Чему равны звездные сутки земли. Разные времена - солнечные сутки и звездные. Отрывок, характеризующий Звёздные сутки

Звёздные сутки

промежуток времени, равный периоду вращения Земли вокруг оси относительно звёзд (точнее, относительно весеннего равноденствия точки). З. с. равны 24 ч звёздного времени, или 23 ч 56 мин 4,091 сек среднего солнечного времени.

Википедия

Звёздные сутки

Звёздные су́тки - период вращения какого-либо небесного тела вокруг собственной оси в инерциальной системе отсчёта, за которую обычно принимается система отсчёта, связанная с удалёнными звёздами. Для Земли это время, за которое Земля совершает один оборот вокруг своей оси по отношению к далёким звёздам.

На 2000-й год звёздные сутки на Земле равны 23564,090530833 = 86164,090530833 с.

Звёздные сутки делятся на звёздные часы, минуты и секунды. Звёздные сутки на 3 мин 56 с. короче средних солнечных суток, звёздный час короче общепринятого на 9.86 с. Как единица времени употребляются в редких случаях при организации астрономических наблюдений.

Часовой угол точки весеннего равноденствия равен нулю в момент её верхней кульминации. Полный оборот точки весеннего равноденствия, как и любой другой точки небесной сферы (так называемые звёздные сутки, или «24 часа звёздного времени») происходит за 23 час 56 мин 04 сек. среднего солнечного времени. В году содержится звёздных суток ровно на один больше, чем средних солнечных. Продолжительность звёздных суток слегка меняется вследствие нутации и движения полюсов, а также из-за неравномерности вращения Земли вокруг оси. Эти изменения составляют менее 0.001 с.

Можно выделить более мелкие периоды звёздных суток:

  1. Звёздный час - единица времени, употребляемая в астрономии и равная 1/24 от звёздных суток. За звёздный час Земля поворачивается на 15° относительно удалённых звёзд, принимаемых за инерциальную систему отсчёта. На 2000 год звёздный час равен 05950,1704387847.
  2. Звёздная минута - единица времени, употребляемая в астрономии и равная 1/60 от звёздного часа. За звёздную минуту Земля поворачивается на 15′ относительно удалённых звёзд, принимаемых за инерциальную систему отсчёта. На 2000 год звёздная минута равна 0059,8361739797451.
  3. Звёздная секунда - единица времени, употребляемая в астрономии и равная 1/60 от звёздной минуты. За звёздную секунду Земля поворачивается на 15″ относительно удалённых звёзд, принимаемых за инерциальную систему отсчёта. На 2000 год звёздная секунда равна 000,9972695663290856.

И солнечные часы было упомянуто, что время бывает разное. Вот и попробуем разобраться.

Про солнечный полдень тоже уже было написано – это наивысшая точка, в которой бывает солнце в течение дня. И ещё говорят прохождение солнца через меридиан (направление север-юг). И ещё верхняя кульминация солнца. Стоит заметить, что есть и нижняя кульминация – самая низшая точка солнца над горизонтом в этой точке солнце на севере. В средних широтах этой точки не видно, но в приполярных, в полярный день хорошо видно, как солнце в полдень поднимается в высшую точку на юге в полдень и опускается в низшую в полночь– на севере.

Самое очевидное – сутки это время от одного солнечного полдня до другого. Эти сутки решили делить на 24 часа. Скорее всего это вавилонская идея, от пристрастия к двенадцатеричной и шестидесятичной системам счисления. Потому что 12 удобно делить на части 2, 3 , 4 , 6 . А 60 ещё и на 5 и на и на 10 и на 12 и на 15 и на 30. Ну, не важно. Это солнечные сутки .

Тоже самое можно наблюдать и со звёздами. От одной верхней кульминации любой выбранной звезды до следующей верхней кульминации этой же звезды – тоже сутки, только звёздные .

Уже самые древние (возможно ещё пещерные) астрономы заметили, что звёздные сутки не равны солнечным. Это видно и по косвенным признакам : каждую ночь все созвездия немного смещаются к западу. И за год совершают полный оборот. За месяц – примерно смещаются на 30 градусов. Можно увидеть, если смотреть каждый день какие звёзды и созвездия видны на юге в одно и то же время, например в 22.00.

