Podstawy astronomii

Czas

Rozdział 3

Ruch obrotowy Ziemi wyznacza jednostkę czasu - dobę.

 

Czas gwiazdowy

Odstęp czasu między kolejnymi górowaniami punktu Barana nazywamy dobą gwiazdową. Okres ten nie jest zupełnie identyczny z okresem czasu zawartym między dwoma kolejnymi górowaniami dowolnej gwiazdy, będącym okresem obrotu Ziemi dookoła osi. Doba gwiazdowa jest krótsza od okresu obrotu Ziemi o około 0.s009 z powodu ruchu precesyjnego punktu Barana.
Czas gwiazdowy (T*) jest to kąt godzinny punktu Barana. Wyraża się go w mierze czasowej.

T* = t

Punktu Barana na niebie oczywiście nie widać, dlatego w praktyce mierzymy kąt godzinny tG dowolnego obiektu o znanej rektascensji. Kąt godzinny punktu Barana równy jest bowiem sumie rektascensji i kąta godzinnego tego obiektu (patrz Rys. 12):

T* = t = αG + tG

Kiedy dana gwiazda góruje (przechodzi przez lokalny południk) to jej kąt godzinny wynosi 0° i kąt godzinny punktu Barana równy jest tylko rektascensji tej gwiazdy:

T* = t = αG górującej
Rys.12 - Związek między kątem godzinnym punktu Barana a rektascensją i deklinacją dowolnej gwiazdy.

 

Czas słoneczny

W życiu codziennym używanie czasu gwiazdowego byłoby bardzo niewygodne. Rytm naszych zajęć związany jest ze Słońcem, z jego wschodami i zachodami. Rys.13 - Przyrosty rektascensji SłońcaPołożenie Słońca względem punktu Barana nieustannie się zmienia w cyklu rocznym i dlatego czas gwiazdowy nie pokrywa się z czasem słonecznym (tylko raz w roku następuje ich zrównanie, w dniu równonocy jesiennej). Zegary gwiazdowe spieszą się względem słonecznych o prawie 4 minuty na dobę. Odstęp czasu pomiędzy dwoma kolejnymi górowaniami Słońca nazywamy prawdziwą dobą słoneczną.

Miarą czasu słonecznego jest kąt godzinny środka tarczy Słońca. Aby mierzyć go od północy, a nie od środka dnia, kiedy to Słońce góruje na południku, definiujemy go jako: kąt godzinny środka tarczy Słońca plus 12h:

T = t + 12h

Prawdziwy czas słoneczny nie upływa w sposób jednostajny z dwóch powodów (rys.13):

  • z powodu nachylenia ekliptyki do równika. Jednakowym odcinkom na ekliptyce (na Rys. 13 łuki S1S2 i S3S4) nie odpowiadają jednakowe odcinki na równiku (łuki S'1 S'2 i S'3 S'4 ).
  • ze względu na eliptyczność orbity Ziemi (niejednostajna prędkość na orbicie)

Ze względu na swój niejednostajny charakter prawdziwy czas słoneczny nie może stosowany w praktyce. Jedynymi zegarami wskazującymi ten czas są zegary słoneczne.

 

Średni czas słoneczny

Aby zdefiniować jednostajnie płynący czas słoneczny wprowadzono pojęcie 'słońca średniego'.
Słońce średnie to punkt poruszający się po równiku z średnią prędkością kątową Słońca prawdziwego. Odstęp czasu pomiędzy dwoma górowaniami średniego słońca nazywamy średnią dobą słoneczną.
Miarą średniego czasu słonecznego jest kąt godzinny słońca średniego. Podobnie jak w przypadku Słońca prawdziwego, odczyt tego czasu prowadzony jest od północy:

T = t + 12h

Różnica pomiędzy prawdziwym a średnim czasem słonecznym w danym momencie nazywana jest równaniem czasu

TT = t t

Jednakże, na podstawie definicji czasu gwiazdowego możemy napisać:

T* = t + α

oraz

T* = t + α

Tym samym równanie czasu można zapisać jako różnicę rektascensji Słońca średniego i prawdziwego:

TT = tt = αα

Krzywa przedstawiająca zmiany różnicy między prawdziwym a średnim czasem słonecznym w zależności od położenia Słońca na ekliptyce, a dokładniej w zależności nosi nazwę analemmy i przedstawia ją rysunek 14.

