天文學(xué)時間與歷法

天文學(xué)時間與歷法第1頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六

絕對的、真實(shí)的、數(shù)學(xué)的時間，由于它自身的本性，與任何外界事物無關(guān)的，均勻的流逝。

——牛頓——

當(dāng)宇宙開始收縮時，時間不顛倒方向。人們會繼續(xù)變老，所以不能指望等待宇宙收縮時去恢復(fù)你的青春。

——史蒂芬霍金——

§1、時間的本質(zhì)第2頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六時間是什么？

時間是建立在物質(zhì)的運(yùn)動和變化的基礎(chǔ)上的，時間和空間都是物質(zhì)存在的基本形式，物質(zhì)的運(yùn)動與變化永遠(yuǎn)是在時間和空間中進(jìn)行的。脫離了物質(zhì)，脫離了物質(zhì)的運(yùn)動和變化，時間和空間都將是毫無意義的。第3頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六時間基本原則選擇某一運(yùn)動規(guī)律已掌握，運(yùn)動狀態(tài)可觀測到的具體事物。選取該事物的某一運(yùn)動過程為時間的基本單位。選取該事物的某一運(yùn)動狀態(tài)為時間計(jì)量的起算點(diǎn)。先民日出而作，日入而息，太陽是天然的鐘表。第4頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六第5頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六第6頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六R21=(x-x1)2+(y-y1)2+(z-z1)2R22=(x-x2)2+(y-y2)2+(z-z2)2R23=(x-x3)2+(y-y3)2+(z-z3)2信號傳播時間t=R/c解方程得x、y、z,t的百萬分之一秒的誤差會造成300m的定位誤差，因此必須有很高的鐘的同步準(zhǔn)確度。S1S2S3第7頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六§2、時間計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展1、時間計(jì)量和時間標(biāo)準(zhǔn)

時間的計(jì)量包括時刻和間隔的計(jì)算，

是既有差別又有聯(lián)系的兩個內(nèi)容時刻：事物運(yùn)動中，某一狀態(tài)發(fā)生的瞬間。（可看成均勻流失的單方向幾何直線--時間軸，軸上的一點(diǎn)為瞬間，人們建立一定的時間計(jì)量系統(tǒng)計(jì)量這個瞬間，賦予它以定量的標(biāo)志即得到時刻。同一瞬間，所用時間計(jì)量系統(tǒng)不同，得到的時刻不同。）間隔：事物某一運(yùn)動過程所經(jīng)歷的時間（兩個瞬間之間的距離為時間間隔）第8頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六2、以地球自轉(zhuǎn)為計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)世界時（UT）1）原始的時間計(jì)量系統(tǒng)初民日出而作，日落而息—以日出為起點(diǎn)，以一天為計(jì)量單位，計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)為地球自轉(zhuǎn)。古人確立了以太陽連續(xù)兩次在一地上中天的時間間隔為一天——用圭表、日晷計(jì)時（用銅壺滴漏守時）

真太陽時——與地球自轉(zhuǎn)不同步,為什么?

19世紀(jì)90年代人們設(shè)計(jì)了平太陽時、恒星時——與地球自轉(zhuǎn)同步但都不是均勻的時間系統(tǒng),為什么?第9頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六古代和現(xiàn)代的天文定時第10頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六3、以太陽系天體的運(yùn)動

為計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的歷書時（ET）定義：

以地球公轉(zhuǎn)為依據(jù)，即觀測太陽位置反演時間。是由力學(xué)定律確定的均勻時間。又稱牛頓時。時間單位：

1回歸年（1900年回歸年長度）=365.2422歷書日

1歷書秒=1／365.2422×24×60×60＝1／31556925.9747（1回歸年）第11頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六起算歷元:

1900年1月0日12時(公歷1899.12.31)λ⊙=279o41’48”.04歷書時的測定：在UT的某一瞬間，觀測太陽位置，對照太陽歷表，找出對應(yīng)的時間。小結(jié)：均勻，秒長固定。但觀測復(fù)雜，且精度不高。1960年啟用，1967年后原子時取代了歷書時，1984年后停用。第12頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六

由于地球自轉(zhuǎn)的不均勻性使得天文方法所得到的時間（世界時）精度只能達(dá)到3年不差一秒，這已無法滿足二十世紀(jì)社會經(jīng)濟(jì)各方面的需求。于是，一種更為精確和穩(wěn)定的時間標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)運(yùn)而生，這就是“原子時”，它的穩(wěn)定度能夠達(dá)到30萬年不差一秒。目前世界各國都采用原子鐘來產(chǎn)生和保持標(biāo)準(zhǔn)時間。

