航海学Ⅱ天文航海3-时间(精选PPT)

第四章时间 第一节时间系统概述人们通过科学实践 相继选用了各种周期性变化过程作为时间的测量标准 即时间的计量单位 然而 无论采用什么计量单位 均应同时满足两个要求 第一 周期运动的稳定性 均匀性 第二 周期运动的复现性 重复性 这就是说 只能用一种均匀的 具有连续重复周期的现象作为时间的计量单位 历史上 时间计量单位的发展反映了不断满足上述要求的过程 迄今为止时间计量标准基本可分为三类 1 1 建立在地球自转基础上的世界时系统 2 建立在地球公转基础上由力学定律所确定的历书时系统 3 建立在原子能级跃迁频率基础上的原子时系统 2 一 世界时系统世界时系统 universaltimesystem 是建立在地球自转运动基础上的时间系统 也就是说 以地球自转周期作为时间的计量单位 地球上的人们无法直接测量地球的自转周期 但是 可以选择地球以外的一点作为参考点 观测该点的周日视运动的周期来间接地测出地球自转的周期 从而得到时间的计量单位 选择不同的参考点 得到的时间计量单位也不同 3 以春分点为参考点得到 恒星时 siderealtime 以太阳为参考点得到 视时 apparenttime 以平太阳为参考点得到 平时 meantime 或世界时 universaltime UT GMT 4 在相当长的一段时间内 人们把世界时作为均匀的时间来使用 即认为地球自转的速率是均匀的 随着观测资料年复一年的积累和精密时钟的出现 人们才从实测中证实地球自转的速率是不均匀的 并具有相当复杂的表现形式 其中包含周期性变化 长周期性变化 短周期性变化和不规则变化等等各种因素 从而导致以地球的自转周期作为时间的计量单位也是不均匀的 5 另外 地球在自转的过程中还存在 扭动 现象 从而使地极产生移动 简称极移 极移使地球上各点的经纬度发生变化 导致世界各地天文台测得的世界时之间存在微小的差别 尽管由于上述诸因素引起的时刻误差很小 但是 随着科学的发展 人们对时间的精确性的要求也随之越来越高 1955年国际天文学联合会决定自1956年起 对直接观测到的世界时作两项改正 因此 世界时UT又可分为以下三种 6 UT0 直接由天文观测得到的世界时 由于极移的影响 使世界各地的天文台测得的UT0有微小的差别 UTl UT0经极移改正后得出的世界时 这是真正反映地球自转的统一时间 也是天文航海所需要的世界时 UT2 UTl经过季节改正后得出的世界时 UT2是1972年以前国际上公认的时间标准 但是 它仍然还受地球自转速率的长期变化和不规则变化的影响 所以UT2还是不均匀的 7 二 原子时系统 atomictimesystem 原子时系统是建立在原子能级跃迁频率基础上的时间系统 1 原子时 atomictime AT 以铯 Cs 133原子基态超精细能级跃迁的电磁振荡919263l770周所经历的时间间隔定义为原子时ls的长度 原子时的起始历元为1958年1月1日0时 世界时UT2 8 2 协调世界时 coordinateduniversaltime UTC 以原子时秒为时间计量单位 在时刻上与世界时UTl保持在0s 9之内 协调世界时满足上述条件是通过 跳秒 来实现的 调整的时刻是在12月31日或6月30日最后一秒 对原子时增加ls称正跳秒 减少ls称负跳秒 9 正跳秒 23h59m60s之后是次日的00h00m00s这实质上是把原子时AT的时刻推迟ls 负跳秒 23h59m58s之后是次日的00h00m00s 这实质上是把原子时AT的时刻提前1s 具体跳秒时间和方法可查阅英版 无线电信号表 第二卷或英版 航海通告 第VI部分 10 协调世界时UTC从1972年1月1日世界时00h开始实施 由于协调世界时UTC与世界时UT1相差不超过 0s 9 也就是说 协调世界时UTC是采用以世界时UT1制约的原子时系统 它的体制仍沿用世界时的体制 因此 1972年以后时间系统的更换对人们的生活 工作无任何明显的影响 11 另外 人们除采用了世界时系统和原子时系统之外 还采用了建立在地球公转基础上的历书时系统 历书时是一种由力学定律确定的均匀的时间系统 但是 由于观测误差较大 难于得到高精度的历书时 因而历书时只作为天文学的基本常数 12 13 第二节恒星时恒星时 siderealtime 是建立在地球自转运动基础上的时间系统 以春分点为参考点 以其周日视运动的周期作为时间的计量单位 一 恒星日在周日视运动中 春分点了连续两次经过某地午圈所经历的时间间隔称为恒星日 siderealday 