Введение
Сидереальное время (англ. sidereal time, произносится /s//aɪ/'/d//ɪər//i//əl//, //s//ə// / syDEEReeəl, sə) — система измерения времени, используемая особенно астрономами. Используя сидереальное время и небесную систему координат, легко определить положение небесных объектов в ночном небе. Сидерическое время — это «масштаб времени, основанный на скорости вращения Земли, измеряемой относительно неподвижных звезд». Звезда, увиденная в одном положении на небе, будет видна в том же положении в другую ночь в то же время дня (или ночи), если день определяется как звездный день (также известный как период звездного вращения). Это похоже на то, как время, отслеживаемое солнечными часами (солнечное время), может быть использовано для определения местоположения Солнца. Как Солнце и Луна, кажется, восходят на востоке и заходят на западе из-за вращения Земли, так же и звезды. Как солнечное, так и сидереальное время используют регулярность вращения Земли вокруг своей полярной оси: солнечное время рассчитывается в соответствии с положением Солнца на небе, в то время как сидереальное время основывается примерно на положении неподвижных звезд на теоретической небесной сфере. Более точно, сидереальное время — это угол, измеряемый вдоль небесного экватора, от меридиана наблюдателя до большого круга, который проходит через мартовское равноденствие (весеннее равноденствие северного полушария) и оба небесных полюса, и обычно выражается в часах, минутах и секундах. (В контексте сидереального времени «мартовское равноденствие» или «равноденствие» или «первая точка Овна» в настоящее время является направлением от центра Земли вдоль линии, образованной пересечением земного экватора и орбиты Земли вокруг Солнца, в сторону созвездия Рыб; в древние времена это было в сторону созвездия Овна). Обычное время на типичных часах (используя среднее солнечное время) измеряет немного более длительный цикл, на который влияет не только осевое вращение Земли, но и орбита Земли вокруг Солнца. Мартовское равноденствие медленно прецессирует на запад относительно неподвижных звезд, завершая один оборот примерно за 25 800 лет, поэтому ошибочно названный «сидерийный» день («сидерийный» происходит от латинского sidus, означающего «звезда») на 0,0084 секунды короче, чем звездный день, фактический период вращения Земли относительно неподвижных звезд. Немного более длительный звездный период измеряется как угол вращения Земли (ERA), ранее — звездный угол. Увеличение на 360° в ERA — это полный оборот Земли. Сидереальный день на Земле длится приблизительно 86164.0905 секунд (23 ч 56 мин 4.0905 с или 23.9344696 ч). (Секунды определяются в соответствии с Международной системой единиц и не следует путать с эфемеридными секундами.) Каждый день сидереальное время в любом месте и времени будет примерно на четыре минуты короче местного гражданского времени (которое основывается на солнечном времени), так что в течение полного года число сидереальных «дней» на один больше, чем число солнечных дней.
Sidereal time ("sidereal" pronounced /s//aɪ/'/d//ɪər//i//əl//, //s//ə// / syDEEReeəl, sə ) is a system of timekeeping used especially by astronomers. Using sidereal time and the celestial coordinate system, it is easy to locate the positions of celestial objects in the night sky. Sidereal time is a "time scale that is based on Earth's rate of rotation measured relative to the fixed stars". Viewed from the same location, a star seen at one position in the sky will be seen at the same position on another night at the same time of day (or night), if the day is defined as a sidereal day (also known as the sidereal rotation period). This is similar to how the time kept by a sundial (Solar time) can be used to find the location of the Sun. Just as the Sun and Moon appear to rise in the east and set in the west due to the rotation of Earth, so do the stars. Both solar time and sidereal time make use of the regularity of Earth's rotation about its polar axis: solar time is reckoned according to the position of the Sun in the sky while sidereal time is based approximately on the position of the fixed stars on the theoretical celestial sphere. More exactly, sidereal time is the angle, measured along the celestial equator, from the observer's meridian to the great circle that passes through the March equinox (the northern hemisphere's vernal equinox) and both celestial poles, and is usually expressed in hours, minutes, and seconds. (In the context of sidereal time, "March equinox" or "equinox" or "first point of Aries" is currently a direction, from the center of the Earth along the line formed by the intersection of the Earth's equator and the Earth's orbit around the Sun, toward the constellation Pisces during ancient times it was toward the constellation Aries). Common time on a typical clock (using mean Solar time) measures a slightly longer cycle, affected not only by Earth's axial rotation but also by Earth's orbit around the Sun. The March equinox itself precesses slowly westward relative to the fixed stars, completing one revolution in about 25,800 years, so the misnamed "sidereal" day ("sidereal" is derived from the Latin sidus meaning "star") is 0.0084 second shorter than the stellar day, Earth's actual period of rotation relative to the fixed stars. The slightly longer stellar period is measured as the Earth rotation angle (ERA), formerly the stellar angle. An increase of 360° in the ERA is a full rotation of the Earth. A sidereal day on Earth is approximately 86164.0905 seconds (23 h 56 min 4.0905 s or 23.9344696 h). (Seconds are defined as per International System of Units and are not to be confused with ephemeris seconds.) Each day, the sidereal time at any given place and time will be about four minutes shorter than local civil time (which is based on solar time), so that for a complete year the number of sidereal "days" is one more than the number of solar days.
