基础天文学历法

第四讲时间与历法时间是什么？中世纪著名思想家奥古斯丁有一句名言：

“时间是什么？人不问我，我很清楚，一旦问起，我很茫然。”时间的重要特性：流逝性、测度性

时间的本质原始时间观念:远古的人类感觉到事件发生的先后、物体运动的进程，由直觉产生的时间概念。远古的原始时间观

古希腊的柏拉图认为空间是一个早已存在的框架，宇宙装在其中，而时间则是从宇宙中产生。强调说时间是“运动着的永恒的形象”。

哲学家的时间观 18世纪康德唯心主义时间观：时间不是外部客观事物的特征，而只是人们主观对客观存在的一种感受，是人类本能的一种表现形式。

唯物主义的时间观：时间不依赖于人的主观意识，是客观实际物质运动的一种表现形式。

要得到对时间的正确认识，必须与对空间的认识相结合。时间用以描述事件之间的顺序，而空间用以描述物体的位形。绝对时空观

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地，均匀地流逝。

——

牛顿——

存在着绝对时间和绝对空间，它们既彼此互不关联，又与物质和运动无关。相对时空观

空间—

时间未必能看作是可以脱离物质世界的真实客体而独立存在的东西，并不是物体存在于空间中，而是这些物体具有空间广延性。这样看来，关于‘一无所有’的空间的概念就失去了意义。

——

爱因斯坦——物质的引力作用使得时空弯曲，因而时空的性质与物质及其运动有关。时间的计量

1、建立时间系统的目的判别和排列事件发生的先后顺序和运动的快慢。

时间有“间隔”、“时刻”两个含义时刻：事物运动中，某一状态发生的瞬间。间隔：事物某一运动过程所经历的时间。200920102011201220132、时间计量包含3、时间计量的基本原则

选择某一运动规律已掌握，运动状态可观测到的具体事物。选取该事物的某一运动过程为时间的基本单位。选取该事物的某一运动状态为时间计量的起算点。先民日出而作，日入而息，太阳是天然的钟表。

§1、时间计量系统一、恒星时(siderealtime)：

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当任一恒星上中天时

t=0即s=α二、真太阳时(truesolartime)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(thedatewillchangeatmidnight)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。

北极点子午线春分点周年周日赤道m⊙≈s＋3m56s2、真太阳时的缺陷

（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。三、平太阳时

(meansolartime)引入的一个假想参考点。在黄道上建立第一个辅助点在黄道上均匀运动，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。在赤道上建立第二个辅助点在赤道上匀速运动，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。1.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—平太阳连续两次下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平太阳时是我们最经常使用的计时系统春分点赤道黄道平太阳真太阳四、时差真太阳的时角

与平太阳的时角之差。

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

真太阳时真太阳视圆面中心连续两次上中天的时间间隔为1真太阳日。1真太阳日划分为24真太阳小时，又取1真太阳时=60真太阳分，1真太阳分=60真太阳秒。真太阳时的计量起点是真太阳上中天，真太阳的时刻就是其时角。为了照顾生活习惯，1925年起，把真太阳时定义为

，即将起点定在下中天时刻。

真太阳的视运动是地球自转和公转运动的共同反映。地球的公转轨道是椭圆，公转速度不均匀，而且自转轴不垂直于公转轨道面。以上原因使得真太阳日的长度每天都不同，最长和最短相差可达51s。真太阳时与日常生活的节律一致。真太阳日的长度比地球的自转周期长。真太阳时不是均匀的时间计量系统。平太阳时

为了克服真太阳时的缺陷，引入了一个假想的参考点——平太阳，据此建立了平太阳时，简称平时，并将格林尼治子午圈的平时称为世界时。

第一辅助点——黄道平太阳。在黄道上做匀速运动，其视运动的速度等于太阳时运动速度的平均值，并且与真太阳同时经过近地点和远地点。

第二辅助点——赤道平太阳。在赤道上做匀速运动，不仅与第一辅助点速度相同，而且两者同时经过春分点和秋分点。

赤道平太阳连续两次上中天的时间间隔为1平太阳日。恒星时

春分点连续两次上中天的时间间隔为1恒星日。恒星日也划分为恒星小时、恒星分和恒星秒。

恒星时的起点定义为春分点上中天。恒星时与日常生活的节律有偏差，故不能用于日常生活中的计时量。在天文观测中，观测时刻必须用恒星时计量。§2、地方时、世界时、区时恒星时、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，以时角度量的。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，参考点经过的天子午圈不同，所得时刻也不同。计量系统的地方性

（以地球自转为基础）

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–tB

SA–SB=tA–tB=λA-λB

2、世界时与区时

世界时：（S、M⊙、M）以本初子午(Greenwich)为标准的地方时为世界时

（λ=0h

）

m-M=△λs-S=△λ（+东、-西）本初子午线区时（Th）为平时系统

（

λN=N15º）

把全球分成24个时区，每区跨经度15º，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。我国从东向西横跨五个时区,统一采用北京所在的东八时区的区时，即东经１２０度经线的地区（无锡）的地方时为“北京时间”注意:北京时间不是北京地方平时，二者相差约14.5分钟。帕米尔时区回藏时区陇蜀时区中原时区长白时区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。时刻的有关概念平时系统和恒星时系统的特点：时刻起算点周期性重复。

