时间和历法

nullnull第三章 时间和历法null3.1 关于时间的计量1. 时间和时间的本质时间和空间一样，都是物质存在的一种形式，宇宙万物都在时间的长河中发生、发展和变化着。斗转星移、日月盈亏，寒来暑往，超涨潮落……总是一件事接一件事发生，一个过程跟着另外一个过程，绵延不断，反映出时间既是无始无终的，又是连续不断的。这种物质运动变化的序列和持续的性质，就是时间的本质。时间不能完全脱离于空间，而必须和空间结合在一起。物质的运动变化，永远在时间和空间中进行。物质不在时间和空间中运动是不可思议的。反之，没有物质运动的绝对时空，同样也是不可思议的。null2. 时间的含义在原始社会中，人们已经发现事物的运动过程和状态，有的在先、有的在后，发展过程有的较长、有的较短。那时便有了计量的时间概念了。时间包括两个方面的含义： （1）时段：测量两个瞬时的间隔，即时间经过的长短。要确定时段的长短，必须要有一个计量时间长短的标准来作为单位，然后用这个单位来度量两个事件发生的时间间隔，如：年、月、日、时、分和秒等。 （2）时刻：指无限流逝时间中的某一瞬间，就像时刻尺度上的刻度和标记-用以确定事件发生的先后。要准确的确定时刻，需要选择某一特定的时刻，来作为起算点的零点，只要计量“某事”和“起算点”之间的时间间隔，就可以确定这件事发生的时刻了。null世界各名族，在生产中都有他们计量时间的系统和方法。 （1）我们古代根据不同日期黄昏时某些量星和星座的出没来确定季节。 （2）我国北方则有用北斗星的斗柄所指方向来指示时刻和季节的。 （3）“日出而作，日没而息”。人类在劳动中最早形成的时间概念就是“日”，也就是太阳连续两次日出的时间间隔。 （4）热带的游牧名族，经常夜间放牧，他们最早利用月亮的圆缺盈亏来计量时间，这就是月的概念。 (5)中国很早就用土圭来观测正午时日影的长短，来测量下至、冬至和一年的长短。古埃及则是用尼罗河两次泛滥的间隔，来作为时间测量的单位—“年”。 （6）到了17世纪，伽利略发现了摆的等时性，人们利用摆来计量时间。null3. 测量时间的原则时间要用物质的运动来度量。选择不同的物质运动形式来达或计量时间的过程中，选择的物质需要： （1）具有固定的周期---周期性； （2）均匀等速运动---稳定性； （3）大多数人都能观测到---可测性。 地球公转运动、月球公转运动和地球自转运动都符合这三个原则，分别用它们的运动周期来计量时间，便产生了“年”、“月 ”、“日”的基本单位。然而，同一种周期运动，选择不同的量时天体（参考点），其周期时值也不同，于是便产生了不同的时间计量系统。例如一句地球自转的恒星时、太阳时系统，依据地球公转的历书时系统；依据原子振荡的原子时系统等。null4 真太阳时和平太阳时前面内容已经讲到，太阳存在周日视运动和周年是运动。太阳周年视运动的轨迹就是黄道。太阳约365.25天在黄道上运行一周。太阳周年运动的主要时刻如下： （1）三月二十一日：春分。太阳在春分点穿过赤道，由南半天球移到北半天球。地球北半球开始了“天文春季”; （2）六月二十二号：夏至。这天太阳达到最大的北赤纬，即到达上点Q点的位置，δ=23°26’。这天正午，太阳的日影最短。这天北半球白天最长，夜晚最短； （3）九月二十三日：秋分。太阳在秋分点从北向南穿过赤道; （4）十二月二十二日：冬至。太阳达到最大的南赤纬，即大大下点Q’， δ=-23°26’。这天北半球夜晚最长，白天最短。太阳的中心连续两次经过春分点的时间间隔，称为一个“回归年”的时间长度。回归年等于365.2422天，或者为365d5h48m46s。null真太阳日：真太阳日就是太阳中心连续两次上中天的时间间隔。