Dobivanjem točaka u vremenu rješava se samo prvi zadatak vremenske službe. Sljedeći je zadatak pohraniti točno vrijeme u intervalima između njegovih astronomskih definicija. Ovaj se zadatak rješava uz pomoć astronomskog sata.
Da bi se postigla visoka preciznost vremenskih odrednica u izradi astronomskih satova, koliko je to moguće, uzimaju se u obzir i uklanjaju svi izvori pogrešaka te se stvaraju najpovoljniji uvjeti za njihov rad.
Najvažniji dio sata je njihalo. Opruge i kotači služe kao prijenosni mehanizam, strelice - označavaju, a visak mjeri vrijeme. Stoga u astronomskom satu pokušavaju stvoriti najbolje moguće uvjete za njegov rad: učiniti sobnu temperaturu konstantnom, ukloniti udare, oslabiti otpor zraka i, na kraju, učiniti mehaničko opterećenje što je moguće nižim.
Da bi se osigurala visoka preciznost, astronomski sat smješten je u dubok podrum, zaštićen od udara, a soba se održava na konstantnoj temperaturi tijekom cijele godine. Da bi se smanjio otpor zraka i uklonio utjecaj promjena atmosferskog tlaka, visak sata smješten je u kućište u kojem je zračni tlak nešto smanjen (slika 20).
Astronomski satovi s dva njihala (Short-ovi satovi) imaju vrlo visoku točnost, od kojih je jedan - neslobodan ili "podređen", povezan s prijenosnim i pokazivačkim mehanizmima, a sam upravlja drugim - slobodnim njihalom koji nije povezan ni s jednim kotačićem i opruge (slika 21).
Slobodno njihalo smješteno je u duboki podrum u metalnom kućištu. U ovom slučaju postoji smanjeni tlak. Slobodno njihalo povezano je s neslobodnim kroz dva mala elektromagneta, u blizini kojih se njiše. Slobodno klatno kontrolira klatno "slave", prisiljavajući ga da se njiše u vremenu sa sobom.
Mogu se postići vrlo male pogreške sata, ali ne i potpuno ukloniti. Međutim, ako sat radi neispravno, ali unaprijed se zna da se žuri ili zaostaje za određeni broj sekundi dnevno, tada nije teško izračunati točno vrijeme iz takvog pogrešnog sata. Da biste to učinili, dovoljno je znati što radi sat, odnosno koliko sekundi u žurbi ili zaostaju. Tijekom mjeseci i godina izrađuju se tablice korekcija za ovaj primjerak astronomskog sata. Kazaljke astronomskog sata gotovo nikad ne pokazuju točno vrijeme, ali uz pomoć korektivnih tablica sasvim je moguće dobiti vremenske žigove s točnošću od tisućinki sekunde.
Nažalost, sat ne ostaje konstantan. Kada se vanjski uvjeti promijene - sobna temperatura i tlak zraka - zbog uvijek postojeće nepreciznosti u izradi dijelova i radu pojedinih dijelova, isti sat može vremenom promijeniti svoj tok. Promjena ili varijacija tijekom sata glavni je pokazatelj kvalitete njegovog rada. Što su razlike u brzini takta manje, to je sat bolji.
Dakle, dobar astronomski sat može biti prenagljen i previše spor, može trčati naprijed ili zaostajati čak i za desetinke sekunde dnevno, a opet se može koristiti za pouzdano zadržavanje vremena i dobivanje razumno točnih očitavanja, ako samo njegovo ponašanje je konstantna. tj. dnevna varijacija tečaja je mala.
U kratkom astronomskom satu klatna dnevna varijacija udara je 0,001-0,003 sek. Dugo je vremena takva visoka točnost ostala nenadmašna.Pedesetih godina našeg stoljeća inženjer F.M. Fedchenko poboljšao je ovjes njihala i poboljšao njegovu toplinsku kompenzaciju. To mu je omogućilo da dizajnira sat u kojem je dnevna varijacija poteza smanjena na 0,0002-0,0003 sekunde.
Posljednjih godina u gradnji astronomskih satova više se nisu bavili mehaničari, već električari i radio inženjeri. Napravili su sat u kojem su se umjesto oscilacija njihala koristile elastične vibracije kvarcnog kristala za računanje vremena.