И по прямым признакам – при каждом полном солнечном затмении (когда видны звёзды днём) солнце находится в разных созвездиях.

Наблюдения показывают, что солнце отстаёт от движения звёзд на 3 мин. 56 сек в сутки. Это замедленное, на фоне звёзд, движение солнца приводит к тому, что за год проходит 365 солнечных суток и 366 звёздных.

Отсюда 2 интересных следствия.

  • За год солнце проходит по всему кругу зодиакальных созвездий.
  • За год звездный полдень (кульминация одной выбранной нами звезды) приходится последовательно на разные часы и минуты всех 24 солнечных часов.

Зодиакальные созвездия – те, которые расположены в плоскости вращения солнца и через которые солнце последовательно проходит в течение года. Через остальные созвездия солнце никогда не проходит.

На картинке – путь солнца среди звёзд.

Значит солнечный полдень может быть днём при самом высоком положении солнца. Звёздный полдень (для выбранной нами звезды) может быть в любое время суток по солнечным часам. И таким временем в повседневной жизни пользоваться неудобно. Но удобно при астрономических наблюдениях и соответственно ориентировании по звёздам.

В астрономических обсерваториях используют часы, которые идут по звёздному времени.

Для ориентирования используют тоже звёздное время, но пересчитывают его из солнечного. Потому, что возить с собой точные звёздные часы – проблематично.

По правде сказать, солнечными сутками пользоваться тоже не удобно. Звёздные часы, минуты, секунды – хотя бы равномерные. А солнечные – разные в течение года.

Неравномерность складывается из многих причин в том числе случайного характера (например случайного перераспределения водных масс на поверхности земли, которое приводит к изменению скорости вращения и значит изменению длинны суток). Но это мелочи по сравнению с двумя главными.

  1. Земля движется вокруг Солнце по эллипсу, поэтому в ближней к солнцу точке – солнце на фоне созвездий перемещается быстрее. В дальней точке орбиты – медленнее.
  2. Видимая плоскость перемещения солнца на фоне созвездий наклонена к плоскости небесного экватора на угол 23,4 градуса. Поэтому скорость перемещения солнца среди звёзд распадается на 2 составляющих – вертикальную – изменение склонения солнца и горизонтальную – перемещение вдоль небесного экватора.

На рисунке видно, что путь Солнца кривая, синусоида. Направление движения меняется, значит горизонтальные и вертикальные составляющие скорости меняют величину, а вертикальная, ещё и направление движения (знак меняет с плюса на минус).

В добрые старые времена, когда не было транспорта, ни компьютеров, ни мгновенной связи. Это не имело значения. Жили по солнечным часам.

Но с появлением всего вышеупомянутого начались проблемы.

Например телеграмма через атлантический океан приходит за доли секунды, а время различается на 5-6 часов. Или расписание поездов даже в пределах Англии по солнечным часам различных городов – превращается в кошмар.

Поэтому решили поискать чего-нибудь более равномерного.

  • Вот хорошо было бы… если бы земля вращалась вокруг солнца по окружности – скорость постоянная. Но если заменять настоящий эллипс на окружность, получаем только 4 точки точного совпадения.
  • Вот хорошо было бы, если бы солнце вращалось в плоскости небесного экватора… Тени бы перемещались строго в направлении восток-запад. И это имеет место 2 раза в год – в дни равноденствий.

Два равномерных ритма так бы хорошо подошли для навигации и для транспорта. Да и часы с равномерным ходом гораздо проще сделать, чем экспериментировать с эксцентричными эллиптическими шестернями. И равномерное виртуальное время проще пересчитывать в равномерное звёздное.

Ну, раз всем хорошо, то так и сделали. :-) Смоделировали равномерное движение (по окружности) и в плоскости небесного экватора условной точки. Назвали это время средним солнечным временем. Красота. В сутках ровно 24 равномерных часа. Равномерное движение условной точки – облегчает астрономические расчёты. Часы с равномерным ходом делать проще.

Правда это среднее время в каждый конкретный момент отличается от истинного солнечного. Но если потребуется по средним часам узнать солнечный час, можно воспользоваться графиком на год, который даёт поправку на любой день. И отражают правило:

Истинное солнечное время = среднему времени + поправка.

