Обертання Землі і тривалість доби 6.02.2008 23:35 | К. В. Куімов / ГАІШ, Москва
Всі люди, які цікавляться астрономією, знають, що слово "добу" має багато різних значень. Наприклад, зоряна доба, сонячні добу. Але останнім часом виникли багато нових поняття, для яких використовується те ж саме слово. У цій статті ми дамо більш точні визначення.
1. Доба як одиниця часу
Перш за все нагадаємо, що одиницею часу в астрономії, як і в інших науках, є секунда міжнародної системи одиниць СІ - атомна секунда. Наведемо визначення секунди, як воно дано 13-й Генеральною конференцією мір і ваг в 1967 р .:
секунда - це тривалість 9 192 631 770 періодів випромінювання атома цезію 133, що випускається їм при переході між двома надтонкими рівнями основного стану (див. сторінку Міжнародного бюро мір і ваг , Там же наводяться деякі уточнення).Якщо слово "добу" використовується для позначення одиниці часу, воно повинно розумітися як 86400 атомних секунд. В астрономії вживаються і більші одиниці часу: юліанський рік - 365.25 діб точно, юліанський століття - 36525 діб точно. Міжнародний астрономічний союз (громадська організація астрономів) в 1976 р рекомендував астрономам використовувати саме такі одиниці часу. Основна шкала часу, Міжнародне атомне час (Time Atomic International, TAI), будується на основі показань безлічі атомного годинника в різних країнах. Отже, з формальної точки зору, основа вимірювання часу пішла з астрономії. Старі одиниці "середня сонячна секунда", "зоряна секунда" не повинні використовуватися.
2. Доба як період обертання Землі навколо осі
Дати визначення такого вживання слова "доба" дещо складніше. Причин тому багато.
По-перше, вісь обертання Землі, або, висловлюючись науково, вектор її кутової швидкості, не зберігає постійного напряму в просторі. Це явище носить назву прецесії і нутації. По-друге, сама Земля не зберігає постійної орієнтування щодо вектора її кутової швидкості. Це явище називається рухом полюсів. Тому радіус-вектор (відрізок від центру Землі до точки на поверхні) спостерігача на поверхні Землі не повернеться через один оборот (і взагалі ніколи) до колишнього напрямку. По-третє, швидкість обертання Землі, тобто абсолютна величина вектора кутовий скрость, теж не залишається постійною. Так що, строго кажучи, певного періоду обертання Землі не існує. Але з певним ступенем точності, кілька мілісекунд, можна говорити про період обертання Землі навколо осі.
Крім того, треба вказати напрямок, щодо якого ми будемо відраховувати обертів Землі. Таких напрямів в астрономії зараз використовується три. Цей напрямок на точку весняного рівнодення, на Сонце і небесне ефемеридних початок.
Період обертання Землі щодо точки весняного рівнодення називається зоряними цілодобово. Він дорівнює 23h 56m 04.0905308s. Зверніть увагу, що зоряна доба - це період відносно точки весни, а не зірок.
Точка весняного рівнодення сама здійснює складний рух на небесній сфері, тому це число слід розуміти як середнє значення. Замість цієї точки Міжнародний астрономічний союз запропонував використовувати "небесне ефемеридних початок". Ми не будемо давати його визначення (воно досить складно). Воно вибрано так, щоб період обертання Землі щодо нього був близький до періоду щодо інерціальної системи відліку, тобто щодо зірок або точніше, позагалактичних об'єктів. Кут повороту Землі відносного цього напрямку називається зоряним кутом. Він дорівнює 23h 56m 04.0989036s, трохи більше зоряної доби на величину, на яку точка весни зміщується на небі через прецесії за добу.
Нарешті, розглянемо обертання Землі щодо Сонця. Це найскладніший випадок, оскільки Сонце рухається на небі не по екватору, а по екліптиці і притому нерівномірно. Але ці сонячні добу, очевидно, і найважливіші для людей. Історично склалося так, що атомна секунда була підігнана під час обертання Землі щодо Сонця, причому осреднение було зроблено приблизно за 19 століття. Цей період дорівнює 86400 одиниць часу, які називалися середніми сонячними секундами. Підгонка сталася в два прийоми: спочатку було введено "ефемеридних час" і "ефемеридна секунда", а потім атомна секунда була покладена рівною ефемеридної секунді. Таким чином, атомна секунда все-таки "походить від Сонця", але атомний годинник в мільйон разів точніше, ніж "земні години".
Період обертання Землі не залишається постійним. Причин для цього багато. Це і сезонні зміни в розподілі температури і тиску повітря по земній кулі, і внутрішні процеси, і зовнішні впливи. Розрізняють вікове уповільнення, декадні (протягом десятиліть) нерівномірності, сезонні і раптові. На рис. 1 і 2 наведені графіки, що показують зміну тривалості доби в 1700-2000 рр. і в 2000-2006 рр. На рис. 1 простежується тенденція до збільшення діб, а на рис. 2 - сезонна нерівномірність. Графіки засновані на матеріалах Міжнародної служби обертання Землі і опорних систем (International Earth Rotation and Reference Systems Service, IERS, http://www.iers.org/ ).
Чи не можна повернути основу виміру часу в астрономію і чи варто це робити? Така можливість існує. Це пульсари, періоди обертання яких зберігаються з великою точністю. Крім того, їх відомо багато. Не виключено, що на великих проміжках часу, наприклад, десятиліттях, спостереження пульсарів послужать уточнення атомного часу і буде створена шкала "пульсарного часу".
Вивчення нерівномірності обертання Землі дуже важливо для практики і цікаво з наукової точки зору. Наприклад, супутникова навігація неможлива без знання обертання Землі. А його особливості несуть інформацію про внутрішню будову Землі. Ця складна проблема чекає своїх дослідників.
Мал. 1. Відмінність періоду обертання Землі від 86400 з СІ, в мілісекундах. Дані до початку 20 ст. не надто надійні, але тенденція до збільшення тривалості доби видно чітко.
Мал. 2. Зміна тривалості доби в 2000-2006 рр. Графік показує відміну періоду обертання Землі від 86400 с (секунд СІ), в мілісекундах. Добре видно сезонна нерівномірність.
Мал. 3. Радіотелескоп недалеко від Калязина. Інструменти такого типу використовуються для дослідження обертання Землі.
література
- Жаров В.Є. сферична астрономія . (Ця книга є в Astronet ).
- Праці Інституту прикладної астрономії РАН, вип. 10, 2004.
- Сидоренков Н.С. Фізика нестабільності обертання Землі. М., Физматлит. 2002.
- Kovalevsky J., Seidelman PK Fundamentals of astrometry. Cambridge University Press, 2004.
- Одуан К., Гіно Б. Вимірювання часу, основи GPS. М., Техносфера, 2002.
Чи не можна повернути основу виміру часу в астрономію і чи варто це робити?