Prikladno izrezan kvarcni kristal ima zanimljiva svojstva. Ako je takva ploča, koja se naziva piezokvarc, komprimirana ili savijena, tada se na njezinim suprotnim površinama pojavljuju električni naboji različitih znakova. Ako se na suprotne površine piezokvarcne ploče primijeni izmjenična električna struja, tada piezokvarc vibrira. Što je prigušivanje oscilacijskog uređaja manje, to je frekvencija titranja konstantnija. Piezokvarc u tom pogledu ima izuzetno dobra svojstva, jer je prigušivanje njegovih oscilacija vrlo malo. To se široko koristi u radiotehnici za održavanje konstantne frekvencije radio odašiljača. Ista osobina piezoelektričnog kvarca - velika postojanost frekvencije vibracija - omogućila je izgradnju vrlo preciznog astronomskog kvarcnog sata.
Kvarcni sat (slika 22) sastoji se od radiotehničkog generatora stabiliziranog piezoelektričnim kvarcom, kaskada s podjelom frekvencije, sinkronog elektromotora i brojčanika sa strelicama pokazivača.
Radiotehnički generator generira izmjeničnu struju visoke frekvencije, a piezoelektrični kvarc održava konstantnu frekvenciju svojih oscilacija s velikom preciznošću. U kaskadama s frekvencijskom podjelom frekvencija izmjenične struje smanjuje se s nekoliko stotina tisuća na nekoliko stotina oscilacija u sekundi. Sinkroni električni motor koji radi na izmjeničnoj struji niske frekvencije okreće strelice pokazivača, zatvara releje vremenskog signala itd.
Brzina vrtnje sinkronog elektromotora ovisi o frekvenciji izmjenične struje kojom se napaja. Dakle, kod kvarcnih satova, brzina vrtnje kazaljki na kazaljkama u konačnici se određuje frekvencijom vibracija piezoelektričnog kvarca. Velika postojanost frekvencije vibracija kvarcne ploče osigurava ujednačenost kursa i visoku točnost indikacija kvarcnog astronomskog sata.
Trenutno se proizvode kvarcni satovi različitih vrsta i namjena s dnevnom varijacijom brzine koja ne prelazi stotine ili čak tisućinke sekunde.
Prvi dizajni kvarcnih satova bili su prilično glomazni. Napokon, prirodna frekvencija vibracija kvarcne ploče relativno je velika i za brojanje sekundi i minuta potrebno ju je smanjiti pomoću niza kaskada s podjelom frekvencija. U međuvremenu, radio uređaji za lampe koji se koriste za ovo zauzimaju puno prostora. Posljednjih desetljeća poluvodički radiotehnički sustav brzo se razvijao i na njegovoj se osnovi razvijala minijaturna i mikrominijaturna radio oprema. To je omogućilo izradu malog prijenosnog kvarcnog sata za pomorsku i zračnu plovidbu, kao i za razne ekspedicijske poslove. Ovi prijenosni kvarcni kronometri ne prelaze veličinu i težinu uobičajenih mehaničkih kronometra.
Međutim, ako mehanički brodski kronometar druge klase ima dnevnu pogrešku ne veću od ± 0,4 sek, a prve klase - ne više od ± 0,2 sek, tada moderni kvarcni prijenosni kronometri imaju dnevnu varijaciju od ± 0,1; ± 0,01 i čak ± 0,001 sek.
Na primjer, Chronotom proizveden u Švicarskoj ima dimenzije 245X137X100 mm, a nestabilnost njegovog dnevnog hoda ne prelazi ± 0,02 sek. Stacionarni kvarcni kronometar "Izotom" ima dugotrajnu relativnu nestabilnost ne veću od 10 -8, odnosno dnevna varijacija ima pogrešku od oko ± 0,001 sek.
Međutim, kvarcni satovi nisu lišeni ozbiljnih nedostataka, čija je prisutnost ključna u astronomskim mjerenjima visoke točnosti. Glavni nedostaci kvarcnih astronomskih satova su ovisnost učestalosti kvarcnih vibracija o temperaturi okoline i "starenje kvarca", odnosno promjena njegove učestalosti vibracija tijekom vremena. Prvi nedostatak prevladao je pažljivim termostatiranjem dijela sata u kojem se nalazi kvarcna ploča. Starenje kvarca, što dovodi do polaganog zanošenja sata, još nije eliminirano.
