Шкалы времени
Этот калькулятор поможет узнать разницу различных видов времени: среднее солнечное, истинное солнечное, стандартное, универсальное или динамическое время.
Современные научные достижения позволяют измерить процессы, время протекания которых, составляет мельчайшие доли секунды с высокой точностью. Физики из университета Гете во Франкфурте, недавно установили, что фотону требуется 247 зептосекунд (10–21 секунды), чтобы пройти через молекулу водорода1.
Эталон современной секунды привязан к периодическим процессам, происходящим в атоме цезия. Для современной науки, время откладываемое на атомной шкале времени - явление обыденное. В прошлом таких точных приборов и таких глубоких познаний у людей не было. Для исчисления времени приходилось довольствоваться более доступными в природе периодическими процессами, например, смена дня и ночи или период обращения Земли вокруг Солнца. Точность этих шкал времени даже сейчас вполне достаточна для решения большого числа задач. Наш калькулятор позволят перевести значение времени из одной временной шкалы в другую.
Об истории исчисления времени и временных шкалах, используемых в калькуляторе пойдет речь в статье ниже.
Шкалы времени
Единицы времени.
Когда-то казалось, что нет ничего стабильнее для измерения времени, чем регулярная смена дня и ночи. Каждое утро солнце восходит на востоке и заходит на западе, это периодическое явление использовалось для определения времени в течение дня при помощи солнечных часов. Тень отбрасываемая вертикальным длинным предметом меняла свою длину и направление, отражая течение дня. Шкалу солнечных часов разбили на 12 делений, каждое из которых отражало приблизительно равный промежуток дня - час. Почему именно 12? Никто точно не знает, слишком давно это было. Однако число 12 примечательно тем, что его можно поделить нацело многими разными способами. Например, поделив на 2, получаем первую и вторую половину дня, по 6 часов каждая. Поделив на 3 получаем утро, день и вечер - каждый промежуток по 4 часа. 12 без остатка можно поделить еще на 4 и на 6. Число 12 - для деления гораздо лучше, чем 10, у которого из делителей только 2 да 5.
Чтобы ориентироваться во времени еще точнее, час пришлось поделить еще. Так появились минуты и секунды. И даже какое-то время использовались доли секунды - терции, которых было в секунде тоже 60. Почему их 60, известно вполне достоверно. Шестидесятеричная система счисления - одна из самых старых на земле, к тому же она была очень популярна у древних астрономов, которым первым потребовалось отмерять точные промежутки времени. Эта система успешно применялась не одно тысячелетие. Но, к моменту, когда секунда стала слишком велика для точного замера коротких промежутков времени, шестидесятеричная система уже давно вышла из моды и на смену ей пришла десятичная. Поэтому миллисекунды, микросекунды и прочие мельчайшие доли времени сейчас отсчитываются в десятичной системе.
Истинное солнечное время, Local Apparent Time (LAT)
Принцип работы солнечных часов основан на направлении тени, отбрасываемой вертикальным предметом - гномоном. В полдень тень исчезает, либо показывает направление строго с севера на юг, в остальное время угол наклона тени постепенно меняется. Разметив циферблат солнечных часов определенным образом, по положению тени гномона можно узнавать текущее время. Самые древние солнечные часы, найденные в Долине Королей, Египет, относят к периоду 13 в. до н.э. Еще более древние сооружения - обелиски Древнего Египта (3 тысячелетие до н.э.) также считают первыми гномонами, отмечавшими определенные периоды дня.2
Местное истинное солнечное время LAТ равно геоцентрическому часовому углу центра видимого диска Солнца t, отсчитываемому относительно меридиана места наблюдения, плюс 12часов3.
Среднее солнечное время, Local Mean Time (LMT)
Солнечные часы не работают в плохую погоду, когда солнца не видно, или в темное время суток. Нельзя сказать, что это сильно беспокоило, большинство людей тысячелетия назад. Им не надо было успевать в университет ровно к 9:30 или на работу к 8:15. Активная деятельность попросту начиналась не ранее, чем наступит рассвет и завершалась где-то до захода солнца.
Точные промежутки времени, вне зависимости от погоды, требовалось измерять исключительно узкому кругу людей, например астрономам. Одним из самых древних таких устройств, были водяные часы, основанные на принципе равномерного истечения или поступления жидкости. Судя по самой древней находке (клепсидра из Карнаки, эпоха фараона Аменхотепа III 1379–1342 до н.э.), водяные часы начали использоваться так же давно, как и солнечные. Хорошо известна фраза - "Время истекло", так вот это напрямую связано с водяными часами. Клепсидра представляла собой чашу с узким отверстием у основания, из которого постепенно вытекала вода. Сравнивая уровень воды с отметками на внутренней поверхности можно было судить об истекшем времени.