Сразу стоит обратить внимание, что этот график просто так не подходит для солнечных часов. Потому, что солнечные часы СРАЗУ показывают истинное солнечное время. Для получения среднего времени по показаниям солнечных часов надо вышеупомянутую формулу переписать в виде: среднее время = истинное время – поправка. То есть поправку надо ОТНИМАТЬ от солнечного времени. Или перерисовать график в зеркальном отражении. Стоит всегда внимательно читать подпись к графику, какое время даёт поправка из графика. По этому поводу путаница даже в справочниках и экциклопедиях.

Потому, что по разному определялась вышеупомянутая поправка.

До 1834 г. все события в морских ежегодниках указывались по СОЛНЕЧНОМУ времени. Потому, что основными часами на корабле были солнечные.

К 1834 году точные морские хронометры идущие по СРЕДНЕМУ времени стали уже правилом хорошего тона. И после этой даты все события в морских ежегодниках стали указываться по СРЕДНЕМУ времени.

Соответственно по разному указывалась поправка уравнения времени ДО и ПОСЛЕ упомянутой даты.

Как видно – 4 раза в год среднее время совпадает с солнечным (пересекает линию 0 на графике). Но это не памятные даты типа 21 марта, 22 июня, 23 сентября или 22 декабря.

В повседневной жизни, работе транспорта – эти переводы не нужны. Но тоже до определённых пределов. На территории Великобритании поезда ещё могут ходить без особых проблем по лондонскому времени.

А вот на территории России… «В Москве 15часов, в Петропавловске Камчатском – полночь…». До октября 17 года обходились тем, что было на всей железнодорожной сети – Питерское время, а в каждом конкретном городе – местное среднее солнечное - согласно широте расположения. Так и говорили – станционное время и городское.

После 18 года решили присоединиться к международным соглашениям и устанавливать не любое местное время, а только 24 возможных часа в мировом масштабе (и 9 в масштабах России).

Суть этого международного соглашения – разделить землю условно на 24 часовых пояса, по 15 градусов. В пределах 1 пояса – время на всех часах одинаковое, в соседнем поясе отличается ровно на час.

Но в свете последующих реформ и эта строгая и логичная система не устояла… Но об этом в другой раз.

А ещё про то, когда нужно солнечное время. Нужно – в навигации. Когда определяя высоту солнца – хотят получить свои координаты в море. Измеряя высоту солнца , в частности местный полдень – мы определяем солнечное время . Чтобы определить долготу надо знать в этот же момент Гринвичское время. Чтобы сравнить с местным и вычислить долготу. Но в Гривиче часы идут по среднему времени. Поэтому определенное по солнцу истинное солнечное время с помощью графика уравнения времени переводят в среднее местное время. После этого время в одних единицах сравнивают с Гринвичским. И получают долготу.

Иногда график уравнения времени рисуют в более изящном и более информативном виде:

На таком графике кроме поправки уравнения времени видно и склонение солнца на каждый день. Кроме того видно что знак поправки противоположный тому, какой даёт упомянутый выше график в виде синусоиды. Этот график можно сразу рисовать на солнечных часах. Правило на графике недвусмысленно указывает:

Поправку прибавлять к истинному солнечному времени для получения истинного.

Можно ещё такое мнемоническое правило:

Это, чтобы определить с каким типом графика Вы имеете дело в книге или справочнике.

Более подробно смысл этого правила. Свидание в 12 часов дня по солнечным часам 14 февраля. Поправка уравнения времени -14 минут. Значит среднее время в этот момент только 11.46. И придётся наблюдать солнечные часы ещё долгих 14 минут, пока 12 дня покажут часы девушки по среднему времени.

Если посмотреть этот график в восьмёркой в крупном масштабе

То можно увидеть 4 периода, когда цифра уравнения времени меняется очень медленно, меньше минуты за 3 недели:

В приблизительных расчётах, для аварийных ситуаций - в эти периоды можно считать поправку уравнения времени постоянной.

Кроме того на этом графике видны 4 даты, в близи которых поправка уравнения времени равна нулю. И её не нужно учитывать в расчётах:

При точных расчётах учитывают, что поправка уравнения времени меняется непрерывно даже в течение дня.

