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第二章 时间与历法

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第二章 时间与历法. 绝对时空观 绝对的、真实的、数学的时间,由于它自身的本性,与任何外界事物无关的,均匀的流逝。 —— 牛顿 ——. §2 、 时间与历法. 相对时空观 空间 — 时间未必能看作是可以脱离物质世界的真实客体而独立存在的东西,并不是物体存在于空间中,而是这些物体具有空间广延性。这样看来,关于 ‘ 一无所有 ’ 的空间的概念就失去了意义 。 —— 爱恩斯坦 ——. 时间是什么?.

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Presentation Transcript
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绝对时空观绝对的、真实的、数学的时间,由于它自身的本性,与任何外界事物无关的,均匀的流逝。——牛顿 ——

§2、 时间与历法

相对时空观

空间 —时间未必能看作是可以脱离物质世界的真实客体而独立存在的东西,并不是物体存在于空间中,而是这些物体具有空间广延性。这样看来,关于‘一无所有’的空间的概念就失去了意义。

——爱恩斯坦 ——

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时间是什么?

时间是建立在物质运动和变化的基础上的,时间和空间都是物质存在的基本形式,物质的运动与变化永远是在时间和空间中进行的。脱离了物质,脱离了物质的运动和变化,时间和空间都将是毫无意义的。

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时 间 的 计 量

1、建立时间系统的目的

判别和排列事件发生的先后顺序和运动的快慢。

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2、时间计量包含

时间有“间隔”、“时刻”两个含义

时刻:事物运动中,某一状态发生的瞬间。

间隔:事物某一运动过程所经历的时间。

2000

2001

2002

2003

2004

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3、基本原则

选择某一运动规律已掌握,运动状态可观测到的具体事物。

选取该事物的某一运动过程为时间的基本单位。

选取该事物的某一运动状态为时间计量的起算点。

先民日出而作,日入而息,

太阳是天然的钟表。

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§2.1、 时间计量系统

一、恒星时:

定义:以春分点的周日视运动为依据建立的时间系统。

时间单位:恒星日—春分点连续两次上中天的时间间隔。

起始点:上中天

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恒星时在数值上

等于春分点的时角

S = tr = α+ t

当任一恒星上中天时

t=0 即s=α

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二、真太阳时

定义:以太阳视圆面中心的周日视运动为

依据建立的时间系统。

时间单位:真太阳日—真太阳连续两次下中天的时间间隔。

起始点:下中天

真太阳时

以真太阳的时角度量:

m⊙= t⊙+12h

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1、真太阳时比恒星时每日约长4分钟

太阳在周日视运动的同时,又以逆时针方向做周年视运动,每日在黄道上自西向东约运行1度,因此真太阳时比恒星时约长4分钟。

m⊙ ≈ s +3m56s

北极点

周年

春分点

子午线

周日

赤道

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2、真太阳时的缺陷

(1)太阳在黄道上的运动不均匀。

(地球公转轨道为椭圆)

(2)即使太阳在黄道上运动均匀,由于黄赤交角的存在,投影在赤道上的太阳时角变化也不均匀。

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三、平太阳时

1.平太阳:

引入的一个假想参考点。

在黄道上建立第一个辅助点

在黄道上均匀运动,其速度等于真太阳的平均速度,并与真太阳同时过近日点和远日点。

在赤道上建立第二个辅助点

在赤道上匀速运动,其速度等于真太阳的平均速度,与第一辅助点同时过春分点和秋分点。

第二个辅助点为在赤道上做匀速运动的平太阳。

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2、平太阳时

定义:以平太阳的周日视运动为依据建立的时间系统

时间单位:平太阳日—平太阳连续两次上中天的时间间隔

起始点:下中天

平太阳时以平太阳的时角度量

m = tm + 12h

春分点

赤道

黄道

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四、时差 真太阳的时角与平太阳的时角之差。

时差:

η= t ⊙– t m

时差的零点与极大值:

一年中η四次为零

四次为极大值

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§2.2、地方时、世界时、区时

计量系统的地方性

(以地球自转为基础)

