第二章时间计量系统

S.ZHANG第二章时间与历法绝对的、真实的、数学的时间，由于它自身的本性，与任何外界事物无关的，均匀的流逝。——牛顿——当宇宙开始收缩时，时间不颠倒方向。人们会继续变老，所以不能指望等待宇宙收缩时去恢复你的青春。——史蒂芬霍金——§2.1、时间的本质时间是什么？时间是建立在物质的运动和变化的基础上的，时间和空间都是物质存在的基本形式，物质的运动与变化永远是在时间和空间中进行的。脱离了物质，脱离了物质的运动和变化，时间和空间都将是毫无意义的。精密时间的应用举例与时间有关的计量基础光速＝299,792,458m/s光在真空中传播1m只需-1s/3亿-3ns标准计量实验室中1m长度的校准所有与米长有关的物理量均与时间有关，例：速度、加速度、功率和能量单位等等空间导航、定位地面和海上导航、定位R21=(x-x1)2+(y-y1)2+(z-z1)2R22=(x-x2)2+(y-y2)2+(z-z2)2R23=(x-x3)2+(y-y3)2+(z-z3)2信号传播时间t=R/c解方程得x、y、zt的百万分之一秒的误差会造成300m的定位误差，因此必须有很高的钟的同步准确度。S1S2S3S1S2S3电力传输系统电子政务、电子商务(股票交易、工业用电计费等---时间戳）§2.2、时间计量标准的发展1、时间计量和时间标准时间的计量包括时刻和间隔的计算，是既有差别又有联系的两个内容时刻：事物运动中，某一状态发生的瞬间。（可看成均匀流失的单方向几何直线--时间轴，轴上的一点为瞬间，人们建立一定的时间计量系统计量这个瞬间，赋予它以定量的标志即得到时刻。同一瞬间，所用时间计量系统不同，得到的时刻不同。）间隔：事物某一运动过程所经历的时间（两个瞬间之间的距离为时间间隔）2、以地球自转为计量标准世界时（UT）1）原始的时间计量系统初民日出而作，日落而息—以日出为起点，以一天为计量单位，计量标准为地球自转。古人确立了以太阳连续两次在一地上中天的时间间隔为一天——用圭表、日晷计时（用铜壶滴漏守时）真太阳时——与地球自转不同步19世纪90年代人们设计了平太阳时、恒星时——与地球自转同步但都不是均匀的时间系统古代和现代的天文定时3、以太阳系天体的运动为计量标准的历书时（ET）定义：以地球公转为依据，即观测太阳位置反演时间。是由力学定律确定的均匀时间。又称牛顿时。时间单位：1回归年（1900年回归年长度）=365.2422历书日1历书秒=1／365.2422×24×60×60＝1／31556925.9747起算历元:1900年1月0日12时(公历1899.12.31)λ⊙=279o41’48”.04历书时的测定：在UT的某一瞬间，观测太阳位置，对照太阳历表，找出对应的时间。小结：均匀，秒长固定。但观测复杂，且精度不高。1960年启用，1967年后原子时取代了历书时，1984年后停用。由于地球自转的不均匀性使得天文方法所得到的时间（世界时）精度只能达到3年不差一秒，这已无法满足二十世纪社会经济各方面的需求。于是，一种更为精确和稳定的时间标准应运而生，这就是“原子时”，它的稳定度能够达到30万年不差一秒。目前世界各国都采用原子钟来产生和保持标准时间。4、以原子内部能级跃迁频率为计量标准的原子时（TAI）定义：原子钟的稳定度达10-13秒（物理时）以原子内部的运动规律为基础建立的时间计量系统。1H199Hg+9,192,631,770133Cs“位于海平面上的铯133原子基态两个超精细能级间在零磁场中跃迁辐射振荡9,192,631,770周所持续的时间为一个原子时秒。”1,420,405,752Hz起始点：为1958年1月1日UT0h。（即规定此瞬间原子时TAI与世界时UT重和。事后发现当初取的这一瞬间并非重合，而是相差了-0s.0039，并一直保留下来。）UT＝ATI－0s.0039ET=ATI+32s.84原子时自1972年1月1日0时正式启用。靠全世界100多台原子钟维持，经国际时间局统一进行数据处理，由各授时单位向全世界发布。