航海學(xué)Ⅱ天文航海3-時間ppt課件

1、第四章 時間 第一節(jié) 時間系統(tǒng)概述 人們經(jīng)過科學(xué)實(shí)際，相繼選用了各種周期性變化過程作為時間的丈量規(guī)范，即時間的計量單位。然而，無論采用什么計量單位，均應(yīng)同時滿足兩個要求：第一，周期運(yùn)動的穩(wěn)定性(均勻性)；第二，周期運(yùn)動的復(fù)現(xiàn)性(反復(fù)性)。這就是說，只能用一種均勻的、具有延續(xù)反復(fù)周期的景象作為時間的計量單位。歷史上，時間計量單位的開展反映了不斷滿足上述要求的過程。迄今為止時間計量規(guī)范根本可分為三類： 1建立在地球自轉(zhuǎn)根底上的世界時系統(tǒng)；2建立在地球公轉(zhuǎn)根底上由力學(xué)定律所確定的歷書時系統(tǒng)；3建立在原子能級躍遷頻率根底上的原子時系統(tǒng)。 一、世界時系統(tǒng) 世界時系統(tǒng)(universaltimesyste

2、m)是建立在地球自轉(zhuǎn)運(yùn)動根底上的時間系統(tǒng)。也就是說，以地球自轉(zhuǎn)周期作為時間的計量單位。 地球上的人們無法直接丈量地球的自轉(zhuǎn)周期，但是，可以選擇地球以外的一點(diǎn)作為參考點(diǎn)，觀測該點(diǎn)的周日視運(yùn)動的周期來間接地測出地球自轉(zhuǎn)的周期，從而得到時間的計量單位。選擇不同的參考點(diǎn)，得到的時間計量單位也不同。 以春分點(diǎn)為參考點(diǎn)得到：恒星時(sidereal time)；以太陽為參考點(diǎn)得到：視時(apparenttime)；以平太陽為參考點(diǎn)得到：平常(mean time)或世界時(universal time，UT，GMT)。 在相當(dāng)長的一段時間內(nèi)，人們把世界時作為均勻的時間來運(yùn)用，即以為地球自轉(zhuǎn)的速率是均勻的。隨

3、著觀測資料年復(fù)一年的積累和精細(xì)時鐘的出現(xiàn)，人們才從實(shí)測中證明地球自轉(zhuǎn)的速率是不均勻的，并具有相當(dāng)復(fù)雜的表現(xiàn)方式，其中包含周期性變化、長周期性變化、短周期性變化和不規(guī)那么變化等等各種要素，從而導(dǎo)致以地球的自轉(zhuǎn)周期作為時間的計量單位也是不均勻的。 另外，地球在自轉(zhuǎn)的過程中還存在“扭動景象，從而使地極產(chǎn)生挪動，簡稱極移。極移使地球上各點(diǎn)的經(jīng)緯度發(fā)生變化，導(dǎo)致世界各地天文臺測得的世界時之間存在微小的差別。雖然由于上述諸要素引起的時辰誤差很小，但是，隨著科學(xué)的開展，人們對時間的準(zhǔn)確性的要求也隨之越來越高。1955年國際天文學(xué)結(jié)合會決議自1956年起，對直接觀測到的世界時作兩項矯正。因此，世界時UT又可分

4、為以下三種： UT0：直接由天文觀測得到的世界時。由于極移的影響，使世界各地的天文臺測得的 UT0有微小的差別； UTl：UT0經(jīng)極移矯正后得出的世界時，這是真正反映地球自轉(zhuǎn)的一致時間。也是天 文航海所需求的世界時； UT2：UTl經(jīng)過季節(jié)矯正后得出的世界時。 UT2是1972年以前國際上公認(rèn)的時間規(guī)范。但是，它依然還受地球自轉(zhuǎn)速率的長期變 化和不規(guī)那么變化的影響，所以UT2還是不均勻的。 二、原子時系統(tǒng) (atomictimesystem) 原子時系統(tǒng)是建立在原子能級躍遷頻率根底上的時間系統(tǒng)。 1原子時(atomic time，AT)：以銫(Cs)133原子基態(tài)超精細(xì)能級躍遷的電磁振蕩9 1