真太阳日的长度每天都变化，这是因为： (1)太阳视运动是不均匀的； (2)太阳是在黄道上做周年视运动，即使这种运动是均匀的，它投影到赤道上也会产生不均匀性。 这导致了真太阳日的长短不是固定的。 真太阳时：定义太阳中心的时角为真太阳时，用符号t⊙。根据此定义，当太阳在上中天的时候为0，为真正午，为真太阳时的起算点。下中天为真子夜。为了符合人们的生活习惯，有时把定义改为：真太阳时在数值上等于真太阳的时角t⊙加上12h，用符号m⊙来表示，有： m⊙= t⊙+12h。 因为真太阳时的长度不固定，所以真太阳时的其它单位（时、分、秒）也有变化，也不固定。这种真太阳时同步的计时系统，不但不方便而且不可能。 null平太阳时：为了弥补真太阳时的不足，我们引入了平太阳时。我们设想有一个点，它不是在黄道上移动，而是在赤道上移动：它在赤道上运动是均匀的；这个点在赤道上滑动一周（即连续两次在赤道上经过春分点）所需的时间，和真太阳在黄道上滑动的那个一周（即真太阳连续两次经过春分点）所需的时间相等。这个假设的点，定义为平太阳。平太阳在天球上绕行一圈的时间，即连续两次过春分点的时间间隔，就是一回归年。平太阳赤经在一天之内的增加为一常数，即每天增加： μ=1/365.2422=3m56s 这是真太阳日向东移动的平均值。平太阳上中天就是平午，下中天就是平子夜，它的时角就定义为平太阳时角，用tm来表示，平太阳连续两次上中天的时间间隔，就是一个平太阳日。平太阳日是均匀的，它的其它时间单位也是均匀的。平太阳时简称为“平时”，用m来表示。为了符合人的习惯，经常以平子夜作为起算点来度量。所以平时m和平太阳时角tm的关系如： m=tm+12 null平太阳时和真太阳时除按预定的年首和年尾吻合外，其他时间都有有一个差值，天文界定义：真太阳时和平太阳时之差为时差，用η表示，即：η= t⊙-tm .时差有正有负，可大可小。时差与观测者的地理位置无关，只与观测日期有关。时差每年四次等于零，在4月16日、6月5日、9月1日和12月24日前后。四次极值，如下边所示。时差的周年变化，是视太阳日长度的周年变化的结果。null5 恒星日和恒星时以地球自转一周的时间，也就是天穹视转一周的时间作为基本单位，称为“恒星日”。要定出一个“恒星日”，最方便就是观测天上的恒星，只观测恒星周日旋转一周的周期即可。为了天文工作的需要，把天球上春分点连续两次上中天的时间间隔，定义为“恒星日”。这和某颗恒星连续两次上中天的时间间隔是一回事。这种以春分点作为量时天体所计量的时间称为恒星时。目前，天文界规定:春分点的时角就是恒星时，以春分点上中天作零时起算，即恒星时等于春分点的时角，有： S=tγ null由于春分点在天球上没有标志，故春分点的时角是通过测定恒星的时角导出的。设有任意恒星M，其赤经为αM，在恒星时为S的瞬间它的时角为tM，根据恒星时定义有： S=tγ= αM+tM 上式中αM可在星表中查到，tM可测。当恒星上中天时，tM=0，此时S= αM。所以，任何瞬间的恒星时，在数值上等于该瞬间上中天的恒星的赤经。null恒星日比平太阳日短3m56s，所以它的长度为23h56m4s平太阳时。在一个固定地点连续注意同一恒星小时在远处高楼后面的时候就能证明这件。每晚恒星消失的时刻，对照我们的中标发现，每天都比前一晚早3m56s。恒星日和平太阳日一样，也可以划分为24h，在“时”以下也分为“分”和“秒”。每一个恒星消失、恒星分、恒星秒都比平太阳时相应的短一些。null历书时 原想平太阳时的日、时、分、秒都应该是稳定的，但是，随着科学的发展，特别是石英钟的问世，人们不仅知道地球自转不是匀速的，连公转周期也不稳定，即回归年的长度也有变化。1952年，国际天文协会联合会作出决议，把1900年1月1日12时正的回归年长度作为标准，把这一年长度的1/365.2422×24×60×60(1/31 556 925.9747)即这一年的平太阳秒作为1秒的固定长度.