Все люди, интересующиеся астрономией, знают, что слово "сутки" имеет много разных значений. Например, звёздные сутки, солнечные сутки. Но в последнее время возникли многие новые понятия, для которых используется то же самое слово. В этой статье мы дадим более точные определения.
1. Сутки как единица времени
Прежде всего напомним, что единицей времени в астрономии, как и в других науках, является секунда международной системы единиц СИ - атомная секунда. Приведём определение секунды, как оно дано 13-й Генеральной конференцией мер и весов в 1967 г.:
Если слово "сутки" используется для обозначения единицы времени, оно должно пониматься как 86400 атомных секунд. В астрономии употребляются и более крупные единицы времени: юлианский год - 365.25 суток точно, юлианское столетие - 36525 суток точно. Международный астрономический союз (общественная организация астрономов) в 1976 г. рекомендовал астрономам использовать именно такие единицы времени. Основная шкала времени, Международное атомное время (Time Atomic International, TAI), строится на основе показаний множества атомных часов в разных странах. Следовательно, с формальной точки зрения, основа измерения времени ушла из астрономии. Старые единицы "средняя солнечная секунда", "звёздная секунда" не должны использоваться.
2. Сутки как период вращения Земли вокруг оси
Дать определение такому употреблению слова "сутки" несколько сложнее. Причин тому много.
Во-первых, ось вращения Земли, или, выражаясь научно, вектор её угловой скорости, не сохраняет постоянного направления в пространстве. Это явление носит название прецессии и нутации. Во-вторых, сама Земля не сохраняет постоянной ориентировки относительно вектора её угловой скорости. Это явление называется движением полюсов. Поэтому радиус-вектор (отрезок от центра Земли до точки на поверхности) наблюдателя на поверхности Земли не вернётся через один оборот (и вообще никогда) к прежнему направлению. В-третьих, скорость вращения Земли, т.е. абсолютная величина вектора угловой скрости, тоже не остаётся постоянной. Так что, строго говоря, определённого периода вращения Земли не существует. Но с определённой степенью точности, несколько миллисекунд, можно говорить о периоде вращения Земли вокруг оси.
Кроме того, надо указать направление, относительно которого мы будем отсчитывать обороты Земли. Таких направлений в астрономии сейчас используется три. Это направление на точку весеннего равноденствия, на Солнце и небесное эфемеридное начало.
Период вращения Земли относительно точки весеннего равноденствия называется звёздными сутками. Он равен 23 h 56 m 04.0905308 s . Обратите внимание, что звёздные сутки - это период относительно точки весны, а не звёзд.
Точка весеннего равноденствия сама совершает сложное движение на небесной сфере, поэтому это число следует понимать как среднее значение. Вместо этой точки Международный астрономический союз предложил использовать "небесное эфемеридное начало". Мы не будем давать его определения (оно довольно сложно). Оно выбрано так, чтобы период вращения Земли относительно него был близок к периоду относительно инерциальной системы отсчёта, т.е. относительно звёзд или точнее, внегалактических объектов. Угол поворота Земли относительного этого направления называется звёздным углом. Он равен 23 h 56 m 04.0989036 s , чуть больше звёздных суток на величину, на которую точка весны смещается на небе из-за прецессии за сутки.
Наконец, рассмотрим вращение Земли относительно Солнца. Это самый сложный случай, поскольку Солнце движется на небе не по экватору, а по эклиптике и притом неравномерно. Но эти солнечные сутки, очевидно, и самые важные для людей. Исторически сложилось так, что атомная секунда была подогнана под период вращения Земли относительно Солнца, причём осреднение было сделано приблизительно за 19 век. Этот период равен 86400 единиц времени, которые назывались средними солнечными секундами. Подгонка произошла в два приёма: сначала было введено "эфемеридное время" и "эфемеридная секунда", а затем атомная секунда была положена равной эфемеридной секунде. Таким образом, атомная секунда всё-таки "происходит от Солнца", но атомные часы в миллион раз точнее, чем "земные часы".
Период вращения Земли не остаётся постоянным. Причин для этого много. Это и сезонные изменения в распределении температуры и давления воздуха по земному шару, и внутренние процессы, и внешние воздействия. Различают вековое замедление, декадные (в течение десятилетий) неравномерности, сезонные и внезапные. На рис. 1 и 2 приведены графики, показывающие изменение продолжительности суток в 1700-2000 гг. и в 2000-2006 гг. На рис. 1 прослеживается тенденция к увеличению суток, а на рис. 2 - сезонная неравномерность. Графики основаны на материалах Международной службы вращения Земли и опорных систем (International Earth Rotation and Reference Systems Service, IERS, http://www.iers.org/).
