Сидерическое время - Sidereal time

Один из двух известных в мире уцелевших сидерических угловых часов, созданных John Arnold & Son. Ранее он принадлежал сэру Джорджу Шакбург-Эвелину . Он выставлен в Королевской обсерватории, Гринвич , Лондон.

Сидерическое время ( / с д ɪər я əl / sy- ОЛЕНЕЙ -ее-əl ) является хронометраж система, астрономы используют , чтобы определить местонахождение небесных объектов . Использование звездного времени, можно легко указать на телескоп в соответствующих координаты в ночном небе . Короче говоря, звездное время - это «шкала времени, основанная на скорости вращения Земли, измеренной относительно неподвижных звезд ».

Если смотреть из того же места , звезда, видимая в одном месте на небе, будет видна в том же месте другой ночью в то же звездное время. Это похоже на то, как время, измеряемое солнечными часами, можно использовать для определения местоположения Солнца . Так же , как Солнце и Луна , по всей видимости восходит на востоке и наборе на западе из - за вращения Земли, так что звезды. И солнечное время, и звездное время используют закономерность вращения Земли вокруг своей полярной оси: солнечное время следует за Солнцем, в то время как, грубо говоря, звездное время следует за удаленными неподвижными звездами на небесной сфере.

Точнее, звездное время - это угол, измеряемый вдоль небесного экватора , от меридиана наблюдателя до большого круга, который проходит через мартовское равноденствие и оба небесных полюса , и обычно выражается в часах, минутах и ​​секундах. Обычное время на типичных часах измеряет немного более длинный цикл, учитывающий не только осевое вращение Земли, но и ее орбиту вокруг Солнца.

Сидерический день составляет около 86164.0905 секунд (23 ч 56 мин 4.0905 сек или 23,9344696 ч).

( Секунды здесь соответствуют определению SI, и их не следует путать с эфемеридными секундами .)

Марта равноденствия сам прецессирует медленно на запад относительно неподвижных звезд, завершая один оборот примерно за 25800 лет, поэтому неверно названы сидерический день ( «звездное» происходит от латинского Sidus означает «звезда») является 0,0084 секунды короче , чем звездный день , Период вращения Земли относительно неподвижных звезд. Немного более длинный «истинный» сидерический период измеряется как угол вращения Земли (ERA), ранее - угол звезды. Увеличение ERA на 360 ° - это полное вращение Земли.

Поскольку Земля вращается вокруг Солнца один раз в год, звездное время в любом данном месте и времени будет увеличиваться примерно на четыре минуты по сравнению с местным гражданским временем каждые 24 часа, пока, по прошествии года, не пройдет еще один звездный "день" по сравнению с количество прошедших солнечных дней.

Сравнение с солнечным временем

Звездное время против солнечного времени. Вверху слева : далекая звезда (маленькая оранжевая звезда) и Солнце в кульминации на местном меридиане m . В центре : только далекая звезда в кульминации (средний звездный день ). Справа : через несколько минут Солнце снова находится на местном меридиане. Солнечный день завершен.

Солнечное время измеряется видимым суточным движением Солнца, а местный полдень в видимом солнечном времени - это момент, когда Солнце находится точно на юге или севере (в зависимости от широты наблюдателя и сезона). Средний солнечный день (то, что мы обычно измеряем как «день») - это среднее время между местными солнечными полуднями («среднее», поскольку оно незначительно меняется в течение года).

Земля совершает один оборот вокруг своей оси за звездные сутки; за это время он перемещается на небольшое расстояние (около 1 °) по своей орбите вокруг Солнца. Таким образом, после того, как прошел звездный день, Земле все еще нужно немного повернуться, прежде чем Солнце достигнет местного полудня по солнечному времени. Таким образом, средние солнечные сутки почти на 4 минуты длиннее звездных суток.

Звезды находятся так далеко, что движение Земли по ее орбите почти не влияет на их видимое направление (см., Однако, параллакс ), и поэтому они возвращаются в свою наивысшую точку в звездный день.

Еще один способ увидеть эту разницу - заметить, что Солнце, по сравнению со звездами, совершает оборот вокруг Земли один раз в год. Следовательно, солнечных дней в году на один меньше, чем звездных дней. Это делает звездный день примерно365,24/366,24 раз больше продолжительности 24-часового солнечного дня, что дает примерно 23 ч 56 мин 4,1 с (86 164,1 с).

