентской обсерватории.
В марте 1932г проведена первая астрометрическая конференция в Пулковской обсерватории на которой принято решение: о создании службы времени в СССР. В предвоенное время работало 7 служб времени, причем в Пулкове, ГАИШ и Ташкенте велись передачи ритмических сигналов времени по радио.
Наиболее точные часы, используемые службой (хранятся в подвале при постоянном давлении, температуре т.д.) были двухмаятниковые часы Шорта (точность ± 0,001с/сут), Ф.М. Федченко (± 0,0003с/сут), затем стали использовать кварцевые (с их помощью обнаружена неравномерность вращения Земли) до введения атомных часов, которые используются сейчас службой времени. Льюис Эссен (Англия) физик-экспериментатор, создатель кварцевых и атомных часов, в 1955 создал первый атомный стандарт частоты (времени) на пучке атомов цезия, в результате которого через три года возникла служба времени, основанная на атомном стандарте частоты.
По атомным эталоном США, Канады и Германии устанавливается с 1 января 1972г TAI - среднее значение атомного времени, на основе которого создана шкала UTC (универсальное всемирное координатное время), которое от среднего солнечного отличается не более чем на 1 сек (точностью ±0,90 сек). Ежегодно в UTC вводится поправка на 1 сек 31 декабря или 30 июня.
В последней четверти ХХ века для целей определения Всемирного времени использовались уже и внегалактические астрономические объекты - квазары. При этом регистрируется их широкополосный радиосигнал на двух разнесённых на тысячи километров радиотелескопах (радиоинтерферометры со сверхдлинной базой - РСДБ) в синхронизованной шкале атомных стандартах времени и частоты. Помимо этого используются системы, основанные на наблюдениях спутников (GPS - Global Positioning System, ГЛОНАСС - глобальная навигационная спутниковая система и ЛЛС - Лазерная Локация Спутников) и уголковых отражателей, установленных на Луне (Лазерная Локация Луны - ЛЛЛ).
Астрономические понятия
Астрономическое Время. До 1925 года в астрономической практике за начало средних солнечных суток принимали момент верхней кульминации (полдень) среднего солнца. Такое время называлось средним астрономическим или просто астрономическим. В качестве единицы измерения использовалась средняя солнечная секунда. С 1 января 1925 года заменено на всемирное время (UT)
Атомное время (АТ - Atomic Time) введено с 1 января 1964 года. За единицу времени принята атомная секунда, равная промежутку времени, в течение которого совершается 9 192 631 770 колебаний, соответствующих частоте излучения между двумя уровнями сверхтонкой структуры основного состояния атома цезия-133 в отсутствии внешних магнитных полей. Носителями АТ являются более 200 атомных стандартов времени и частоты, расположенных в более чем 30 странах мира. Эти стандарты (часы) постоянно сличаются между собой через систему спутников GPS/ГЛОНАСС, с помощью чего и выводится международная шкала атомного времени (TAI). На основании сличения считается, что шкала TAI не расходится с воображаемыми абсолютно точными часами более чем на 0.1 микросекунды за год. АТ не связано с астрономическим способом определения времени, основанным на измерении скорости вращения Земли, поэтому с течением времени шкалы АТ и UT могут разойтись на значительную величину. Для исключения этого с 1 января 1972 года введено Всемирное координированное время (UTC).
Всемирное время (UT - Universal Time) используется с 1 января 1925 года вместо астрономического времени. Отсчитывается от нижней кульминации среднего солнца на меридиане Гринвича. С 1 января 1956 года определены три шкалы всемирного времени:
UT0 - всемирное время, определяемое на основе непосредственных астрономических наблюдений, т.е. время мгновенного гринвичского меридиана, положение плоскости которого характеризуется мгновенным положением полюсов Земли;
UT1 - время среднего гринвичского меридиана, определяемое средним положением полюсов Земли. Отличается от UT0 поправками на смещение географического полюса вследствие смещения тела Земли относительно оси ее вращения;
UT2 - это "сглаженное" время UT1 с поправками на сезонные изменения угловой скорости вращения Земли.