Нельзя ли вернуть основу измерения времени в астрономию и стоит ли это делать? Такая возможность существует. Это пульсары, периоды вращения которых сохраняются с большой точностью. Кроме того, их известно много. Не исключено, что на больших промежутках времени, например, десятилетиях, наблюдения пульсаров послужат уточнению атомного времени и будет создана шкала "пульсарного времени".
Изучение неравномерности вращения Земли очень важно для практики и интересно с научной точки зрения. Например, спутниковая навигация невозможна без знания вращения Земли. А его особенности несут информацию о внутреннем строении Земли. Эта сложная проблема ждёт своих исследователей.
Рис. 1. Отличие периода вращения Земли от 86400 с СИ, в миллисекундах. Данные до начала 20 в. не очень надёжны, но тенденция к увеличению продолжительности суток видна отчётливо.
Более строго это промежуток времени между двумя одноимёнными (верхними или нижними) кульминациями (прохождениями через меридиан) центра Солнца в данной точке Земли (или иного небесного тела).
Энциклопедичный YouTube
1 / 3
Проблемы високосного года и звездных суток
Подробнее о времени
Субтитры
Солнечные сутки на Земле
Колебания продолжительности солнечных суток
Средние солнечные сутки не подвержены периодическим изменениям, как истинные солнечные сутки, но их длительность монотонно изменяется в связи с изменением периода осевого вращения Земли и (в меньшей степени) с изменением длительности тропического года, увеличиваясь примерно на 0,0017 секунды в столетие. Так, длительность средних солнечных суток в начале 2000 года была равна 86400,002 секунды СИ . Следует отметить, что здесь в качестве единицы измерения указана именно секунда СИ, определённая с использованием внутриатомного периодического процесса, а не средняя солнечная секунда, которая по определению равна 1/86 400 части средних солнечных суток и, следовательно, также не является постоянной.
Введение поправок
Хотя средние солнечные сутки не являются, строго говоря, неизменной единицей времени, но повседневная жизнь людей связана именно с ними. В связи с накоплением поправки к длительности суток в среднем солнечном времени по отношению к равномерному атомному времени, иногда приходится добавлять к атомной шкале UTC так называемую високосную секунду , чтобы восстановить привязку этой шкалы к солнечной шкале времени . Теоретически возможно и вычитание високосной секунды, так как вращение Земли в принципе не обязано постоянно замедляться.
Солнечные сутки на других планетах и спутниках
Луна
Средние солнечные сутки на Луне равны среднему синодическому месяцу (среднему промежутку между двумя одинаковыми фазами Луны , например, полнолуниями) - 29 суток 12 часов 44 минуты 2,82 секунды. Истинные солнечные сутки могут отклоняться от средних на 13 часов в обе стороны, что связано как с неравномерностью движения Земли по орбите, так и с наклоном орбиты Луны к эклиптике, с эллиптичностью её орбиты и с наклоном оси вращения Луны к плоскости орбиты (см. также Либрация).
Другие На газовых гигантах, не имеющих твёрдой поверхности, солнечные сутки зависят от широты - атмосфера вращается с разными скоростями на разных широтах.
Меркурий обходит вокруг Солнца за 87,97 дня, а вокруг своей оси делает полный оборот за 58,65 дня (эти периоды относятся как 3:2). Средний промежуток времени между двумя верхними кульминациями Солнца на этой планете равен 176 дням, что равно двум её годам. Интересно, что когда он находится вблизи перигелия, Солнце для наблюдателя на поверхности планеты может в течение 8 дней двигаться в обратном направлении, поэтому, строго говоря, привязка определения солнечных суток к кульминации в этом случае не вполне корректна.
На Венере , чей сидерический период обращения вокруг своей оси равен 243 дням - больше, чем орбитальный период (224,7 дня), средние солнечные сутки равны примерно 116,7 дня (из-за вращения в обратную сторону)
На Марсе средние солнечные сутки лишь слегка больше, чем земные. Они равны 24 ч 39 мин 35,244 с.
На Юпитере сутки равны 9 часам 55 минутам 40 секундам, на Сатурне 10 часам 34 минутам 13 секундам. Сутки на Уране равны 17 часам 14 минутам 24 секундам, а на Нептуне 15 часам 57 минутам 59 секундам.
