Кіріспе

Уақытты өлшеу ережесі Уақыт стандарты – уақытты өлшеу ережесі: уақыттың өту жылдамдығы, уақыт мезеттері немесе олардың екеуі де. Қазіргі заманда бірнеше уақыт белгілері ресми түрде стандарттар ретінде мойындалды, ал бұрын олар әдет-ғұрып пен тәжірибе мәселесі болып келді. Уақыт стандартының мысалы – уақыт шкаласы, ол уақыттың бөліністерін өлшеу әдісін анықтайды. Азаматтық уақыт стандарты уақыт аралықтарын да, күндізгі уақытты да белгілеуі мүмкін. Стандартталған уақыт өлшемдері белгілі бір кезеңдердің өзгеруін санау үшін сағаттар арқылы жүзеге асырылады, бұл өзгерістер табиғи құбылыстарға немесе жасанды машиналарға байланысты болуы мүмкін. Тарихи тұрғыдан алғанда, уақыт стандарттары көбінесе Жердің айналу периодына негізделген. 18-шы ғасырдың соңынан 19-шы ғасырға дейін Жердің тәуліктік айналу жылдамдығы тұрақты деп есептелді. 19-шы ғасырда зерттелген, тұтылулардың тіркемелерін қоса алғандағы, бірнеше астрономиялық байқаулар Жердің айналу жылдамдығы біртіндеп баяулап бара жатқанына және сонымен қатар ұсақ ауытқуларға ие екеніне күдік туғызды, бұл 20-шы ғасырдың басында расталды. 1952 жылдан бастап Жердің айналуына негізделген уақыт стандарттары астрономиялық мақсаттар үшін Жердің орбиталық периодына және іс жүзінде Айдың қозғалысына негізделген эфемеридтік уақыт стандартымен ауыстырылды (немесе бастапқыда толықтырылды). 1955 жылы цезий атомдық сағатының ойдағыдай жұмыс істеуі көптеген практикалық мақсаттар үшін ескі және таза астрономиялық уақыт стандарттарын толық немесе ішінара атомдық уақытқа негізделген жаңа уақыт стандарттарымен алмастыруға әкелді. Көптеген уақыт шкалалары үшін секундтың және тәуліктің әртүрлі түрлері негізгі уақыт аралығы ретінде қолданылады. Басқа уақыт аралықтары (минуттар, сағаттар және жылдар) әдетте осы екеуімен байланысты анықталады.

Екінші ұғым

Секундтың үш анықтамасы болған: күндің үлесі, экстраполяцияланған жылдың үлесі және цезий атомдық сағатының микротолқынды жиілігі. Ерте заманда сағаттар секундты дәл өлшеуге жеткіліксіз болды. Механикалық сағаттар ойлап табылғаннан кейін, CGS және МКС бірліктері жүйелері секунды орташа күннің 1/86,400 бөлігі деп анықтады. МКС 1940 жылдары халықаралық тұрақты қабылданды. 1940 жылдардың соңында кварц кристалды осцилляторлар Жердің айналуынан гөрі уақытты дәлірек өлшеуге мүмкіндік берді. Метрологтар Жердің Күнді айналу орбитасының (бір жыл) Жердің өзінің айналуынан әлдеқайда тұрақты екенін білді. Бұл эфемерид уақыты мен тропикалық жылдың анықталуына әкелді, ал эфемерид секунд "1900 жылғы 1 қаңтардағы 12 сағат эфемерид уақытында тропикалық жылдың 1/31,556,925.9747 бөлігі" деп анықталды. Бұл анықтама 1960 жылы Халықаралық бірліктер жүйесінің құрамына енді. Соңғы кезде жақсартылған дәлдікке ие атомдық сағаттар жасалды. 1967 жылдан бері уақыттың SI негізгі бірлігі – SI секунды, ол дәл «цезий-133 атомының негізгі күйінің екі гиперфина деңгейі арасындағы өтуге сәйкес келетін сәулеленудің 9,192,631,770 периодының ұзақтығы» ретінде анықталады (0 К температурада және орташа теңіз деңгейінде). SI секунды – барлық атомдық уақыт шкалаларының негізі, мысалы, үйлестірілген әмбебап уақыт, GPS уақыты, Халықаралық атомдық уақыт және т.б.

