Длительность суток в далекие времена. Солнечные сутки
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.:
Секунда - это продолжительность 9 192 631 770 периодов излучения атома цезия 133, испускаемого им при переходе между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния (см. страницу Международного бюро мер и весов, там же приводятся некоторые уточнения).
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 23h 56m 04.0905308s. 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 23h 56m 04.0989036s, 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).
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.
Время - важнейшая философская, научная и практическая категория. Выбор способа измерения времени интересовал человека с древнейших времен, когда практическая жизнь стала связываться с периодами обращения солнца и луны. Несмотря на то что первые часы — солнечные — появились за три с половиной тысячелетия до нашей эры, эта проблема остаётся достаточно сложной. Часто ответить на самый простой вопрос, с ней связанный, например "сколько в сутках часов", бывает не так просто.
История времяисчисления
Чередование светлого и темного времени суток, периодов сна и бодрствования, работы и отдыха стало означать для людей ход времени ещё в первобытные времена. Ежедневно солнце двигалось по небосклону днем, от восхода до заката, а луна - ночью. Логично, что период между одинаковыми фазами движения светил стал единицей времяисчисления. День и ночь постепенно сложились в сутки — понятие, определяющее смену даты. На их основе появились более краткие единицы времени - часы, минуты и секунды.
Впервые определять, сколько в сутках часов, стали в античные времена. Развитие познаний в астрономии привело к тому, что день и ночь стали делить на равные периоды, связанные с восходом к небесному экватору определенных созвездий. А шестидесятеричную систему счисления греки переняли от древних шумеров, которые считали её наиболее практичной.
Почему именно 60 минут и 24 часа?
Чтобы сосчитать что-либо, древний человек использовал то, что обычно всегда под рукой - пальцы. Отсюда берет начало десятеричная система счисления, принятая в большинстве стран. Другой способ, основанный на фалангах четырех пальцев раскрытой ладони левой руки, достиг расцвета в Египте и Вавилоне. В культуре и науке шумеров и других народов Междуречья священным стало число 60. Во многих случаях делить его без остатка позволяло наличие множество делителей, одним из которых является 12.
Математическое понятие того, сколько в сутках часов, берет начало в Древней Греции. Греки одно время учитывали в календаре только светлое время дня и разделили время от восхода до заката на двенадцать одинаковых интервалов. Затем они так же поступили с ночным временем, в результате получили 24-частное деление суток. Греческие ученые знали, что долгота дня в течение года меняется, поэтому долгое время существовали дневные и ночные часы, которые были одинаковы только в дни равноденствия.
От шумеров греки восприняли и деление окружности на 360 градусов, на основе которого была разработана система географических координат и деление часа на минуты (minuta prima (лат.) - "уменьшенная первая часть" (часа)) и секунды (secunda divisio (лат.) - "второе деление" (часа)).
Солнечные сутки
Смысл суток относительно взаимодействия небесных объектов - это отрезок времени, за который Земля делает полный оборот вокруг оси вращения. Учеными-астрономами принято делать несколько уточнений. Они выделяют солнечные сутки - начало и окончание оборота считается по нахождению Солнца в одной и той же точке небесной сферы - и разделяют их на истинные и средние.
Сказать с точностью до секунды, сколько часов в сутках, которые называются истинными солнечными, без уточнения конкретной даты невозможно. В течение года их продолжительность периодически меняется на почти минуту. Это происходит из-за неравномерности и сложной траектории движения светила по небесной сфере - ось вращения планеты имеет наклон около 23 градусов относительно плоскости небесного экватора.
Более-менее точно можно сказать, сколько часов и минут в сутках, которые специалистами именуются как средние солнечные. Это и есть привычные, используемые в повседневной жизни календарные отрезки времени, определяющие конкретную дату. Считается, что их продолжительность постоянна, что в них ровно 24 часа, или 1440 минут, или 86 400 секунд. Но и это утверждение условно. Известно, что скорость вращения Земли уменьшается (сутки удлиняются за сто лет на 0,0017 секунды). На интенсивность вращения планеты влияют сложные гравитационные космические взаимодействия и спонтанные геологические процессы внутри неё.