У Плутона ввиду его крайней удалённости от Солнца (и, следовательно, малости угловой орбитальной скорости) средние солнечные сутки практически равны периоду вращения: 6 дней 9 часов 17 минут 36 секунд.
Примечания
Это всем известно - 24 часа. Но почему так вышло? Давайте рассмотрим подробнее историю появления основных единиц измерения времени и выясним, сколько в сутках часов, секунд и минут. А также поглядим, стоит ли привязывать эти единицы исключительно к астрономическим явлениям.
Откуда взялись сутки? Это время одного оборота земли вокруг своей оси. Еще мало что зная об астрономии, люди начали измерять время такими диапазонами, включая в каждый светлое и темное время.
Но тут есть интересная особенность. Когда начинаются сутки? С современной точки зрения все очевидно - сутки начинаются в полночь. Люди древних цивилизаций считали иначе. Достаточно заглянуть в самое начало Библии, чтобы в 1-й книге Бытия прочитать: "... и был вечер, и было утро один". Сутки начинались с В этом есть определенная логика. Тогдашние люди ориентировались на Солнце село, день закончился. Вечер и ночь - это уже следующий день.
Но сколько часов в сутках? Почему же сутки поделили на 24 часа, ведь десятеричная система удобнее, причем намного? Было бы в сутках, допустим, 10 часов, а в каждом часе 100 минут, то изменилось бы что-то для нас? Собственно, ничего кроме чисел, напротив, даже было бы удобнее производить вычисления. Но десятеричная система - далеко не единственная, использовавшаяся в мире.
В использовали шестидесятеричную систему счета. И светлая половина суток хорошо делилась пополам, по 6 часов в каждой. Итого в сутках получалось 24 часа. Это достаточно удобное деление взяли у вавилонян и другие народы.
У древних римлян подсчет времени происходил еще интереснее. Отсчет начинался с 6 часов утра. Так и считали от этого момента дальше - час первый, час третий. Таким образом, можно легко посчитать, что поминаемые Христом «работники одиннадцатого часа» - это те, кто приступают к работе в пять часов вечера. Действительно, поздновато!
В шесть часов вечера наступал двенадцатый час. Вот сколько в сутках часов насчитывали в древнем Риме. Но ведь оставалась еще ночные часы! Римляне не забыли и про них. После двенадцатого часа начинались ночные стражи. Дежурные сменялись ночью каждые 3 часа. Вечернее и ночное время делилось на 4 стражи. Первая вечерняя стража начиналась в 6 часов вечера и продолжалась до 9. Вторая, полуночная, продолжалась с 9 до 12 часов. Третья стража, с 12 ночи до 3 утра завершалась, когда пели петухи, поэтому так и называлась - «пение петухов». Последняя, четвертая стража, называлась «утро» и завершалась в 6 утра. И все начиналось сначала.
Потребность поделить на составные части еще и часы возникла значительно позднее, но от шестидесятеричной системы не отступили и тогда. А затем и минуту поделили на секунды. Правда, впоследствии выяснилось, что опираться только на для определения продолжительности секунд и суток никак нельзя. За век продолжительность суток возрастает на 0,0023 секунды - вроде бы совсем мало, но достаточно для того, чтобы запутаться в вопросе о том, сколько секунд в сутках. И это еще не все сложности! Один оборот вокруг Солнца наша Земля совершает не за ровное количество суток, и это тоже влияет на решение вопроса о том, сколько в сутках часов.
Поэтому для упрощения ситуации секунду приравняли не к движению небесных тел, а к времени протекания процессов внутри атома цезия-133 в состоянии покоя. А для соответствия фактического положения дел с оборотом Земли вокруг Солнца дважды в год - 31 декабря и 30 июня - добавляют 2 лишние високосные секунды, а раз в 4 года - дополнительные сутки.
Итого получается, что в сутках 24 часа, или 1440 минут, или 86400 секунд.
Энциклопедичный YouTube
1 / 2
✪ Заработок 1000 руб за сутки пассивно - ЛеоПайс работает!
✪ КАК Высыпаться за 2 Часа в Сутки? Узнай 5 Секретных Техник!
Субтитры
Сутки в астрономии
Продолжительность суток на планете зависит от угловой скорости её собственного вращения. В астрономии различают несколько типов суток, в зависимости от системы отсчёта. Если в качестве точки отсчёта вращения выбрать далёкую звезду, то, в отличие от центрального светила планетной системы, такие сутки будут иметь иную продолжительность. Например, на Земле различают средние солнечные сутки (24 часа) и звёздные, или сидерические сутки (приблизительно 23 часа 56 минут 4 секунды ). Они не равны друг другу, потому что, из-за орбитального движения Земли вокруг Солнца , для наблюдателя, находящегося на поверхности Земли, Солнце смещается на фоне далёких звёзд.
