Эфемеридное время: исторический стандарт и современные применения.

Введение

Стандарт времени, используемый в астрономических эфемеридах.

Термин «эфемеридное время» (часто сокращаемый как ET) в принципе может относиться ко времени, связанному с любой эфемеридой (траекторией движения астрономического объекта). На практике он использовался более конкретно для обозначения:

устаревшей стандартной астрономической шкалы времени, принятой в 1952 году Международным астрономическим союзом (МАС) и замененной в 1970-х годах. Эта шкала времени была предложена в 1948 году для преодоления недостатков нерегулярно меняющегося среднего солнечного времени. Целью было определение равномерного времени (насколько это было возможно на тот момент) на основе ньютоновской теории (см. ниже: Определение эфемеридного времени (1952)). Эфемеридное время стало первым применением концепции динамической шкалы времени, в которой время и шкала времени определяются неявно, выводятся из наблюдаемого положения астрономического объекта посредством динамической теории его движения. современную релятивистскую координатную шкалу времени, реализованную в аргументе JPL ephemeris time Teph в серии численно интегрированных эфемерид разработки. Среди них широко используется эфемерида DE405. Шкала времени, представленная Teph, тесно связана, но отличается (по смещению и постоянной скорости) от шкалы времени TCB, в настоящее время принятой МАС в качестве стандарта (см. ниже: Аргумент JPL ephemeris time Teph). Большинство следующих разделов посвящены эфемеридному времени стандарта 1952 года. Иногда создается впечатление, что эфемеридное время использовалось с 1900 года: это, вероятно, произошло потому, что ET, хотя и было предложено и принято в период 1948–1952 годов, было определено в деталях с использованием формул, ретроспективно использовавших дату эпохи 1900 января 0 и таблицы Солнца Ньюкомба. Эфемеридное время стандарта 1952 года оставило непрерывное наследие благодаря своей исторической единице – эфемеридной секунде, которая стала тесно соответствовать длине текущей стандартной секунды СИ (см. ниже: Переопределение секунды).

История (стандарт 1952 года)

Время эфемерид (ET), принятое в качестве стандарта в 1952 году, изначально было разработано как подход к единой шкале времени, чтобы избежать влияния нерегулярности вращения Земли, "для удобства астрономов и других учёных", например, для использования в эфемеридах Солнца (как оно наблюдается с Земли), Луны и планет. Оно было предложено в 1948 году Г. М. Клеменсом. С времен Джона Флэмстида (1646–1719) считалось, что суточное вращение Земли однородно. Но в конце XIX и начале XX века, с повышением точности астрономических измерений, возникли подозрения, которые в конечном итоге подтвердились, что вращение Земли (то есть продолжительность дня) проявляет нерегулярности в коротких временных масштабах и замедляется в более длительных временных масштабах. Доказательства были собраны В. де Зиттером (1927), который писал: "Если мы примем эту гипотезу, то 'астрономическое время', определяемое вращением Земли и используемое во всех практических астрономических расчётах, отличается от 'однородного' или 'ньютоновского' времени, которое определяется как независимая переменная уравнений небесной механики". Де Зиттер предложил поправку, которую следует применять к среднему солнечному времени, определяемому вращением Земли, для получения однородного времени. Другие астрономы того периода также вносили предложения по получению однородного времени, в том числе А. Данжон (1929), который фактически предложил, что наблюдаемые положения Луны, Солнца и планет, сопоставленные с их хорошо установленными гравитационными эфемеридами, могут лучше и более однородно определять время. Таким образом, возникла цель – создать новую шкалу времени для астрономических и научных целей, чтобы избежать непредсказуемых нерегулярностей средней солнечной шкалы времени и заменить для этих целей всемирное время (UT) и любые другие шкалы времени, основанные на вращении Земли вокруг своей оси, такие как звёздное время. Американский астроном Г. М. Клеменс (1948) чётко дал понять, что его предложение предназначено "только для удобства астрономов и других учёных" и что "логично продолжать использовать среднее солнечное время для гражданских целей". Де Зиттер и Клеменс называли это предложение "ньютоновским" или "однородным" временем. Д. Брауэр предложил название "время эфемерид". После этого астрономическая конференция, проходившая в Париже в 1950 году, рекомендовала "во всех случаях, когда средняя солнечная секунда неудовлетворительна в качестве единицы времени из-за её изменчивости, использовать в качестве единицы звёздный год в 1900.0, а время, отсчитываемое в этой единице, называть временем эфемерид", и привела формулу Клеменса (см. Определение времени эфемерид (1952)) для перевода среднего солнечного времени в время эфемерид. Международный астрономический союз одобрил эту рекомендацию на своей Генеральной ассамблее в 1952 году. Практическое внедрение заняло некоторое время (см. Использование времени эфемерид в официальных альманахах и эфемеридах); время эфемерид (ET) оставалось стандартом до тех пор, пока в 1970-х годах не было заменено другими шкалами времени (см. Пересмотр). В период использования времени эфемерид в качестве стандарта, детали были немного пересмотрены. Единица была переопределена в терминах тропического года в 1900.0 вместо звёздного года, а затем как слегка модифицированная дробь 1/31556925.9747, и, наконец, была переопределена в 1967/68 в терминах стандарта атомных часов на основе цезия (см. ниже). Хотя ET больше не используется напрямую, оно оставило после себя значительное наследие. Его преемники, такие как TDT, а также атомная шкала времени IAT (TAI), были разработаны с учётом связи, которая "обеспечивает преемственность с временем эфемерид". ET использовалось для калибровки атомных часов в 1950-х годах. Таким образом, решения, принятые первоначальными разработчиками времени эфемерид, повлияли на длину современной стандартной секунды СИ, и, в свою очередь, это оказывает постоянное влияние на количество дополнительных секунд, которые необходимо вводить в текущие шкалы времени вещания, чтобы поддерживать их приблизительно синхронизированными со средним солнечным временем.