恒星时、真太阳时、平太阳时是以春分点、真太阳、平太阳为参考点,以过当地子午圈的时刻为起算点,以时角度量的。

对于观测者,只要位于不同的地理经圈,就对应不同的天子午圈,因此,参考点过的天子午圈不同,所得时刻也不同。

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1、地方时

定义:

以本地子午面为起算平面,

根据任意量时天体所确定的时间。(s、m ⊙、m)

地方时与地方经度的关系:

在同一计时系统内,任意两地同一瞬间测得的地方时之差,在数值上等于这两地的地方经度之差。

λA -λB = mA–mB = tA – tB

SA – SB = tA – tB = λA -λB

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2、世界时与区时

世界时:(S、M⊙、M)

以本初子午线为标准的地方时为世界时 (λ= 0h)

m - M = △λ

s - S = △λ

( + 东、 - 西 )

本初子午线

t h n n15 0
区时(Th)为平时系统(λN = N150)

把全球分成24个时区,每区跨经度150,各区把中央经线的地方时作为本区统一使用的标准时。这样的区域称为时区 ;这样的时间称为区时。

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3、国际日期变更线——日界线

日界线:太平洋中经度1800线(避开陆地与岛屿画出的一条国际日期变更线)。

日界线东西两侧是东12时区与西12时区重合的区域,时分秒相同,但日期相差一天。

由西向东每过一个时区,就要增加一个小时,因此,由西向东越过日界限,日期减少一天;而由东向西越过日界限,日期增加一天。

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作业:

1、乌鲁木齐(87 031 ’E)与北京(116019 ’E)的地方时刻之差是多少? 1h55m12s

2、当北京(λ=8 h)的恒星时为8 h45 m时,某地的恒星时指在5 h30 m,问:该地的经度是多少?

( m - M = △λ )4 h45m 71O15’

3、在某地(λ=6 h56 m20 sE)5月6日用日晷测得真太阳时10 h02m,求相应的北京时间及地方平时。(时差为3 m24 s) 9h58m36s 10h47m42s

(η = m⊙ – m = t⊙ - t )11h2m16

4、已知某恒星的α=20 h38 m,当 S=23 h17 m时,该恒星的时角等于多少?(t= 2h 39m )

5、某人10月1日9时从北京飞往纽约(西五区)11小时后到达,当地时间为几月几日几时?

10月1日7时

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§2.3、恒星时与平时的换算

S、m是两个不同的时间计量系统

1)时间单位不同:1恒星日≠1平太阳日

2)起始点不同:上中天;下中天

因此,两时间计量系统的时间间隔不同,时刻也不同。

时间间隔换算与时刻换算。

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一、时间间隔的换算

回归年:

平太阳连续两次过春分点的时间间隔。

1回归年=365.2422平太阳日

=366.2422恒星日

1恒星日=(1-1/366.2422)平太阳日

=0.9972696平太阳日

m=s(1-1/366.2422)

1平太阳日= (1+1/365.2422)恒星日

=1.0027379恒星日

s=m(1+1/365.2422)

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二、平时时刻与恒星时时刻的换算

1、格林尼治的时刻换算 (λ=0o)

1)已知平时求恒星时:M→S

S=So+M(1+1/365.2422)

2)已知恒星时求平时:S→M

M=Mo+S(1-1/366.2422)

或[ M=S(1-1/366.2422)-(24- Mo)]

Mo

So是当日世界时为零时所对应的恒星时。

Mo是当日或前一日恒星时为零时所对应的世界时。

Mo

S(1-1/366.2422)

0h

M

s0

s

S=0

M(1+1/365.2422)

So

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2、任意经度区的时刻的换算

(S=s-λ; M=m-λ; M=Th-Nh)

1)已知区时化地方恒星时:

S=So+M(1+1/365.2422)

s=So+(Th-Nh)(1+1/365.2422)+λ

2)已知地方平时化地方恒星时:

s=So+(m-λ)(1+1/365.2422)+λ

3)已知地方恒星时换地方平时:

M=Mo+S(1-1/366.2422)

m=Mo+(s-λ)(1-1/366.2422)+λ

=Mo+s-(s-λ)1/366.2422

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复 习

1、m⊙= t⊙ + 12hη = m⊙– m = t⊙ - t

m = tm + 12h m – s =3m 56s /天

s = tr(地方性 △λ;日界线)