即 l恒星日 天球旋转 360 所经历的时间间隔 14 l恒星日可分为 l恒星日 24恒星小时 24h l恒星小时 60恒星分钟 60m 1恒星分钟 60恒星秒钟 60s 15 在一个恒星日中 春分点 在同一个午圈上连续两次上中天 这期间春分点 正好完成一整周360 的周日视运动 所以时间与角度之间存在着如下时 度换算的关系 24h 360 1h 15 lm 15 l 4m ls 15 0 25 1 4s 16 例l 试将08h14m28s换算成角度单位 例2 试将218 17 5换算成时间单位 17 解 例1例28h120 218 14h32m14m3 30 17 5lml0s28s7 218 17 514h33m10s8h14m28s123 37 18 二 恒星时恒星时 siderealtime 应是春分点 经过某地时圈时起算的 而午圈随着测者所在地点的经度不同而不同 因此 恒星时具有地方性 1 地方恒星时 localsiderealtime LST 在周日视运动中 春分点 由某地午圈起 向西运行所经历的时间间隔称为地方恒星时 19 显然 春分点 上中天时 地方恒星时LST 00h 下中天时LST 12h 由于恒星时具有地方性 在同一时刻 不同经度上的地方恒星时则不一样 它们之间的关系是 LST2 LSTl十D 20 21 2 格林恒星时 Greenwichsiderealtime GST 在周日视运动中 春分点了由格林午圈起 向西运行所经历的时间间隔称为格林恒星时 显然 它是地方恒星时的一个特例 春分点 格林上中天时 格林恒星时GST 00h 下中天时GST 12h 由于恒星时具有地方性 在同一时刻 任意经度上的地方恒星时LST与格林恒星时GST同样存在如下 东大西小 的关系 LST GST 22 23 三 恒星时与春分点时角的关系 春分点时角是从午圈开始起算的 而恒星时也是从测者午圈开始起算的 由此可见 在同一时刻 任意经度上的春分点时角在数值上等于该时刻的恒星时 即 LST LHA 或GST GHA 24 由于春分点 在天球上没有标志 所以人们无法直接观测它的周日视运动的周期 在下图中 为某天体 可以得到 LST LHA RA LHA 若已知某天体的赤经RA 则只要测定它在某一瞬间的地方时角LHA 就可利用上式求出该瞬间的地方恒星时LST 当恒星上中天时LHA 0 LST RA 即该时刻的地方恒星时LST在数值上等于该星的赤经RA 25 26 在天文航海中 恒星时是以春分点时角来表示的 恒星时是天文学上采用的时间计量单位 它不宜用于日常生活和工作中 这主要是恒星时与昼夜关系不固定的缘故 我们已知 春分点每天中天的时间比太阳提前约4m 例如 3月21日 太阳位于春分点 这一天春分点与太阳同时上中天 恒星日从中午开始 到6月22日 春分点上中天的时间比太阳提前约6h 恒星日从黎明开始 同理 9月23日恒星日从午夜开始 12月22日恒星日从黄昏开始 由此可见 恒星时的时刻与昼夜的关系不固定 然而 人们的日常生活工作一般是 根据 昼夜 来安排的 所以恒星时不宜用于日常生活之中 27 第三节视时 视时 apparenttime 是建立在地球自转基础上的时间系统 它是以太阳 为参考点 以其周日视运动的周期作为时间的计量单位 一 视太阳日在周日视运动中 太阳中心连续两次经过某地子圈所经历的时间间隔称为l视太阳日 l视太阳日可分为 l视太阳日 24视太阳小时 24h l视太阳小时 60视太阳分钟 60m l视太阳分钟 60视太阳秒钟 60s 28 在一个视太阳日中 太阳在同一子圈上连续两次下中天 这期间太阳正好完成一整周360 的周日视运动 所以视时与角度之间同样存在着如同前面所述的时 度换算的关系 29 二 视时由视太阳日的定义可知 视时 localapparenttime LAT 是太阳中心经过某地子圈时起算的 而子圈随着测者的经度不同而不同 因此 视时具有地方性 在周日视运动中 太阳中心由某地子圈起 向西运行所经历的时间间隔称为视时LAT 30 太阳上中天时LAT 12h 下中天时LAT 00h 由于太阳地方时角LHA 是从测者午圈起算的 而视时是从测者子圈起算的 因此 同一时刻视时LAT与太阳圆周地方时角LHA 相差180 12h 即 LAT LHA 31 三 视太阳日作为时间计量单位的缺陷视太阳日作为时间计量单位的缺陷是它的长度逐日不一致 如图1所示 例如 对某一测者Z来说 3月21日太阳 位于春分点 在某一瞬间 太阳 春分点 同时下中天 尔后 