Ephemeris time (ET), adopted as standard in 1952, was originally designed as an approach to a uniform time scale, to be freed from the effects of irregularity in the rotation of the Earth, "for the convenience of astronomers and other scientists", for example for use in ephemerides of the Sun (as observed from the Earth), the Moon, and the planets. It was proposed in 1948 by G M Clemence. From the time of John Flamsteed (1646–1719) it had been believed that the Earth's daily rotation was uniform. But in the later nineteenth and early twentieth centuries, with increasing precision of astronomical measurements, it began to be suspected, and was eventually established, that the rotation of the Earth (i. e. the length of the day) showed irregularities on short time scales, and was slowing down on longer time scales. The evidence was compiled by W de Sitter (1927) who wrote "If we accept this hypothesis, then the 'astronomical time', given by the Earth's rotation, and used in all practical astronomical computations, differs from the 'uniform' or 'Newtonian' time, which is defined as the independent variable of the equations of celestial mechanics". De Sitter offered a correction to be applied to the mean solar time given by the Earth's rotation to get uniform time. Other astronomers of the period also made suggestions for obtaining uniform time, including A Danjon (1929), who suggested in effect that observed positions of the Moon, Sun and planets, when compared with their well established gravitational ephemerides, could better and more uniformly define and determine time. Thus the aim developed, to provide a new time scale for astronomical and scientific purposes, to avoid the unpredictable irregularities of the mean solar time scale, and to replace for these purposes Universal Time (UT) and any other time scale based on the rotation of the Earth around its axis, such as sidereal time. The American astronomer G M Clemence (1948) Clemence (1948) made it clear that his proposal was intended "for the convenience of astronomers and other scientists only" and that it was "logical to continue the use of mean solar time for civil purposes". De Sitter and Clemence both referred to the proposal as 'Newtonian' or 'uniform' time. D Brouwer suggested the name 'ephemeris time'. Following this, an astronomical conference held in Paris in 1950 recommended "that in all cases where the mean solar second is unsatisfactory as a unit of time by reason of its variability, the unit adopted should be the sidereal year at 1900.0, that the time reckoned in this unit be designated ephemeris time", and gave Clemence's formula (see Definition of ephemeris time (1952)) for translating mean solar time to ephemeris time. The International Astronomical Union approved this recommendation at its 1952 general assembly. Practical introduction took some time (see Use of ephemeris time in official almanacs and ephemerides); ephemeris time (ET) remained a standard until superseded in the 1970s by further time scales (see Revision). During the currency of ephemeris time as a standard, the details were revised a little. The unit was redefined in terms of the tropical year at 1900.0 instead of the sidereal year; and then as the slightly modified fraction 1/31556925.9747 instead, finally being redefined in 1967/8 in terms of the cesium atomic clock standard (see below). Although ET is no longer directly in use, it leaves a continuing legacy. Its successor time scales, such as TDT, as well as the atomic time scale IAT (TAI), were designed with a relationship that "provides continuity with ephemeris time". ET was used for the calibration of atomic clocks in the 1950s. In this way, decisions made by the original designers of ephemeris time influenced the length of today's standard SI second, and in turn, this has a continuing influence on the number of leap seconds which have been needed for insertion into current broadcast time scales, to keep them approximately in step with mean solar time.