5、92 63l 770周所閱歷的時間間隔定義為原子時ls的長度。 原子時的起始?xì)v元為1958年1月1日0時(世界時UT2)。 2協(xié)調(diào)世界時(coordinateduniversaltime，UTC)：以原子時秒為時間計量單位，在時辰上與世界時UTl堅持在0s.9之內(nèi)。 協(xié)調(diào)世界時滿足上述條件是經(jīng)過“跳秒來實(shí)現(xiàn)的。 調(diào)整的時辰是在12月31日或6月30日最后一秒。對原子時添加ls稱正跳秒，減少ls稱負(fù)跳秒。 正跳秒：23h59m60s之后是次日的00h00m00s這本質(zhì)上是把原子時AT的時辰推遲ls。負(fù)跳秒：23h59m58s之后是次日的00h00m00s。這本質(zhì)上是把原子時AT的時辰提早1s。詳

6、細(xì)跳秒時間和方法可查閱英版第二卷或英版第VI部分。 協(xié)調(diào)世界時UTC從1972年1月1日世界時00h開場實(shí)施。由于協(xié)調(diào)世界時UTC與世界時UT1相差不超越0 s.9，也就是說，協(xié)調(diào)世界時UTC是采用以世界時UT1制約的原子 時系統(tǒng)。它的體制仍沿用世界時的體制。因此，1972年以后時間系統(tǒng)的改換對人們的生活、 任務(wù)無任何明顯的影響。 另外，人們除采用了世界時系統(tǒng)和原子時系統(tǒng)之外，還采用了建立在地球公轉(zhuǎn)根底上的歷書時系統(tǒng)。歷書時是一種由力學(xué)定律確定的均勻的時間系統(tǒng)。但是，由于觀測誤差較大，難于得到高精度的歷書時，因此歷書時只作為天文學(xué)的根本常數(shù)。 第二節(jié) 恒星時恒星時(sidereal time)

7、是建立在地球自轉(zhuǎn)運(yùn)動根底上的時間系統(tǒng)，以春分點(diǎn)為參考點(diǎn)，以其周日視運(yùn)動的周期作為時間的計量單位。一、恒星日 在周日視運(yùn)動中，春分點(diǎn)了延續(xù)兩次經(jīng)過某地午圈所閱歷的時間間隔稱為恒星日(siderealday)，即： l恒星日天球旋轉(zhuǎn)(360)所閱歷的時間間隔。 l恒星日可分為：l恒星日24恒星小時(24h)；l恒星小時60恒星分鐘(60m)；1恒星分鐘60恒星秒鐘(60s)。 在一個恒星日中，春分點(diǎn)在同一個午圈上延續(xù)兩次上中天，這期間春分點(diǎn)正好完成 一整周360的周日視運(yùn)動，所以時間與角度之間存在著如下時、度換算的關(guān)系： 24h=360； 1h=15； lm=15； l=4m； ls=15=0.2

8、5； 1=4s 例l：試將08h14m28s換算成角度單位。例2：試將21817.5換算成時間單位。 解： 例1 例2 8h 120 218 14h32m 14m 330 17.5 lml0s 28s 7 21817.5 14h33m10s 8h14m28s 12337二、恒星時 恒星時(sidereal time)應(yīng)是春分點(diǎn)經(jīng)過某地時圈時起算的，而午圈隨著測者所在地點(diǎn)的經(jīng)度不同而不同。因此，恒星時具有地方性。 1地方恒星時(local sidereal time，LST)：在周日視運(yùn)動中，春分點(diǎn)由某地午圈起，向西運(yùn)轉(zhuǎn)所閱歷的時間間隔稱為地方恒星時。 顯然，春分點(diǎn)上中天時，地方恒星時LST=0

