#天文导航# 3. 时间系统
“Love is the one thing we’re capable of perceiving that transcends dimensions of time and space.”
–Amelia Brand (Anne Hathaway), Interstellar
时间系统
1. 各种时间系统
- 世界时和恒星时都是根据地球自转测定的时间，与地球的自转角成比例，都是基于地球自转周期获得的时间尺度。
- 世界时的空间参考是太阳
- 恒星时的空间参考点是春分点或者某个恒星
1.1 恒星时(ST)
由春分点周日视运动所确定的时间
恒星时 $0\textbf{h}$ ：当春分点刚好通过本地午线（上中天）时刻
恒星日：春分点前后两次经过本地午圈的时间间隔为一个恒星日，作为尺度，包含24个恒星时
恒星时在数值上等于春分点相对本地午圈的时角，用时、分、秒来度量
地方恒星时 $s$ 和格林尼治恒星时 $S$ 的关系
\[s=S+\lambda_{经度}\]
天文测时，地方恒星时：
\[s=\alpha+t\]$\alpha$ 为恒星 $M$ 的赤经，$t$ 为 $M$ 的地方时角
1.2 太阳时(ST)
参考点：太阳中心
太阳时 $0\textbf{h}$ ：太阳中心通过测者子圈（下中天）
太阳日 $12\textbf{h}$ ：午圈（上中天）
太阳日：太阳中心前后两次经过本地午圈的时间间隔为一个太阳日，作为尺度，包含24个太阳时
太阳时时刻与太阳时角有 $12\textbf{h} (180\degree)$ 的差值
\[t_{sun}=t_{太阳相对于午圈时角}+12\textbf{h}\]
1.3 平太阳时(MT)
- 一个假象的参考点，满足以下三个条件：
- 沿天赤道作周年运动
- 运动速度均匀，运动周期为一个回归年
- 和真太阳同时经过近地点和远地点
- 基于平太阳定义平太阳时
- 参考点：平太阳
- 平太阳时 $0\textbf{h}$ & $12\textbf{h}$
- 平太阳日
1.4 世界时(UT)
即格林尼治平太阳时 (GMT)
世界时与地方平太阳时的尺度基准相同——仅仅是起算点不同
\[m_{地方平时}=M_{世界时}+\lambda_{经度}\]世界时以地球自转为基础，而地球自转速度不均匀，有以下三类变化：
- 长期变化：潮汐摩擦力
- 季节性变化：地球表面气团随季节而移动
- 不规则变化：时快时慢，物理机制不清
2 各个时制换算
2.1 恒星时与平太阳时的换算
太阳周日视运动是综合了地球自转和公转的视运动的合成效果
太阳日长于恒星日
恒星日是地球相对于恒星的自转周期，即地球自转的物理周期，是春分点的周日视运动的周期
平太阳日是地球相对于平太阳的自转周期，也是平太阳的周日视运动的周期 \(\frac{恒星时}{平时}=\frac{平太阳日}{恒星日}=\frac{366.2422}{365.2422}=1+\mu=1.0027378747\)
2.2 世界时和恒星时的换算
世界时和恒星时的换算
\[S=S^0+(1+\mu)M\]$S^0$ 为当天世界时 $0\textbf{h}$ 对应的恒星时
世界时和地方恒星时的换算
\[S=S^0+(1+\mu)M+\lambda\\ =S^0+m+\mu m-\mu \lambda\]
回归年：太阳连续两次经过平春分点的时间间隔
恒星年：太阳连续两次经过固定的宇宙指向的时间间隔
恒星年长于回归年
3. 儒略日(JD)
- 儒略日：记为JD，从公园前4713年1月1日世界时12h为“0”日开始，连续不断的计日方式
- 以回归年为基础的日历年和世纪都不是等长间隔
- 儒略世纪：固定含有36525日，只是大时间尺度的单位，没有年和月，从1984年起作为所有天文历表的时间单位
- 标准历元为2000年1月1.5日TT，记作 $J2000.0$ ，此时儒略日 $JD=2451545.0$
- 儒略世纪数 $=(JD-2451545)/36525$
4. 历书时 (ET)
- 地球自转长期减慢
- 每一世纪地球自转周期平均延长 1.7ms
- 4亿年前每年包含日数超过400d，日长约想到与现在的21h多
- 1960年，各国天文年历引入一种以太阳天体公转为基准的时间标准——历书时（当然认为是均匀的）
- 历书时：是一种以天体公转为基准的时间标准，主要是以地球公转为依据，即观测太阳位置反演时间。是由经典力学确定的均匀时间，又称牛顿时
### 4.1 历书时与世界时的关系
- 由于地球自转越来越慢，而假想的历书子午圈一直以1900年时刻的自转速度匀速自转。真实的本初子午圈越来越落后于历书子午圈，世界时慢于历书时。
历书时从理论和实践上均不完善，但有一个优点是——秒长相对固定均匀
5. 国际原子时系统 (TAI)
建立均匀时间尺度的着眼点从宏观世界转向微观世界
秒长：用历书时秒长量度铯原子钟的振荡频率
TAI起算点：1958年1月1日0h的UT1，但由于技术原因，还是保留了 0.0039s的差异
\[UT_1-TAI=0.0039\textbf{s}\]ET与TAI是两种完全不同的时间系统，但是：
\[ET=TAI+32.184\textbf{s}\]
5.1 TAI 的优点
- 稳定度极高，30万年不差1s
- 原子钟系统可以独立维持
- 随时精确读取
- 不依赖于任何天文常数
6. 地球时 (TT)
- 应用领域：地球卫星运动方程和历表，地心系汇总描述的行星及太阳的运动方程和视历表
- 秒长定义：同TAI秒长（SI秒）
- TT起算点：同ET的起算点
- 基本单位：日
7. 协调世界时 (UTC)
- Universal Time Coordinated
随着世界时UT1和国际原子时TAI在时刻上偏离越来越大，日记月累的结果，TAI将与昼夜变化、生物钟以及人类作息不同步
- UTC时间单位：原子时秒(SI)
7.1 UTC协调方法
使用跳秒（闰秒）的方式，使得 $\left UCT-UT1 \right \leqslant 0.9s$，通过天文观测不断提供差数据，一旦预测将超过 0.9s 界线，采取跳秒措施 - 调整时刻一般在民用日历的1月1日0h或7月1日0h
- 正跳秒：人为在
0h0m0s之前加上23h59m60s——调慢1秒 - 负跳秒：将
23h59m59s去掉，58之后紧跟0h0m0s
- 正跳秒：人为在
- UTC和TAI的差别总是整秒
8. 脉冲星时间
- 中子星的自转轴与磁轴一般不一致，若辐射束正好扫过地球，将收到周期性的脉冲信号。