2、测时:s = α + t;

任一天体过中天时(t=0):其 α = s

m = tm + 12h = (s – αm)+ 12h

3、时间换算:

S = S0+ M(1+μ); M = M0+ S(1-υ)

s = S0+(m-λ)(1+μ)+ λ

s = S0 +(Th– Nh)(1+μ)+λ

m = M0+(s-λ)(1-υ)+λ

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天体位置的估计

已知:日期(α⊙);时间(m⊙ = t⊙+12h);

地点(φ= Z±δ);时角( t);天顶距(Z)

求:天体的α 、δ

利用:s = α⊙+ t⊙= α+ t

α⊙:可查天文年历,也可自己推算

α⊙ = 0h(3.21) α⊙ = 6 h(6.22)

α⊙ = 12h (9.23)  α⊙ = 18h(12.22)

Z = φ –δ;δ= φ - Z

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练习

1、北京夏至日太阳中天的高度?冬至日呢?(90o-φ±ε)73.5 26.5

2、9月23日日落1小时后,天狼星(α=6 h43 m)的时角等于多少?(S=α⊙+ t⊙=α+t)12.17

3、一年里哪一天天狼星(α=6 h43 m)在子夜上中天?1.1

4、正午测得太阳中心的高度为30o15’,此时太阳δ⊙=19o25’。求当地的地理纬度?

( Z =φ-δ)79o10’

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练习

1、已知恒星时S=6 h38 m,某恒星再过2h10 m上中天,求该恒星的赤经。(α=8h48 m )

2、2002年11月13日北京时间12 h00 m的地方恒星时是多少? (S 0= 3 h28 m42 s λ北京= 7h 45m 26s) 15h14m47s s = S0 +(Th– Nh)(1+μ)+λ

3、设φ=350,当春分点与东点重合时, 黄道与地平的交角为多少?春分点与西点重合呢?

(h= 90o-φ±ε)78.5 31.5

4、某恒星的t=14 h12 m,它的α=13 h02 m,求观测时刻的恒星时。3h14m

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§2.4、现代时间服务

时间计量工作的三项内容

测时、守时、授时

测时:测定恒星的瞬时位置,经过归算获得准确时刻(圭表、日晷、中星仪等)

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守时

用守时工具把所测时间持续下去.是整个时间工作中最关键的一环,它的任务是产生和保持高精度的准确时间 . (滴漏、沙漏、计时香、天文钟、石英钟、原子钟)

多级漏壶

布拉格市政厅天文钟

惠更斯摆钟

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授时:时间服务、播时

把测得的时间用各种手段播报出(鸣锣击鼓、无线电报时、电视系统授时)

用户

电台

地球

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一、世界时(UT)的改正:

定义:

λ=0o的地方平时 M

测定:

UT=tm+12h=(S-αm)+12h

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世界时不是一个均匀的时间计量系统影响的因素——扰动地球自转的各种力世界时不是一个均匀的时间计量系统影响的因素——扰动地球自转的各种力

1、极移:地球瞬时自转轴在地球本体内的运动。(地极移动造成地理经纬度的变化)

地极移动(以地方子午线为参考来测定世界时)

1984-2002

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2、地球自转不均匀(地球自转速度变化)

长期变化:自转减慢,日长增0s.0016/百年

月球引力引起的海洋潮汐

潮汐作用相当于把地球自转向回拉使一天变长,

将来终有一天的长度相当于现在一个月

  • 根据中国日食记录

约1亿年前, 一天只有现在的 20小时长

季节变化:自转上半年慢,下半年快 ±0s.001(大气环流)

不规则变化:时快时慢。(各种因素)

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UT的三种系统

显然,地球自转速率的不均匀性和极移的影响都包含在世界时中。

1956年起,把世界时划分为三种:

(1)UT0:天文台直接测量的结果

(2)UT1:对UT0做经度的修正

UT1=UT0+△λ

(3)UT2:对UT1做季节变化的改正

UT2=UT1+△Ts

UT2系统不仅含有地球自转的长期变化及不规则变化,同时还受经验改正△Ts不够严格的影响,它并非是一个均匀的时间计量系统。

(地球钟的稳定度0.7×10-9秒)