9、0h，下中天時LST=12h，由于恒星時具有地方性，在同一時辰，不同經(jīng)度上的地方恒星時那么不一樣，它們之間的關(guān)系是： LST2=LSTl十D 2格林恒星時(Greenwich sidereal time，GST)：在周日視運(yùn)動中，春分點(diǎn)了由格林午圈 起，向西運(yùn)轉(zhuǎn)所閱歷的時間間隔稱為格林恒星時。顯然，它是地方恒星時的一個特例。 春分點(diǎn)格林上中天時，格林恒星時GST00h，下中天時GST12h。由于恒星時具有 地方性，在同一時辰，恣意經(jīng)度上的地方恒星時LST與格林恒星時GST同樣存在如下“東大西小的關(guān)系： LSTGST 三、恒星時與春分點(diǎn)時角的關(guān)系 春分點(diǎn)時角是從午圈開場起算的，而恒星時也是從測者

10、午圈開場起算的。由此可見，在同一時辰，恣意經(jīng)度上的春分點(diǎn)時角在數(shù)值上等于該時辰的恒星時，即： LST=LHA 或 GST=GHA 由于春分點(diǎn)在天球上沒有標(biāo)志，所以人們無法直接觀測它的周日視運(yùn)動的周期。在以下圖中，為某天體，可以得到：LST=LHA=RA+LHA 假設(shè)知某天體的赤經(jīng)RA，那么只需測定它在某一瞬間的地方時角LHA，就可利用上式求出該瞬間的地方恒星時LST。當(dāng)恒星上中天時LHA=0，LST= RA，即該時辰的地方恒星時LST在數(shù)值上等于該星的赤經(jīng)RA。 在天文航海中，恒星時是以春分點(diǎn)時角來表示的。恒星時是天文學(xué)上采用的時間計量單位。它不宜用于日常生活和任務(wù)中。這主要是恒星時與晝夜關(guān)系

11、不固定的緣故。我們知，春分點(diǎn)每天中天的時間比太陽提早約4m。例如，3月21日，太陽位于春分點(diǎn)，這一天春分點(diǎn)與太陽同時上中天，恒星日從中午開場，到6月22日，春分點(diǎn)上中天的時間比太陽提早約6h，恒星日從黎明開場。同理，9月23日恒星日從午夜開場，12月22日恒星日從傍晚開場，由此可見，恒星時的時辰與晝夜的關(guān)系不固定。然而，人們的日常生活任務(wù)普通是。根據(jù)“晝夜來安排的，所以恒星時不宜用于日常生活之中。 第三節(jié)視時 視時(apparenttime)是建立在地球自轉(zhuǎn)根底上的時間系統(tǒng)，它是以太陽為參考點(diǎn)，以其周日視運(yùn)動的周期作為時間的計量單位。 一、視太陽日 在周日視運(yùn)動中，太陽中心延續(xù)兩次經(jīng)過某地子圈

12、所閱歷的時間間隔稱為l視太陽日。 l視太陽日可分為： l視太陽日24視太陽小時(24h)； l視太陽小時=60視太陽分鐘(60m)； l視太陽分鐘=60視太陽秒鐘(60s)。 在一個視太陽日中，太陽在同一子圈上延續(xù)兩次下中天，這期間太陽正好完成一整周360的周日視運(yùn)動。所以視時與角度之間同樣存在著好像前面所述的時、度換算的關(guān)系。 二、視時 由視太陽日的定義可知，視時(local apparent time，LAT)是太陽中心經(jīng)過某地子圈時起算的，而子圈隨著測者的經(jīng)度不同而不同，因此，視時具有地方性。在周日視運(yùn)動中，太陽中心由某地子圈起，向西運(yùn)轉(zhuǎn)所閱歷的時間間隔稱為視時LAT。 太陽上中天時LA

13、T=12h，下中天時LAT=00h。由于太陽地方時角LHA是從測者午圈起算的，而視時是從測者子圈起算的，因此，同一時辰視時LAT與太陽圓周地方時角LHA相差180 (12h)，即： LAT=LHA 三、視太陽日作為時間計量單位的缺陷 視太陽日作為時間計量單位的缺陷是它的長度逐日不一致。如圖1所示，例如，對某一測者Z來說，3月21日太陽位于春分點(diǎn)，在某一瞬間，太陽、春分點(diǎn)同時下中天，爾后，天球帶著太陽和春分點(diǎn)一同向西作周日視運(yùn)動。一天后，當(dāng)春分點(diǎn)了再次下中天時(天球旋轉(zhuǎn)了360)太陽還沒下中天(即還沒到l太陽日)。如圖2所示。這是由于太陽在向西作周日視運(yùn)動的同時又沿黃道向東挪動了一段弧距，其赤經(jīng)

