03-天文觀測(cè)時(shí)間系統(tǒng)

1、第三章 天文觀測(cè)的時(shí)間系統(tǒng),本章主要內(nèi)容,§3.1 時(shí)間是什么？§3.2 時(shí)間系統(tǒng)及其轉(zhuǎn)換 3.2.1 太陽(yáng)時(shí) 3.2.2 恒星時(shí) 3.2.3 世界時(shí) 3.2.4 原子時(shí) 3.2.5 協(xié)調(diào)世界時(shí)§3.3 現(xiàn)代時(shí)間計(jì)量服務(wù)§3.4 歷法與節(jié)氣,§3.1 時(shí)間是什么？,回答“時(shí)間的本質(zhì)是什么？”這個(gè)問(wèn)題很不容易！

2、 古人感覺事件發(fā)生的先后、物體運(yùn)動(dòng)的進(jìn)程，產(chǎn)生了直覺原始的時(shí)間觀念。 時(shí)間是“人們主觀對(duì)客觀存在的一種感受”？（康德），還是客觀世界物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的一種表現(xiàn)形式？（唯物主義）,一、時(shí)間的內(nèi)涵,愛因斯坦的“相對(duì)論性時(shí)空觀”：時(shí)間與空間都是物質(zhì)的存在形式！物體運(yùn)動(dòng)的性質(zhì)決定于時(shí)空，時(shí)空的性質(zhì)也決定于物體及其運(yùn)動(dòng)本身。,牛頓的“絕對(duì)時(shí)空觀”：時(shí)間除了均勻流逝性之外，沒有其它屬性。均勻的、有方向的、沒有起點(diǎn)和終點(diǎn)、永恒存在，即使物質(zhì)消失

3、，空間和時(shí)間仍然存在。,“上下四方曰宇，往古來(lái)今曰宙” ——《淮南子》,二、如何計(jì)時(shí)？,“時(shí)間的延綿只能通過(guò)周期運(yùn)動(dòng)的動(dòng)作單位測(cè)量”—洛克時(shí)間計(jì)量的兩個(gè)方面：1、間隔（單位）；2、時(shí)刻,,時(shí)間有 “間隔”、“時(shí)刻”兩個(gè)含義 間隔：事物某一運(yùn)動(dòng)過(guò)程所經(jīng)歷的時(shí)間。 時(shí)刻：事物運(yùn)動(dòng)中，某一狀態(tài)發(fā)生的瞬間。,,,,,,2000,2001,2002,2003,,2004,時(shí)間計(jì)量三要素

4、：一、選擇某一運(yùn)動(dòng)規(guī)律已掌握，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可觀測(cè)到的具體事物。二、選取該事物的某一運(yùn)動(dòng)過(guò)程為時(shí)間的基本單位。三、選取該事物的某一運(yùn)動(dòng)狀態(tài)為時(shí)間計(jì)量的起算點(diǎn)。,先民“日出而作，日落而息”，太陽(yáng)是天然的鐘表。,§3.2 時(shí)間系統(tǒng)及其轉(zhuǎn)換,3.2.1 太陽(yáng)時(shí) – I.,真太陽(yáng)視圓面的中心連續(xù)兩次下中天（起算點(diǎn)）的時(shí)間間隔為一個(gè)真太陽(yáng)日。但由于地球公轉(zhuǎn)速度不均勻故其不斷變化。真太陽(yáng)日中最長(zhǎng)與最短的一天相差達(dá)51s !,

5、運(yùn)行速度慢,運(yùn)行速度快,3.2.1 太陽(yáng)時(shí) – II.,為了克服上述缺陷，19世紀(jì)末美國(guó)天文學(xué)家紐康引入了一個(gè)假想?yún)⒖键c(diǎn) — 平太陽(yáng)假想：1）一點(diǎn)在黃道上勻速運(yùn)動(dòng)，其視運(yùn)動(dòng)速度等于真太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)速度的平均值，并與真太陽(yáng)同時(shí)經(jīng)過(guò)近地與遠(yuǎn)地點(diǎn)；2）另一點(diǎn)（平太陽(yáng)）在天赤道上勻速運(yùn)動(dòng)，與前一點(diǎn)速度相同且兩者同時(shí)通過(guò)春分和秋分點(diǎn)。此假想的平太陽(yáng)連續(xù)兩次下中天（起算點(diǎn)）的時(shí)間間隔定為一個(gè)平太陽(yáng)日。平日的1/24h稱為平太陽(yáng)時(shí), 也稱為平時(shí)。