"Molekularni sat"
Je li moguće stvoriti uređaj za mjerenje vremenskih intervala s većom točnošću od njihala i kvarcnih astronomskih satova?
U potrazi za odgovarajućim metodama za to, znanstvenici su se okrenuli sustavima u kojima se odvijaju molekularne vibracije. Taj izbor, naravno, nije bio slučajan i upravo je on predodredio daljnji uspjeh. "Molekularni satovi" omogućili su u početku tisućama, a posuđivanjem stotinama tisuća puta, povećati točnost mjerenja vremena. Međutim, pokazalo se da je put od molekule do indikatora vremena težak i vrlo težak.
Zašto nije bilo moguće poboljšati točnost njihala i kvarcnih astronomskih satova? Kako su molekule u pogledu mjerenja vremena bolje od njihala i kvarcnih ploča? Koji je princip rada i strukture molekularnog sata?
Prisjetimo se da se bilo koji sat sastoji od bloka u kojem se izvode periodične oscilacije, mehanizma za brojanje za brojanje njihovog broja i uređaja u kojem je pohranjena energija potrebna za njihovo održavanje. Međutim, točnost sata je uglavnom ovisi o stabilnosti rada tog elementakoja mjeri vrijeme.
Da bi se povećala točnost astronomskog sata njihala, njihovo je klatno izrađeno od posebne legure s minimalnim koeficijentom toplinskog širenja, smješteno u termostat, ovješeno na poseban način, smješteno u posudi iz koje se ispumpava zrak itd. Kao što znate, sve ove mjere smanjile su varijacije taktova astronomskog njihala do tisućinki sekunde dnevno. Međutim, postupno trošenje pokretnih i trljajućih dijelova, spore i nepovratne promjene u strukturnim materijalima, općenito, "starenje" takvih satova nije omogućilo daljnje poboljšanje njihove točnosti.
U astronomskim kvarcnim satovima vrijeme se mjeri kvarcno stabiliziranim oscilatorom, a točnost tih satova određuje se konstantnošću frekvencije titranja kvarcne ploče. S vremenom se na kvarcnoj ploči i s njom povezanim električnim kontaktima javljaju nepovratne promjene. Dakle, ovaj upravljač kvarcnog sata "stari". U tom se slučaju frekvencija vibracija kvarcne ploče nešto mijenja. To je razlog nestabilnosti takvih satova i ograničava daljnje povećanje njihove točnosti.
Molekularni satovi konstruirani su tako da se njihova očitanja u konačnici određuju frekvencijom elektromagnetskih valova koje molekule apsorbiraju i emitiraju. U međuvremenu, atomi i molekule apsorbiraju i emitiraju energiju samo povremeno, samo u određenim dijelovima, koji se nazivaju kvantima energije. Ti su procesi trenutno predstavljeni na sljedeći način: kada je atom u normalnom (neuzbuđenom) stanju, tada njegovi elektroni zauzimaju niže razine energije i nalaze se na najbližoj udaljenosti od jezgre. Ako atomi apsorbiraju energiju, na primjer svjetlosnu energiju, tada njihovi elektroni skaču u nove položaje i nalaze se nešto dalje od svojih jezgri.
Označimo energiju atoma koja odgovara najnižem položaju elektrona kroz E i energiju koja odgovara njegovom daljem položaju od jezgre - kroz E 2. Kada atomi, koji emitiraju elektromagnetske oscilacije (na primjer, svjetlost), iz pobuđenog stanja s energijom E 2 pređu u neuzbuđeno stanje s energijom E 1, tada je emitirani dio elektromagnetske energije jednak ε \u003d E 2 -E 1. Lako je uočiti da gornji omjer nije ništa drugo nego jedan od izraza zakona o očuvanju energije.