§2.3、世界时中的几种时间计量系统一、真太阳时定义：以太阳视圆面中心的周日视运动为依据建立的时间系统。时间单位：真太阳日—真太阳连续两次下中天的时间间隔。起始点：下中天真太阳时以真太阳的时角度量：m⊙＝t⊙＋12h与日常生活节律一致，但不能适应科学发展的需要。真太阳时的缺陷：最长（12.23）与最短（9.13）的真太阳日差51秒真太阳的视运动是地球自转与公转运动的共同反映（1）太阳在黄道上的运动不均匀。（地球公转轨道为椭圆）（2）即使太阳在黄道上运动均匀，由于黄赤交角的存在，投影在赤道上的太阳时角变化也不均匀。二、平太阳时1.平太阳19世纪末美天文学家钮康引入的一个假想参考点。第一个辅助点建立在黄道上：在黄道上均匀运动，其速度等于真太阳的平均速度，并与真太阳同时过近日点和远日点。第二个辅助点建立在赤道上：在赤道上匀速运动，其速度等于真太阳的平均速度，与第一辅助点同时过春分点和秋分点。第二个辅助点为在赤道上做匀速运动的平太阳。2、平太阳时：定义：以平太阳的周日视运动为依据建立的时间系统时间单位：平太阳日—平太阳连续两次上中天的时间间隔起始点：下中天平太阳时以平太阳的时角度量。m=tm+12h是一种基本均匀的时间系统3、时差：真太阳的时角与平太阳的时角之差。时差：η=t⊙–tm时差的零点与极大值：（一年中η四次为零，四次为极大值）日期4.166.159.112.242.125.157.2611.3η0000-14m24s+3m48s-6m18s+16m24s三、恒星时定义：以春分点的周日视运动为依据建立的时间系统。时间单位：恒星日—春分点连续两次上中天的时间间隔。起始点：上中天恒星时在数值上等于春分点的时角。S=tr=α+t当任一恒星时上中天时t=0；即s=α。1、真太阳时比恒星时每日约长4分钟太阳在周日视运动的同时，又以逆时针方向做周年视运动，每日在黄道上自西向东约运行1度，因此真太阳时比恒星时约长4分钟。m⊙≈s＋3m56s北极点子午线春分点周年周日赤道太阳时和恒星时四、协调世界时（UTC）（协调原子时秒长与世界时时刻的时间计量系统）世界时与原子时的折衷协调产物大地测量、天文导航、空间探测器的跟踪、定位需要以地球自转为依据的世界时时刻，精密校频等物理领域则要求以原子时为基准的均匀时间间隔。由于世界时的秒长逐年增加,势必造成世界时落后于原子时，一年内可累计达1秒左右。为避免原子时与世界时产生太大的偏离，1975年决定采用UTC系统，其时间单位用SI秒，其时刻与UT1的偏离保持在0.9秒内，保持方法为跳秒，跳秒前预先通知各使用门。UTC系统时间单位：原子时秒（SI）协调：用跳秒（也叫闰秒即增加1s或减少1s）的方法，使其与世界时（UT1）的偏离在0s9之内。（通常是正闰秒）调整时刻：每年首选是12月31日和6月30日或3月31日和9月30日的最后一秒，由国际地球自转服务中心局（IERS）根据天文观测做出决定，并预先通知。启用时间：1972、1、1它虽不是严格均匀的时间系统，但与原子时有确定的换算关系，故其时刻能纳入均匀的时间计量。当前钟表所指示的时刻正是协调世界时。国际标准时间（UTC、TAI)的形成UTC:OfficialTimefortheWorld但UTC、TAI是软钟（纸面钟）全球约50个时间实验室总共约280个高稳定性原子钟国际间高精度时间比对高精度时间传递技术,参加BIPM组织的国际时间比对网§2.4、地方时、世界时、区时计量系统的地方性恒星时、真太阳时、平太阳时是以春分点、真太阳、平太阳为参考点，以过当地子午圈的时刻为起算点，以时角量的。对于观测者，只要位于不同的地理经圈，就对应不同的天子午圈，因此，参考点过的天子午圈不同，所得时刻也不同。1、地方时：定义：以本地子午面为起算平面，根据任意量时天体所确定的时间。（s、m⊙、m）地方时与地方经度的关系：在同一计时系统内，任意两地同一瞬间测得的地方时之差，在数值上等于这两地的地方经度之差。