«ВБЛИЗИ» упомянутых дат надо понимать в том смысле, что этот график следовало бы каждый год в високосном цикле из 4 лет сдвигать на 6 часов. И в високосном году до 29 февраля ошибка набегает в 1 день. Поэтому график построен усреднённым, дающим минимальную возможную ошибку в любом из 4 лет високосного цикла. Графики повышенной точности надо было бы строить на каждый год цикла и пользоваться четырьмя последовательно.

На наблюдениях суточного вращения небесного свода и годичного движения Солнца, т.е. на вращении Земли вокруг оси и на обращении Земли вокруг Солнца, основано измерение времени.

Вращение Земли вокруг оси происходит почти равномерно, с периодом, равным периоду вращения небесного свода, который достаточно точно может быть определен из наблюдений. Поэтому по углу поворота Земли от некоторого начального положения можно судить о протекшем времени. За начальное положение Земли принимается момент прохождения плоскости земного меридиана места наблюдения через избранную точку на небе, или, что одно и то же, момент верхней (или нижней) кульминации этой точки на данном меридиане.

Продолжительность основной единицы времени, называемой сутками, зависит от избранной точки на небе. В астрономии за такие точки принимаются: а) точка весеннего равноденствия; б) центр видимого диска Солнца (истинное Солнце); в) «среднее солнце» - фиктивная точка , положение которой на небе может быть вычислено теоретически для любого момента времени.

Определяемые этими точками три различные единицы времени называются соответственно звездными, истинными солнечными и средними солнечными сутками , а время, ими измеряемое, - звездным, истинным солнечным и средним солнечным временем .

Тропическим годом называется промежуток времени между двумя последовательными прохождениями центра истинного Солнца через точку весеннего равноденствия.

3.2. Звездные сутки. Звездное время

Промежуток времени между двумя последовательными одноименными кульминациями точки весеннего равноденствия на одном и том же географическом меридиане называется звездными сутками.

За начало звездных суток на данном меридиане принимается момент верхней кульминации точки весеннего равноденствия.

Угол, на который Земля повернется от момента верхней кульминации точки весеннего равноденствия до какого-нибудь другого момента, равен часовому углу точки весеннего равноденствия в этот момент. Следовательно, звездное время s на данном меридиане в любой момент численно равно часовому углу точки весеннего равноденствия t , выраженному в часовой мере, т.е.

s = t . (1.14)

Точка весеннего равноденствия на небе ничем не отмечена. Непосредственно измерить ее часовой угол или заметить момент прохождения ее через меридиан нельзя. Поэтому практически для установления начала звездных суток или звездного времени в какой-либо момент надо измерить часовой угол t какого-либо светила М, прямое восхождение которого известно (рис. 12).

Тогда, поскольку t = Qm=m, а часовой угол точки весеннего равноденствия t = Qи, по определению, равен звездному времени s,

s = t = +t, (1.15)

т.е. звездное время в любой момент равно прямому восхождению какого-либо светила плюс его часовой угол.

В момент верхней кульминации светила его часовой угол t = 0, и тогда

s = . (1.16)

В момент нижней кульминации светила его часовой угол t = 12h, и звездное время

s =+12h. (1.17)

Измерение времени звездными сутками и их долями наиболее просто и поэтому весьма выгодно при решении многих астрономических задач. Но в повседневной жизни пользоваться звездным временем крайне неудобно. Повседневный распорядок жизни человека связан с видимым положением Солнца над горизонтом, с его восходом, кульминацией и заходом, а не с положением фиктивной точки весеннего равноденствия. А так как взаимное расположение Солнца и точки весеннего равноденствия в течение года непрерывно меняется, то, например, верхняя кульминация Солнца (полдень) в разные дни года происходит в разные моменты звездных суток. Действительно, только раз в году, когда Солнце проходит через точку весеннего равноденствия, т.е. когда его прямое восхождение = 0h, оно будет кульминировать вместе с точкой весеннего равноденствия в полдень, в 0h звездного времени. Через одни звездные сутки точка весеннего равноденствия снова будет находиться в верхней кульминации, а Солнце придет на меридиан приблизительно лишь через 4 минуты, так как за одни звездные сутки оно сместится к востоку относительно точки весеннего равноденствия почти на 1°, и его прямое восхождение будет уже равно=0h4m. Еще через одни звездные сутки прямое восхождение Солнца снова увеличится на 4m, т.е. полдень наступит уже приблизительно в 0h8m по звездному времени и т.д. Таким образом, звездное время кульминации Солнца непрерывно растет, и полдень наступает в различные моменты звездных суток. Неудобство совершенно очевидное.

