Введение

Спецификация измерения времени. Стандарт времени — это спецификация для измерения времени: либо скорости течения времени, либо моментов времени, либо и того, и другого. В настоящее время несколько спецификаций времени официально признаны стандартами, в то время как ранее они определялись обычаями и практикой. Примером стандарта времени может служить шкала времени, определяющая метод измерения делений времени. Стандарт для гражданского времени может определять как временные интервалы, так и время суток. Стандартизированные измерения времени производятся с помощью часов, которые подсчитывают периоды каких-либо изменений, которые могут быть связаны как с изменениями в природных явлениях, так и с работой искусственных устройств. Исторически стандарты времени часто основывались на периоде вращения Земли. С конца XVIII века до XIX века предполагалось, что суточная скорость вращения Земли постоянна. Астрономические наблюдения различных видов, включая записи затмений, изученные в XIX веке, вызвали подозрения, что скорость вращения Земли постепенно замедляется и также демонстрирует небольшие нерегулярности, что было подтверждено в начале XX века. Стандарты времени, основанные на вращении Земли, были заменены (или первоначально дополнены) для астрономических целей, начиная с 1952 года, стандартом эфемеридного времени, основанным на периоде обращения Земли вокруг Солнца и, на практике, на движении Луны. Изобретение в 1955 году цезиевых атомных часов привело к замене более старых и чисто астрономических стандартов времени, для большинства практических целей, новыми стандартами времени, основанными полностью или частично на атомном времени. Различные определения секунды и дня используются в качестве базового временного интервала для большинства шкал времени. Другие интервалы времени (минуты, часы и годы) обычно определяются относительно этих двух.

Определения второго

Было только три определения секунды: как доля дня, как доля экстраполированного года и как микроволновая частота цезиевых атомных часов. В ранней истории часы не обладали достаточной точностью для отсчета секунд. После изобретения механических часов системы CGS и MKS определяли секунду как 1/86 400 среднего солнечного дня. Система MKS была принята на международном уровне в 1940-х годах. В конце 1940-х кварцевые генераторы могли измерять время точнее, чем вращение Земли. Метрологи также знали, что орбита Земли вокруг Солнца (год) была гораздо стабильнее вращения Земли. Это привело к определению эфемеридного времени и тропического года, а эфемеридная секунда была определена как «доля 1/31 556 925,9747 тропического года на 0 января 1900 года в 12 часов эфемеридного времени». Это определение было принято как часть Международной системы единиц в 1960 году. В последнее время были разработаны атомные часы, обеспечивающие повышенную точность. С 1967 года основной единицей времени в СИ является секунда СИ, определяемая как точная продолжительность 9 192 631 770 периодов излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133 (при температуре 0 К и на уровне моря). Секунда СИ является основой всех атомных шкал времени, например, координированного универсального времени, времени GPS, международного атомного времени и т. д.