第13頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六4、以原子內(nèi)部能級躍遷頻率

為計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的原子時（TAI）定義：原子鐘的穩(wěn)定度達(dá)10-13

秒（物理時）以原子內(nèi)部的運(yùn)動規(guī)律為基礎(chǔ)建立的時間計(jì)量

系統(tǒng)。

第14頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六1H199Hg+9,192,631,770133Cs

“

位于海平面上的銫133原子基態(tài)兩個超精細(xì)能級間在零磁場中躍遷輻射振蕩9,192,631,770周所持續(xù)的時間為一個原子時秒?！?,420,405,752Hz第15頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六起始點(diǎn)：為1958年1月1日UT0h。（即規(guī)定此瞬間原子時TAI與世界時UT重合。事后發(fā)現(xiàn)當(dāng)初取的這一瞬間并非重合，而是相差了

-0s.0039，并一直保留下來。）

UT＝ATI－0s.0039

ET=ATI+32s.84

原子時自1972年1月1日0時正式啟用。

靠全世界100多臺原子鐘維持，經(jīng)國際時間局統(tǒng)一進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，由各授時單位向全世界發(fā)布。第16頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六§3、幾種時間計(jì)量系統(tǒng)一、真太陽時定義：以太陽視圓面中心的周日視運(yùn)動為依據(jù)建立的時間系統(tǒng)。時間單位：真太陽日—真太陽連續(xù)兩次下中天的時間間隔。起始點(diǎn)：下中天（半夜）真太陽時以真太陽的時角度量：

m⊙

＝t⊙＋12h

與日常生活節(jié)律一致，但不能適應(yīng)科學(xué)發(fā)展的需要。第17頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六真太陽時的缺陷：

最長（12.23）與最短（9.13）的真太陽日差51秒真太陽的視運(yùn)動是地球自轉(zhuǎn)與公轉(zhuǎn)運(yùn)動的共同反映（1）太陽在黃道上的運(yùn)動不均勻。（地球公轉(zhuǎn)軌道為橢圓）（2）即使太陽在黃道上運(yùn)動均勻，由于黃赤交角的存在，投影在赤道上的太陽時角變化也不均勻。第18頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六二、平太陽時1.平太陽

19世紀(jì)末美天文學(xué)家鈕康引入的一個假想?yún)⒖键c(diǎn)。第一個輔助點(diǎn)建立在黃道上：在黃道上均勻運(yùn)動，其速度等于真太陽的平均速度，并與真太陽同時過近日點(diǎn)和遠(yuǎn)日點(diǎn)。第二個輔助點(diǎn)建立在赤道上：在赤道上勻速運(yùn)動，其速度等于真太陽的平均速度，與第一輔助點(diǎn)同時過春分點(diǎn)和秋分點(diǎn)。第二個輔助點(diǎn)為在赤道上做勻速運(yùn)動的平太陽。第19頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六平太陽時：定義：以平太陽的周日視運(yùn)動為依據(jù)建立的時間系統(tǒng)時間單位：平太陽日—平太陽連續(xù)兩次上中天的時間間隔起始點(diǎn)：下中天

平太陽時以平太陽的時角度量。

m=tm+12h

是一種基本均勻的時間系統(tǒng)第20頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六

時差：

真太陽的時角與平太陽的時角之差。時差：η=t⊙–tm

時差的零點(diǎn)與極大值：

（一年中η四次為零，四次為極大值）日期4.166.159.112.242.125.157.2611.3η0000-14m24s+3m48s-6m18s+16m24s第21頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六第22頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六定義：以春分點(diǎn)的周日視運(yùn)動為依據(jù)建立的時間系統(tǒng)。時間單位：恒星日—春分點(diǎn)連續(xù)兩次上中天的時間間隔。起始點(diǎn)：上中天

恒星時在數(shù)值上等于春分點(diǎn)的時角。

S=tr=α+t當(dāng)任一恒星時上中天時t=0；即s=α。

三.恒星時第23頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六1、真太陽時比恒星時每日約長4分鐘

太陽在周日視運(yùn)動的同時，又以逆時針方向做周年視運(yùn)動，每日在黃道上自西向東約運(yùn)行1度，因此真太陽時比恒星時約長4分鐘。m⊙≈s＋3m56s北極點(diǎn)子午線春分點(diǎn)周年周日赤道第24頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六太陽時和恒星時第25頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六