U međuvremenu, poznato je da je energija kvanta svjetlosti proporcionalna njegovoj frekvenciji: ε \u003d hv, gdje je ε energija elektromagnetskih oscilacija, v je njihova frekvencija, h \u003d 6,62 * 10 -27 erg * sec je Planckova konstanta . Iz ova dva omjera nije teško pronaći frekvenciju v svjetlosti koju emitira atom. Očito je da v \u003d (E2 - E1) / h sek -1
Svaki atom određenog tipa (na primjer, vodik, kisik, itd.) Ima svoje razine energije. Stoga svaki pobuđeni atom, pri prijelazu u niža stanja, emitira elektromagnetske oscilacije s sasvim određenim skupom frekvencija, tj. Odaje svojstvo sjaja karakteristično samo za njega. Situacija je potpuno ista s molekulama, s jedinom razlikom što imaju brojne dodatne razine energije povezane s različitim rasporedom njihovih sastavnih čestica i njihovim međusobnim kretanjem,
Dakle, atomi i molekule sposobni su apsorbirati i emitirati elektromagnetske oscilacije samo ograničene frekvencije. Stabilnost s kojom atomski sustavi to čine izuzetno je velika. Milijarde puta je veća od stabilnosti bilo kojih makroskopskih uređaja koji percipiraju ili emitiraju određene vrste vibracija, na primjer žice, ugaone vilice, mikrofone itd. To se objašnjava činjenicom da u bilo kojim makroskopskim uređajima, poput strojeva, mjerni instrumenti itd., sile koje osiguravaju njihovu stabilnost, u većini su slučajeva desetke ili stotine puta veće od vanjskih sila. Stoga se s vremenom i s promjenama vanjskih uvjeta svojstva takvih uređaja pomalo mijenjaju. Zbog toga glazbenici moraju tako često podešavati svoje violine i klavir. Suprotno tome, u mikrosustavima, na primjer, atomima i molekulama, između čestica koje ih čine djeluju tako velike sile da su uobičajeni vanjski utjecaji znatno manje veličine. Stoga uobičajene promjene vanjskih uvjeta - temperature, tlaka itd. - ne uzrokuju nikakve zamjetne promjene unutar ovih mikrosustava.
To objašnjava tako visoku točnost spektralne analize i mnoge druge metode i uređaje temeljene na uporabi atomskih i molekularnih vibracija. Zbog toga je tako privlačno koristiti ove kvantne sustave kao glavni element u astronomskim satovima. Napokon, takvi mikrosustavi ne mijenjaju svoja svojstva s vremenom, odnosno ne "stare".
Kad su inženjeri počeli dizajnirati molekularne satove, metode za uzbudljive atomske i molekularne vibracije već su bile dobro poznate. Jedan od njih je da se visokofrekventne elektromagnetske oscilacije dovode u posudu ispunjenu jednim ili drugim plinom. Ako frekvencija tih vibracija odgovara energiji pobude tih čestica, tada dolazi do rezonantne apsorpcije elektromagnetske energije. Nakon nekog vremena (manje od milijunti dio sekunde), pobuđene čestice (atomi i molekule) spontano prelaze iz pobuđenog u normalno stanje, a istodobno same emitiraju kvante elektromagnetske energije.
Čini se da bi sljedeći korak u dizajniranju takvog sata trebao biti brojanje broja tih oscilacija, jer se broj oscilacija njihala računa u satu njihala. Međutim, takav ravni, "frontalni" put bio je pretežak. Činjenica je da je učestalost elektromagnetskih oscilacija koje emitiraju molekule vrlo velika. Na primjer, u molekuli amonijaka za jedan od glavnih prijelaza to je 23.870.129.000 razdoblja u sekundi. Učestalost elektromagnetskih vibracija koje emitiraju različiti atomi istog je reda veličine ili čak veća. Nijedan mehanički uređaj nije prikladan za brojanje broja takvih visokofrekventnih vibracija. Štoviše, uobičajeni elektronički uređaji također su se pokazali neprikladnima za to.
Izlaz iz ove poteškoće pronađen je pomoću izvornog zaobilaznog rješenja. Plin amonijak stavljen je u dugačku metalnu cijev (valovod). Radi lakšeg rukovanja, ova je cijev namotana. Visokofrekventne elektromagnetske oscilacije dovedene su od generatora na jedan kraj ove cijevi, a na drugi je kraj ugrađen uređaj za mjerenje njihovog intenziteta. Generator je omogućio, u određenim granicama, promjenu frekvencije elektromagnetskih oscilacija koje se njime pobuđuju.