Rysunek 14: Różnica czasu słonecznego prawdziwego i średniego ΔT = TT w funkcji wysokości Słońca nad równikiem (δ).Rys.14

Cztery razy w ciągu roku, w momentach kiedy Słońce jest w pobliżu punktu Raka (deklinacja Słońca δ=23°27')
lub Koziorożca (δ=23°27')
oraz w pobliżu miejsca w którym δ10° czas słoneczny prawdziwy i czas słoneczny średni są sobie równe. W innych chwilach prawdziwe Słońce przechodzi przez południk raz wcześniej, raz później od słońca średniego i równanie czasu przyjmuje wartości dodatnie lub ujemne.

Zdjęcia położeń Słońca wykonane w odstępach miesięcznych w tym samym miejscu o tej samej godzinie czasu słonecznego średniego można obejrzeć na stronie Anthony Ayiomamitisa: http://www.perseus.gr/Astro-Solar-Analemma.htm

 

Czas uniwersalny

Czas wyznaczony w danym miejscu obserwacji, czyli na danym południku lokalnym, nazywamy czasem miejscowym (lokalnym).

Wszystkie miejsca ma Ziemi położone na tym samym południku mają w danym momencie jednakowy czas miejscowy (gwiazdowy, słoneczny prawdziwy, słoneczny średni). Różnica czasów miejscowych w dwóch miejscach równa jest różnicy ich długości geograficznych wyrażonej w mierze czasowej:

T*AT*B = λAλB
TATB = λAλB
TATB = λAλB

Wzory te mają zasadnicze znaczenie dla pomiaru długości geograficznej. Należy obrać sobie λA jako południk odniesienia, o znanej długości i wozić ze sobą np. czas T*A lub TA tego południka . Następnie staramy się zaobserwować moment górowania Słońca. Wiemy, że gdy góruje ono na południku miejscowym jest dokładnie godzina 12 prawdziwego czasu słonecznego TB = 12h. Odczytujemy w tym momencie przewożony ze sobą czas TA południka λA i przeliczamy go na czas słoneczny prawdziwy. Długość południka miejscowego λB otrzymujemy na podsatwie równania [UT = TGreenwich] jako:

λB = λA + TA12h

Najczęściej za południk odniesienia przyjmuje się zerowy południk Greenwich.

Czasem uniwersalnym UT nazywamy średni czas słoneczny południka Greenwich:

UT = TGreenwich

Długość geograficzna południka Greenwich wynosi, jak wiemy 0°. Stąd różnica pomiędzy lokalnym (miejscowym) średnim czasem słonecznym w miejscu o długości geograficznej λA a czasem uniwersalnym, jest równa:

TAUT = λA

Sredni słoneczny czas miejscowy w dowolnym miejscu na Ziemi równy jest czasowi uniwersalnemu i długości geograficznej tego miejsca wyrażonej w mierze czasowej i jest liczony dodatnio na wschód od Greenwich.

 

Czas strefowy

Dla celów regulacji życia codziennego na większym obszarze stosowanie czasu lokalnego jest bardzo uciążliwe. Dlatego w 1884 roku wprowadzono nowy system rachuby czasu, tzw. czas strefowy. Ziemię podzielono jak pomarańczę, wzdłuż południków, na 24 strefy czasowe.
Miejscowy średni czas słoneczny centralnego południka danej strefy czasowej jest czasem strefowym obowiązują cym w całej tej strefie.

Rys. 15 - Strefy czasowe

Każda strefa ma szerokość 15°, po 7°5 po obu stronach centralnego południka strefy. W praktyce strefy nie leżą dokładnie wzdłuż południków, wytyczają je raczej granice państw, lub inne linie podziału administracyjnego (np. granice stanów w USA).
Polska związana jest z południkiem 15°E, który jest południkiem centralnym dla tzw. strefy środkowo-europejskiej. Różnica pomiędzy czasem naszej strefy a czasem uniwersalnym (czasem Greenwich) równa jest różnicy długości geograficznej południka centralnego naszej strefy (15°E) i południka Greenwich (0°), wyrażonej w mierze czasowej:

Tλ = 15°UT = 15° = 1h

 

Czas urzędowy

W większości państw, także w Polsce, na okres wiosenno-letni wprowadzamy tzw. czas letni. Tradycja wprowadzania tego czasu sięga drugiej wojny światowej, gdzie stosowano przesunięcie o jedną godzinę w celach oszczędnościowych. Czas letni różni się od czasu strefowego o jedną godzinę: do właściwego czasu strefowego dodaje się jedną godzinę:

TλA letni = TλA + 1h

W ten sposób latem w Polsce posługujemy się czasem strefowym właściwym dla południka 30°E, czyli tzw. czasem wschodnio-europejskim.