Текущие стандарты времени

Геоцентрическое координатное время (ГКВ) — это координатное время, пространственное начало отсчета которого находится в центре масс Земли. ГКВ является теоретическим идеалом, и любая конкретная реализация будет содержать погрешность измерения. Международное атомное время (TAI) является основным физически реализованным стандартом времени. TAI формируется Международным бюро мер и весов (BIPM) и основано на объединенных данных множества атомных часов по всему миру, каждый из которых скорректирован с учетом влияния окружающей среды и релятивистских эффектов (как гравитационных, так и связанных со скоростью, как в GNSS). TAI не связано с ГКВ напрямую, а является реализацией наземного времени (TT) — теоретической шкалы времени, которая представляет собой перемасштабирование ГКВ таким образом, чтобы скорость времени приблизительно соответствовала собственному времени на среднем уровне моря. Универсальное время (UT1) — это угол вращения Земли (ERA), линейно масштабированный для соответствия историческим определениям среднего солнечного времени на 0° долготы. При высокой точности вращение Земли является нерегулярным и определяется по положениям далеких квазаров с использованием интерферометрии с длинной базой, лазерной локации Луны и искусственных спутников, а также орбит спутников GPS. Координированное универсальное время (UTC) — это атомная шкала времени, предназначенная для приближения к UT1. UTC отличается от TAI на целое число секунд. UTC поддерживается в пределах 0,9 секунды от UT1 путем введения секундных корректировок к UTC, называемых "високосными секундами". На сегодняшний день эти корректировки (и разница "TAI-UTC") всегда были положительными. Глобальная система позиционирования (GPS) передает очень точный сигнал времени по всему миру, а также инструкции по преобразованию GPS-времени (GPST) в UTC. Оно было определено с постоянным смещением относительно TAI: GPST = TAI – 19 с. Стандарт времени GPS поддерживается независимо, но регулярно синхронизируется с UTC или на его основе. Стандартное или гражданское время в часовом поясе отклоняется от некоторой формы универсального времени, обычно UTC, на фиксированную, округленную величину, как правило, целое число часов. Смещение выбирается таким образом, чтобы новый день начинался примерно в момент, когда Солнце пересекает надирный меридиан. В качестве альтернативы, разница может не быть фиксированной, а изменяться дважды в год на округленную величину, обычно на один час, см. летнее время. Юлианский день — это количество дней, прошедших с полудня по Гринвичу 1 января 4713 года до н.э. по юлианскому пролептическому календарю. Юлианская дата — это номер юлианского дня, за которым следует дробная часть дня, прошедшая с предыдущего полудня. Это удобно для астрономов, поскольку позволяет избежать пропуска даты во время ночных наблюдений. Модифицированный юлианский день (MJD) определяется как MJD = JD – 2400000,5. День MJD начинается в полночь по гражданскому календарю. Юлианские даты могут быть выражены в UT1, TAI, TT и т.д., поэтому для точных приложений необходимо указывать шкалу времени, например, MJD 49135,3824 TAI. Барицентрическое координатное время (TCB) — это координатное время, пространственное начало отсчета которого находится в центре масс Солнечной системы, называемом барицентром.

Стандарт времени, основанный на вращении Земли

Видимое солнечное время, или истинное солнечное время, основано на солнечном дне – периоде между одним солнечным полуднем (прохождением видимого Солнца через меридиан) и следующим. Солнечный день составляет приблизительно 24 часа среднего времени. Поскольку орбита Земли вокруг Солнца эллиптическая, а также из-за наклонности земной оси к плоскости орбиты (эклиптике), продолжительность видимого солнечного дня колеблется на несколько десятков секунд больше или меньше среднего значения в 24 часа. Эти колебания накапливаются в течение нескольких недель, приводя к разнице до 16 минут между видимым солнечным временем и средним солнечным временем (см. Уравнение времени). Однако эти различия компенсируются в течение года. Существуют и другие возмущения, такие как прецессия земной оси, но они составляют менее секунды в год. Сидерическое время – это время, отсчитываемое по звездам. Сидерический период – это время, необходимое Земле для совершения одного оборота относительно звезд, примерно 23 часа 56 минут 4 секунды. Средний солнечный день примерно на 3 минуты 56 секунд длиннее среднего сидерического дня. В астрономии сидерическое время используется для прогнозирования момента, когда звезда достигнет наивысшей точки на небе. Для точных астрономических наблюдений на суше обычно измеряли сидерическое время, а не солнечное, чтобы определить среднее солнечное время, поскольку наблюдения за «неподвижными» звездами можно было измерить и обработать точнее, чем наблюдения за Солнцем (хотя и требовались различные небольшие поправки на рефракцию, аберрацию, прецессию, нутацию и собственное движение). Известно, что наблюдения за Солнцем создают значительные трудности для достижения высокой точности измерений. В прошлом, до появления точных сигналов времени, наблюдение за сидерическим временем прохождения выбранных «звезд-часов» (с известным положением и движением) через меридиан и использование этих данных для корректировки обсерваторных часов, показывающих местное среднее сидерическое время, было частью стандартной работы в любой обсерватории. Однако в настоящее время местное сидерическое время обычно генерируется компьютером на основе сигналов времени. Среднее солнечное время было временным стандартом, особенно используемым в море для навигации, которое рассчитывалось путем наблюдения за видимым солнечным временем и последующего добавления к нему поправки – уравнения времени, компенсирующего два известных отклонения в продолжительности дня, вызванных эллиптичностью орбиты Земли и наклонностью земного экватора и полярной оси к эклиптике (плоскости орбиты Земли вокруг Солнца). Оно было заменено Всемирным временем. Гринвичское среднее время (GMT) первоначально определялось как среднее время, выведенное из меридианных наблюдений, проведенных в Королевской Гринвичской обсерватории (RGO). Главный меридиан этой обсерватории был выбран в 1884 году Международной меридианной конференцией в качестве нулевого меридиана. GMT, под этим названием или как «среднее время по Гринвичу», ранее являлся международным временным стандартом, но больше не является таковым; в 1928 году оно было официально переименовано во Всемирное время (UT) (частично из-за неоднозначности, возникшей в результате изменения практики начала астрономического дня в полночь вместо полудня, принятого с 1 января 1925 года). UT1 фактически является средним временем по Гринвичу. Сегодня GMT является часовым поясом, но остается законным временем в Великобритании зимой (с поправкой на один час для летнего времени). Однако Координированное всемирное время (UTC) – атомная шкала времени, которая всегда поддерживается в пределах 0,9 секунды от UT1 – широко используется в Великобритании, и название GMT часто используется для его обозначения. (См. статьи «Гринвичское среднее время», «Всемирное время», «Координированное всемирное время» и ссылки в них). Различные версии Всемирного времени, такие как UT0 и UT2, были определены, но больше не используются.