Za prijelaz molekula amonijaka iz neuzbuđenog u pobuđeno stanje potrebna je dobro definirana energija i sukladno tome dobro definirana frekvencija elektromagnetskih oscilacija (ε \u003d hv, gdje je ε kvantna energija, v je frekvencija elektromagnetske oscilacije, h je Planckova konstanta). Sve dok je frekvencija elektromagnetskih oscilacija koje generira generator veća ili manja od ove rezonantne frekvencije, molekule amonijaka ne apsorbiraju energiju. Kad se te frekvencije podudaraju, značajan broj molekula amonijaka apsorbira elektromagnetsku energiju i prelazi u pobuđeno stanje. Naravno, u ovom slučaju (na temelju zakona o očuvanju energije) na kraju valovoda gdje je ugrađen mjerni uređaj, intenzitet elektromagnetskih oscilacija je manji. Ako glatko promijenite frekvenciju generatora i zabilježite očitanja mjernog uređaja, tada se na rezonantnoj frekvenciji detektira pad intenziteta elektromagnetskih oscilacija.
Sljedeći korak u dizajniranju molekularnog sata je upravo korištenje ovog učinka. Za to je sastavljen poseban uređaj (slika 23). U njemu visokofrekventni generator opremljen napajanjem generira visokofrekventne elektromagnetske oscilacije. Da bi se povećala konstantnost frekvencije ovih oscilacija, generator se stabilizira sa. pomoću piezokvarca. U postojećim uređajima ove vrste učestalost oscilacija visokofrekventnog generatora odabire se jednaka nekoliko stotina tisuća razdoblja u sekundi u skladu s prirodnom učestalošću oscilacija kvarcnih ploča koje se u njima koriste.
Lik: 23. Shema "molekularnog sata"
Budući da je ta frekvencija previsoka da bi se izravno upravljalo bilo kojim mehaničkim uređajem, ona se uz pomoć jedinice za podjelu frekvencije smanjuje na nekoliko stotina oscilacija u sekundi i tek nakon toga dovodi se u signalne releje i sinkroni elektromotor koji se okreće strelice pokazivača smještene na brojčaniku sata. Dakle, ovaj dio molekularnog sata slijedi obrazac prethodno opisanog kvarcnog sata.
Da bi pobudili molekule amonijaka, neki od elektromagnetskih valova generiranih visokofrekventnim generatorom dovode se do multiplikatora frekvencije izmjenične struje (vidi sliku 23). Faktor množenja frekvencije u njemu odabran je tako da ga dovede do rezonancije. Iz izlaza frekvencijskog množitelja elektromagnetske oscilacije dovode se u valovod plinom amonijakom. Uređaj na izlazu valovoda - diskriminator - bilježi intenzitet elektromagnetskih oscilacija propuštenih kroz valovod i djeluje na visokofrekventni generator, mijenjajući frekvenciju oscilacija koje pobuđuje. Diskriminator je dizajniran tako da kada oscilacije frekvencije niže od rezonantne dođu na ulaz valovoda, on podešava generator povećavajući njegovu frekvenciju titranja. Ako oscilacije frekvencije veće od rezonantne frekvencije dođu na ulaz valovoda, to smanjuje frekvenciju generatora. U ovom je slučaju podešavanje rezonancije točnije, što je krivulja apsorpcije strmija. Stoga je poželjno da pad intenziteta elektromagnetskih oscilacija, zbog rezonantne apsorpcije njihove energije molekulama, bude što uskiji i dublji.
Svi ti međusobno povezani uređaji - generator, množitelj, valovod plina amonijaka i diskriminator - povratna su petlja u kojoj molekule amonijaka pobuđuje generator i istodobno ga kontrolira, što uzrokuje oscilacije željene frekvencije . Dakle, u konačnici, molekularni sat koristi molekule amonijaka kao standard za frekvenciju i vrijeme. U prvom molekularnom amonijačnom satu, koji je prema tom principu razvio G. Lions 1953. godine, nestabilnost staze bila je oko 10 -7, odnosno promjena frekvencije nije prelazila desetmilijuntni dio. Nakon toga nestabilnost je smanjena na 10 -8, što odgovara pogrešci u mjerenju vremenskih intervala za 1 sekundu tijekom nekoliko godina.
