Земные сутки длятся. Что такое год, месяц, сутки с точки зрения астрономии? Сутки в астрономии

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.

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).

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.

Здесь, на Земле, люди воспринимают время как что-то само собой разумеющееся. Но на самом деле ведь в основе всего лежит крайне сложная система. Например, то, как люди исчисляют дни и годы, вытекает из того, каково расстояние между планетой и Солнцем, из времени, которое тратится Землей на совершение полного оборота вокруг газового светила, а также времени, которое тратится на совершение движения на 360 градусов вокруг своей оси. Тот же самый метод применим и для остальных планет, находящихся в Солнечной системе. Земляне привыкли считать, что в сутках содержится 24 часа, однако на других планетах продолжительность суток намного отличается. В некоторых случаях они короче, в других - длиннее, порой значительно. Солнечная система полна сюрпризов, и пришло время ее изучить.

Меркурий

Меркурий - это планета, которая располагается ближе всего к Солнцу. Расстояние это может составлять от 46 до 70 миллионов километров. Учитывая тот факт, что Меркурию требуется около 58 земных дней, чтобы обернуться на 360 градусов, стоит понимать, что на этой планете вы сможете увидеть рассвет только раз в 58 дней. Но для того чтобы описать круг около главного светила системы, Меркурию требуется всего 88 земных дней. Это означает, что год на этой планете длится примерно полтора дня.

Венера

Венера, известная также как «близнец Земли», является второй от Солнца планетой. Расстояние от нее до Солнца составляет от 107 до 108 миллионов километров. К сожалению, Венера также является самой медленно вращающейся планетой, что можно заметить при взгляде на ее полюса. В то время как абсолютно все планеты, находящиеся в Солнечной системе, испытали сплющивание на полюсах из-за скорости их вращения, у Венеры не наблюдается его признаков. В итоге Венере требуется около 243 земных дней, чтобы один раз обойти главное светило системы. Это может показаться странным, но планете требуется 224 дня, чтобы совершить полное вращение вокруг своей оси, что означает лишь одно: день на этой планете длится дольше, чем год!

Земля

Когда речь идет о сутках на Земле, люди обычно представляют их как 24 часа, в то время как на самом деле период вращения составляет всего 23 часа и 56 минут. Таким образом, одни сутки на Земле равны где-то 0.9 земным дням. Выглядит странно, однако люди всегда предпочитают простоту и удобство, а не точность. Однако все не так просто, и длина дня может изменяться - иногда она даже на самом деле равна 24 часам.

Марс

Во многих смыслах Марс тоже может быть назван близнецом Земли. Кроме того, что у него имеются снежные полюса, смена сезонов и даже вода (пусть и в замороженном состоянии), день на планете является крайне близким по продолжительности к дню на Земле. Оборот вокруг своей оси занимает у Марса 24 часа, 37 минут и 22 секунды. Таким образом, здесь день чуть-чуть длиннее, чем на Земле. Как уже было сказано ранее, сезонные циклы здесь также очень похожи на земные, поэтому и варианты продолжительности дня будут схожими.

Юпитер

Учитывая тот факт, что Юпитер является крупнейшей планетой Солнечной системы, можно было бы ожидать, что день на нем окажется невероятно продолжительным. Но на самом деле все обстоит совершенно иначе: сутки на Юпитере длятся всего 9 часов, 55 минут и 30 секунд, то есть один день на этой планете составляет примерно треть земного дня. Это происходит из-за того, что данный газовый гигант имеет очень высокую скорость вращения вокруг своей оси. Именно из-за этого на планете также наблюдаются очень сильные ураганы.

Сатурн

Ситуация на Сатурне очень похожа на ту, которая наблюдается на Юпитере. Несмотря на большой размер, планета имеет маленькую скорость вращения, поэтому на один период вращения на 360 градусов у Сатурна уходит всего 10 часов и 33 минуты. Это значит, что один день на Сатурне по продолжительности равен менее чем половине земного дня. И, опять же, высокая скорость вращения приводит к невероятным ураганам и даже постоянному вихревому шторму на южном полюсе.