天球带着太阳 和春分点 一起向西作周日视运动 一天后 当春分点了再次下中天时 天球旋转了360 太阳 还没下中天 即还没到l太阳日 如图2所示 这是由于太阳在向西作周日视运动的同时又沿黄道向东移动了一段弧距 其赤经相应变化了d RA 即太阳赤经日变化量 所以太阳 要连续两次下中天 则天球还要向西旋转d RA 如图3所示 因此 1视太阳日 天球旋转 360 d RA 所经历的时间 32 1视太阳日 天球旋转 360 d RA 所经历的时间由于在一年中 太阳赤经日变化量d RA 最大约66 6 最小约53 8 所以最长和最短的视太阳日相差约51s 并且在逐日变化 作为时间计量单位 长短必须固定 所以视太阳日不宜作为时间的计量单位 33 图1 图2 图3 34 虽然视太阳日不宜作为时间的计量单位 但它与昼夜交替的关系固定 符合人们工作 休息的习惯 因此 人们又考虑在这个基础上制定一种既与昼夜交替关系稳定 长短又均匀的时间计量单位 于是产生了平时 35 第四节平时 平时 meantime 是建立在地球自转运动基础上的时间系统 它是以平太阳 为参考点 以其周日视运动的周期作为时间的计量单位 36 一 平太阳平太阳 meansun 是一个假想的天体 它在天赤道上向东作匀速的周年视运动 其速度等于视太阳在黄道上运行的平均速度 二 平太阳日在周日视运动中 平太阳连续两次经过某地子圈所经历的时间间隔称为l平太阳日 meansolarday l平太阳日 24平太阳小时 24h l平太阳小时 60平太阳分钟 60m l平太阳分钟 60平太阳秒钟 60s 37 在一个平太阳日中 平太阳在同一子圈上连续两次下中天 这期间平太阳正好完成一整周 即360 周日视运动 所以平太阳日的时 分和秒与角度之间同样存在如前两节中所描述的固定时 度换算关系 只是它的时 分和秒的长短与恒星时和视时的均不相同 38 由平太阳的定义可知 平太阳在天赤道上向东作等速的周年视运动 其速度等于太阳在黄道上运行的平均速度 太阳在黄道上连续两次经过春分点的时间间隔为l回归年 等于365 2422平太阳日 该值每百年减少约0s 5 这期间太阳赤经变化了360 则每日太阳赤经的平均变化量就是平太阳在天赤道上向东作周年视运动的速度 即平太阳赤经日变化量 39 平太阳赤经日变化量 40 这是由于平太阳 在向西作周日视运动的同时 又沿天赤道向东作周年视运动而移动了一段弧距d RA 所以平太阳要连续两次下中天 则天球还要带着平太阳向西旋转d RA 角度 如图4 4 10所示 因此 l平太阳日 天球旋转 360 d RA 所经历的时间 天球旋转 360 59 14 所经历的时间 l恒星日 3m56s 56 41 图1 图2 图3 42 三 平时定义了平太阳日之后则可定义平时 meantime 由于平太阳日是从子圈开始的 所以平时亦应从子圈起算 而子圈随着测者所在地点的经度不同而不同 因此 平时具有地方性 43 1 地方平时 localmeantime LMT 在周日视运动中 平太阳 由某地子圈起 向西运行所经历的时间间隔称为地方平时LMT 同时注明日期 显然 平太阳 上中天时地方平时LMT 12h 下中天时地方平时LMT 00h 由于平太阳地方时角LHA是从午圈开始起算的 则同一时刻 地方平时LMT与平太阳圆周地方时角LHA相差180 12h 即 44 平时为00h的瞬间作为一天的起点 所以指出平时的同时应标注日期 这就是人们通常采用的日期标志 而恒星时00h相对平时不固定 故恒星时没有日期 通常所说的某月某日恒星时某时 所指的日期是平时的日期 由于平时具有地方性 因此 在同一时刻 不同经度上的地方平时之间同样存在 东大西小 的关系 即 45 46 例 已知经度122 05 0E的地方平时LMTl 09h53m04s 5月10日 求经度120 00 0E的地方平时LMT2 解 求两地经差 并将其化为时间单位 求120 00 0 LMTl09 53 0410 5 122 05 0 08 202 05 0 LMT209 44 4410 58m20s 47 例 已知经度84 17 0W的地方平时LMTAl6h21m26s 7月16日 求经度l38 41 0E的地方平时LMTB 解 l38 41 0 LMTA16 21 2616 7 84 17 0 14 51 52222 58 0 LMTB31 13 1816 714h5lm52s LMTB07 13 1817 7 48 2 世界时 universaltime UT 又称格林平时 