Općenito, ovo je, naravno, izvrsna točnost. Međutim, pokazalo se da se u konstruiranom uređaju ispostavilo da krivulja apsorpcije elektromagnetske energije nije daleko od oštre kako se očekivalo, već donekle "zamazana". Sukladno tome, ispostavilo se da je točnost cijelog uređaja bila znatno niža od očekivane. Temeljita proučavanja ovog molekularnog sata provedena u sljedećim godinama omogućila su doznati da njihova očitanja donekle ovise o dizajnu valovoda, kao i o temperaturi i tlaku plina u njemu. Utvrđeno je da su upravo ti učinci izvor nestabilnosti u radu takvih satova i ograničavaju njihovu točnost.
Nakon toga, ovi nedostaci molekularnog sata nisu u potpunosti eliminirani. Međutim, izumljeni su i drugi, napredniji tipovi kvantnih mjerača vremena.
Atomski cezijev sat
Daljnja poboljšanja u učestalosti i vremenskim standardima postignuta su na temelju jasnog razumijevanja razloga nedostataka molekularnog sata amonijaka. Prisjetimo se da su glavni nedostaci molekularnih satova amonijaka neko "razmazivanje" krivulje apsorpcije rezonancije i ovisnost satova o temperaturi i tlaku plina u valovodu.
Koji su razlozi za ove nedostatke? Možete li ih popraviti? Pokazalo se da se razmazivanje rezonancije događa kao rezultat toplinskog gibanja čestica plina koje ispunjavaju valovod. Napokon, neke se čestice plina kreću prema elektromagnetskom valu i stoga je za njih frekvencija titranja nešto veća od one koju daje generator. Druge se čestice plina, naprotiv, pomiču iz dolaznog elektromagnetskog vala, kao da bježe od njega; za njih je frekvencija elektromagnetskih oscilacija nešto niža od nominalne. Samo za relativno vrlo mali broj stacionarnih čestica plina, frekvencija elektromagnetskih oscilacija koje oni percipiraju jednaka je nazivnoj, t.j. koju daje generator.
Opisani fenomen je dobro poznati longitudinalni Dopplerov efekt. On je taj koji dovodi do činjenice da se rezonancijska krivulja izravnava i razmaže i otkrije ovisnost struje na izlazu valovoda o brzini kretanja čestica plina, tj. na temperaturi plina.
Tim znanstvenika iz Američkog ureda za standarde uspio je prevladati ove poteškoće. Međutim, pokazalo se da je ono što su općenito učinili novim i puno preciznijim standardom frekvencije i vremena, premda se koristilo nekim već poznatim stvarima.
Ovaj uređaj više ne koristi molekule, već atome. Ti atomi ne ispunjavaju samo posudu, već se kreću u zraci. I to tako da je smjer njihova kretanja okomit na smjer širenja elektromagnetskog vala. Lako je shvatiti da u ovom slučaju nema longitudinalni Dopplerov efekt. Uređaj koristi atome cezija koji se pobuđuju na frekvenciji elektromagnetskih oscilacija jednakoj 9 192 631 831 razdoblja u sekundi.
Odgovarajući uređaj postavljen je u cijev, na čijem se kraju nalazi električna peć 1, koja zagrijava metalni cezij do isparavanja, a na drugom kraju, detektor 6, koji broji broj atoma cezija koji su do njega došli ( Slika 24). Između njih su: prvi magnet 2, valovod 3, koji isporučuje visokofrekventne elektromagnetske oscilacije, kolimator 4 i drugi magnet 5. Kad je peć uključena, metalne pare pucaju u cijev kroz utor i uski snop atomi cezija lete duž svoje osi, izlažući se usput magnetskim poljima stvorenim trajnim magnetima i visokofrekventnom elektromagnetskom polju koje valovod dovodi od generatora do cijevi tako da je smjer širenja valova okomit na smjer let čestica.
Takav uređaj omogućuje rješavanje prvog dijela problema: pobuditi atome, odnosno prenijeti ih iz jednog stanja u drugo, a istodobno izbjeći longitudinalni dopler-efekt. Kad bi se istraživači ograničili na ovo poboljšanje, točnost uređaja, iako bi se povećala, ali ne puno. Zaista, u zraci atoma emitiranoj iz izvora sa žarnom niti uvijek postoje neuzbuđeni i pobuđeni atomi. Dakle, kada atomi emitirani iz izvora prolete elektromagnetskim poljem i pobude se, tada se već postojećim pobuđenim atomima dodaje određeni broj pobuđenih atoma. Stoga je promjena broja pobuđenih atoma relativno mala i stoga učinak djelovanja elektromagnetskih valova na snop čestica nije vrlo oštar. Jasno je da ako isprva uopće nije bilo pobuđenih atoma, a zatim su se pojavili, tada bi ukupni učinak bio puno kontrastniji.