λA-λB=mA–mB=tA–tBSA–SB=tA–tB=λA-λB2、世界时与区时：世界时：（S、M⊙、M）以本初子午线为标准的地方时为世界时。（λ=0h）m-M=△λ（+东、-西）s-S=△λ（+东、-西）区时：（Th）为平时系统（λN=N150）把全球分成24个时区，每区跨经度150，各区把中央经线的地方时作为本区统一使用的标准时。这样的区域称为时区；这样的时间称为区时。3、国际日期变更线——日界线日界线：太平洋中经度1800线（避开陆地与岛屿画出的一条国际日期变更线）。日界线东西两侧是东12时区与西12时区重合的区域，时分秒相同，但日期相差一天。由西向东每过一个时区，就要增加一个小时，因此，由西向东越过日界限，日期减少一天；而由东向西越过日界限，日期增加一天。§2.5、恒星时与平时的换算S、ｍ是两个不同的时间计量系统１）时间单位不同：１恒星日≠１平太阳日２）起始点不同：上中天；下中天因此,两时间计量系统的时间间隔不同，时刻也不同。时间间隔换算与时刻换算。一、时间间隔的换算回归年：平太阳连续两次过春分点的时间间隔。1回归年＝365.2422平太阳日＝366.2422恒星日1恒星日＝（1－1／366.2422）平太阳日＝0.9972696平太阳日m＝s（1－1／366.2422）1平太阳日＝（1＋1／365.2422）恒星日＝1.0027379恒星日s＝m（1＋1／365.2422）二、平时时刻与恒星时时刻的换算1、格林尼治的时刻换算：（λ=0o）1）已知平时求恒星时：M→SS＝So＋M（1＋1／365.2422）2）已知恒星时求平时：S→M：M＝Mo＋S（1－1／366.2422）MoSo是当日世界时为零时所对应的恒星时。Mo是当日或前一日恒星时为零时所对应的世界时。S=0s0sM0h2、任意经度区的时刻的换算（S＝s－λ；M＝m－λ；M＝Th－Nh）1）已知区时化地方恒星时：S＝So＋M（1＋1／365.2422）s＝S0＋（Th－Nh）（1＋1／365.2422）＋λ2）已知地方平时化地方恒星时：s＝So＋（m－λ）（1＋1／365.2422）＋λ3）已知地方恒星时换地方平时：M＝Mo＋S（1－1／366.2422）m＝Mo＋（s－λ）（1－1／366.2422）＋λ＝M0＋s－（s－λ）1／366.2422§2.6、历法一、制历的基本原则：1、历法：推算年、月、日的时间长度，协调它们的关系，制定一定的时间序列法则。年：以地球公转为依据、四季变化的周期。1回归年＝365.2422平日月：以月球公转为依据、月相变化的周期。1朔望月＝29.5306平日日：以地球自转为依据、昼夜交替的周期。这是三种完全独立的运动，没有简单的通约关系，日是基本单位不能分割，这种整日数的年和月为历年、历月。2、历法的制定原则（1）尽可能准确反映天文客观规律的历法，才能正确的反映天象和四季变化。（2）日历要简单、明了、易记。宁可牺牲精度以满足简单。（3）有通用性，能为广大地区所接受。3、主要有三种类型（1）太阴历：（回历）以朔望月为基本单位。（2）太阳历：（公历）以回归年为基本单位。（3）阴阳历：（农历）以朔望月计月，以回归年计年，二者兼顾。二、太阴历（回历）定义：以朔望月为基础，朔望月=29.5306日规定：每年12个月，大月30天、小月29天，平均29.5天。12个太阴月：29.5×12＝354日12个朔望月：29.5306×12＝354.36708日一年相差8小时48分36秒置闰：为保证每年的年初与月初都为残月，30年加11个闰日。置闰：30年11闰太阴历年长：35411/30=354.3666日12个朔望月：29.5306×12＝354.36708日30年的历年长：354×30＋11＝10631日30年朔望月长：29.5306×12×30＝10631.0124日30年共差17m1s，一年差41s.5在30年的第2、5、7、10、13、16、18、21、24、26、29年为