Вторичные достижения в результате лунных наблюдений

Хотя эфемеридное время определялось в принципе орбитальным движением Земли вокруг Солнца, на практике оно обычно измерялось орбитальным движением Луны вокруг Земли. Эти измерения можно рассматривать как вторичные реализации (в метрологическом смысле) первичного определения ET, основанного на движении Солнца, после калибровки среднего движения Луны относительно среднего движения Солнца. Использование лунных измерений было обусловлено практическими соображениями: Луна движется на фоне звезд примерно в 13 раз быстрее, чем Солнце, и точность определения времени по лунным измерениям соответственно выше. Когда эфемеридное время было впервые принято, временные шкалы по-прежнему основывались на астрономических наблюдениях, как и всегда. Точность была ограничена точностью оптических наблюдений, а поправки к часам и сигналам времени публиковались с задержкой.

Вторичные реализации атомными часами

Несколько лет спустя, с изобретением цезиевых атомных часов, появилась альтернатива. После калибровки цезиевых атомных часов в 1958 году относительно эфемеридного времени, атомные часы дали начало атомной шкале времени, а также тому, что первоначально называлось Земным динамическим временем, а теперь известно как Земное время, определяемое для обеспечения преемственности с эфемеридным временем (ET). Это привело к постепенной замене стандарта эфемеридного времени более точными шкалами времени, включая земное время и барицентрическое динамическое время, при этом ET можно рассматривать как приближение к ним.

Пересмотр временных рамок

В 1976 году МАЭ приняла решение о том, что теоретическая основа действующего с 1952 года стандарта эфемеридного времени является нерелятивистской, и, следовательно, начиная с 1984 года эфемеридное время будет заменено двумя релятивистскими шкалами времени, предназначенными для формирования динамических шкал времени: земным динамическим временем (TDT) и барицентрическим динамическим временем (TDB). Были признаны сложности, что привело к замене этих шкал в 1990-х годах на земное время (TT), геоцентрическое координатное время GCT (TCG) и барицентрическое координатное время BCT (TCB). Барицентрическое динамическое время (TDB) было вновь определено как текущий стандарт. Как было переопределено в 2006 году, TDB является линейным преобразованием TCB. В той же резолюции МАЭ также указывалось (в примечании 4), что "независимый временной аргумент эфемерид JPL DE405, называемый Teph" (здесь источник МАЭ цитирует…). Эфемериды в Nautical Almanac, к тому времени являвшейся отдельным изданием для нужд моряков, продолжали выражаться в терминах UT. Эфемериды продолжали составляться на этой основе до 1983 года (с некоторыми изменениями, связанными с принятием уточнённых значений астрономических констант), после чего, начиная с 1984 года, были приняты эфемериды JPL. До изменения 1960 года "Улучшенные лунные эфемериды" уже были доступны в эфемеридном времени для лет 1952–1959 (вычисленные У. Дж. Эккертом на основе теории Брауна с модификациями, рекомендованными Клеменсом в 1948 году).