Greenwichmeantime GMT 在周日视运动中 平太阳由格林子圈起 向西运行所经历的时间间隔称为世界时 同时须注明日期 显然 平太阳格林上中天时GMT 12h 下中天时GMT 00h 在同一时刻 任意经度上的地方平时LMT与世界时GMT存在如下 东大西小 的关系 即 49 50 例 B知世界时GMT 02h07m04s 8月10日 求经度116 28 0W的地方平时LMT 解 将经度化为时间单位 116 28 0 07h45m52s 求GMT02 07 0410 807 45 52LMT18 21 129 8 51 四 时差对同一测者来说 在同一时刻 视时LAT与平时LMT之间的时间差称为时差 equationoftime ET 如图所示 时差的定义式为 在上式中 当LAT LMT时 ET为 即在周日视运动中 太阳 在前 平太阳 在后 当LAT LMT时 ET为 即在周日视运动中 平太阳 在前 平太阳 在后 当LAT LMT时 ET为 0 即在周日视运动中 平太阳 时圈与太阳 时圈重合 52 53 由于太阳与平太阳的赤经日变化量不一致 因而产生了时差 我们已知太阳周年视运动的速度是不均匀的 其赤经日变化量在53 8 66 6之间逐日变化 而平太阳周年视运动的速度是均匀的 其赤经日变化量为59 14 这样 在一年中太阳有时在平太阳的东边 有时在平太阳的西边 所以时差ET的值是逐日变化的 其值可以在当日 航海天文历 中查得 54 一年中时差ET有四次为零 两次正极大值 两次负极大值 在11月3日前后 时差达最大值ETmax 16m24s 这也就是说 一年中时差最大不超过17m 综上所述 视时和平时两者的差值最大不超过17m 因此平时能与昼夜保持固定关系 又因平太阳日长短基本固定 所以平时是1972年以前国际上公认的时间计量单位 55 56 第五节区时 zonetime 一 区时制 zonetimesystem 1 时区划分 全球按经度划分为24个时区 如图所示 以0 经线为基准 向东 西各取经度7 30 共计经度15 划为一个时区 称零时区 0 经线是该时区的中央经度线 又称时区中线 57 58 2 区号 zonedescription ZD 时区的顺序号 零时区的区号为 0 以此为基准 东时区的区号依次为 1 2 12 西时区的区号依次为 l 2 12 从上可见 东时区的区号为 西时区的区号为 59 由于相邻两时区的时区中线经度相差15 1h 时区中线经度在数值上正好等于该时区区号的小时数 即 时区中线经度已知时区中线经度可求得该时区的区号 反之亦然 各时区的边界经度等于它的中线经度 7 30 凡是经度离某一时区中线经度小于7 30 的地方 均属于这个时区 因此 测者所在时区的区号可以由测者经度计算出来 即 60 例 求大连 121 39 E 和北京 116 28 E 所在时区的区号ZD 解 8 余1 39 7 30 ZD 7 1 8 北京位于东八区 61 二 区时ZT1 区时 zonetime ZT 时区中线的地方平时作为该时区的区时 区时通常要注明区号和日期 相邻两时区的中线经度相差15 1h 则相邻两时区的区时相差1小时 区时同样存在 东大西小 的关系 区时就是时区中线的地方平时 不同时区区时的换算 即 62 在船上 日常的工作 生活是根据 船钟 指示的时间 称船时 ship smeantime SMT 来安排的 船钟一般指示船舶所在时区的区时 特殊情况除外 由于船时通常用准确到分钟的4位数表示 所以由船钟读取的船时SMT是近似区时ZT 63 2 区时ZT与世界时GMT的关系同一时刻区时ZT与世界时GMT正好相差与区号相同的小时数 即 GMT ZT ZD东时区ZD为 西时区ZD为 64 3 区时ZT与地方平时LMT的关系由于区时是时区中线的地方平时 已知区时求地方平时 即 例 已知经度122 23 0E的地方平时LMT21h04m36s 3月6日 求该经度所属时区的区时ZT 65 三 拨钟船钟一般指示区时 由于相邻两时区的区时相差l小时 并且具有 东大西小 的关系 当船舶驶入相邻时区时 船钟应拨快或拨慢l小时 船舶向东航行进入相邻时区 应将船钟拨快l小时 船舶向西航行进人相邻时区 应将船钟拨慢1小时 66 由于180 经线是东 西十二时区共用的时区中线 该经线的地方平时是东 西十二时区共用的区时 所以船舶由东十二时区进入西十二时区或反之均不用拨钟 但日期相差一天 67 四 日界线日界线 dateline 又称国际日期变更线 由于区时制的建立而产生了日界线 日界线