Қазіргі уақыт стандарттары

Геоцентрлік координаттық уақыт (ГКУ) – Жер массасының орталығында кеңістіктік бастауы бар координаттық уақыт. ГКУ – теориялық идеал, және кез келген нақты іске асыруда өлшеу қатесі болады. Халықаралық атом уақыты (ТАИ) – физикалық жағынан іске асырылған негізгі уақыт стандарты. ТАИ – Халықаралық салмақтар мен өлшемдер бюросы (BIPM) жасаған және әлемдегі көптеген атомдық сағаттардың біріктірілген деректеріне негізделген, олардың әрқайсысы қоршаған ортаның және релятивистік эффектілерге (ГНСС-тегідей, гравитациялық және жылдамдыққа байланысты) түзетілген. ТАИ тікелей ГКУ-мен байланысты емес, керісінше, Жер уақытының (TT) іске асырылуы болып табылады, бұл теориялық уақыт шкаласы, ГКУ-ді қайта масштабтау арқылы уақыт жылдамдығы шамамен теңіз деңгейіндегі дұрыс уақытқа сәйкес келеді. Универсалды уақыт (UT1) – 0° бойындағы орташа күн уақытының тарихи анықтамасына сәйкес келетін, сызықтық масштабталған Жердің айналу бұрышы (ЖАБ). Жоғары дәлдікте Жердің айналуы ретсіз болады және алыс квазарлардың орналасуынан ұзақ базалық интерферометрия, Айдың лазерлік қашықтығы және жасанды спутниктер, сондай-ақ GPS спутниктік орбиталары арқылы анықталады. Координацияланған әмбебап уақыт (UTC) – UT1-ге жуықтайтын атомдық уақыт шкаласы. UTC, ТАИ-дан секундтардың толық санымен өзгешеленеді. UTC, UT1-ден 0,9 секунд ішінде сақталады, UTC-ге бір секундтық қадамдар қосылып, «секундтық тоқтату» жасалады. Бүгінгі күнге дейін осы қадамдар (және айырмашылық «ТАИ UTC») әрқашан оң болды. Глобалды позициялау жүйесі (GPS) бүкіл әлемге өте дәл уақыт сигналын, сонымен қатар GPS уақытын (GPST) UTC-ге түрлендіру туралы нұсқаулармен бірге таратады. Ол ТАИ-дан тұрақты айырмамен анықталған: GPST = ТАИ – 19 с. GPS уақыт стандарты тәуелсіз сақталады, бірақ UTC уақытымен немесе одан үнемі синхрондалады. Стандартты уақыт немесе азаматтық уақыт, уақыт белдеуінде UTC-ден белгілі бір мөлшерде, әдетте, толық сағаттармен өзгешеленеді. Бұл ауытқу Күннің надир меридианын кесіп өтетін сәтте жаңа күннің басталуын қамтамасыз ету үшін таңдалады. Балама ретінде, айырмашылық тұрақты емес, жылына екі рет, әдетте бір сағатқа өзгереді, қараңыз жазғы уақыт. Юлиан күнінің нөмірі – б.з.д. 4713 жылдың 1 қаңтарындағы Гринвич орталық мердианы бойынша түстен бері өткен күндердің саны. Юлиан күні – бұл Юлиан күнінің нөмірі, содан кейін алдыңғы түстен бері өткен күннің үлесі. Астрономдар үшін ыңғайлы, бұл байқау түнінде күнді жіберіп алудан сақтайды. Өзгертілген Юлиан күні (МЮК) МЮК = ЮК + 2400000.5 ретінде анықталады. Осылайша, МЮК күні түн ортасында, азаматтық күндізгі уақытта басталады. Юлиан күндерін UT1, ТАИ, TT және т.б. түрінде көрсетуге болады, сондықтан дәл қолдану үшін уақыт шкаласын көрсету қажет, мысалы, МЮК 49135.3824 ТАИ. Барицентрлік координаттық уақыт (TCB) – бұл Күн жүйесінің массалық орталығында кеңістіктік бастауы бар координаттық уақыт, ол барицентр деп аталады.