Звёздное время

Звёздное время - это время, протекшее от верхней точки весеннего равноденствия или точки Овна до любого ее другого положения, или, более просто - часовой угол точки весеннего равноденствия. Используется в основном астрономами, чтобы определить, куда надо направить телескоп, чтобы увидеть нужный объект. Обозначается буквой S.

При определении точки весеннего равноденствия можно по разному учитывать или не учитывать нутацию - слабое нерегулярное движение вращающегося твёрдого тела, совершающего прецессию. В зависимости от этого звёздное время бывает: истинное, квазиистинное и среднее.

При истинном звёздном времени рассматривается истинная точки весеннего равноденствия, обладающая прецессионным и нутационным движением, которая смещается в плоскости эклиптики со скоростью 50,25" в год вследствие общей прецессии по долготе и одновременно периодически колеблется из-за нутации.

При определении квазиистинного из нутации исключена ее короткопериодическая часть.

И, наконец, при определении среднего звёздного времени нутация вообще не учитывается.

Звёздное время различается на разных долготах Земли: при изменении долготы на 15° к востоку оно увеличивается примерно на 1 час.

В зависимости от места различают: местное истинное звёздное время - часовой угол истинной точки весеннего равноденствия для данного места (для местного меридиана); местное среднее звёздное время - часовой угол средней точки весеннего равноденствия; гринвичское истинное звёздное время - часовой угол истинной точки весеннего равноденствия на гринвичском меридиане; гринвичское среднее звёздное время - часовой угол средней точки весеннего равноденствия на гринвичском меридиане.

Промежуток времени между двумя последовательными верхними кульминациями звезды на одном географическом меридиане или иначе говоря период обращения какого-либо небесного тела относительно звёзд вокруг своей оси, называется звёздными сутками. Иногда используется определение, в котором звёздными сутками называется промежуток времени полного оборота Земли относительно точки Овна.

Для измерения звёздных суток сначала необходимо измерить часовой угол (t) какого-либо светила, для которого известно прямое восхождение (α). Для точки Овна часовой угол в момент её верхней кульминации составляет 0°. Поскольку начало звёздных суток совпадает с началом счета часовых углов светил, то, следовательно, звёздное время в данный момент есть часовой угол точки весеннего равноденствия, т.е. S = t.

Перенесём проекцию небесной сферы на плоскость небесного экватора. Пусть точка C представляет положение какой-либо звезды на сфере в данный момент времени; ♈ - положение точки весеннего равноденствия (точка Овна). Из рисунка видно, что звёздное время в данный момент равно сумме, прямого восхождения и часового угла звезды в тот же самый момент, т.е. S = t + α. Данную формулу также называют основной формулой времени.

В момент верхней кульминации светила его часовой угол t = 0°, и тогда s = α.

В момент нижней кульминации светила его часовой угол t = 12h, и звёздное время s = α + 12h.

Звёздные сутки делятся на меньшие периоды: звёздные часы, минуты и секунды.

Звёздный час равен 1/24 звёздных суток и составляет 0 ч. 59 мин. 50,1704387847 сек.

Продолжительность звёздной минуты составляет 0 ч. 0 мин. 59,8361739797451 сек. Звёздной секунды - 0,9972695663290856 сек.

В повседневной жизни пользоваться звёздным временем неудобно, по причине начало звёздных суток в разные периоды. Повседневная жизнь человека связана с видимым положением Солнца: его восходом, верхней кульминацией (во время которой Солнце поднимается на максимальную высоту над горизонтом) и заходом. И каждые сутки взаимное расположение Солнца и точки весеннего равноденствия непрерывно меняется, т.е. верхняя кульминация Солнца в разные дни года происходит в разные моменты звёздных суток. Только раз в год, в день весеннего равноденствия в полдень, расположение Солнца и точки весеннего равноденствия совпадают. Через одни звёздные сутки точка весеннего равноденствия снова будет находиться в верхней кульминации, а Солнце придёт на меридиан приблизительно лишь через 4 минуты, так как за одни звёздные сутки оно сместится к востоку относительно точки весеннего равноденствия почти на 1° навстречу своему видимому движению. Т.е. 24 часа звёздного времени соответствуют 23 ч. 56 мин. 4.091 сек. среднего солнечного времени. В году звёздных суток ровно на одни больше чем средних солнечных.