Dakle, pojavljuje se dodatni zadatak: u presjeku od izvora do elektromagnetskog polja, pustite atome u normalnom stanju da prođu i uklonite pobuđene. Da bi se to riješilo, nije trebalo izmisliti ništa novo, jer su četrdesetih godina našeg stoljeća Rabbi i Ramsey razvili odgovarajuće metode za spektroskopske studije. Te se metode temelje na činjenici da svi atomi i molekule imaju određena električna i magnetska svojstva, a ta su svojstva različita za pobuđene i neuzbuđene čestice. Stoga se u električnim i magnetskim poljima pobuđeni i neuzbuđeni atomi i molekule skreću na različite načine.
U opisanom atomskom cezijevom satu na putu snopa čestica između izvora i visokofrekventnog elektromagnetskog polja instaliran je trajni magnet 2 (vidi sliku 24.) tako da su neuzbuđene čestice bile usmjerene na prorez kolimatora, a uzbuđeni su uklonjeni sa grede. Drugi magnet 5, koji stoji između visokofrekventnog elektromagnetskog polja i detektora, naprotiv, bio je instaliran tako da su neuzbuđene čestice uklonjene sa snopa, a samo uzbuđene čestice bile su usmjerene na detektor. Ovo dvostruko razdvajanje dovodi do činjenice da do detektora dolaze samo one čestice koje su bile neuzbuđene prije ulaska u elektromagnetsko polje, a zatim su u tom polju prešle u pobuđeno stanje. U ovom slučaju, ovisnost očitavanja detektora o frekvenciji elektromagnetskih oscilacija pokazuje se vrlo oštrom i, u skladu s tim, rezonancijska krivulja apsorpcije elektromagnetske energije ispada vrlo uska i strma.
Kao rezultat opisanih mjera, pogonska jedinica atomskog cezijevog sata bila je sposobna reagirati čak i na vrlo malenu podešenost visokofrekventnog generatora, a time je postignuta vrlo visoka točnost stabilizacije.
Ostatak uređaja općenito ponavlja koncept molekularnog sata: generator visoke frekvencije kontrolira električni sat i istovremeno pobuđuje čestice kroz sklopove za umnožavanje frekvencije. Diskriminator povezan na cezijevu cijev i visokofrekventni generator reagira na rad cijevi i podešava generator tako da se frekvencija oscilacija koje on generira poklapa s frekvencijom na kojoj se čestice pobuđuju.
Sav ovaj uređaj u cjelini naziva se atomski cezijev sat.
U prvim modelima cezijevih satova (na primjer, cezijev sat iz Nacionalnog laboratorija za fiziku u Engleskoj) nestabilnost je bila samo 1-9. U uređajima ovog tipa, razvijenim i izrađenim posljednjih godina, nestabilnost je smanjena na 10 -12 -10 -13.
Već je rečeno da čak i najbolji mehanički astronomski satovi, zbog trošenja svojih dijelova, vremenom donekle mijenjaju svoj kurs. Čak i kvarcni astronomski sat nije lišen ovog nedostatka, jer zbog starenja kvarca dolazi do laganog nanosa njihovih očitanja. U atomskom satu cezija nije pronađen pomak frekvencije.
Kad se međusobno uspoređuju različite kopije tih satova, učestalost njihovih oscilacija poklapala se unutar ± 3 * 10 -12, što odgovara pogrešci od samo 1 sekunde u 10 000 godina.
Međutim, ovaj uređaj nije bez nedostataka: izobličenja oblika elektromagnetskog polja i relativno kratko trajanje njegovog utjecaja na atome snopa ograničavaju daljnje povećanje točnosti mjerenja vremenskih intervala pomoću takvih sustava.
Astronomski sat s kvantnim generatorom
Sljedeći korak prema povećanju točnosti mjerenja vremenskih intervala napravljen je pomoću molekularni generatori- uređaji koji koriste emisija elektromagnetskih valova molekulama.