14、相應(yīng)變化了d(RA)(即太陽赤經(jīng)日變化量)，所以太陽要延續(xù)兩次下中天，那么天球還要向西旋轉(zhuǎn)d(RA)，如圖3所示。因此，1視太陽日=天球旋轉(zhuǎn)(360+d(RA)所閱歷的時間 1視太陽日=天球旋轉(zhuǎn)(360+d(RA)所閱歷的時間由于在一年中，太陽赤經(jīng)日變化量d(RA)最大約66.6，最小約53.8，所以最長和最短的視太陽日相差約51s，并且在逐日變化。作為時間計量單位，長短必需固定，所以視太陽日不宜作為時間的計量單位。 圖1圖2圖3雖然視太陽日不宜作為時間的計量單位，但它與晝夜交替的關(guān)系固定，符合人們?nèi)蝿?wù)、休憩的習(xí)慣。因此，人們又思索在這個根底上制定一種既與晝夜交替關(guān)系穩(wěn)定，長短又均勻的時間計量

15、單位，于是產(chǎn)生了平常。 第四節(jié) 平 時 平常(meantime)是建立在地球自轉(zhuǎn)運(yùn)動根底上的時間系統(tǒng)，它是以平太陽為參考點(diǎn)，以其周日視運(yùn)動的周期作為時間的計量單位。 一、平太陽 平太陽(mean sun)是一個假想的天體，它在天赤道上向東作勻速的周年視運(yùn)動，其速度等于視太陽在黃道上運(yùn)轉(zhuǎn)的平均速度。 二、平太陽日 在周日視運(yùn)動中，平太陽延續(xù)兩次經(jīng)過某地子圈所閱歷的時間間隔稱為l平太陽日(meansolarday)。 l平太陽日=24平太陽小時(24h)； l平太陽小時=60平太陽分鐘(60m)； l平太陽分鐘=60平太陽秒鐘(60s)。 在一個平太陽日中，平太陽在同一子圈上延續(xù)兩次下中天。這期間

16、平太陽正好完成一整周(即360)周日視運(yùn)動。所以平太陽日的時、分和秒與角度之間同樣存在如前兩節(jié)中所描畫的固定時、度換算關(guān)系，只是它的時、分和秒的長短與恒星時和視時的均不一樣。 由平太陽的定義可知，平太陽在天赤道上向東作等速的周年視運(yùn)動，其速度等于太陽在黃道上運(yùn)轉(zhuǎn)的平均速度。太陽在黃道上延續(xù)兩次經(jīng)過春分點(diǎn)的時間間隔為l回歸年，等于365.2422平太陽日(該值每百年減少約0s.5)，這期間太陽赤經(jīng)變化了360，那么每日太陽赤經(jīng)的平均變化量就是平太陽在天赤道上向東作周年視運(yùn)動的速度，即平太陽赤經(jīng)日變化量： 平太陽赤經(jīng)日變化量：這是由于平太陽在向西作周日視運(yùn)動的同時，又沿天赤道向東作周年視運(yùn)動而挪動

17、了一段弧距d(RA)，所以平太陽要延續(xù)兩次下中天，那么天球還要帶著平太陽向西旋轉(zhuǎn)d(RA)角度，如圖4-4-10所示。因此， l平太陽日=天球旋轉(zhuǎn)(360+d(RA)所閱歷的時間 =天球旋轉(zhuǎn)(360+59.14)所閱歷的時間 =l恒星日+3m56s.56 圖1圖2圖3三、平常 定義了平太陽日之后那么可定義平常(meantime)，由于平太陽日是從子圈開場的，所以平常亦應(yīng)從子圈起算。而子圈隨著測者所在地點(diǎn)的經(jīng)度不同而不同，因此，平常具有地方性。 1地方平常(local mean time，LMT)：在周日視運(yùn)動中，平太陽由某地子圈起，向西運(yùn)轉(zhuǎn)所閱歷的時間間隔稱為地方平常LMT，同時注明日期。顯然