Так 21 марта Солнце расположено в точке Овна, при этом звёздные сутки начинаются в полдень. Через сутки Солнце переместится по эклиптике примерно на 1° и будет кульминировать через 4 минуты после точки Овна. Через три месяца - 22-го июня - кульминация точки Овна произойдет в 6 часов утра. 23 сентября звёздные сутки начнутся в полночь. 22 декабря звёздные сутки начнутся в 18 часов вечера.

Более строго это промежуток времени между двумя одноимёнными (верхними или нижними) кульминациями (прохождениями через меридиан) центра Солнца в данной точке Земли (или иного небесного тела).

Энциклопедичный YouTube

Солнечные сутки на Земле

Колебания продолжительности солнечных суток

Средние солнечные сутки не подвержены периодическим изменениям, как истинные солнечные сутки, но их длительность монотонно изменяется в связи с изменением периода осевого вращения Земли и (в меньшей степени) с изменением длительности тропического года, увеличиваясь примерно на 0,0017 секунды в столетие. Так, длительность средних солнечных суток в начале 2000 года была равна 86400,002 секунды СИ . Следует отметить, что здесь в качестве единицы измерения указана именно секунда СИ, определённая с использованием внутриатомного периодического процесса, а не средняя солнечная секунда, которая по определению равна 1/86 400 части средних солнечных суток и, следовательно, также не является постоянной.

Введение поправок

Хотя средние солнечные сутки не являются, строго говоря, неизменной единицей времени, но повседневная жизнь людей связана именно с ними. В связи с накоплением поправки к длительности суток в среднем солнечном времени по отношению к равномерному атомному времени, иногда приходится добавлять к атомной шкале UTC так называемую високосную секунду , чтобы восстановить привязку этой шкалы к солнечной шкале времени . Теоретически возможно и вычитание високосной секунды, так как вращение Земли в принципе не обязано постоянно замедляться.

Солнечные сутки на других планетах и спутниках

Луна

Средние солнечные сутки на Луне равны среднему синодическому месяцу (среднему промежутку между двумя одинаковыми фазами Луны , например, полнолуниями) - 29 суток 12 часов 44 минуты 2,82 секунды. Истинные солнечные сутки могут отклоняться от средних на 13 часов в обе стороны, что связано как с неравномерностью движения Земли по орбите, так и с наклоном орбиты Луны к эклиптике, с эллиптичностью её орбиты и с наклоном оси вращения Луны к плоскости орбиты (см. также Либрация).

Другие На газовых гигантах, не имеющих твёрдой поверхности, солнечные сутки зависят от широты - атмосфера вращается с разными скоростями на разных широтах.

Меркурий обходит вокруг Солнца за 87,97 дня, а вокруг своей оси делает полный оборот за 58,65 дня (эти периоды относятся как 3:2). Средний промежуток времени между двумя верхними кульминациями Солнца на этой планете равен 176 дням, что равно двум её годам. Интересно, что когда он находится вблизи перигелия, Солнце для наблюдателя на поверхности планеты может в течение 8 дней двигаться в обратном направлении, поэтому, строго говоря, привязка определения солнечных суток к кульминации в этом случае не вполне корректна.

На Венере , чей сидерический период обращения вокруг своей оси равен 243 дням - больше, чем орбитальный период (224,7 дня), средние солнечные сутки равны примерно 116,7 дня (из-за вращения в обратную сторону)

На Марсе средние солнечные сутки лишь слегка больше, чем земные. Они равны 24 ч 39 мин 35,244 с.

На Юпитере сутки равны 9 часам 55 минутам 40 секундам, на Сатурне 10 часам 34 минутам 13 секундам. Сутки на Уране равны 17 часам 14 минутам 24 секундам, а на Нептуне 15 часам 57 минутам 59 секундам.

У Плутона ввиду его крайней удалённости от Солнца (и, следовательно, малости угловой орбитальной скорости) средние солнечные сутки практически равны периоду вращения: 6 дней 9 часов 17 минут 36 секунд.

Примечания

Похожие публикации