Стандарт времени для расчетов движения планет

Время эфемерид (ET) и его последователи, описанные ниже, предназначались для астрономического использования, например, в расчетах движения планет, с целью обеспечения единообразия, в частности, независимости от нерегулярностей вращения Земли. Некоторые из этих стандартов являются примерами динамических и/или координатных временных шкал. Время эфемерид было с 1952 по 1976 год официальным стандартом шкалы времени Международного астрономического союза; это была динамическая шкала времени, основанная на орбитальном движении Земли вокруг Солнца, из которой была получена секунда эфемерид как определенная доля тропического года. Эта секунда эфемерид была стандартом для секунды СИ с 1956 по 1967 год и служила источником калибровки цезиевых атомных часов; её длина была близка к текущей секунде СИ, относящейся к атомному времени, с точностью до 1 части в 10<sup>10</sup>. Этот стандарт времени эфемерид был нерелятивистским и не удовлетворял растущим потребностям в релятивистских координатных временных шкалах. Он использовался для официальных альманахов и планетарных эфемерид с 1960 по 1983 год и был заменен в официальных альманахах, начиная с 1984 года, численно интегрированной эфемеридой Jet Propulsion Laboratory Development Ephemeris DE200 (основанной на релятивистской координатной шкале времени JPL Teph). Для приложений на поверхности Земли официальной заменой ET было Земное динамическое время (TDT), которое обеспечивало преемственность с ним. TDT – это единая атомная шкала времени, единицей которой является секунда СИ. TDT привязана к секунде СИ, как и Международное атомное время (TAI), но поскольку TAI было несколько произвольно определено в 1958 году, чтобы изначально быть равным уточненной версии UT, TDT отличалась от TAI на постоянную величину в 32,184 секунды. Это смещение обеспечивало преемственность от времени эфемерид к TDT. Впоследствии TDT было переопределено как Земное время (TT). Для расчета эфемерид официально рекомендовалось использовать барицентрическое динамическое время (TDB) вместо ET. TDB аналогично TDT, но включает релятивистские поправки, которые переносят начало координат в барицентр, следовательно, это динамическое время в барицентре. TDB отличается от TT только периодическими членами. Разница составляет не более 2 миллисекунд. Были выявлены недостатки в определении TDB (хотя и не влияющие на Teph), и TDB было заменено на барицентрическое координатное время (TCB) и геоцентрическое координатное время (TCG), а также переопределено как аргумент JPL ephemeris time Teph – специфическое фиксированное линейное преобразование TCB. Как определено, TCB (наблюдаемое с поверхности Земли) имеет расходящуюся скорость относительно ET, Teph и TDT/TT; и то же самое справедливо, в меньшей степени, для TCG. Эфемериды Солнца, Луны и планет, в настоящее время широко используемые и официальные, продолжают рассчитываться в Лаборатории реактивного движения (Jet Propulsion Laboratory) (обновленные, начиная с 2003 года, до DE405) с использованием Teph в качестве аргумента.