6、,,,真太陽(yáng)時(shí)與平太陽(yáng)時(shí)的關(guān)系通過(guò)時(shí)差來(lái)聯(lián)系：,⊙,⊙,3.2.2 恒星時(shí)（ST）,恒星時(shí)(Sidereal Time)是以春分點(diǎn)的周日視運(yùn)動(dòng)為依據(jù)建立的。規(guī)定，春分點(diǎn)連續(xù)兩次上中天的時(shí)間間隔為一個(gè)恒星日，并以春分點(diǎn)在當(dāng)?shù)厣现刑斓乃矔r(shí)作為恒星時(shí)的起算點(diǎn)，即以春分點(diǎn)的時(shí)角來(lái)計(jì)量恒星時(shí)： 即地方恒星時(shí)在數(shù)值上等于春分點(diǎn)的時(shí)角易證，恒星時(shí)與任一天體的赤經(jīng)和其時(shí)角關(guān)系為： 天體上

7、中天時(shí)，t=0，故 S=?,?,,S,,,S = ?+t,,,天體上中天S=?,,恒星時(shí)與真太陽(yáng)時(shí)的關(guān)系,注：夸張表示,課后練習(xí)1,水星的公轉(zhuǎn)周期為87.969地球日,自轉(zhuǎn)的物理周期(恒星日)為58.646地球日. 其公轉(zhuǎn)與自轉(zhuǎn)方向均與地球相同. 請(qǐng)問(wèn), 水星上的一晝夜(太陽(yáng)日)是多長(zhǎng)呢? 水星上的”一天”與”一年”哪個(gè)長(zhǎng)?感興趣的同學(xué)還可以類似的計(jì)算金星上的”一天”是多長(zhǎng)? 注意金星是逆向自轉(zhuǎn)的噢,水星上嶄新的“一天”開始了

8、，你能算出它的長(zhǎng)度么？,恒星時(shí)與平太陽(yáng)時(shí)時(shí)間間隔換算,恒星每天早升起4分鐘，每月早升起2小時(shí)！,,= 2.737909?10-3,24h? = 3m56.5554 (平時(shí)單位),,,S = m + S0 + (m-?)?,恒星時(shí)與平時(shí)時(shí)刻的換算,地方恒星時(shí),,平時(shí),,世界時(shí)0h的格林尼治恒星時(shí),,?= 2.737909?10-3,,地理經(jīng)度,,簡(jiǎn)單估算法：每年春分,夏至,秋分,冬至?xí)r的S0值分別為11h53m,

9、 18h0m, 0h7m, 6h0m，之后S0每隔一天加4m，每隔一月加2h，忽略第3項(xiàng),(若上式計(jì)算結(jié)果?24h, 則減去24h),,查《中國(guó)天文年歷》得到,,3.2.3 地方時(shí)和世界時(shí),恒星時(shí)、真太陽(yáng)時(shí)、平太陽(yáng)時(shí)是以春分點(diǎn)、真太陽(yáng)、平太陽(yáng)為參考點(diǎn)，以過(guò)當(dāng)?shù)靥熳游缛Φ臅r(shí)刻（上下中天）為起算點(diǎn)，以時(shí)角度量的。對(duì)于觀測(cè)者，只要位于不同的地理經(jīng)圈，就對(duì)應(yīng)不同的天子午圈，因此，參考點(diǎn)過(guò)的天子午圈不同，所得時(shí)刻也不同。即上述時(shí)刻有地方性，稱