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由于地球自转的不均匀性使得天文方法所得到的时间(世界时)精度只能达到3年不差一秒,这已无法满足二十世纪社会经济各方面的需求。于是,一种更为精确和稳定的时间标准应运而生,这就是“原子时”,它的稳定度能够达到30万年不差一秒。目前世界各国都采用原子钟来产生和保持标准时间。由于地球自转的不均匀性使得天文方法所得到的时间(世界时)精度只能达到3年不差一秒,这已无法满足二十世纪社会经济各方面的需求。于是,一种更为精确和稳定的时间标准应运而生,这就是“原子时”,它的稳定度能够达到30万年不差一秒。目前世界各国都采用原子钟来产生和保持标准时间。
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二、原子时 (TAI)

定义:

原子钟的稳定度达10 -13(高1万倍) (物理时)

以原子内部的运动规律为基础建立的时间计量系统。

时间单位:

原子时秒 (SI):在海平面上铯原子133基态的两个超精细能级在零磁场中跃迁辐射振荡9192631770周所持续时间。

(以历书时ET秒长定义)

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历书时(ET ,Ephemeris Time )

1960 年世界度量衡标准会议定义

公元1900年为“平均太阳年”。秒定

义更改为:一秒为平均太阳年之

31556925.9747 分之 一,称1历书秒。

历书时的特点:

1.时间均匀;2.不易获得,精度低 。

1960年启用,1967年后原子时取代了历书时,1984年后停用。

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定义时间 - 基本单位(SI秒定义)

原子时秒 (SI):位于海平面上的铯133原子基态两个超精细能级间在零磁场中跃迁辐射振荡 9,192,631,770 周所持续的时间为一个原子时秒。

9,192,631,770

133Cs

1H

1,420,405,752 Hz

199Hg+

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起始点:为1958年1月1日 UT = 0h。

(即规定此瞬间原子时TAI与世界时UT重和。事后发现当初取的这一瞬间并非重合,而是相差了-0 s.0039,并一直保留下来。)

UT=TAI-0 s.0039

ET=TAI+32s.84

原子时自1972年1月1日0时正式启用。

靠全世界100多台原子钟维持,经国际时间局统一进行数据处理,由各授时单位向全世界发布。 (国家授时中心)

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老的时间定义:基本单位是日、回归年,

再划分 时、分、秒。

新的时间定义: 基本单位是秒,

分、时、日、年由秒累加得出。

原子钟不仅用来计量时间,它本身

就是时间标度产生器。

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三、协调世界时(UTC)(协调原子时秒长与世界时时刻的时间计量系统)三、协调世界时(UTC)(协调原子时秒长与世界时时刻的时间计量系统)

世界时与原子时的折衷协调产物

大地测量、天文导航、空间探测器的跟踪、定位需要以地球自转为依据的世界时时刻,精密校频等物理领域则要求以原子时为基准的均匀时间间隔。

由于世界时的秒长逐年增加,势必造成世界时落后于原子时,一年内可累计达1秒左右。为避免原子时与世界时产生太大的偏离,1975年决定采用UTC系统。

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UTC系统

时间单位:原子时秒(SI)

协调:用跳秒(也叫闰秒即增加1s或减少1s)的方法,使其与世界时(UT1)的偏离在0s9之内。(通常是正闰秒)

调整时刻:每年首选是12月31日和6月30日或 3月31日和9月30日的最后一秒,由国际地球自转服务中心局(IERS)根据天文观测做出决定,并预先通知。

启用时间:1972、1、1

UTC系统有高的精度和稳定性。

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§2.5 历 法

一、制历的基本原则:

1、历法:推算年、月、日的时间长度,协调它们的关系,制定一定的时间序列法则。

地球、月球的运动给出三种天然的

时间单位:日、月和年。

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年:以地球公转为依据、四季变化的周期。

1回归年=365.2422平日

月:以月球公转为依据、月相变化的周期。

1朔望月=29.5306平日

日:以地球自转为依据、昼夜交替的周期。

这是三种完全独立的运动,没有简单的通约关系,日是基本单位不能分割,这种整日数的年和月为历年、历月。

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2、历法的制定原则

(1)尽可能准确反映天文客观规律的历法,才能正确的反映天象和四季变化。

(2)日历要简单、明了、易记。宁可牺牲精度以满足简单。

(3)有通用性,能为广大地区所接受。

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3、主要有三种类型

(1)太阴历:(回历)以朔望月为基本单位。

(2)太阳历:(公历)以回归年为基本单位。

(3)阴阳历:(农历)以朔望月计月,以回

归年计年,二者兼顾。

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二、太阴历(回历)

定义:以朔望月为基础,朔望月=29.5306日

规定:每年12个月,大月30天 、小月29天,平均29.5天。

12个太阴月:29.5×12=354日

12个朔望月:29.5306×12=354.36708日

一年 相差8小时48分36秒

置闰:为保证每年的年初与月初都为残月,

30年加11个闰日。

30 11 354 11 30 354 3666 12 29 5306 12 354 36708
置闰:30年11闰太阴历年长:354 11/30 = 354.3666日12个朔望月:29.5306×12=354.36708日

30年的历年长:354×30+11=10631日

30年朔望月长:29.5306×12×30=10631.0124日

30年共差17 m1 s,一年差41 s.5

在30年的第2、5、7、10、13、16、18、21、24、26、29年为闰年,闰日加在闰年的最后一天。

(可保证朔在月初和年首)

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优点:日期与月相吻合的较好

缺点:历年长354 11/30 =354.3666日

与回归年365.2422比,一年就相差11日左右 ,3年就要短1个月,约17年就会出现月序与季节倒置的现象。(2005年11月3日、2006年10月24日、2007年10月1?日)

因此,岁首逐年提前,与季节完全脱节。目前只有少数伊斯兰国家和地区在宗教节日上使用。

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三、太阳历(公历)起源于古埃及

现公历(格里高利历)的前身是儒略历:是罗马的儒略.凯撒于公元前46年仿照古埃及历法制定的。

儒略历

定义:以回归年为基础, 回归年=365.2422日

规定:每年12个月,大月31天(单)、小月 30天(双)、2月(处决人犯的月份)平年29天。

年首:每年冬至后第十天。

置闰:每隔三年一闰,闰年366天,加在2月。

平均 历年长:365 1/4=365.25日

回归年长:365.2422日

400年差3天。

45 33 3
儒略.凯撒于公元前45年逝世,掌权的僧侣把“每隔三年一闰”误解为“每三年一闰”。这样在短短的33年,就多了3个闰年。儒略.凯撒于公元前45年逝世,掌权的僧侣把“每隔三年一闰”误解为“每三年一闰”。这样在短短的33年,就多了3个闰年。

公元前8年

奥古斯都对历法又一次改革

1、从公元前8年到公元3年不再闰年,把多闰的3年扣回。

2、将他出生的8月改成大月,有1、3、5、7、8、10、12为大月(31天),4、6、9、11月为小月(30天),平年2月28天。

1582 3 11 3 21 10
公元1582年:测得太阳3月11日过春分点比规定的3月21日提早10天,历日与天象不符,必对历法进行修正。公元1582年:测得太阳3月11日过春分点比规定的3月21日提早10天,历日与天象不符,必对历法进行修正。

格里历:罗马教皇格里高利十三世对历法又作了一次重大改革,定形为今天的公历。

1、规定:1582年10月4日的第二天为10月15日。

2、改为400年97闰:凡是年数可被四整除的为闰年,世纪年要被400整除才是闰年。

格里历平均历年长:365 97/400=365.2425

回归年长: 365.2422

25s.9 /1年 ; 2h52m 48s/ 400年

3300年才差一天

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优点:与季节相吻合

缺点:

月只是一个过渡单位,与月相无关。

我国1912年采用格里历,但不用其纪年,直到解放后才采用。

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纪年

公历的纪元是人为的、带有宗教色彩。在公元532年罗马教皇宣布基督诞生的那一年为公元元年。而不是儒略 凯萨下令修改历日的开始时间。

在公元532年后宣布532年前一年为元年。是出自宗教的需要,4是闰年周期数;19是朔望月周期数;7是星期的天数。4×19×7=532,保证复活节过532年会在同一日期、同一月相、同一星期序数重复出现。