Эффекты прецессии

Вращение Земли - это не просто вращение вокруг оси, которая всегда оставалась бы параллельной самой себе. Сама ось вращения Земли вращается вокруг второй оси, ортогональной земной орбите, и для ее полного вращения требуется около 25 800 лет. Это явление называется прецессией равноденствий . Из-за этой прецессии кажется, что звезды движутся вокруг Земли более сложным образом, чем простое постоянное вращение.

По этой причине, чтобы упростить описание ориентации Земли в астрономии и геодезии , было принято наносить на карту положения звезд на небе в соответствии с прямым восхождением и склонением , которые основаны на системе отсчета, следующей за прецессией Земли, и сохранять трек вращения Земли в звездном времени относительно этого кадра. В этой системе отсчета вращение Земли близко к постоянному, но кажется, что звезды вращаются медленно с периодом около 25 800 лет. Также в этой системе отсчета тропический год , год, связанный с временами года на Земле, представляет собой один оборот Земли вокруг Солнца. Точное определение звездных суток - это время, затрачиваемое на один оборот Земли в этой прецессирующей системе отсчета.

Современные определения

В прошлом время измерялось путем наблюдения за звездами с помощью таких инструментов, как фотографические зенитные трубки и астролябия Данжона , а прохождение звезд через определенные линии синхронизировалось с часами обсерватории. Затем, используя прямое восхождение звезд из звездного каталога, было вычислено время, когда звезда должна была пройти через меридиан обсерватории, и была вычислена поправка ко времени, сохраняемому часами обсерватории. Звездное время был определен таким образом, что в марте равноденствия бы транзит меридиан обсерватории в 0 часов местное звездное время.

Начиная с 1970-х годов, радиоастрономические методы интерферометрии с очень длинной базой (РСДБ) и хронометраж пульсаров обогнали оптические инструменты для наиболее точной астрометрии . Это привело к определению UT1 (среднего солнечного времени на долготе 0 °) с использованием VLBI, новой меры угла вращения Земли и новых определений звездного времени. Эти изменения были введены в действие 1 января 2003 года.

Угол вращения Земли

Угол поворота Земли ( ERA ) измеряет вращение Земли от происхождения на небесного экватора, то Поднебесная Промежуточное Происхождение (КПП), который не имеет мгновенное движение вдоль экватора; Первоначально он назывался невращающейся исходной точкой .

ERA, измеряемое в радианах , связано с UT1 простым линейным полиномом

где t U = JD-J2000 - это юлианская дата UT1 (JD) относительно эпохи J2000 (JD 2451545.0). Линейный коэффициент представляет скорость вращения Земли .

ERA заменяет видимое звездное время по Гринвичу (GAST). Источник на небесном экваторе для GAST, называемый истинным равноденствием , действительно перемещается из-за движения экватора и эклиптики. Отсутствие движения происхождения ЭРА считается существенным преимуществом.

ERA может быть преобразован в другие единицы; например, в Астрономическом альманахе за 2017 год оно выражено в градусах, минутах и ​​секундах.

Например, в Астрономическом альманахе за 2017 год ERA в 0 часов 1 января 2017 года UT1 указано как 100 ° 37 ′ 12,4365 ″.

Средние и кажущиеся разновидности

Фотография циферблата других сохранившихся сидерических угловых часов в Королевской обсерватории в Гринвиче, Англия, сделанная Томасом Томпионом . Циферблат украшен надписью с именем Дж. Флемстида , королевским астрономом , и датой 1691 года.

Хотя ERA предназначена для замены звездного времени, необходимо поддерживать определения звездного времени во время перехода и при работе со старыми данными и документами.

Подобно среднему солнечному времени, каждое место на Земле имеет собственное местное звездное время (LST), зависящее от долготы точки. Поскольку невозможно публиковать таблицы для каждой долготы, в астрономических таблицах используется Гринвичское звездное время (GST), которое является звездным временем на опорном меридиане IERS , менее точно называемом Гринвичским или нулевым меридианом . Есть две разновидности: среднее звездное время, если используются средний экватор и дата равноденствия, и кажущееся звездное время, если используются видимый экватор и равноденствие даты. Прежний игнорирует эффект астрономической нутации в то время как последний включает его. Когда выбор местоположения сочетается с выбором включения или выключения астрономической нутации, получаются сокращения GMST, LMST, GAST и LAST.