平时系统中，平时为0h的时刻作为一天的起点，标以日期；

但在恒星时系统中没有日期的概念。通常所说的某月某日恒星时某时，日期是平时系统的日期。

对于同一日期的两个瞬间1、只要给出了它们的平时时刻，即可由数值的大小判断发生的先后顺序。2、对于恒星时时刻，要视两个时刻在恒星时0h的同侧还是两侧而定，并不仅取决于数值的大小。

§3、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=365.2422/366.2422平太阳日＝（1－1／366.2422）＝0.9972696平太阳日

m＝s（1－1／366.2422）1平太阳日=366.2422/365.2422恒星日＝（1＋1／365.2422＝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→MM＝Mo＋S（1－1／366.2422）或[M＝S（1－1／366.2422）-（24h-Mo）]

So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=0s0sMM2=0hM（1＋1／365.2422）SoS（1－1／366.2422）

M1=0h24h-M0Mo§4、现代时间服务

时间计量工作的三项内容

测时、守时、授时1、测时

测定恒星的瞬时位置，经过归算获得准确时刻（圭表gnomon、日晷sundial、中星仪transitinstrument等）2、守时

用守时工具把所测时间持续下去.是整个时间工作中最关键的一环，它的任务是产生和保持高精度的准确时间。（滴漏、沙漏、计时香、天文钟、石英钟、原子钟）惠更斯摆钟布拉格市政厅天文钟多级漏壶沙漏地球电台用户

3、授时：时间服务、播时授时系统是确定和发播精确时刻的工作系统。把测得的时间用各种手段播报出（鸣锣击鼓、无线电报时、电视系统授时）一、世界时的改正：定义：

λ＝0º的地方平太阳时M测定：

UT＝tm＋12h＝（S－αm）＋12h

为什么要对世界时(地球自转时间)进行改正?世界时不是一个均匀的时间计量系统影响的因素——扰动地球自转的各种力

1、极移：

地球瞬时自转轴在地球本体内的运动。（地极移动造成地理经纬度的变化）1984-20022、地球自转不均匀

（地球自转速度变化）长期变化：自转减慢，日长增0s.0016／百年月球引力引起的海洋潮汐潮汐作用相当于把地球自转向回拉使一天变长,

将来终有一天的长度相当于现在一个月约4亿年前,一年有400天约1亿年前,一天只有现在的20小时长季节变化:

自转上半年慢，下半年快±0s.001（大气环流）不规则变化:

时快时慢。（各种因素）

UT的三种系统

显然，地球自转速率的不均匀性和极移的影响都包含在世界时中。

1956年起，把世界时划分为三种：（1）UT0：天文台直接测量的结果（2）UT1：对UT0做经度的修正

UT1＝UT0＋△λ（3）UT2：对UT1做季节变化的改正

UT2＝UT1＋△Ts

UT2系统不仅含有地球自转的长期变化及不规则变化，同时还受经验改正△Ts不够严格的影响，它并非是一个均匀的时间计量系统。（地球钟的稳定度0.7×10-9

秒）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”。目前最好的铯原子钟的稳定度能够达到1500万年不差一秒。现在国际上普遍采用铯原子钟来产生和保持标准时间。二、原子时

（TAI）

定义：

以原子内部的运动规律为基础建立的时间计量系统。原子钟的稳定度达10-13时间单位：原子时秒（SI）：在海平面上铯原子133基态的两个超精细能级在零磁场中跃迁辐射振荡9192631770周所持续时间。1H199Hg+9,192,631,770133Cs

定义时间-基本单位(SI秒定义)

原子时秒

（SI）：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原子时起始点：为1958年1月1日UT=0h。（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＝TAI－0s.0039

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“国际地球自转服务组织（IERS)”统一进行数据处理，由各授时单位向全世界发布。（国家授时中心）北京时间由国家授时中心（在西安临潼，原中国科学院陕西天文台）负责发布，授时台位于陕西蒲城。中国采用北京所在的东八时区的区时作为标准时间，称为北京时间。北京时间并不是北京（东经116.4°）地方的时间，而是东经120°地方的地方时间。北京时间比北京地方平太阳时早约14.5分。重庆、新疆西藏地方时间分别比北京时间晚约1、2小时。为国家国防试验、空间技术、测绘、地震、交通、通信、气象、地质等诸多行业和部门提供了可靠的高精度授时服务。特别是在以卫星发射、火箭试验为代表的我国航天技术发展中做出了重大贡献。