В 13-м веке нашей эры появились первые механические часы. Часы измеряли время независимо от наличия солнца на небосводе. Однако подстройка часов долгое время осуществлялась по солнцу. Поэтому механические часы в то время показывали местное солнечное время. Первые часы не отличались точностью хода. Но даже по ним можно было понять, что полдень отмеряемый механическими часами, в большинстве дней в году не совпадает с полуднем, по солнечным часам.
Величина отклонения времени полудня отсчитанного по равномерно идущим часам от полудня по солнечным часам не постоянна, она меняется в течение года и в максимуме может достигать 16 минут. Явление было известно еще Гиппарху (2 в до н.э.). Чтобы отличать "плавающее" время, показываемое солнечными часами от равномерного, пришлось дать им отдельные названия. Первое получило название истинное солнечное время, а второе - среднее солнечное время. На самом деле среднее солнечное время, которое сейчас могут точно измерить любые дешевые часы, долгое время невозможно было чем то измерить (вплоть до появления механических часов). Среднее солнечное время можно было только вычислить математическими методами зная уравнение времени. Среднее солнечное время, LMT, значение уравнения времени на данный момент времени EoT(t) и истинное солнечное время LAT связаны между собой соотношением:
Британская Научная Ассоциация в 1862 году постановила, что "Все учёные согласились употреблять секунду среднего солнечного времени как единицу времени". Определение секунды как 1/86400 средних солнечных суток с тех пор прижилось, вошло в системы единиц измерения СГС и МКС и просуществовало до середины 20 века.
Стандартное (поясное) время, Standard Time (ST), необходимость введения
Стоит заметить, что при перемещении на восток на 1 градус, показания солнечных часов будут опережать показания в текущей точке на 4 минуты: 24*60/360=4. Таким образом солнечные часы показывают солнечное время для конкретной долготы на Земле. При разнице долготы между двумя пунктами в 15 градусов показания солнечных часов будут различаться на один час. Даже после изобретения механических часов, идущих стабильно и равномерно, долгое время все часы в каждом городе выставлялись по солнцу, т.е. они отображали среднее солнечное время для данной местности. Таким образом время в соседних городах различалось тем сильнее, чем больше разница долготы. Когда перемещение между городами было редким и неспешным, а часы были не столь точными - это не доставляло никаких хлопот.
Но с развитием быстрого транспортного сообщения, проблема приобрела серьезный характер. Первыми к осознанию ситуации в 40-х годах 19 века пришли английские железнодорожные компании - было проще принять единое время по всей стране, чем объяснять каждому пассажиру, что его часы нужно подстраивать сразу по приезду в другой город. Поэтому все часы в регионе стали выставлять по единому Лондонскому времени, которое соответствовало среднему солнечному времени на долготе Гринвичской обсерватории. Cтандартное время для этого меридиана получило название Greenwich Mean Time (GMT).Таким образом время во всей Британии стало единым и незначительно отличалось от местного солнечного времени в любой точке страны, ввиду небольшой ее протяженности с запада на восток.
Всемирное время, Universal Time (UT)
В других странах были предложения избрать собственные меридианы для отсчета стандартного времени, но к счастью представители ученого мира разных стран смогли договориться и избрали Гринвичский меридиан в качестве опорной точки для отсчета времени повсеместно.
Всемирная меридианная конференция, проведенная в Вашингтоне с целью унификации нулевого меридиана в 1884-м году выбрала меридиан Гринвичской обсерватории в качестве единого нулевого меридиана и рекомендовала использовать время на нулевом меридиане, как единую точку отсчета времени везде, где это будет удобным. Международный астрономический союз в начале 20 века предлагает использовать название Всемирное время (Universal Time, UT) вместо ранее использовавшегося Гринвичского среднего времени, GMT для обозначения среднего солнечного времени на нулевом меридиане с началом суток в полночь.
Эфемеридное время, Ephemeris Time (ET)
Всемирное время основывается на вращении Земли. Однако точные астрономические наблюдения показали, что вращение Земли неравномерно вследствие изменения угловой скорости вращения и движения полюса (изменение положения оси вращения). В качестве новой, более точной шкалы времени было предложено использовать шкалу, основанную на периодическом движении тел в Солнечной системе. Такая шкала получила название эфемеридное временя (ET). Соответственно новое определение секунды 1952-го года было следующим: 1/31 556 925,9747 доля тропического года для 1 января 1900 в 12 часов эфемеридного времени. Эфемеридное время может быть выражено через всемирное следующим образом:
значения ΔT приводятся в астрономических ежегодниках.