10、為地方時(shí)。,地方時(shí)（LT）,定義： 以本地子午面為起算平面，根據(jù)任意量時(shí)天體（恒星或太陽(yáng)）所確定的時(shí)間。(s、m ⊙、m)地方時(shí)與地方經(jīng)度的關(guān)系： 在同一計(jì)時(shí)系統(tǒng)內(nèi)，任意兩地同一瞬間測(cè)得的地方時(shí)之差，在數(shù)值上等于這兩地的地方經(jīng)度之差。 λA -λB = mA –mB = tA – tB SA – SB = tA – tB = λA -λB,世界時(shí)（UT）,世界時(shí)是國(guó)際上統(tǒng)一規(guī)定的全球標(biāo)

11、準(zhǔn)時(shí)，以英國(guó)格林尼治天文臺(tái)原址（地理經(jīng)度?為0h）所對(duì)應(yīng)的地方平時(shí)為世界時(shí)。則世界時(shí)與經(jīng)度為? 處的平時(shí)m之間的關(guān)系為： (東經(jīng)取正，西經(jīng)取負(fù))恒星時(shí) S = S0 ? ?,本初子午線,,區(qū)時(shí),1884年國(guó)際子午線會(huì)議規(guī)定，全球統(tǒng)一實(shí)行分區(qū)計(jì)時(shí)制。各時(shí)區(qū)以其中央經(jīng)線的地方平時(shí)作為區(qū)時(shí)。全球分為24個(gè)時(shí)區(qū)，其中零時(shí)區(qū)以格林尼治子午線為中線，兩側(cè)各7.5度為其范圍。零時(shí)區(qū)采用世界時(shí)。區(qū)時(shí)=UT+N，向東為正，向西

12、為負(fù)?！氨本r(shí)間”東十二時(shí)區(qū)與西十二時(shí)區(qū)重合，共用180度經(jīng)線，其附近為國(guó)際日期變更線（日界線）。第N時(shí)區(qū)的區(qū)時(shí)T與地方恒星時(shí)S的換算： S0為當(dāng)日世界時(shí)零時(shí)的格林尼治恒星時(shí)，λ為地理經(jīng)度。,h,h,,,,,,,,,,,,,日界線,例題,試求秋分時(shí)威海（東經(jīng)122.05度）觀測(cè)到織女星(RA=18h36m56s)上中天的時(shí)刻(北京時(shí)間). 解：上中天時(shí)，S = ? ，秋分時(shí)S0=0h7m 則由：

13、 即 18.616h = 0.117h + 1.00274?(Th-8) + 8.137h 可求出：T = 18.334h = 18h20m3s,課后練習(xí)2：求10月1日晚在河北興隆觀測(cè)站（經(jīng)緯度自查）觀測(cè)牛郎星（RA=19h50m47s, Dec=+08?52’06’’）的上中天時(shí)刻，其上中天時(shí)地平高度h是多少？,世界時(shí)不是一個(gè)均勻的時(shí)間計(jì)量系統(tǒng) 影響的因素 — 擾動(dòng)地球自轉(zhuǎn)的各種力

14、,1、極移：地球瞬時(shí)自轉(zhuǎn)軸在地球本體內(nèi)的運(yùn)動(dòng)(歲差和章動(dòng)), 造成地理經(jīng)緯度的變化 地極移動(dòng)(以地方子午線為參考來(lái)測(cè)定世界時(shí)),歲差與地球自轉(zhuǎn)軸進(jìn)動(dòng),2、地球自轉(zhuǎn)不均勻 （地球自轉(zhuǎn)速度變化）,長(zhǎng)期變化：自轉(zhuǎn)減慢，日長(zhǎng)增0s.0016／百年 月球引力引起的海洋潮汐 潮汐作用相當(dāng)于把地球自轉(zhuǎn)向回拉使一天變長(zhǎng), 將來(lái)終有一天的長(zhǎng)度相當(dāng)于現(xiàn)在一個(gè)月根據(jù)中國(guó)日食記錄推算自轉(zhuǎn)變慢速度: 約1億年前,