Истинными солнечными сутками называют промежуток времени между двумя верхними кульминациями (последовательными прохождениями центра Солнца через южную часть меридиана (для северного полушария); иначе говоря, время между двумя истинными полуднями); за начало этих суток принимается момент прохождения центра Солнца через южную часть меридиана; часовой угол центра Солнца называется истинным временем (см. Уравнение времени). Истинные солнечные сутки длиннее звёздных суток и продолжительность их изменяется в течение года, что происходит от наклонности эклиптики к плоскости экватора и от неравномерного движения Земли около Солнца .
Международная система единиц (СИ)
Единица измерения времени сутки (русское обозначение: сут; международное: d) относится к числу внесистемных единиц измерения и в СИ не входит. Однако в Российской Федерации она допущена к применению без ограничения срока действия с областью применения «все области». В этом случае 1 сутки принимаются равными точно 86 400 секунд . В СИ секунда определяется как 9 192 631 770 периодов излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133 . Соответственно, определением суток в СИ может считаться 794 243 384 928 000 таких периодов.
В астрономии сутки, определённые через секунду СИ, называются юлианскими сутками.
В средних солнечных сутках содержится не целое количество секунд (например, их длительность на эпоху 2000,0 равнялась 86400,002 с), причём длительность средних солнечных суток также непостоянна из-за векового изменения угловой скорости вращения Земли (см. ).
В других языках
Как было сказано выше, в обиходе термин сутки часто заменяют словом день , но в любом случае, в русском языке есть слова для однозначного разделения понятий «день» (световой день) и «сутки» (24 часа). Отдельное слово для понятия «сутки» имеет место также в следующих языках:
В исламе сутки считаются от захода солнца до захода, то есть полное исчезновение солнца на горизонте обозначает начало нового дня, вне зависимости от зарева .
Деление суток
Число частей, на которые делились сутки, или отдельно ночь и день зависело от степени развития данного народа и увеличивалось постепенно с развитием человечества. Большая часть народов Нового Света делила сутки только на четыре части, соответствующие восходу солнца, высшей точке дневного пути его, заходу солнца и, наконец, середине ночи. По свидетельству путешественника Горребоу, описавшего Исландию в середине XVIII столетия, исландцы делили день на 10 частей. Арабы различали только восход солнца, подъём и опускание его, заход солнца, сумерки, ночь, первый крик петуха и рассвет. Однако у некоторых, в прошлом нецивилизованных народов, можно было найти сравнительно точное разделение дня, как, например, у туземцев островов Общества , которые во времена Кука имели разделение суток на 18 частей, длина которых была однако неодинакова; наиболее короткие промежутки времени соответствовали утру и вечеру, наиболее длинные - полуночи и полудню .
В Вавилоне также существовало деление дня и ночи по 12 часов. Согласно «Истории» (II, 109) Геродота , от вавилонян эту систему переняли греки, позднее, вероятно от египтян или греков, усвоили римляне. К примеру, зимой продолжительность «дневного часа» в Риме составляла около 45 минут.