Жердің айналуы бойынша уақыт стандарттары

Көрінетін күн уақыты немесе нағыз күн уақыты күн күніне негізделген, яғни күннің түскі уақыты (нағыз Күннің меридианды кесіп өтуі) мен келесі күннің түскі уақыты аралығындағы мерзімге. Күн күні шамамен 24 сағатқа тең. Жердің Күнді айналатын орбітасы эллипстік болғандықтан және Жер осінің орбита жазықтығына (эклиптикаға) қатысты көлбеулігі болғандықтан, көрінетін күн күні 24 сағаттың орташа мәнінен бірнеше ондаған секундқа жоғары немесе төмен болуы мүмкін. Жинақталғанда, көрінетін күн уақыты мен орташа күн уақыты арасында 16 минутқа дейін айырмашылық туындауы мүмкін (Уақыт теңдеуін қараңыз). Дегенмен, бұл айырмашылықтар бір жыл ішінде өтеді. Жердің дірілдеуі сияқты басқа да бұзылыстар бар, бірақ олар жылына бір секундтан кем. Күндік уақыт – жұлдыздар бойынша уақыт. Сидериялық айналу – Жердің жұлдыздарға қатысты бір толық айналымын жасауына кеткен уақыт, шамамен 23 сағат 56 минут 4 секунд. Орташа күн күні орташа сидериялық күннен 3 минут 56 секундқа ұзақ, яғни орташа сидериялық күннен артық. Астрономияда сидериялық уақыт жұлдыздың аспандағы ең жоғары нүктесіне қашан жететінін болжау үшін қолданылады. Құрлықтағы нақты астрономиялық жұмыстар үшін орташа күн уақытын өлшеу үшін күн уақытын емес, сидериялық уақытты бақылау қалыпты жағдай болды, себебі «тұрақты» жұлдыздарды бақылау Күнді бақылауға қарағанда дәл өлшеніп, түзетуге ыңғайлырақ (рефракция, аберрация, прецессия, нутация және дұрыс қозғалыс үшін түрлі шағын түзетулер жасау қажет болғанымен). Күнді бақылаудың өлшеулердегі дәлдікке қол жеткізуде үлкен қиындықтар тудыратыны мәлім. Бұрын, дәл уақыт сигналдары таратылмаған кезде, әрбір обсерваторияда таңдалған «сағат жұлдыздарының» (жақсы белгілі орны мен қозғалысы бар) меридиандық өтуінің сидериялық уақытын бақылау және осы деректерді жергілікті орташа сидериялық уақытты көрсететін обсерватория сағаттарын түзету үшін пайдалану әдеттегі жұмыс болды. Бірақ қазіргі таңда жергілікті сидериялық уақыт көбінесе компьютер арқылы, уақыт сигналдарына негізделген түрде жасалады. Орташа күн уақыты – теңізде, әсіресе навигациялық мақсаттар үшін қолданылатын уақыт стандарты. Ол көрінетін күн уақытын бақылау және оған түзету (уақыт теңдеуі) қосу арқылы есептеледі. Бұл түзету Жер орбитасының эллипстік пішіні және Жер экваторының және полярлық осьтің эклиптикаға (Жердің Күнді айналатын орбитасының жазықтығы) қатысты көлбеулігінен туындаған күн ұзындығының екі белгілі өзгерісін өтемелейді. Ол әмбебап уақытпен алмастырылды. Гринвич орташа уақыты бастапқыда Корольдік Гринвич обсерваториясында (RGO) жасалған меридиандық бақылауларға негізделген орташа уақыт болды. Бұл обсерваторияның басты меридианы 1884 жылы Халықаралық меридиан конференциясымен Басты меридиан ретінде таңдалды. GMT сол атауымен немесе «Гринвичтегі орташа уақыт» деп аталып, халықаралық уақыт стандарты болып табылды, бірақ қазір бұлай емес. 1928 жылы ол әмбебап уақыт (UT) деп қайта аталды (ішінара астрономиялық күнді түн ортасында бастау тәжірибесінің өзгеруінен туындаған түсініксіздіктерге байланысты, бұл өзгеріс 1925 жылдың 1 қаңтарынан бастап қабылданды). UT1 әлі де Гринвичтегі нақты орташа уақыт болып табылады. Бүгінде GMT уақыт белдеуі болып табылады, бірақ Ұлыбританияда қысқы уақытта заңды уақыт ретінде сақталады (жазғы уақытқа бір сағат қосылады). Бірақ координацияланған әмбебап уақыт (UTC) (әрқашан UT1-ден 0,9 секунд ішінде сақталады) Ұлыбританияда кеңінен қолданылады және GMT атауы көбінесе оны білдіреді. (Гринвич уақыты, әмбебап уақыт, координацияланған әмбебап уақыт және олардың сілтеме берген деректері туралы мақалаларды қараңыз). UT0 және UT2 сияқты әмбебап уақыттың түрлері анықталған, бірақ қазір қолданылмайды.