Звездные сутки
Современные требования к расчетам в космической баллистике, навигации и т. п. таковы, что вопрос о том, сколько часов длятся сутки, требует решения с точностью до наносекунд. Для этого выбираются более стабильные точки отсчета, чем близлежащие небесные тела. Если рассчитывать полный оборот земного шара, взяв за исходный момент его положение относительно точки весеннего равноденствия, можно получить длительность суток, называемых звездными.
Современная наука точно устанавливает, сколько часов в сутках, носящих красивое наименование звездных, — 23 ч 56 мин 4 с. При этом в некоторых случаях их длительность еще более уточняется: истинное количество секунд - 4,0905308333. Но и этот масштаб уточнений бывает недостаточным: на постоянство точки отсчета влияет неравномерность орбитального движения планеты. Чтобы исключить этот фактор, выбирается особое, эфемеридное начало координат, связанное с внегалактическими радиоисточниками.
Время и календарь
Окончательный вариант определения того, сколько в сутках часов, близкий к современному, был принят в Древнем Риме, с введением юлианского календаря. В отличие от древнегреческой системы времяисчисления сутки делились на 24 равных интервала, вне зависимости от времени суток и времени года.
В разных культурах применяются свои календари, имеющие точкой отсчета специфические события чаще всего религиозного характера. Но продолжительность средних солнечных суток на всей Земле одинакова.
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.
Ежедневно вращение Земли замедляется на 3-4 сантиметра, поэтому продолжительность времени суток увеличивается. Ученые называют несколько причин, влияющих на этот процесс. Одной из них являются океанские приливы и отливы, из-за которых огромные массы воды трутся о поверхность земной коры и незаметно, но верно тормозят её вращение.
Международный коллектив ученых заинтересовался величиной этих отклонений. Для достижения максимальной точности измерений было выбрано местоположение самых удаленных, но хорошо различимых звезд, и с помощью телескопов отмечались изменения в их расположении на протяжении заданного интервала времени. Полученный результат обрабатывался на корреляторе - специальном компьютере высотой в рост человека.
Источником информации для коррелятора являются три региона планеты - городок Веттцель в Баварии, Япония и Норвегия, где расположены радиотелескопы, с помощью которых ученые надеялись впервые точно определить параметры вращения Земли. «Нам необходимы максимально удаленные друг от друга регионы, чтобы максимально повысить точность измерений», - утверждает Вальтер Алеф из института радиоастрономии имени Макса Планка (Бонн).
«Это позволило нам смоделировать единственный в своем роде виртуальный гигантский телескоп с размерами, равными расстоянию между его отдельными компонентами», - объясняет астроном.
В течение одного часа в неделю все три радиотелескопа одновременно занимаются измерениями. Полученная информация затем сравнивается с данными, которые были получены за более продолжительный период. В итоге данные, касающиеся вращения Земли в течение одного часа, экстраполируются на сутки.
Поскольку исследуемый участок небесной сферы постоянно изменяется, это дает возможность ученым выполнять расчеты в сантиметрах или градусах, чтобы не основании результатов вычислить скорость вращения планеты в соответствующий период.
Как известно, земное время соответствует атомному физическому времени, определяемому атомарной частотой колебания цезия. В 1956 году для координации времени было введено так называемое Универсальное координированное время, более известное под названием Всемирное время. Это универсальный стандарт для Земли. Чтобы согласовать Всемирное время с астрономическим, каждые два года к нему добавляется одна секунда.
Однако для современных технологий этой точности уже недостаточно. Нужно каждый день с максимальной точностью определять скорость вращения планеты, чего требуют, например, системы навигации GPS. Даже минимальное отклонение в таких расчетах привело бы к существенным ошибкам в определении местоположения.
Астрономы и геодезисты утверждают, что в настоящее время вращение земли замедляется на 3-4 сантиметра в день, то есть на одну миллисекунду. Сеть радиотелескопов позволит еще больше уточнить это значение.