Международное атомное время, International Atomic Time (TAI)
С изобретением атомных часов человечество получило наиболее стабильный способ измерения времени. С 1967 года от эфемеридного времени перешли ко времени, которое отсчитывается атомными часами. Секунду атомного времени постарались сделать точно такой же длины, как в эфемеридной шкале, но выразили ее определение в других терминах: Секунда есть время, равное 9 192 631 770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133. На первое января 1958 года атомное время соответствовало всемирному. В этот момент сдвиг эфемеридного времени (ET) составил 32,184 c к всемирному.
Соответственно TAI выражается через ET так:
Всемирное координированное время, Coordinated Universal Time (UTC)
Традиционный способ измерения времени по вращению Земли привычен всем, но не стабилен, ввиду неравномерности вращения Земли. Атомное время стабильно, но спустя годы заметно расходится с всемирным. Чтобы получить стабильное время, привязанное к смене дня и ночи на Земле решили создать шкалу, единицей которой будет стабильная атомная секунда, но изредка будет добавляться 61-я секунда (или удаляться 60-я), таким образом, чтобы разница между данным временем и всемирным не превышала 0.9 секунды. Время получило название всемирного координированного UTC.
Международная служба вращения земли (МСВЗ) ежедневно публикует разницу между всемирным и координированным временем ΔUT, а также список и даты введения добавочных секунд.
Существует несколько версий всемирного времени. МСВЗ публикует разницу ΔUT1 между временем UT1 и UTC . UT1 на данный момент основная версия всемирного времени, значение которого определяется по удаленным квазарам методом радиоинтерферометрии со сверхдлинными базами (РСДБ).
Соответственно
Почти вышли из употребления другие версии всемирного времени: UT0 и UT2.
UT0 - было исходным показателем UT, основанным на наблюдениях в определенной обсерватории. UT0 не учитывает эффекта смещения полюса, что означает, что разные станции наблюдения будут получать разные значения. С 80-х годов прошлого века значение UT0 перестало отслеживаться всеми обсерваториями. В нашем калькуляторе значение UT0 выводится из соотношения:
UT1= UT0−(xp sin λ + yp cos λ ) tan ϕ
где xp, yp - координаты мгновенного полюса относительно условного международного начала, ϕ, λ — координаты пункта наблюдений3
UT2 - всемирное время без учета сезонных годовых колебаний вращения Земли. Вычисляется по формуле:
UT2 = UT1+0,0220 sin2πθ − 0,0120 cos 2πθ − 0,0060 sin 4πθ + 0,0070 cos 4πθ,
где θ = 2000,0+ (JD − 2451544, 533)/365, 2422, JD - юлианская дата наблюдения3
Поясное время, Standard Time (ST)
После всемирной меридианной конференции в большинстве стран начали использовать время на нулевом меридиане (всемирное время), как опорное время для определения собственного стандартного времени. В настоящем поясное время определяется как смещение относительно всемирного координированного времени (UTC). Как правило стандартное время в стране отличается от UTC на целое число часов. Но есть и исключения, например, стандартное время в Непале отличается от UTC на 5:45. Теоретически, часовой пояс меняется каждые 15 градусов на запад или восток, но на практике границы часовых зон определяются границами стран или административных единиц в странах с большой протяженностью. Протяженные с запада на восток страны, такие как Россия или США имеют несколько часовых поясов, чтобы стандартное время в отдаленных уголках страны не так уж сильно отличалось от местного солнечного. Данный калькулятор использует исторические данные о часовых зонах из базы данных часовых зон, которая кроме поясного времени содержит также данные о применении Летнее время.
-
Sven Grundmann,Daniel Trabert, Kilian Fehre, Nico Strenger, Andreas Pier, Leon Kaiser,Max Kircher, Miriam Weller, Sebastian Eckart,Ph. H. Schmidt,Florian Trinter, Till Jahnke, Markus S. Schöffler, Reinhard Dörner. Zeptosecond birth time delay in molecular photoionization Science 16 октября 2020, том. 370, выпуск 6514, стр. 339-341 ↩
-
Пипуныров В. Н. История часов с древнейших времен до наших дней. М.: Наука, 1982. ↩
-
В. А. Жаров, Сферическая астрономия, Фрязино, 2006, пар. 4.1 ↩ ↩ ↩
Комментарии