Планеталық қозғалысты есептеу үшін уақыт стандарттары

Эфемерид уақыты (ET) және оның төменде сипатталған келесі уақыт шкалалары астрономиялық қолданыс үшін арналған, мысалы, планеталық қозғалысты есептеуде, біртектілікті, әсіресе Жердің айналуының бұзылыстарынан құтылуды қамтамасыз ету мақсатында. Бұл стандарттардың кейбіреулері динамикалық уақыт шкалаларының және/немесе координаттық уақыт шкалаларының мысалдары болып табылады. Эфемерид уақыты 1952 жылдан 1976 жылға дейін Халықаралық астрономиялық одақтың ресми уақыт шкаласы стандарты болды; ол Жердің Күнді айналма қозғалысына негізделген динамикалық уақыт шкаласы болды, одан эфемерид секунды тропикалық жылдың анықталған үлесі ретінде алынды. Бұл эфемерид секунды 1956 жылдан 1967 жылға дейін СИ секундының стандарты болды, сондай-ақ цезий атомдық сағатын калибрлеудің көзі болды; оның ұзындығы атомдық уақытқа қатысты қазіргі СИ секундының мөлшеріне шамамен 1010-ның 1 бөлігіне дейін жуықтап келді. Бұл Эфемерид уақыты стандарты релятивистік емес және салыстырмалы координаттық уақыт шкалаларының өсіп келе жатқан қажеттіліктерін қанағаттандырмады. Ол 1960 жылдан 1983 жылға дейін ресми альманахтар мен планеталық эфемеридаларда қолданылды, ал 1984 жылдан бастап ресми альманахтарда сандық интеграцияланған Jet Propulsion Laboratory Development Ephemeris DE200 (JPL релятивистік координаттық уақыт шкаласы Teph негізінде) ауыстырылды. Жер бетіндегі қолданыстар үшін ET-нің ресми алмастырғышы – Жердегі динамикалық уақыт (TDT) болды, ол онымен үзіліссіздікті сақтады. TDT – біртекті атомдық уақыт шкаласы, оның бірлігі – СИ секунды. TDT өзінің жылдамдығы бойынша СИ секундына және Халықаралық атомдық уақытқа (TAI) байланысты, бірақ TAI 1958 жылы құрылған кезде UT-тің нақтыланған нұсқасына шамалы түрде ерікті түрде тең деп анықталғандықтан, TDT TAI-дан 32,184 секундқа ығыстырылды. Бұл ығыстыру Эфемерид уақытынан TDT-ге дейінгі үзіліссіздікті қамтамасыз етті. TDT кейіннен Жер уақыты (TT) ретінде қайта анықталды. Эфемеридаларды есептеу үшін ET орнына Барицентрлік динамикалық уақыт (TDB) ресми түрде ұсынылды. TDB TDT-ге ұқсас, бірақ бағдаршаманы барицентрге жылжытатын релятивистік түзетулерді қамтиды, сондықтан ол барицентрдегі динамикалық уақыт. TDB TT-дан тек периодтық мүшелермен ғана ерекшеленеді. Айырма ең көп дегенде 2 миллисекундқа тең. TDB анықтамасында кемшіліктер табылды (бірақ бұл Teph-ке әсер етпеді), және TDB-нің орнын Барицентрлік координаттық уақыт (TCB) және Геоцентрлік координаттық уақыт (TCG) алды, сондай-ақ TCB-нің нақты тұрақты сызықтық түрлендіруі JPL эфемерид уақыты аргументі Teph болып қайта анықталды. Анықталғандай, TCB (Жер бетінен байқалғанда) барлық ET, Teph және TDT/TT-ге қатысты әртүрлі жылдамдыққа ие; және TCG-ге қатысты да осылай. Қазіргі кезде кеңінен қолданылатын және ресми түрде қолданылатын Күн, Ай және планеталардың эфемеридалары Jet Propulsion Laboratory-да есептелгендер (2003 жылдан бастап DE405-ке дейін жаңартылған), аргумент ретінде Teph қолданылады.