Среднее долговременное замедление вращения Земли
В 1995 году пара учёных из Даремского университета (Великобритания) и офиса Королевского морского альманаха тщательно изучили историческую информацию о солнечных и лунных затмениях с 700 года до н.э. по 1990 год из Вавилона, Древней Греции, арабских доминионов, Древнего Китая и Европы - все эти цивилизации обладали продвинутыми знаниями астрономии и вели записи о солнечных и лунных затмениях. Анализ исторических данных в совокупности с современной информацией позволил впервые составить график долговременных флуктуаций во вращении нашей планеты. Подтвердилась теория, что Земля вращается не с одинаковой скоростью. Она периодически разгоняется и замедляется, с долговременной тенденцией к постепенному замедлению.
Спустя 21 год те же учёные разработали уточнённый исторический график вращения Земли. В него включены новые исторические данные: примерно на 25% больше информации о солнечных затмениях из Вавилона, а также скорректированные данные о затмениях из Древнего Китая, в которых исправлены неточности из-за ошибок интерпретации. Кроме того, учёные взяли новый архив лунных затмений с 1623 по 2015 годы , который составлен с учётом самых последних и точных эфемерид Луны, положения звёзд и контура Луны во время затмений. Информация получена от Лаборатории реактивного движения НАСА.
После обновления таблиц затмений по результатам исторических записей учёные вычислили разницу между временем затмения по относительному всемирному времени (Universal Time, UT) и по абсолютному земному времени (TT). Земное время - современный астрономический стандарт, разработанный Международным астрономическим союзом для определения времени астрономических наблюдений, сделанных с поверхности Земли. Он разработан согласно гравитационной модели Солнечной системы и не зависит от фактических изменений в скорости вращения Земли.
Дельта времени (ΔT) в таблице и на графиках соответствует разнице между TT и UT. С середины 1955 года, когда на Земле начали работать высокоточные атомные часы, TT определяется как время по атомным часам (TAI) плюс 32,184 секунды. По шкале TT одни сутки определяются как 86 400 секунд СИ. По шкале UT одни сутки соответствуют среднему значению солнечных суток, исходя из среднего периода обращения Земли вокруг своей оси.
Текущие флуктуации в скорости вращения Земли точно определяются по информации со спутников на земной орбите и взаимному положению Земли и Луны. Лазерные дальномеры позволили точно вычислить приливное ускорение в системе Земля-Луна (n): это −25.82±0.03′′ cy −2 .
Поэтому ΔT для изменения вращения под воздействием приливного ускорения будет со временем изменяться как парабола:
В этой формуле t соответствует юлианским столетиям после 1820 года.
Нужно заметить, что из-за большой массы Луны (примерно 1/81 земной массы) систему Земля-Луна можно рассматривать как двойную планетарную систему, а не как планету со спутником.
Данные с лазерных дальномеров по Луне и информация о приливном ускорении доступна только за последние примерно 50 лет, но эта формула вполне применима к историческим данным астрономических наблюдений, потому что система Земли и Луны не изменилась.
Учёные постарались определить, каким образом на скорость вращения Земли в минувшие века влияли другие неизвестные факторы, кроме приливного ускорения.
Вот как выглядит диаграмма изменения ΔT по результатам всех наблюдений до 1600 года, точнее - до полного солнечного затмения 1567 года.
Измерения после 1600 года и тем более после 1700 года с применением более совершенных приборов (телескопов) значительно снизили погрешность измерений.
Вот как выглядит диаграмма изменения ΔT по результатам наблюдений c 1623 года по 2015 год.
Если использовать вышеупомянутую параболу и представить её в виде прямой линии, то долговременные флуктуации скорости вращения Земли образуют следующую картину.
Учёные делают вывод, что только приливным ускорением невозможно объяснить флуктуации в скорости вращения Земли. Очевидно, на вращение планеты влияют другие силы. Например, это может быть комбинация гляциоизостазии (вертикальные движения земной поверхности) и гравитационного взаимодействия ядра с мантией Земли.
По результатам анализа всех исторических данных можно вычислить среднее долговременное замедление вращения Земли, которое составляет примерно 1,78 миллисекунды в столетие.
Научная работа и все исходные данные в табличном виде опубликована 7 декабря 2016 года в журнале Proceedings of the Royal Society в открытом доступе для дальнейшей обработки астрономами и астрологами (представители этой псевдонауки тоже предпочитают использовать реальные научные данные).