15、 一天只有現(xiàn)在的 20小時(shí)長(zhǎng)!季節(jié)變化: 自轉(zhuǎn)上半年慢，下半年快 ±0s.001（大氣環(huán)流）不規(guī)則變化: 時(shí)快時(shí)慢。（各種因素）,3.2.4 原子時(shí)（TAI）,守時(shí)：利用計(jì)時(shí)工具維持時(shí)間的計(jì)量，以便連續(xù)地發(fā)布時(shí)間。20世紀(jì)30年代以前，天文擺鐘守時(shí)，1ms/d。20世紀(jì)30年代，石英鐘，晶振，壓電效應(yīng)，易受溫度變化影響，易老化，長(zhǎng)期不穩(wěn)定。20世紀(jì)50年代，原子鐘，原子躍遷，頻率穩(wěn)定，海平面上銫133基態(tài)的兩個(gè)超

16、精細(xì)能級(jí)在零磁場(chǎng)中躍遷輻射振蕩頻率的9 192 631 770周所持續(xù)時(shí)間為原子時(shí)的秒長(zhǎng)。,3.2.4 原子時(shí)（TAI）,原子時(shí)的起始點(diǎn)為1958年1月1日世界時(shí)零時(shí)。此時(shí)原子時(shí)TAI”等于”世界時(shí)UT。原子鐘的準(zhǔn)確度能達(dá)到10E-13量級(jí)。即約30萬(wàn)年才有1秒的誤差! 相比天文觀測(cè)得到的世界時(shí)精度只能達(dá)到3年不差1秒!,實(shí)際卻相差了0.0039s,,比原子鐘精度更高的天然時(shí)鐘是脈沖星, 穩(wěn)定度可達(dá)10E-19量級(jí)!,

17、3.2.5 協(xié)調(diào)世界時(shí)（UTC）,—— 世界時(shí)與原子時(shí)的折衷協(xié)調(diào)產(chǎn)物 大地測(cè)量、天文導(dǎo)航、空間探測(cè)器的跟蹤、定位需要以地球自轉(zhuǎn)為依據(jù)的世界時(shí)時(shí)刻，精密校頻等物理領(lǐng)域則要求以原子時(shí)為基準(zhǔn)的均勻時(shí)間間隔。 由于世界時(shí)的秒長(zhǎng)逐年增加（地球自轉(zhuǎn)變慢）,勢(shì)必造成世界時(shí)落后于原子時(shí)，一年內(nèi)可累計(jì)達(dá)1秒左右。為避免原子時(shí)與世界時(shí)產(chǎn)生太大的偏離，1975年決定采用UTC系統(tǒng)。,UTC 系統(tǒng),時(shí)間單位：原子時(shí)的秒小數(shù)（SI）,U

18、T的時(shí)、分、秒?yún)f(xié)調(diào)：用跳秒（也叫閏秒即增加1s或減少1s）的方法，使其與世界時(shí)（UT1）的偏離在0s.9之內(nèi)。（通常是正閏秒）調(diào)整時(shí)刻：每年首選是12月31日和6月30日或 3月31日和9月30日的最后一秒，由國(guó)際地球自轉(zhuǎn)服務(wù)中心局（IERS）根據(jù)天文觀測(cè)做出決定，并預(yù)先通知。啟用時(shí)間：1972、1、1 UTC系統(tǒng)有高的精度和穩(wěn)定性。,時(shí)間計(jì)量工作的三項(xiàng)內(nèi)容： 測(cè)時(shí)、守時(shí)、授時(shí) 1、測(cè)時(shí): 測(cè)

19、定恒星的瞬時(shí)位置，經(jīng)過(guò)歸算獲得準(zhǔn)確時(shí)刻（圭表、日晷、中星儀等）,,,,,,,,,§3.3 現(xiàn)代時(shí)間計(jì)量工作,2、守時(shí):,用守時(shí)工具把所測(cè)時(shí)間持續(xù)下去.是整個(gè)時(shí)間工作中最關(guān)鍵的一環(huán)，它的任務(wù)是產(chǎn)生和保持高精度的準(zhǔn)確時(shí)間 . （滴漏、沙漏、計(jì)時(shí)香、天文鐘、石英鐘、原子鐘）,惠更斯擺鐘,布拉格市政廳天文鐘,多級(jí)漏壺,,,,地球,電臺(tái),,,,,,,,,,,,,,,,,用戶,3、授時(shí)：時(shí)間服務(wù)、播時(shí),把測(cè)得的時(shí)間用各種手段播報(bào)出（鳴鑼