特点：

原子时是一种均匀的时间计量系统，秒长固定，测定容易。但它是一种“物理时”，与前两种“天文时”在实现方式上有根本的区别。

老的时间定义：基本单位是日、回归年，再划分时、分、秒。

新的时间定义：

基本单位是秒，分、时、日、年由秒累加得出。原子钟不仅用来计量时间，它本身就是时间标度产生器。

三、协调世界时（UTC）

又称世界统一时间，世界标准时间，国际协调时间

UTC的定义1、在速率上UTC与TAI完全一致，2、在时刻上UTC与TAI相差若干整秒，3、UTC是通过插入或者去掉整秒（正跳秒或负跳秒）来调整的，以确保它和世界时UT1的时刻近似相同(差异<0.9s)。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0s.9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、1UTC系统有高的精度和稳定性。

协调世界时（coordinateduniversaltime,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。

要求时间实验室有足够数量的高稳定性的原子钟形成稳定度高的地方原子时TA(k)作为参考时间尺度，以监测和控制实时UTC(k)，确保其相对于UTC的准确度。铯原子钟一、制历的基本概念：

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。地球、月球的运动给出三种天然的时间单位：日、月和年。§5、历法

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。

1平太阳日年、月、日是历法的三大要素。立法中的年、月、日在理论上近似等于天然的时间单位——回归年、朔望月、真太阳日，称为历年、历月和历日。2、历法的制定原则（1）尽可能准确反映天文客观规律，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。（4）任何一种具体的历法，必须明确规定起始点纪元——开始计算的年代；岁首——规定一年的开端。规定每年所含的日数，月份的划分，每月所含天数。3、主要有三种类型

历史上，在世界各地，存在过千差万别的历法，但就其基本原理来讲，不外乎三种：即太阴历（回历）、太阳历（公历）、阴阳历（农历）。

（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（历月）：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

一年差41s.5

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

在30年的第2、5、7、10、13、16、18、21、24、26、29年为闰年，闰日加在闰年的最后一天。（可保证朔在月初和年首）优点：

日期和月相吻合很好，对于预测海洋潮汐、安排渔业生产等有一定的作用。

缺点：历年长35411／30＝354.3666日与回归年365.2422

比，一年就相差11日左右，3年短1个月，约16.3年就会出现月序与季节倒置的现象。与季节变化严重脱节，使太阴历不适用于农牧业的需要。回历：积32.6回归年，与回归年相差一年。因此，岁首逐年提前，与季节完全脱节。目前只有少数伊斯兰国家和地区在宗教节日上使用。三、太阳历（公历）起源于古埃及

现公历（格里高利历）的前身是儒略历：公元前46年，罗马皇帝儒略·恺撒（JuliusCaesar）执政，着手改革历法，诞生“儒略历”。儒略历是在埃及亚历山大的希腊数学家兼天文学家索西琴尼的帮助下制订，仿照古埃及历法制定的。

儒略历

定义：以回归年为基础,回归年=365.2422日

规定：每年12个月，大月31天（单）、小月30天（双）、

2月（处决人犯的月份）平年29天。

年首：每年冬至后第十天。

置闰：每隔三年一闰，闰年366天，加在2月。平均历年长：3651／4＝365.25日回归年长：365.2422日

400年差3天。

儒略.凯撒于改历后的第二年（公元前45年）即遇刺身亡，掌权的僧侣把“每隔三年一闰”误解为“每三年一闰”。这样在短短的33年，就多了3个闰年。

公元前8年奥古斯都（AugustusCaesar）接位。奥古斯都对历法又一次改革

1、从公元前8年到公元3年不再闰年，把多闰的3年扣回。

2、将他出生的8月改成大月，有1、3、5、7、8、10、12为大月（31天），4、6、9、11月为小月（30天），平年2月28天。这就是目前阳历月份长短不一、又毫无规律可循的历史原因。

公元1582年：

测得太阳3月11日过春分点比规定的3月21日提早10天，历日与天象不符，必对历法进行修正。

1582年3月1日，罗马教皇格里哥里13世(PopeGregoryXIII）

颁发了改历命令，内容是：

1、规定：1582年10月4日的第二天为10月15日。但星期序号仍然连续计算10月4日是星期四，第二天10月15日是星期五。这样，就把积累的老账一笔勾销了。2、为避免以后再发生春分飘离的现象改为400年97闰：凡是年数可被四整除的为闰年，世纪年如1600，1700，1800，……要被400整除才是闰年。闰年的二月份为29天。格里历平均历年长：36597／400＝365.2425

回归年长：365.242225s.9／1年；2h52m48s

／400年；

3300年才差一天太阳历以太阳周年视运动为依据的太阳历，如现行的公历（又称格里历），由儒略历改进而来；

优点:内容比较简洁，便于记忆，而且精度较高，与天时符合较好。缺点:公历中的月人为定义，并无天文意义。我国1912年采用格里历，但不用其纪年，直到解放后才采用。

纪年公历的纪元是人为的、带有宗教色彩。在公元532年罗马教皇宣布基督诞生的那一年为公元元年。而不是儒略凯萨下令修改历日的开始时间。在公元532年后宣布532年前一年为元年。是出自宗教的需要，保证复活节过532年会在同一日期、同一月相、同一星期序数重复出现。星期的概念体现了不同民族文化的奇特结合。四大文明古国（埃及