Имеют место следующие отношения:

местное среднее звездное время = GMST + восточная долгота
местное видимое звездное время = GAST + восточная долгота

Новые определения среднего по Гринвичу и кажущегося звездного времени (с 2003 г., см. Выше):

где θ - угол вращения Земли, E PREC - накопленная прецессия, а E 0 - уравнение начала координат, которое представляет накопленную прецессию и нутацию. Расчет прецессии и нутации был описан в главе 6 Urban & Seidelmann.

Например, в Астрономическом альманахе за 2017 год ERA в 0 часов 1 января 2017 года UT1 указано как 100 ° 37 ′ 12,4365 ″. GAST составил 6 ч 43 м 20,7 · 109 с. Для GMST часы и минуты были такими же, но секунда была 21.1060.

Связь между солнечным временем и сидерическими временными интервалами

В этих астрономических часах используются циферблаты, показывающие как звездное, так и солнечное время .

Если определенный интервал I измеряется как в среднем солнечном времени (UT1), так и в звездном времени, численное значение будет больше в звездном времени, чем в UT1, потому что звездные дни короче, чем дни UT1. Соотношение:

где t представляет количество юлианских веков, прошедших с полудня 1 января 2000 года по земному времени .

Сидерические дни по сравнению с солнечными днями на других планетах

Из восьми солнечных планет все, кроме Венеры и Урана, имеют прямое вращение, то есть они вращаются более одного раза в год в том же направлении, что и вокруг Солнца, поэтому Солнце восходит на востоке. Однако Венера и Уран имеют ретроградное вращение. Для прямого вращения формула, связывающая длины звездных и солнечных дней, следующая:

количество звездных дней на орбитальный период = 1 + количество солнечных дней на орбитальный период

или, что то же самое:

продолжительность солнечного дня = длина звездного дня/1 - длина звездного дня/орбитальный период.

Но учтите, что при вычислении формулы ретроградного вращения оператором знаменателя будет знак плюс. Потому что орбита будет вращаться вокруг объекта в противоположном направлении.

Если планета вращается в прямом направлении и звездные сутки в точности равны орбитальному периоду, то приведенная выше формула дает бесконечно длинные солнечные сутки ( деление на ноль ). Это случай синхронного вращения планеты ; одно полушарие переживает вечный день, другое - вечную ночь, и их разделяет «пояс сумерек».

Все солнечные планеты, более удаленные от Солнца, чем Земля, похожи на Землю в том смысле, что, поскольку они совершают много оборотов за один оборот вокруг Солнца, существует лишь небольшая разница между продолжительностью звездных суток и продолжительностью солнечных суток - отношение первых ко вторым никогда не бывает меньше земного, равного 0,997. Но с Меркурием и Венерой дело обстоит иначе . Сидерический день Меркурия составляет около двух третей его орбитального периода, поэтому по формуле прямого действия его солнечный день длится два оборота вокруг Солнца - в три раза дольше, чем его звездные сутки. Венера вращается ретроградно с сидерическими днями продолжительностью около 243,0 земных суток, что примерно в 1,08 раза больше ее орбитального периода, составляющего 224,7 земных суток; следовательно, по ретроградной формуле его солнечные сутки составляют около 116,8 земных суток, а на орбитальный период приходится около 1,9 солнечных суток.

По соглашению периоды вращения планет даны в звездных единицах, если не указано иное.

Смотрите также

Примечания

Цитаты

использованная литература

  • Астрономический альманах на 2017 год . Вашингтон и Тонтон: Типография правительства США и Гидрографическая служба Великобритании. 2016. ISBN. 978-0-7077-41666.
  • Бакич, Майкл Э. (2000). Кембриджский планетарный справочник . Издательство Кембриджского университета. ISBN 0-521-63280-3.
  • «Угол вращения Земли» . Международная служба вращения Земли и системы отсчета . 2013 . Проверено 20 марта 2018 года .
  • Пояснительное приложение к эфемеридам . Лондон: Канцелярия Ее Величества. 1961 г.
  • «Время и частота от А до Я, С до Так» . Национальный институт стандартов и технологий.
  • Урбан, Шон Э .; Зайдельманн, П. Кеннет, ред. (2013). Пояснительное приложение к астрономическому альманаху (3-е изд.). Милл-Вэлли, Калифорния: Университетские научные книги. ISBN 1-891389-85-8.

внешние ссылки