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星期的概念

体现了不同民族文化的奇特结合。

人类命运受星辰影响最初来自巴比伦,他们认为:日、月、火、水、木、金、土星逐日轮流主管天上的事务,人们逐日轮流祭拜,七天一循环,慢慢就形成了星期。

我国古代把日、月和五星称为七曜,为日曜日、月曜日、火曜日、水曜日、木曜日、金曜日、土曜日,后来就称星期几。

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四、阴阳历: (农历)

历月长:大月30天、小月29天,大小月不固定, 依实际天象推算。

历年长:使其平均历年长与回归年长尽量一致。

置闰:19年加7个闰月

平年 12个月 354或355天。

闰年 13个月 383或384天。

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19年7闰

19个回归年长:

365.2422×19=6939.6018

19个历年长:

29.5306×(19×12+7)=6939.68865

19年相差2h 05m 04 s

闰月大致在第3、6、9、11、14、17、19年。

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4、二十四节气农历中表示太阳位置的特殊方法

每一节气太阳黄经均匀增加15度,

但时间间隔不同

节气 中气 节气 中气

立春 3150雨水 3300惊蛰 3450春分 00

清明 150谷雨 300立夏 450小满 600

芒种 750夏至 900小暑 1050大暑 1200

立秋 1350处暑 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

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二十四节气歌

春雨惊春清谷天, 夏满芒夏暑相连。

秋处露秋寒霜降, 冬雪雪冬小大寒。

每月两节不变更, 最多不差一两天。

上半年来六、廿一,下半年来八、廿三。

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5、农历的闰月

只能加在无中气的月份

农历月:29或30天

二十四节气的平均间隔:

365.2422/12=30.4368日

30.4368>29或30

这样无中气的月为闰月,前一月是几月就闰几月。

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阴阳历的特点

1、以月相定日序,朔为初,两朔间隔定大小月。

2、以中气定月序 ,无中气为闰月。

3、二十四节气与阴阳历并行 ,阴阳历用于记事,二十四节气安排农时。

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五、阳历的改革

1、一年四季 每季3个月 一年12个月

2、每季1月31天 2月30天 3月30天

共计91天 每季第1天为周日 最后一天为周六

3、每年91×4=364

上半年:182 下半年:182

365-364 =1 为国际性节日

4、闰年加一天放在6.30之也为国际性节日。

2 6 jd
§2、6 儒略日(JD)

定义:一种不用年、月的长期纪日法

起算点:公元前4713年儒略历1月1日

世界时12点。

优点:便于计算相隔若干年两事件的天数

改进儒略日(MJD):

起算点:1858.11.17 世界时零时

MJD=JD -2,400,000.5

注:公元前4713年,天文上计为- 4712年。

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习题:

1、农历置闰办法规定,无中气的月份为闰月,已知回归年的长度为365.2422天,朔望月为29.5306天,问19个回归年中应有多少个朔望月?有多少个中气? 农历19年中应设立多少个闰月?235,228(365.2422×19÷29.5306-12×19 = 7)

2、回历(太阴历)30年中19年为354天,11年为355天,求历年的平均长度?若某年回历的元旦是春分,问经过多少年后元旦成了秋分?

(354 ×19+355 ×11)/30=354.3667,

365/(2 ×11) = 17

3、 格里历的置闰规则是:400年置闰( )次,闰年多( )天,加在( )月份。其具体做法是凡是公元年号能被( )整除的为闰年,否则为平年。凡是世纪年能被( )整除的为闰年,否则为平年。

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奥赛题

1、已知在中世纪广泛应用儒略历,现在大多数国家应用格里历,从第3世纪到现在(2000年),儒略历和格里历相差了13天,即对于同样的日期来讲,儒略历落后格里历13天,上次儒略历与格里历相合是在第3世纪,请计算到哪一个世纪两个历法相差1年,日期又重合,比如在格里历是10月22日,儒略历也是10月22日,两者一致。(366÷3×400=50400)