四、協(xié)調(diào)世界時（UTC）

（協(xié)調(diào)原子時秒長與世界時時刻的時間計(jì)量系統(tǒng)）

世界時與原子時的折衷協(xié)調(diào)產(chǎn)物大地測量、天文導(dǎo)航、空間探測器的跟蹤、定位需要以地球自轉(zhuǎn)為依據(jù)的世界時時刻，精密校頻等物理領(lǐng)域則要求以原子時為基準(zhǔn)的均勻時間間隔。由于世界時的秒長逐年增加,勢必造成世界時落后于原子時，一年內(nèi)可累計(jì)達(dá)1秒左右。為避免原子時與世界時產(chǎn)生太大的偏離，1975年決定采用UTC系統(tǒng)，其時間單位用SI秒，其時刻與UT1的偏離保持在0.9秒內(nèi)，保持方法為跳秒，跳秒前預(yù)先通知各使用門。第26頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六

UTC系統(tǒng)時間單位：原子時秒（SI）協(xié)調(diào)：用跳秒（也叫閏秒即增加1s或減少1s）的方法，使其與世界時（UT1）的偏離在0s9之內(nèi)。（通常是正閏秒）調(diào)整時刻：每年首選是12月31日和6月30日或3月31日和9月30日的最后一秒，由國際地球自轉(zhuǎn)服務(wù)中心局（IERS）根據(jù)天文觀測做出決定，并預(yù)先通知。啟用時間：1972、1、1

它雖不是嚴(yán)格均勻的時間系統(tǒng)，但與原子時有確定的換算關(guān)系，故其時刻能納入均勻的時間計(jì)量。

當(dāng)前鐘表所指示的時刻正是協(xié)調(diào)世界時。第27頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六國際標(biāo)準(zhǔn)時間（UTC、TAI)的形成

UTC:OfficialTimefortheWorld

但UTC、TAI是軟鐘（紙面鐘）全球約50個時間實(shí)驗(yàn)室總共約280個高穩(wěn)定性原子鐘國際間高精度時間比對

第28頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六高精度時間傳遞技術(shù),參加BIPM組織時間比對網(wǎng)第29頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六§4、地方時、世界時、區(qū)時計(jì)量系統(tǒng)的地方性

恒星時、真太陽時、平太陽時是以春分點(diǎn)、真太陽、平太陽為參考點(diǎn)，以過當(dāng)?shù)刈游缛Φ臅r刻為起算點(diǎn)，以時角量的。對于觀測者，只要位于不同的地理經(jīng)圈，就對應(yīng)不同的天子午圈，因此，參考點(diǎn)過的天子午圈不同，所得時刻也不同。第30頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六

1、地方時：定義：以本地子午面為起算平面，根據(jù)任意量時天體所確定的時間。（s、m⊙、m）

地方時與地方經(jīng)度的關(guān)系：在同一計(jì)時系統(tǒng)內(nèi)，任意兩地同一瞬間測得的地方時之差，在數(shù)值上等于這兩地的地方經(jīng)度之差。

λA-λB=mA–mB=tA–tB

SA–SB=tA–tB=λA-λB

第31頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六2、世界時與區(qū)時：

世界時：（S、M⊙、M）以本初子午線為標(biāo)準(zhǔn)的地方時為世界時。（λ=0h

）

m-M=△λ（+東、-西）

s-S=△λ（+東、-西）

區(qū)時：（Th）為平時系統(tǒng)（λN=N150）把全球分成24個時區(qū)，每區(qū)跨經(jīng)度150，各區(qū)把中央經(jīng)線的地方時作為本區(qū)統(tǒng)一使用的標(biāo)準(zhǔn)時。這樣的區(qū)域稱為時區(qū)；這樣的時間稱為區(qū)時。第32頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六3、國際日期變更線——日界線日界線：太平洋中經(jīng)度1800線（避開陸地與島嶼畫出的一條國際日期變更線）。日界線東西兩側(cè)是東12時區(qū)與西12時區(qū)重合的區(qū)域，時分秒相同，但日期相差一天。由西向東每過一個時區(qū)，就要增加一個小時，因此，由西向東越過日界限，日期減少一天；而由東向西越過日界限，日期增加一天。第33頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六§5、恒星時與平時的換算