称为历书秒（用于制订天文历书的标准秒），就是说，即使以后地球自转和公转的周期（日与年）有变化，秒的长度则不变了。以平太阳时为基础，以历书秒作为计时的基本单位所确定的时间称为历书时。它是从1960年开始实行的。因历书秒的长度是固定的，但这样的"秒"是很难取得的，虽经多年的观测和运算，其精度比太阳秒差不了十倍。而且，这种秒也很难保存，现在几乎不用历书时。null6 时间的种类1)．地方时 （1）地方时的概念     以本地子午面作起算平面，根据任意量时天体所确定的时间，均称该地的地方时。如量时天体分别为春分点、真太阳、平太阳所测量的地方时分别为：地方恒星时、地方真太阳时、地方平太阳时。 （2）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，与这两地的地方经度差可用下式表示： SA-SB=（λA-λB）×1恒星小时/15°          m⊙A-m⊙B=（λA-λB）×1视太阳小时/15°    mA-mB=（λA-λB）×1平太阳小时/15°null当经度相差1 °时，地方时就差4m，经度值差15 °，地方时相差一个小时。由于地球是自西向东自转的，所以东边的时间早，即绝对数值大；西边的时间晚，即绝对数值小。若已知甲、乙两地的经度和甲地的地方时，乙地的地方时可以按照下面公式求得：  乙地地方时=甲地地方时±甲乙两地相隔经度×4m     若乙地在甲地之东，为"+"；若乙地在甲地之西，为"-"。     例如：已知东经119°的地方时为6月6日8时，西经106°的地方时则为：     6月6日8时-（119°+106°）×4m=6月5日17时 null 无论是视太阳时，还是平太阳时或恒星时，从本质上说，都是以不同量时天体的时角来确定时间的。而量时天体时角是有地方性的，在同时同刻，不同经度上的量时天体时角是不一样的。比如说，当太阳处在某一经度的上中天时，在其它经度上，太阳一定不是处在上中天。本来，世界上可以把时间统一，如当太阳处在0°经线的上中天时，全球都为12h，不过这12h对各地的含义不一样，有的地方12h意味着吃中饭，有的地方12h意味着日出，有的地方12h意味着日落或半夜。然而，自古以来，世界上的时间从未统一过，而且各地都要把正午即太阳处在上中天的时间定为12h，这样一来，不同经度时间就不一样了。这种各地都以视太阳时角来确定，并把正午定为12h，不同经度时间不一样的时间系统，称为地方视时。同理除地方视时外，还有地方平时和地方恒星时。null 按时差的定义，视时与平时有如下关系： 视时=平时+时差 平时=视时-时差      还可推出以下换算关系： 平时=视时-时差 =[恒星时-太阳赤经+12h]-时差 ＝am－tm+12h  －时差 恒星时=视时+太阳赤经-12h =平时+时差+太阳赤经-12h     如果推算结果是负值，应加上24h；若推算结果超出24h，则应减去它。这样，若知道地方恒星时可以推算地方视时或地方平时（要提供时差值），也可以由地方平时推算地方恒星时。比如，我们需观测特殊的星星可以选择好地方视时或地方平时，也可以由地方视时推算当时所能看到的星空。null2)．区时     在古代，地区之间的交往和人际交往不多，各地都使用地方时未尝不可，甚至各家门前设置一个日晷，各用各的时间，也没有多大问题。现代社会区际交往和人际交往频繁，各用各的时间就行不通了。为了时间使用的方便，国际上规定，以经线为界，把全球分为24个区，每区跨经度15°，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，称为时区；这样的时间，称为区时。    