Сравнение с солнечным временем
Солнечное время измеряется по видимому суточному движению Солнца. Местный полдень по солнечному времени – это момент, когда Солнце находится точно на юге или севере (в зависимости от широты наблюдателя и времени года). Средние солнечные сутки (то, что мы обычно измеряем как "день") – это среднее время между местными солнечными полуднями ("среднее", поскольку это значение немного меняется в течение года). Земля совершает один оборот вокруг своей оси за каждые звездные сутки; за это время она проходит небольшое расстояние (около 1°) по своей орбите вокруг Солнца. Поэтому, после прохождения звездных суток, Земле требуется еще немного времени для вращения, прежде чем Солнце достигнет местного полудня по солнечному времени. Следовательно, средние солнечные сутки примерно на 4 минуты длиннее звездных суток. Звезды находятся на таком большом расстоянии, что движение Земли по орбите практически не влияет на их видимое направление (за исключением ближайших звезд при измерении с высокой точностью; см. параллакс), и поэтому они возвращаются в свою высшую точку в одно и то же время каждые звездные сутки. Другой способ понять эту разницу – заметить, что, относительно звезд, как видно с Земли, положение Солнца в одно и то же время каждый день, кажется, совершает оборот вокруг Земли один раз в год. Год содержит около 365,24 солнечных суток, но 366,24 звездных суток. Таким образом, солнечных суток в году меньше, чем звездных, что аналогично наблюдению парадокса вращения монеты. Это делает звездные сутки примерно в 1,0027 раза длиннее 24-часовых солнечных суток.
Эффекты прецессии
Вращение Земли – это не просто вращение вокруг оси, которая всегда остается параллельной самой себе. Сама ось вращения Земли вращается вокруг второй оси, ортогональной плоскости орбиты Земли, и для совершения полного оборота требуется около 25 800 лет. Это явление называется прецессией равноденствий. Из-за этой прецессии звезды кажутся движущимися вокруг Земли более сложным образом, чем при простом равномерном вращении. По этой причине, для упрощения описания ориентации Земли в астрономии и геодезии, стало общепринятым определять положение звезд на небе с помощью прямого восхождения и склонения, основанных на системе отсчета, которая следует за прецессией Земли, а также отслеживать вращение Земли посредством звездного времени относительно этой системы. (Традиционная система отсчета, используемая для звездных каталогов, была заменена в 1998 году Международной небесной системой отсчета, которая фиксирована относительно внегалактических радиоисточников. Благодаря огромным расстояниям, эти источники не имеют заметного собственного движения.) В этой системе отсчета вращение Земли близко к постоянному, но звезды кажутся вращающимися медленно с периодом около 25 800 лет. Также в этой системе отсчета тропический год (или солнечный год), год, связанный со сменой времен года на Земле, представляет собой один оборот Земли вокруг Солнца. Точное определение звездного дня – это время, необходимое для одного оборота Земли в этой прецессирующей системе отсчета.
Современные определения
В прошлом время измерялось путем наблюдения за звездами с использованием таких инструментов, как фотозенитные трубы и астролабы Данжона, и момент прохождения звезд через заданные линии фиксировался по часам обсерватории. Затем, используя прямое восхождение звезд из звездного каталога, вычислялось время, когда звезда должна была пройти через меридиан обсерватории, и определялась поправка к показаниям часов обсерватории. Звездное время определялось таким образом, чтобы весеннее равноденствие проходило по меридиану обсерватории в 0 часов местного звездного времени. Начиная с 1970-х годов, радиоастрономические методы, такие как сверхдлинная база интерферометрии (СДБИ) и синхронизация по пульсарам, превзошли оптические инструменты в точности астрометрических измерений. Это привело к определению UT1 (среднего солнечного времени на 0° долготы) с использованием СДБИ, к новому способу измерения угла вращения Земли и к новым определениям звездного времени. Эти изменения вступили в силу 1 января 2003 года.
Связь между солнечным временем и сидерными временными интервалами
Если определенный интервал I измеряется как в среднем солнечном времени (UT1), так и в звездном времени, его числовое значение будет больше в звездном времени, чем в UT1, поскольку звездные сутки короче, чем сутки UT1. Отношение равно:
где t – число юлианских веков, прошедших с полудня 1 января 2000 года по земному времени.