S、ｍ是兩個不同的時間計(jì)量系統(tǒng)１）時間單位不同：１恒星日≠１平太陽日２）起始點(diǎn)不同：

上中天；下中天

因此,兩時間計(jì)量系統(tǒng)的時間間隔不同，時刻也不同。

時間間隔換算與時刻換算。第34頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六一、時間間隔的換算回歸年：平太陽連續(xù)兩次過春分點(diǎn)的時間間隔。1回歸年＝365.2422平太陽日＝366.2422恒星日1恒星日＝（1－1／366.2422）平太陽日＝0.9972696平太陽日

m＝s（1－1／366.2422）1平太陽日＝（1＋1／365.2422）恒星日＝1.0027379恒星日

s＝m（1＋1／365.2422）第35頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六二、平時時刻與恒星時時刻的換算1、格林尼治的時刻換算：（λ=0o）1）已知平時求恒星時：M→SS＝So＋M（1＋1／365.2422）2）已知恒星時求平時：S→M：

M＝Mo＋S（1－1／366.2422）

Mo

So是當(dāng)日世界時為零時所對應(yīng)的恒星時。

Mo是當(dāng)日或前一日恒星時為零時所對應(yīng)的世界時。S=0s0sM0h第36頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六2、任意經(jīng)度區(qū)的時刻的換算

（S＝s－λ；M＝m－λ；M＝Th－Nh）1）已知區(qū)時化地方恒星時：

S＝So＋M（1＋1／365.2422）

s＝S0＋（Th－Nh）（1＋1／365.2422）＋λ2）已知地方平時化地方恒星時：

s＝So＋（m－λ）（1＋1／365.2422）＋λ

3）已知地方恒星時換地方平時：

M＝Mo＋S（1－1／366.2422）

m＝Mo＋（s－λ）（1－1／366.2422）＋λ

＝M0＋s－（s－λ）1／366.2422第37頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六

§6、歷法一、制歷的基本原則：

1、歷法：推算年、月、日的時間長度，協(xié)調(diào)它們的關(guān)系，制定一定的時間序列法則。

年：以地球公轉(zhuǎn)為依據(jù)、四季變化的周期。

1回歸年＝365.2422平日

月：以月球公轉(zhuǎn)為依據(jù)、月相變化的周期。

1朔望月＝29.5306平日

日：以地球自轉(zhuǎn)為依據(jù)、晝夜交替的周期。

這是三種完全獨(dú)立的運(yùn)動，沒有簡單的通約關(guān)系，是基本單位不能分割，這種整日數(shù)的年和月為歷年、歷月。第38頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六2、歷法的制定原則（1）盡可能準(zhǔn)確反映天文客觀規(guī)律的歷法，才能正確的反映天象和四季變化。（2）日歷要簡單、明了、易記。寧可犧牲精度以滿足簡單。（3）有通用性，能為廣大地區(qū)所接受。第39頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六3、主要有三種類型（1）太陰歷：（回歷）以朔望月為基本單位。（2）太陽歷：（公歷）以回歸年為基本單位。（3）陰陽歷：（農(nóng)歷）以朔望月計(jì)月，以回歸年計(jì)年，二者兼顧。第40頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六二、太陰歷（回歷）

定義：以朔望月為基礎(chǔ)，朔望月=29.5306日

規(guī)定：每年12個月，大月30天、小月29天，平均29.5天。

12個太陰月：29.5×12＝354日

12個朔望月：29.5306×12＝354.36708日一年相差8小時48分36秒

置閏：為保證每年的年初與月初都為殘?jiān)拢?/p>

30年加11個閏日。第41頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六

置閏：30年11閏

太陰歷年長：

354+11/30=354.3666日

12個朔望月：29.5306×12＝354.36708日30年的歷年長：354×30＋11＝10631日30年朔望月長：29.5306×12×30＝10631.0124日

30年共差17m1s，一年差41s.5

在30年的第2、5、7、10、13、16、18、21、24、26、29年為閏年，閏日加在閏年的最后一天。（可保證朔在月初和年首）第42頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六

優(yōu)點(diǎn)：日期與月相吻合的較好

缺點(diǎn)：歷年長35411／30＝354.3666日與回歸年365.2422比，一年就相差11日左右，3年就要短1個月，約17年就會出現(xiàn)月序與季節(jié)倒置的現(xiàn)象。因此，歲首逐年提前，與季節(jié)完全脫節(jié)。目前只有少數(shù)伊斯蘭國家和地區(qū)在宗教節(jié)日上使用。第43頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六三、太陽歷（公歷）起源于古埃及