在划分时区时，为了把0°、15°和15°倍数的经线作为中央经线，时区界线的经度就不是整数。其中0°经线所在的时区称0时区（称为格林威治时区）；东经半球的时区称东时区，也可用符号"+"表示；西经半球的时区称为西时区，也可用符号"-"表示；东12区和西12区都是半个时区，它们合成一个完整的时区，称东西12区，或就称12区。null为什么要分成24个时区，是因为地球自转1周花24小时，自转1个时区的度数（15°）即花1小时，于是，每隔1个时区，区时就差完整的1小时；另外，跨经度15°的时区，不大亦不小，大国固然要跨几个时区，但世界上大多数国家和地区仅跨一两个时区，或就在1个时区内。      如果已知某地的经度，求其所在时区，只要将已知经度除以15°，所得商数保留一位小数后，四舍五入取整，就可判定是哪个时区。     例如：西经117°在哪一时区？     解：117°÷15°＝7.8，故在西8区。 如果已知甲、乙两地相隔的时区数和甲地的区时，则：     乙地的区时=甲地区时±两地相隔时区数×1h      乙地在甲地之东为"+"， 乙地在甲地之西为"-"。     若已知某地的经度和地方时，求它的区时，只其中央经线的地方时即是区时。若已知甲地经度和它的地方时，求乙地的区时，则解法有多种：或先求甲地的区时，再算出乙地所在时区，并算出两地相隔时区数，最后求出乙地的区时；或先找到乙地所在时区的中央经线，再算出其地方时即可。 null作业1：已知西经132°的地方时为4月30日10时50分，求东经167°的区时是多少？null3)．国家标准时和法定时     尽管时区的划分是比较合理的，但有的国家毕竟要跨几个时区，有的国家偏在半个时区，有的国家习惯于以大山、大河作为界线。为了更方便和合理地使用时间，有的国家和地区规定把某一时区的区时或某一经线的地方时作为全国、全地区统一使用的标准时，有的国家在理论时区的基础按自然界线重新划定时区，在一国内使用几个区时。这样的时间，统称为国家标准时。我国的国家标准时称为"北京时间"，它是北京所在的东8区的区时，即其中央经线东经120°的地方平时，而并不是北京（东经116°19′） 的地方时。null1519年9月20日，麦哲伦率领5只船共265人从西班牙塞维利亚城出发向西远航，历时近三年，环球一周，到1522年9月6日，仅剩的一只船载着18名船员回到塞维利亚，结果发现他们比岸上人少做了一个礼拜，查航海日志中所记载的星期天比岸上少了一个，但船上是根据日出日落或天明天暗记载日期的，肯定没有错。这少过了一个星期天是怎么回事，向西航行的航海家们为什么"丢失"了1天？当时莫名其妙，谁也没法说清楚这些问题。4) 国际日期变更线null到后来，人们才从地球的运动上找到答案。我们知道，相对地球来说太阳是不动的，地球自转是由西向东旋转的，正是由于地球的旋转，造成了地球上任何一个定点每日24h的时间循环，这"24h"只适用于对于地球来说"不动"或小范围运动的对象，而对于在地球东西方向上做长距离运动的人来说，一天不再是24h，却是要长于或短于24h。 上述故事中，航海家由东向西航行，而地球不停地由西向东旋转着，他们就好象一直不停地追逐着下沉的太阳。因此夜晚总是比头一天迟一点来临，这就等于说延长了船上白昼的时间，也就是说连续两次太阳升到上中天的时间要比地球自转一周的时间长一点。据计算，在他们船上，每天比24小时长2分钟左右。这2分钟与24小时比是太短了，况且在当时，他们船上还没有准确的钟表，每天多2分钟根本察觉不出来。然而他们在船上航行了3年多，积少成多，3年竟凑成1整天！那奇怪的1天就这样悄悄地从他们身边溜走了。     