20、擊鼓、無(wú)線電報(bào)時(shí)、電視系統(tǒng)授時(shí)）,國(guó)家授時(shí)中心的時(shí)間發(fā)布,,§3.4 歷法與節(jié)氣,歷法是推算年月日的時(shí)間長(zhǎng)度并協(xié)調(diào)它們之間的關(guān)系，以制定一定的時(shí)間序列的法則。 人們習(xí)慣一年（回歸年）中有整數(shù)月（朔望月）和日，把計(jì)量一年中月、日數(shù)和怎樣選擇起算點(diǎn)的方法稱為歷法。 編訂歷法是天文學(xué)（精確測(cè)定月年長(zhǎng)度）和社會(huì)學(xué)（合理安排年月日關(guān)系）相結(jié)合的工作。,,,,日：以地球自轉(zhuǎn)為依據(jù)、晝夜交替的周期。月：以月球公轉(zhuǎn)為依據(jù)、月相

21、變化的周期。 1朔望月(月球連續(xù)2次與太陽(yáng)會(huì)合的時(shí)間間隔) ? 29.5306平日年：以地球公轉(zhuǎn)為依據(jù)、四季變化的周期。 1回歸年(平太陽(yáng)連續(xù)2次通過(guò)春分點(diǎn)的時(shí)間間隔)＝365.2422平日 這是三種完全獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)，沒有簡(jiǎn)單的通約關(guān)系，日是基本單位不能分割，把含有整日數(shù)的月和年稱為歷月、歷年。,歷法的制定原則,（1）盡可能準(zhǔn)確反映天文客觀規(guī)律的歷法，才能正確的反映天象和四季變化。（2）日歷要簡(jiǎn)單、明了、易記。寧可犧牲精度

22、以滿足簡(jiǎn)單。（3）有通用性，能為廣大地區(qū)所接受。,歷法的三種主要類型,（1）太陰歷（回歷）（2）太陽(yáng)歷（公歷，陽(yáng)歷）（3）陰陽(yáng)合歷（中國(guó)農(nóng)歷）,太陰歷 和 太陽(yáng)歷,太陰歷可能是人類最早使用的歷法，現(xiàn)在還通行于穆斯林世界，以月亮圓缺盈虧周期為基準(zhǔn)（朔望月），月長(zhǎng)取29或30天；平年354天, 閏年355天, 30年11閏日。太陽(yáng)歷以太陽(yáng)的周年視運(yùn)動(dòng)為基準(zhǔn)，決定年長(zhǎng)的是回歸年：以春分點(diǎn)為標(biāo)準(zhǔn)，地球公轉(zhuǎn)一周的時(shí)間為一個(gè)回歸年。一個(gè)

23、回歸年包括365.2422個(gè)平太陽(yáng)日(天)。目前國(guó)際通用的公歷—格里歷就是太陽(yáng)歷，其前身是儒略歷。,,儒略歷,羅馬皇帝儒略-凱撒于公元前46年制訂歲首為冬至后的第10日每年劃分12個(gè)月，單月31天，雙月30天每4年置1個(gè)閏年，3個(gè)平年，平年2月減1天閏年366天，平年365天，平均年長(zhǎng)為365.25天 ，與回歸年相比400年會(huì)差3天 ；奧古斯都皇帝（屋大維）改變?cè)麻L(zhǎng): 8, 10, 12月為大月，9, 11變?yōu)樾≡拢?月再

24、減一天。年長(zhǎng)不變。,格里歷,1582年由羅馬教皇格里高利十三世頒行1、3、5、7、8、10、12月為大月，31天4、6、9、11為小月，30天2月在平年為28天，閏年為29天4年一閏，被4整除的年份為閏年；但逢整世紀(jì)年份，須被400整除才是閏年，每400年中有97個(gè)閏年平均年長(zhǎng)為365.2425天，與回歸年相比3300年中才差1天，每年只差0.0003天與季節(jié)吻合的很好，但“月”與月相無(wú)關(guān),現(xiàn)行公歷從公元1年起連續(xù)紀(jì)年(A.