現(xiàn)公歷（格里高利歷）的前身是儒略歷，是羅馬的儒略.凱撒于公元前46年仿照古埃及歷法制定的。

儒略歷

定義：以回歸年為基礎(chǔ),回歸年=365.2422日

規(guī)定：每年12個月，大月31天（單）、小月30天（雙）、2月（處決人犯的月份）平年29天。

置閏：每隔三年一閏，閏年366天，加在2月。

平均歷年長：3651／4＝365.25日

回歸年長：365.2422日,400年差3天。

年首：每年冬至后第十天。第44頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六

儒略.凱撒于公元前45年逝世，掌權(quán)的僧侶把“每隔三年一閏”誤解為“每三年一閏”。這樣在短短的33年，就多了3個閏年。

公元前8年,奧古斯都對歷法又一次改革

1、從公元前8年到公元3年不再閏年，把多閏的3年扣回。

2、將他出生的8月改成大月，有1、3、5、7、8、10、12為大月（31天），4、6、9、11月為小月（30天），平年2月28天。第45頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六

公元1582年：測得太陽3月11日過春分點(diǎn)比規(guī)定的3月21日提早10天，歷日與天象不符，必對歷法進(jìn)行修正。格里歷：羅馬教皇格里高利十三世對歷法又作了一次重大改革，定形為今天的公歷。1、規(guī)定：1582年10月4日的第二天為10月15日。2、改為400年97閏：凡是年數(shù)可被四整除的為閏年，世紀(jì)年要被400整除才是閏年。

格里歷平均歷年長：36597／400＝365.2425

回歸年長：365.2422

25s.9／1年；2h52m48s

／400年

3300年才差一天第46頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六優(yōu)點(diǎn)：與季節(jié)相吻合

缺點(diǎn)：月只是一個過渡單位，與月相無關(guān)。

我國1912年采用格里歷，但不用其紀(jì)年，直到解放后才采用。(民國三十八年）

紀(jì)年：公歷的紀(jì)元是人為的、帶有宗教色彩。在公元532年羅馬教皇宣布基督誕生的那一年為公元元年。而不是儒略凱薩下令修改歷日的開始時間。在公元532年后宣布532年前一年為元年。是出自宗教的需要，4是閏年周期數(shù)；19是朔望月周期數(shù)；7是星期的天數(shù)。4×19×7＝532，保證復(fù)活節(jié)過532年會在同一日期、同一月相、同一星期序數(shù)重復(fù)出現(xiàn)。第47頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六星期的概念

體現(xiàn)了不同民族文化的奇特結(jié)合。人類命運(yùn)受星辰影響最初來自巴比倫，他們認(rèn)為：日、月、火、水、木、金、土星逐日輪流主管天上的事務(wù)，人們逐日輪流祭拜，七天一循環(huán)，慢慢就形成了星期。我國古代把日、月和五星稱為七曜，為日曜日、月曜日、火曜日、水曜日、木曜日、金曜日、土曜日，后來就稱星期幾。第48頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六四、陰陽歷：（農(nóng)歷）歷月長：大月30天、小月29天，大小月不固定，依實(shí)際天象推算。歷年長：使其平均歷年長與回歸年長盡量一致。置閏：19年加7個閏月

平年12個月354或355天。

閏年

13個月383或384天。第49頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六

19年7閏：19個回歸年長：

365.2422×19＝6939.601819個歷年長：

29.5306×（19×12＋7）＝6939.6886519年相差2h05m04s

閏月大致在第3、6、9、11、14、17、19年。第50頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六二十四節(jié)氣

農(nóng)歷中表示太陽位置的特殊方法每一節(jié)氣太陽黃經(jīng)均勻增加15度，但時間間隔不同。節(jié)氣中氣節(jié)氣中氣立春3150

雨水3300

驚蟄3450

春分00清明150

谷雨300

立夏450

小滿600芒種750

夏至900

小暑1050

大暑1200立秋1350

處暑1500

白露1650

秋分1800寒露1950

霜降2100

立冬2250

小雪2400大雪2550

冬至2700

小寒2850

大寒3300第51頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六二十四節(jié)氣歌春雨驚春清谷天，夏滿芒夏暑相連。秋處露