18、，平太陽上中天時地方平常LMT=12h，下中天時地方平常LMT=00h。由于平太 陽地方時角LHA是從午圈開場起算的，那么同一時辰，地方平常LMT與平太陽圓周地方時角LHA相差180 (12h)，即： 平常為00h的瞬間作為一天的起點(diǎn)，所以指出平常的同時應(yīng)標(biāo)注日期，這就是人們通常采用的日期標(biāo)志。而恒星時00h相對平常不固定，故恒星時沒有日期。通常所說的某月某日恒星時某時，所指的日期是平常的日期。由于平常具有地方性，因此，在同一時辰，不同經(jīng)度上的地方平常之間同樣存在“東大西小的關(guān)系，即： 例：知經(jīng)度12205.0E的地方平常LMTl09h53m04s(5月10日)，求經(jīng)度12000.0E的地方平

19、常LMT2？ 解： 求兩地經(jīng)差，并將其化為時間單位； 求12000.0 (+) LMTl 09-53-04 105-) 12205.0 (+) - 08-20 205.0 (-) LMT2 09-44-44 105 8m20s (-) 例：知經(jīng)度8417.0W的地方平常LMTAl6h21m26s(7月16日)，求經(jīng)度l3841.0E的地方平常LMTB? 解： l3841.0 (+) LMTA 16-21-26 167- 8417.0 (-) +14-51-52 22258.0 (+) LMTB 31-13-18 167 14h5lm52s (+) LMTB 07-13-18 177 2世界時(

20、universal time，UT)又稱格林平常(Greenwich mean time，GMT)：在周日視運(yùn)動中，平太陽由格林子圈起，向西運(yùn)轉(zhuǎn)所閱歷的時間間隔稱為世界時，同時須注明日期。顯然，平太陽格林上中天時GMT=12h，下中天時GMT=00h。在同一時辰，恣意經(jīng)度上的地方平常LMT與世界時GMT存在如下“東大西小的關(guān)系，即： 例：B知世界時GMT=02h07m04s(8月10日)，求經(jīng)度11628.0W的地方平常LMT? 解：將經(jīng)度化為時間單位 =11628.0=07h45m52s 求 GMT 02-07-04 108 07-45-52 LMT 18-21-12 98 四、時差 對同一

21、測者來說，在同一時辰，視時LAT與平常LMT之間的時間差稱為時差(equation of time，ET)，如下圖。時差的定義式為： 在上式中：當(dāng)LATLMT時，ET為“+，即在周日視運(yùn)動中，太陽在前，平太陽在后；當(dāng)LATLMT時，ET為“-，即在周日視運(yùn)動中，平太陽在前，平太陽在后； 當(dāng)LAT-LMT時，ET為“0，即在周日視運(yùn)動中，平太陽時圈與太陽時圈重合。 由于太陽與平太陽的赤經(jīng)日變化量不一致，因此產(chǎn)生了時差。我們知太陽周年視運(yùn)動 的速度是不均勻的，其赤經(jīng)日變化量在53.866.6之間逐日變化。而平太陽周年視運(yùn)動的速度是均勻的，其赤經(jīng)日變化量為59.14。這樣，在一年中太陽有時在平太陽的

22、東邊，有時在平太陽的西邊，所以時差ET的值是逐日變化的。其值可以在當(dāng)日中查得。 一年中時差ET有四次為零，兩次正極大值，兩次負(fù)極大值。在11月3日前后，時差達(dá)最大值ETmax+16m24s，這也就是說，一年中時差最大不超越17m。 綜上所述，視時和平常兩者的差值最大不超越17m，因此平常能與晝夜堅持固定關(guān)系，又因平太陽日長短根本固定，所以平常是1972年以前國際上公認(rèn)的時間計量單位。 第五節(jié) 區(qū)時 (zonetime) 一、區(qū)時制(zonetimesystem)1時區(qū)劃分：全球按經(jīng)度劃分為24個時區(qū)，如下圖。以0經(jīng)線為基準(zhǔn)，向東、西各取經(jīng)度730，合計經(jīng)度15劃為一個時區(qū)，稱零時區(qū)，0經(jīng)線是該