如果他们继续航行，环球一周，又会少了一天，环球两周，就会少两天；相反，如果他们东航行，环球一周，就会多一天，环球两周，就会多两天。 null国际日期变更线为了防止类似的错误，国际上规定了一条日期变更线，由于180°经线大部分在海域，人烟稀少，所以被选作日界线。但实际日界线是折线，在180°经线作了几处偏折处理：一是在俄国西伯利亚东端向东偏折，使西伯利亚东端不致长期处在与西伯利亚大部分地区不同的日期；二是在美国阿留申群岛处向西偏折，可使阿留申群岛与阿拉斯加大部分地区处在同一日；三是在新西兰向东偏折，可使斐济、 加和新西兰相邻近，且关系密切的国家可基本上处于同一日期。null日期如何变更呢？从图可以看出，日界线的东侧是西12区，日界线的西侧是东12区。国际上规定，东12区比西12区早1日。所以，从西12区进入东12区，日期要加1日；从东12区进入西12区，要减1日。但东12区和西12区这两个半时区，在方向上，东12区在西，西12区在东，所以，自东向西越过日界线（相当于从西12区进入东12区）要加1日；自西向东越过日界线（相当于从东12区进入西12区）要减1日。null思考题：母亲乘飞机从斐济往西飞机，在路上生下双胞胎。其中哥哥于2010年1月1日上午9时出生于斐济，弟弟于两小时后出生于萨摩亚群岛，此时记录下弟弟在萨摩亚群岛的出生日期为？null 原子时 由原子内部能级跃迁所发射或吸收的极为稳定的电磁波频率所建立的时间标准。由于地球自转的不均匀性和历书时测定精度低且需时长，1967年10月，第十三届国际计量大会正式把铯原子振荡9 192 631 770次的时间定义为原子秒。以原子秒为基本计时单位所制定的时间称为原子时，它是一种物理学的微观时间标准。原子时是从1967年起实行的，直至现在。由于世界时的秒长比原子时的秒长约长300×10－10秒。1年约差1秒左右，因此，要设置闰秒。当回归年的长度增加时，要在年末（12月31日最后1分钟后）或年中（6月30日最后1分钟的）加1秒；当回归年的长度变短时，就要负闰秒。闰秒亦称为跳秒。20世纪50年代英国就已制成铯原子钟了。     7 其它时间系统null1675年，英国建立格林尼治天文台。从18世纪后半叶开始，格林尼治时间（视时）已被一些国家在编制为航海服务的天文历书时作为通用的标准时。1884年，在美国华盛顿召开的国际子午线（经线）会议把当时格林尼治天文台子午仪（中星仪）镜头上十字丝交点在地面上的垂点所在的经度定为0°经线（本初子午线），作为经度和时间计量的标准参考线。这样格林尼治时间就名正言顺地成为世界时了。世界时简写为UT，就是世界通用的时间，也是换算地方时和区时的标准，它是0°经线的地方时。1934年，世界时由视时改为平时（平太阳时）。1956年，对世界时进行改革，之后，把经过极移订正后的世界时称为UT1；把再经地球自转季节变化订正后的世界时称UT2。自然，之后通行的世界时是UT2。1960年采用历书时，1967年又采用原子时。世界时与世界协调时null由于在目前这段天文年代里地球自转的总趋势是逐渐变慢。所以原子时和UT2之间慢慢地会有差距，自1967年至1972年间，采取的协调办法①调整秒长②使原子时与UT2的差值限制在0.1秒之内。这样一来，虽然采用了原子时，但秒的长度仍未固定，这是物理界和计量界所不能赞同的。因此，自1972年开始便改变协调办法，即原子秒的长度不再改变，到一定时候置一闰秒，使原子时与UT2的差值控制在0.9秒以内（即差值将要超过0.9秒时就加一闰秒）。如前所述，闰秒一般设置在年末或年中，由国际时间局预先发出通知。这样经过协调的世界时称为协调世界时（UTC）。协调世界时便自动跳秒（闰秒）以适应地球自转速度的变化。1979年，国际上决定用协调世界时取代原来的世界时。     