25、D.)，公元1年之前被稱為“公元前”(B.C.)公元元年的規(guī)定：約公元525年時(shí)一位叫狄奧西尼的基督教僧侶“推算”出耶穌誕生的年份，教會(huì)從公元532年開始正式將這一年定為公歷紀(jì)年的元年。我國(guó)于辛亥革命后的1912年采用格里歷，1949年新中國(guó)成立后采用公歷紀(jì)年,公歷紀(jì)年,公元1年，“耶穌誕生”中國(guó)為：漢平帝劉衍 元始元年,,星期的概念,—— 體現(xiàn)了不同民族文化的奇特結(jié)合 人類命運(yùn)受星辰影響的看法最初來(lái)自古巴

26、比倫，他們認(rèn)為：日、月、火、水、木、金、土這七星逐日輪流主管天上的事務(wù)，人們逐日輪流祭拜，七天一循環(huán)，慢慢就形成了星期。 我國(guó)古代把日、月和五星稱為七曜，為日曜日、月曜日、火曜日、水曜日、木曜日、金曜日、土曜日，后來(lái)就稱星期幾。日本依然沿用此至今。,儒略日 (JD),儒略日為長(zhǎng)期紀(jì)日法, 由意大利學(xué)者J.J.Scaliger于16世紀(jì)創(chuàng)制, 因紀(jì)念其父得名。以公元前4713年1月1日格林尼治平正午(世界時(shí)12h)為起算點(diǎn)，連續(xù)

27、不斷累計(jì)日數(shù)。天文觀測(cè)中常用儒略日來(lái)計(jì)算日期和時(shí)間 例如：查《中國(guó)天文年歷》的“儒略日”表可知： 香港回歸的公元1997年7月1日 為 JD2450630.5 2004年1月0日世界時(shí)0h 為 JD2453004.5約化儒略日(MJD): MJD= JD – 2400000.5,中國(guó)農(nóng)歷,我國(guó)最早使用陰陽(yáng)合歷，有二十四節(jié)氣，可以指導(dǎo)農(nóng)事，又稱農(nóng)歷。以月相變化周期（朔望月）和太陽(yáng)的周年視運(yùn)動(dòng)周期

28、（回歸年）為依據(jù)。歲首(正月)設(shè)在建寅之月(雨水所在月份)月相為朔的日期定為一個(gè)月的初一；月相朔望周期平均為29.53059天。規(guī)定大月30天，小月29天。朔望周期最多相差半天。由于回歸年周期與朔望月的周期不通約，12個(gè)朔望月與回歸年相差約11天，所以要在有的年份安排13個(gè)月，稱為置閏。一般為19年7閏，閏月的安置不定，但只能加到?jīng)]有“中氣”的月份，前一個(gè)月是幾月就是“閏幾月”*(補(bǔ)充規(guī)定)。,24節(jié)氣,24節(jié)氣：把黃道按角度等分

29、為24段，太陽(yáng)視運(yùn)動(dòng)每經(jīng)過(guò)一段定為一個(gè)節(jié)氣。太陽(yáng)視運(yùn)動(dòng)不均勻，節(jié)氣的時(shí)間間隔也不等。,中氣,節(jié)氣,太陽(yáng)黃經(jīng),思考：閏月多發(fā)生在夏季還是冬季？,二十四節(jié)氣歌,春雨驚春清谷天， 夏滿芒夏暑相連。秋處露秋寒霜降， 冬雪雪冬小大寒。每月兩節(jié)日期定， 最多不差一兩天。上半年逢六、廿一，下半年逢八、廿三。,,,干支紀(jì)年、月、日、時(shí)辰,我國(guó)獨(dú)有的紀(jì)年、月、日和時(shí)辰的方法10天干：甲乙丙丁戊己庚辛壬癸(gǔi)12地支：子丑寅卯