23、時區(qū)的中央經(jīng)度線，又稱時區(qū)中線。 2區(qū)號(zonedescription，ZD)：時區(qū)的順序號。零時區(qū)的區(qū)號為“0，以此為基準(zhǔn)，東時區(qū)的區(qū)號依次為1，2，12，西時區(qū)的區(qū)號依次為+l，+2，+12。從上可見，東時區(qū)的區(qū)號為“，西時區(qū)的區(qū)號為“+。 由于相鄰兩時區(qū)的時區(qū)中線經(jīng)度相差15=1h，時區(qū)中線經(jīng)度在數(shù)值上正好等于該時區(qū)區(qū)號的小時數(shù)，即： 時區(qū)中線經(jīng)度知時區(qū)中線經(jīng)度可求得該時區(qū)的區(qū)號，反之亦然。各時區(qū)的邊境經(jīng)度等于它的中線經(jīng)度730，凡是經(jīng)度離某一時區(qū)中線經(jīng)度小于730的地方，均屬于這個時區(qū)。因此，測者所在時區(qū)的區(qū)號可以由測者經(jīng)度計算出來，即： 例：求大連(12139E)和北京(11628

24、E)所在時區(qū)的區(qū)號ZD? 解： 8余139730， ZD= -(7+1)= -8，北京位于東八區(qū) 二、區(qū)時ZT 1區(qū)時(zonetime，ZT)：時區(qū)中線的地方平常作為該時區(qū)的區(qū)時。區(qū)時通常要注明區(qū)號和日期。 相鄰兩時區(qū)的中線經(jīng)度相差15=1h，那么相鄰兩時區(qū)的區(qū)時相差1小時，區(qū)時同樣存在“東大西小的關(guān)系。區(qū)時就是時區(qū)中線的地方平常，不同時區(qū)區(qū)時的換算，即： 在船上，日常的任務(wù)、生活是根據(jù)“船鐘指示的時間稱船時shipsmeantime，SMT來安排的。船鐘普通指示船舶所在時區(qū)的區(qū)時特殊情況除外。由于船時通常用準(zhǔn)確到分鐘的4位數(shù)表示，所以由船鐘讀取的船時SMT是近似區(qū)時ZT。 2區(qū)時ZT與世界

25、時GMT的關(guān)系同一時辰區(qū)時ZT與世界時GMT正好相差與區(qū)號一樣的小時數(shù)，即： GMTZT+ZD 東時區(qū)ZD為“，西時區(qū)ZD為“+。 3區(qū)時ZT與地方平常LMT的關(guān)系由于區(qū)時是時區(qū)中線的地方平常，知區(qū)時求地方平常，即： 例：知經(jīng)度 12223.0E的地方平常LMT 21h04m36s(3月6日)，求該經(jīng)度所屬時區(qū)的區(qū)時ZT。 三、撥鐘 船鐘普通指示區(qū)時，由于相鄰兩時區(qū)的區(qū)時相差l小時，并且具有“東大西小的關(guān)系，當(dāng)船舶駛?cè)胂噜彆r區(qū)時，船鐘應(yīng)撥快或撥慢l小時： 船舶向東航行進(jìn)入相鄰時區(qū)，應(yīng)將船鐘撥快l小時； 船舶向西航行進(jìn)人相鄰時區(qū)，應(yīng)將船鐘撥慢1小時。 由于180經(jīng)線是東、西十二時區(qū)共用的時區(qū)中線，該經(jīng)線的地方平常是東、西十二時區(qū)共用的區(qū)時，所以船舶由東十二時區(qū)進(jìn)入西十二時區(qū)或反之均不用撥鐘，但日期相差一天。 四、日界限 日界限(dat