现在，所用的格林威治时间就是对协调世界时而言的，全世界的无线电通讯中的标准时间，几乎是协调世界时。null秒是现代时间计量中的基本单位，由于世界时和原子时这两种时间尺度速率上的差异，一般来说1至2年会差1秒，中国科学院国家授时中心于2005年7月6日发出预告，按照国际地球自转服务组织（IERS）的公报，由于地球自转速度的减慢，额外的1秒钟时间将被添加到2005年中，协调世界时（UTC）将在2005年实施一个正闰秒，即增加1秒。届时，所有的时钟将拨慢1秒。对应到北京时间，就是要在2006年元旦上午7时59分59秒与8时0分0秒之间人为地加入1秒，以“拨慢”时间。这是自1998年以来，首次需要增加额外的1秒，以让世界时（UT）和国际原子时（TAI）保持同步。      在2005年12月31日，按照国际统一的约定，世界各地实施时钟拨慢1秒，过渡到2006年1月1日的具体实施步骤为：      协调世界时时钟数字显示：      23时59分59秒（2005年12月31日）―00时59分60秒（2005年12月31日）――00时00分00秒（2006年1月1日）；      相应，北京时间时钟数字显示：      7时59分59秒（2006年1月1日）――7时59分60秒（2006年1月1日）――8时00分00秒（2006年1月1日）      在通常情况下，时间应该是从23时59分59秒直接拨到00时00分00秒。null  时间计量工作可以概括为测时、守时和播时（授时）三项内容。      测时，古时候是靠立竿见影或测定某些恒星的位置的确定时间。现代则是应用中星仪或等高仪等测时仪器观测选定的某恒星（如太阳）通过的瞬间，再经过归算获得准确的时刻。至于一切精密的计时工具，如天文钟、原子钟上的时刻，都要以此为依据。      守时，就是用守时工具把所测的时间持续下去。古时候一般采用圭表、日晷（也是测时工具）、滴漏、沙漏和计时香等守时，它们在当时的时间计量中都起过像我们现代钟表一样的作用。现代则用各种钟表、天文钟、石英钟、原子钟等计量时间，所有计时方法和计时工具，都是基于物体有规律的变化。如地球绕太阳1年旋转1周，地球1天自转1周，普通手表每秒摆轮摆5次，晶体钟每秒振荡500万次，而原子钟是用原子的振动来计时的，它每秒振动竟达几十亿次。计时频率的提高，本身就意味着计时精度的提高。8. 时间计量和服务null播时，即把测得的时间用各种手段播报出去。这种工作称为时间服务或授时或播时。古代的时间服务采用鸣锣击鼓声音报时等简易的方式。例如古代的城市里有鼓楼或钟楼，定时击鼓敲钟播报时间，在村镇或庄园里，夜间一般打锣或击木梆报时，叫做打更。近代的时间服务起源于无线电报时，以适应大地测量、航海事业发展的需要。现代随着电视的普及和电视技术的发展，人们开始利用电视系统授时。null为了统一全世界的时间服务，由国际时间局主持全球的世界时服务工作。二十世纪50年代初出现原子钟以后，原子时服务就成了国际时间局另一项重要的工作内容。时间服务不仅为日常生活和生产所必需，更重要的是与许多科学实验有密切的关系。在天文学中，世界时服务直接为研究地球自转、天文地球动力学，进而为研究地月系和太阳系的起源和演化提供基本资料；天文历书工作需要以历书时作为标准来编算各种天体的历表。在大地测量中，需要用精确的世界时来确定各个地点的精确坐标；航海航空部门则需要世界时进行天文导航。在空间科学中,人造卫星和导弹的发射、飞行和跟踪,都需要世界时和原子时的高精度时间同步，需要用原子标准时间和频率进行控制。此外，在无线电频谱校准、高容量数字通讯、无线电波传递研究和相对论的检验等工作中，时间和频率标准都有广泛的用途。时间服务主要分为世界时服务和原子时服务。