Уран

Когда речь заходит об Уране, вопрос подсчета продолжительности дня становится затруднительным. С одной стороны, время вращения планеты вокруг своей оси составляет 17 часов, 14 минут и 24 секунды, что немногим меньше стандартного земного дня. И это заявление было бы верным, если бы не сильнейший осевой наклон Урана. Угол этого наклона составляет более 90 градусов. Это означает, что планета движется мимо главной звезды системы фактически на боку. Более того, при таком раскладе один полюс очень долгое время смотрит в сторону Солнца - целых 42 года. В итоге можно сказать, что сутки на Уране длятся 84 года!

Нептун

Последним в списке идет Нептун, и здесь также возникает проблема измерения продолжительности суток. Полное вращение вокруг своей оси планета совершает за 16 часов, 6 минут и 36 секунд. Однако и здесь имеется загвоздка - учитывая тот факт, что планета является газово-ледяным гигантом, ее полюса вращаются быстрее, чем экватор. Выше было обозначено время вращения магнитного поля планеты - ее экватор оборачивается за 18 часов, в то время как полюса завершают круговое вращение за 12 часов.

Сколько длятся сутки? Странный вопрос: мы с детства знаем, что сутки - это ровно 24 часа, или 1440 минут или 86400 секунд. Так, да не так. Сутки - это период времени, за который Земля совершает один полный поворот вокруг своей оси, а он, оказывается никогда не занимает ровно 24 часа.

Cколько же длятся сутки?

Если за точку отсчета взять далёкую звезду, и сутками считать промежуток, за который она вернётся в ту же точку, то окажется, что один оборот нашей планеты занимает 23 часа 56 минут и 4 секунды! То есть за день астрономическая полночь может уползти почти на 4 минуты! Мало того, этот период назваемый звездными сутками в зависимости от трения, вызываемого синоптическими ситуациями, приливами/отливами и геологическими событиями всё время меняется в диапазоне до 50 секунд. Если же за точку отсчета взять наше Солнце, как делали предки, то число уже получается более близкое к 24 часам. Это называется солнечные сутки . В среднем за год с учетом оборота планеты вокруг солнца солнечные сутки на долю секунды короче, чем двадцать четыре часа.

Когда эти расхождения выявили с помощью точнейших атомных часов, было принято решение переопределить секунду как фиксированную долю «солнечных» суток, - точнее, миллионшестьсот-сорокатысячную.

Новая секунда вошла в обиход в 1967 году и определена как «интервал времени, равный 9 192 631 770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133 при отсутствии возмущения внешними полями». Точнее не скажешь - только уж больно муторно выговаривать все это в конце долгого дня.

Новое определение секунды означает, что солнечные сутки постепенно сдвигаются по отношению к атомным. В результате ученым пришлось вводить в атомный год так называемую «високосную секунду» (или «секунду координации»), с тем чтобы согласовать атомный год с солнечным.

С 1972 года високосную секунду добавляли уже 23 раза. Представляете, иначе наши сутки увеличились бы уже почти на полминуты. А Земля продолжает замедлять свое вращение. И, по оценкам ученых, в XXIII веке в наших сутках будет 25 нынешних часов.

Последний раз «високосная секунда» была добавлена 31 декабря 2005 года по указанию Международной службы оценки параметров вращения и координат Земли, базирующейся в Парижской обсерватории.

Хорошая новость для астрономов и тех из нас, кто любит, когда часы идут в ногу с движением Земли вокруг Солнца, но головная боль для компьютерных программ и всей той аппаратуры, что стоит на космических спутниках.

Идея ввода «високосной секунды» встретила решительный отпор со стороны Международного союза телекоммуникаций, который даже внес официальное предложение полностью отменить ее еще в декабре 2007 года.

Можно конечно дождаться, пока разница между Универсальным координированным временем (UTC) и Средним временем по Гринвичу (GMT) достигнет ровно часа (где-то через 400 лет) и уже тогда привести все в порядок. Ну а пока дебаты вокруг того, что считать «реальным» временем, продолжаются.