 

Linia zmiany daty

Zgodnie z umową międzynarodową, linia zmiany daty przebiega wzdłuż południka 180° (strefa dwunasta), z niewielkimi odchyleniami na wschód lub zachód, w celu ominięcia zamieszkałych terenów. W strefie dwunastej zegary pokazują więc tą samą godzinę, minuty i sekundy, ale różne daty, w zależności po której stronie linii daty znajduje się dane miejsce. Przekraczając linię daty od strony amerykańskiej w kierunku azjatyckim musimy do bieżącej daty dodać jeden dzień. Płynąc w kierunku odwrotnym, trzeba jeden dzień odjąć.

 

Rachuba lat

Ruch orbitalny Ziemi dookoła Słońca stał się podstawą rachuby lat. Jeden obieg Ziemi dookoła Słońca trwa 365.2564 średnich dni słonecznych. Ściśle mówiąc, jest to czas jaki upływa między kolejnymi przejściami Słońca na tle tych samych gwiazd. Okres ten nosi nazwę roku gwiazdowego.
Drugi okres roczny zwiazany jest ze zmianami pór roku. Jest to czas pomiędzy dwoma kolejnymi przejściami Słońca przez punkt Barana. Nazywamy go rokiem zwrotnikowym. Jeden rok zwrotnikowy ma 365.2422 średnich dni słonecznych.

W 45 roku przed naszą erą Juliusz Cezar, za radą aleksandryjskiego astronoma Sosigenesa wprowadził reformę kalendarza rzymskiego. Rok kalendarzowy uzgodniono z długością roku zwrotnikowego w ten sposób, że po trzech latach zwyczajnych, liczących 365 dni postanowiono dodawać rok przestępny liczący 366 dni. Miesiące otrzymały taką samą liczbę dni, jaka jest w użyciu obecnie. Przyjeto, że dodatkowym dniem w roku przestępnym będzie 29 luty. Kalendarz ten nazwano juliańskim. Póżniej wprowadzono prostą regułę, że rok jest przestępny, jeżli dzieli się przez cztery.
Długość roku juliańskiego była o około 11 minut dłuższa od roku zwrotnikowego, przez co data równonocy wiosennej, średnio co 129 lat, przesuwała się o jedną dobę na datę wcześniejszą.
W roku 1582 naszej ery przeprowadzono kolejną reformę dopasowującą w lepszy sposób długość roku kalendarzowego do długości roku zwrotnikowego. Otrzymano to poprzez modyfikację liczby lat przestępnych. W ciągu czterystu lat miało być tylko 97 lat przestępnych, a nie 100 jak jest to w kalendarzu juliańskim. W tym celu postanowiono, że spośród lat wyrażających się w pełnych setkach, tylko te będą przestępne, które będą podzielne przez 400 (a nie przez 4). Np. rok 1600 był przestępny, ale lata 1700 , 1800 i 1900 już nie. Kolejne przestępne stulecia to lata: 2000, 2400, 2800, itd. Powstał w ten sposób kalendarz gregoriański, od imienia papieża Grzegorza XIII, który go wprowadził. Kalendarz gregoriański jest stosowany w większości krajów świata.

 

Zadania

1. W obserwatorium A(λA = 3h20mE) zaobserwowano gwiazdę podczas górowania. Jaki jest kąt godzinny tej gwiazdy w tym samym momencie w obserwatorium B(λB = 1h10mE) oraz w obserwatorium C(4h25mE) ? Odpowiedź:

tA − tB = (λAλB),   ⇒   −tB = 2h10m   ⇒   tB = −2h10m = 21h50m,  tA − tC = λAλC
⇒   − tC = −1h05m   ⇒   tC = 1h05m

2. W obserwatorium A(λA = 1hE) zaobserwowano gwiazdę podczas górowania. Jaka jest długość geograficzna obserwatorium B gdy ta gwiazda ma tam kąt godzinny a) t=22hE,
b) t=3h ? Odpowiedź:

a) tA = 0, bo gwiazda góruje, na podstawie wzorów czasu uniwersalnego UT
λB = λA + tB = 23hE = 1hW,
b) λB = λA + tB = 4hE

3. Jaki jest czas prawdziwy słoneczny w obserwatorium A(λA = 2h30mE), gdy Słońce góruje w obserwatorium B(λB = 1hE) ? Odpowiedź:


tA = 12h (Słońce góruje w B) na podstawie drugiego wzoru UT mamy
TA = TB + λA − λB

 

 

Poprzedni rozdział:
Błędy współrzędnych
Następny rozdział:
Ruch roczny Słońca na sferze niebieskiej

Autorem opracowania jest dr Iwona Wytrzyszczak Obserwatorium Astronomiczne UAM
Dziękuję za udostępnienie materiałów

 

 

 Strona główna

 

 

Valid HTML 4.01! Valid CSS! RSS XML Feed