Всемирное координированное время (UTC). В основе UTC лежит шкала АТ, которая по мере необходимости, но только 1 января или 1 июля, может корректироваться вводом дополнительной отрицательной или положительной секунды так, чтобы разность между UTC и UT1 не превышала 0.8 сек. Шкала времени Российской федерации UTC(SU) воспроизводится Государственным эталоном времени и частоты и согласована со шкалой международного бюро времени UTC. В настоящее время (начало 2005 года) TAI - UTC = 32 секунды. Существует множество сайтов, где можно взять точное время, например, на сервере международной бюро Мер и Весов (BIPM) http://www.bipm.fr/en/scientific/tai/time_server.html .
Звёздные сутки - промежуток времени между двумя последовательными одноименными кульминациями точки весеннего равноденствия на одном и том же меридиане. За начало звёздных суток принят момент её верхней кульминации. Существует истинное и среднее звёздное время в зависимости от выбранной точки весеннего равноденствия. Средние звёздные сутки равны 23 часам.56 минутам 04,0905 секундам среднесолнечных суток.
Истинное солнечное время - неравномерное время, определяемое движением истинного солнца и выражаемое в долях истинных солнечных суток. Неравномерность истинного солнечного времени (уравнение времени) обусловлена 1) наклоном эклиптики к экватору и 2) неравномерностью движения солнца по эклиптике ввиду эксцентриситета орбиты Земли.
Истинные солнечные сутки - промежуток времени между двумя последовательными одноименными кульминациями истинного солнца на одном и том же меридиане. За начало истинных солнечных суток принят момент нижней кульминации (полночь) истинного солнца.
Среднее солнечное время - равномерное время, определяемое движением среднего солнца. Использовалось как эталон равномерного времени с масштабом в одну среднюю солнечную секунду (1/86400 доля средних солнечных суток) до 1956 года.
Средние солнечные сутки - промежуток времени между двумя последовательными одноименными кульминациями среднего солнца на одном и том же меридиане. За начало среднесолнечных суток принят момент нижней кульминации (полночь) среднего солнца.
Среднее (экваториальное) солнце - фиктивная точка на небесной сфере, равномерно движущаяся по экватору со среднегодовой скоростью движения истинного Солнца по эклиптике.
Среднее эклиптическое солнце - фиктивная точка на небесной сфере, равномерно движущаяся по эклиптике со среднегодовой скоростью истинного Солнца. Движение среднего эклиптического солнца по экватору неравномерно.
Точка весеннего равноденствия - та их двух точек пересечения экватора и эклиптики на небесной сфере, которую центр солнца проходит весной. Существуют истинная (движущаяся вследствие прецессии и нутации) и средняя (движущаяся только вследствие прецессии) точки весеннего равноденствия.
Тропический год - промежуток времени между двумя последовательными прохождениями среднего солнца через среднюю точку весеннего равноденствия, равен 365,24219879 среднесолнечных суток или 366,24219879 звёздных суток.
Уравнение времени - разность между истинным солнечным временем и средним солнечным временем. Она достигает +16 минут в начале ноября и -14 минут в средине февраля. Публикуется в Астрономических ежегодниках.
Эфемеридное время (ЕТ - Ephemeris time) - независимая переменная (аргумент) в небесной механике (ньютоновская теория движения небесных тел). Введено с 1 января 1960 года в астрономических ежегодниках как более равномерное, чем Всемирное время, отягощенное долгопериодическими неравномерностями во вращении Земли. Определяется из наблюдения тел солнечной системы (в основном Луны). В качестве единицы измерения принята эфемеридная секунда как 1/31556925,9747 доля тропического года для момента 1900 январь 0, 12 часов ЕТ или, иначе, как 1/86400 доля продолжительности средних солнечных суток для этого же момента.