1、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。,一、世界时系统世界时系统(universal time sy
2、stem)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。,以春分点为参考点得到：恒星时(sidereal time)； 以太阳为参考点得到：视时(apparent time)； 以平太阳为参考点得到：平时(mean time)或世界时(universal time，UT，GMT)。,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
3、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。,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
4、界时UT又可分为以下三种：,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。,二、原子时系统 (atomic time system) 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(atomic time，AT)：以铯(Cs)133原子基态超精细能级跃迁的电磁
5、振荡9 192 63l 770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)。,2协调世界时(coordinated universal time，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。,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
6、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。,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0 s.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。,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。,第二节
7、恒星时 恒星时(sidereal time)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(sidereal day)，即：l恒星日天球旋转(360)所经历的时间间隔。,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)。,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；
8、lm=15； l=4m；ls=15=0.25； 1=4s,例l：试将08h14m28s换算成角度单位。 例2：试将21817.5换算成时间单位。,解： 例1 例28h 120 218 14h32m14m 330 17.5 lml0s28s 7 21817.5 14h33m10s8h14m28s 12337,二、恒星时 恒星时(sidereal time)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(local sidereal time，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。,显然，
9、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,2格林恒星时(Greenwich sidereal time，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GST00h，下中天时GST12h。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： LSTGST,三、恒星时与春分点时角的关系,春分点时角是从午
10、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,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。,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
11、。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。,第三节 视时,视时(apparent time)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
12、，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)。,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。,二、视时由视太阳日的定义可知，视时(local apparent time，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L
13、AT。,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,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
14、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,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。,图1,图2,图3,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
15、系稳定，长短又均匀的时间计量单位，于是产生了平时。,第四节 平 时,平时(mean time)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。,一、平太阳平太阳(mean sun)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(mean solar day)。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)。,在一个平太阳日中，平太阳在同一子圈上
16、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。,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：,平太阳赤经日变化量：,这是由于平太阳在向西作周日视运动的同时，又沿天赤道
17、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,图1,图2,图3,三、平时定义了平太阳日之后则可定义平时(mean time)，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。,1地方平时(local mean time，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
18、，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：,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：,例：已知经度12205.0E的地方平时LMTl09h53m04s(5月10日)，求经
19、度12000.0E的地方平时LMT2？解：求两地经差，并将其化为时间单位；求12000.0 (+) LMTl 09-53-04 105 -) 12205.0 (+) - 08-20205.0 (-) LMT2 09-44-44 1058m20s (-),例：已知经度8417.0W的地方平时LMTAl6h21m26s(7月16日)，求经度l3841.0E的地方平时LMTB?解：l3841.0 (+) LMTA 16-21-26 167 -） 8417.0 (-) +14-51-5222258.0 (+) LMTB 31-13-18 16714h5lm52s (+) LMTB 07-13-18 1
20、77,2世界时(universal time，UT)又称格林平时(Greenwich mean time，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：,例：B知世界时GMT=02h07m04s(8月10日)，求经度11628.0W的地方平时LMT?解：将经度化为时间单位 =11628.0=07h45m52s求GMT 02-07-04 10807-45-52LMT 18-21-12 98,四、时差
21、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(equation of time，ET)，如图所示。时差的定义式为：在上式中： 当LATLMT时，ET为“+”，即在周日视运动中，太阳在前，平太阳在后； 当LATLMT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。,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53.866.6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
22、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。,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。,第五节 区时 (zone time),一、区时制(zone time system) 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730，共计经度1
23、5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。,2区号(zone description，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“+”。,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730，凡是经度离某一时区中线经度小于730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：
24、,例：求大连(12139E)和北京(11628E)所在时区的区号ZD?解：8余139730，ZD= -(7+1)= -8，北京位于东八区,二、区时ZT1区时(zone time，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：,在船上，日常的工作、生活是根据“船钟”指示的时间（称船时）（ships mean time，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
25、以由船钟读取的船时SMT是近似区时ZT。,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：GMTZT+ZD 东时区ZD为“”，西时区ZD为“+”。,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 12223.0E的地方平时LMT 21h04m36s(3月6日)，求该经度所属时区的区时ZT。,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
26、将船钟拨慢1小时。,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。,四、日界线 日界线(date line)又称国际日期变更线。由于区时制的建立而产生了日界线。日界线原则上是180经线，考虑到行政区域而有若干曲折。 例：1998年1月1日，ZT0000(-12)，在这同一时刻，求西十二时区的区时ZT2。,同一时刻东、西十二时区的区时相同，但是日期却相差一天。为了不使日期搞乱，当船舶穿过日界线时需要遵守以下规则：船舶向东航行穿过日界线(由东十二时区进入西十二时区)日期减少一天(重复一天
27、)；船舶向西航行穿过日界线(由西十二时区进入东十二时区)日期增加一天(跳过一天)，并记入航海日志。日界线是地球上每一个新昼夜的起始线，同时也是终结线。地球上的年、月、日的交替均是从这条线开始。如居住在楚科奇半岛和堪察加半岛的居民是全世界最早迎接新年和新昼夜的人，而居住在与其相对的阿拉斯加的居民却要等一昼夜才能过新年。,五、各国标准时 由于提出了区时制，则建议生活在相应时区的人们使用该时区的区时作为日常工作、生活的标准时(standard times)。 有些国家不用区时制规定的区时作为标准时，而是以本国首都或适中地点的经度的地方平时作为该国的标准时，这些国家的标准时与世界时的差值就不是整小时数
28、了。 另外，有些国家规定本国的标准时在夏季提前l小时或半小时，称为夏令时(summer time，day light saving time)，夏季过后又恢复原采的标准时。世界各国具体执行什么时间基本上以法律的形式确定下来，所以又称其为法定时(1egal time)。,关于世界各国标准时，可以查阅英版无线电信号表（ADMIRALTY LIST OF RADIO SIGNALS）第二卷中的法定时(1egal time)部分，或英版航海天文历所附的标准时一览表。这些表中列出了各国标准时，如果该地执行夏令时，则给出夏令时和执行夏令时的起讫时间（英版航海天文历没有列执行夏令时的起讫时间）。一般来讲，船舶在大洋中航行，船钟指示所在时区的区时。当船舶航行在世界各国水域时，船钟是指示该地区的区时还是指示该国的标准时，由船长根据具体情况来作出决定。,