| Период | Число дневных часов | Начало первого часа дня по современному исчислению | Число ночных часов | Начало первого часа ночи по современному исчислению |
|---|---|---|---|---|
| 27 ноября - 1 января | 7 | 8:30 | 17 | 15:30 |
| 2-16 января; 11-26 ноября | 8 | 7:21 | 16 | 15:21 |
| 17 января - 1 февраля; 26 октября - 10 ноября |
9 | 7:30 | 15 | 16:30 |
| 2-17 февраля; 10-25 октября | 10 | 6:21 | 14 | 16:21 |
| 18 февраля - 5 марта; 24 сентября - 9 октября |
11 | 6:30 | 13 | 17:30 |
| 6-20 марта; 8-23 сентября | 12 | 5:21 | 12 | 17:21 |
| 21 марта - 5 апреля; 23 августа - 7 сентября |
13 | 5:30 | 11 | 18:30 |
| 6-22 апреля; 7-22 августа | 14 | 4:21 | 10 | 18:21 |
| 23 апреля - 8 мая; 23 июля - 6 августа |
15 | 4:30 | 9 | 19:30 |
| 9-24 мая; 6-22 июля | 16 | 3:21 | 8 | 19:21 |
| 25 мая - 5 июля | 17 | 3:30 | 7 | 20:30 |
Деление на 12 основных частей
| Время суток | Название | Значение названия |
|---|---|---|
| 23:00-01:00 | Час Крысы | Время, когда крысы наиболее активны в поисках пищи. Крысы также имеют разное количество пальцев на передних и задних лапах, благодаря чему эти грызуны стали символом «разворота», «нового начала». |
| 01:00-03:00 | Час Быка | Время, когда волы начинают пережёвывать жвачку, медленно и с удовольствием. |
| 03:00-05:00 | Час Тигра | Время, когда тигры наиболее свирепы, рыская в поисках добычи. |
| 05:00-07:00 | Час Кролика | Время, когда сказочный Нефритовый Кролик на Луне приготовляет растительные эликсиры для помощи людям. |
| 07:00-09:00 | Час Дракона | Время, когда драконы парят в небе, чтобы пошёл дождь. |
| 09:00-11:00 | Час Змеи | Время, когда змеи покидают свои убежища. |
| 11:00-13:00 | Час Лошади | Время, когда солнце стоит высоко в зените, и тогда как другие животные ложатся для отдыха, лошади все ещё на ногах. |
| 13:00-15:00 | Час Овцы | Время, когда овцы и козы едят траву и часто мочатся. |
| 15:00-17:00 | Час Обезьяны | Время активной жизнедеятельности обезьян |
| 17:00-19:00 | Час Петуха | Время, когда петухи начинают собираться в свои сообщества. |
| 19:00-21:00 | Час Собаки | Время собакам выполнять свои обязанности по охране зданий. |
| 21:00-23:00 | Час Свиньи | Время, когда безмятежно спят свиньи . |
Деление на 30 основных частей
Деление на 22 основные части
Деление на 10 основных частей
| Время | Геологический период | Число дней в году | Длина суток |
|---|---|---|---|
| Сегодня | Четвертичный | 365 | 24 часа |
| 100 млн лет назад | Юра | 380 | 23 часа |
| 200 млн лет назад | Пермь | 390 | 22,5 часов |
| 300 млн лет назад | Карбон | 400 | 22 часа |
| 400 млн лет назад | Силур | 410 | 21,5 часов |
| 500 млн лет назад | Кембрий | 425 | 20,5 часов |
Чтобы узнать продолжительность суток до эпохи возникновения кораллов, учёным пришлось прибегнуть к помощи синезелёных водорослей . С 1998 года китайские исследователи Чжу Шисин, Хуан Сюегуан и Синь Хоутянь из Тяньцзиньского института геологии и минеральных ресурсов проанализировали более 500 ископаемых строматолитов возрастом 1,3 миллиарда лет, росших некогда возле экватора и погребённых на горах Яньшань . Синезелёные водоросли реагируют на смену светлого и тёмного времени суток направлением своего роста и глубиной цвета: днём они окрашены в светлые тона и растут вертикально, ночью имеют тёмную окраску и растут горизонтально. По внешнему виду данных организмов, учитывая скорость их роста и накопленные научные данные по геологии и климатологии , оказалось возможным определить годовой, месячный и ежедневный ритмы роста синезелёных водорослей. Согласно полученным результатам, учёными был сделан вывод, что 1,3 миллиарда лет тому назад (в Докембрийскую эпоху) земные сутки длились 14,91-16,05 часов, а год состоял из 546-588 дней .
Существуют и противники этой оценки, указывающие что данные исследований древних приливных отложений, тайдалитов, противоречат ей .
Кроме изменения скорости вращения Земли на длительном промежутке времени (и вытекающим отсюда изменением длительности суток), изо дня в день происходят незначительные изменения скорости вращения планеты, связанные с распределением масс, например, из-за уменьшения объёма мирового океана или атмосферы от колебаний их средней температуры. При охлаждении мирового океана или атмосферы Земля вращается быстрее (и наоборот), так как в результате действует закон сохранения момента импульса . Также изменение средней продолжительности суток могут вызывать геологические события, например, сильные землетрясения . Так, в результате землетрясения 2004 года в Индийском океане продолжительность суток уменьшилась примерно на 2,68 микросекунды . Такие изменения отмечены и могут быть измерены современными методами.
В 1967 году Международный комитет мер и весов принял фиксированную секунду, без привязки к текущей продолжительности солнечных суток на Земле. Новая секунда стала равна 9 192 631 770 периодам излучения , соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния
Загрузка...