Ovo je otkriće bilo neočekivano i logično. Neočekivano - jer se činilo da su mogućnosti starih metoda iscrpljene, a drugih nije bilo. Prirodno - jer su brojni poznati učinci već činili gotovo sve dijelove nove metode i ostalo je samo pravilno kombinirati te dijelove. Međutim, nova kombinacija poznatih stvari bit je mnogih otkrića. Uvijek treba puno hrabrosti za razmišljanje da bi se to smislilo. Nerijetko, nakon što se to učini, sve se čini vrlo jednostavno.
Uređaji u kojima se molekularno zračenje koristi za dobivanje frekvencijskog standarda nazivaju se maserima; ova je riječ oblikovana od početnih slova izraza: mikrovalno pojačanje stimuliranom emisijom zračenja, tj. pojačanje radio valova u centimetrskom rasponu pomoću induciranog zračenja. Trenutno se uređaji ove vrste najčešće nazivaju kvantnim pojačalima ili kvantnim generatorima.
Što je pripremilo otkriće kvantnog generatora? Koji je njegov princip rada i strukture?
Istraživači su znali da kada se pobuđene molekule, poput amonijaka, spuste na nižu razinu energije i emitiraju elektromagnetsko zračenje, tada prirodna širina ovih emisijskih vodova izuzetno je mala, u svakom slučaju, višestruko manja od širine apsorpcijske linije koja se koristi u molekularnim satovima. U međuvremenu, kada se uspoređuje frekvencija dvaju oscilacija, oštrina rezonancijske krivulje ovisi o širini spektralnih linija, a dostižna točnost stabilizacije ovisi o oštrini rezonancijske krivulje.
Jasno je da su istraživače izuzetno zanimala mogućnost postizanja veće točnosti u mjerenju vremenskih intervala ne samo apsorpcijom, već i zračenjem elektromagnetskih valova molekulama. Čini se da za to već postoji sve. Doista, u valovodu molekularnog sata pobuđene molekule amonijaka spontano se osvjetljavaju, odnosno prelaze na niže razine energije i istodobno emitiraju elektromagnetsko zračenje s frekvencijom od 23.870.129.000 razdoblja u sekundi. Širina ove emisijske spektralne linije doista je vrlo mala. Uz to, budući da je valovod molekularnog sata ispunjen elektromagnetskim oscilacijama koje se napajaju iz generatora, a frekvencija tih oscilacija jednaka je frekvenciji kvanta energije koji emitiraju molekule amonijaka, tada induciraniemisija pobuđenih molekula amonijaka čija je vjerojatnost mnogo veća od spontane. Dakle, ovaj postupak povećava ukupan broj događaja zračenja.
Unatoč tome, pokazalo se da je sustav tipa molekularnog valovoda potpuno neprikladan za promatranje i korištenje molekularnog zračenja. Uistinu, u takvom valovodu ima mnogo više neuzbuđenih čestica amonijaka od pobuđenih, pa čak i uzimajući u obzir inducirano zračenje, akti apsorpcije elektromagnetske energije događaju se mnogo češće nego akti emisije. Uz to, nije jasno kako se u takvom valovodu mogu odvojiti energetski kvanti koje emitiraju molekule kada je isti volumen ispunjen elektromagnetskim zračenjem od generatora, a to zračenje ima istu frekvenciju i puno veći intenzitet.
Nije li istina da se ispostavlja da su svi procesi toliko izmiješani da se na prvi pogled čini nemogućim izdvojiti nužni? Međutim, nije. Napokon, poznato je da se po svojim električnim i magnetskim svojstvima pobuđene molekule razlikuju od neuzbuđenih, a to ih omogućuje razdvajanje.
1954.-1955. ovaj su problem sjajno riješili N. G. Basov i A. M. Prokhorov u SSSR-u i Gordon, Zeiger i Townes u SAD-u *. Ovi su autori iskoristili činjenicu da je električno stanje pobuđenih i neuzbuđenih molekula amonijaka ponešto različito i leteći kroz nehomogeno električno polje odstupaju na različite načine.
* (J. Singer, Masers, IL, M., 1961; Basov N.G., Letokhov V.S., Optički standardi frekvencije, UFN, vol. 96, br. 4, 1968.)
Prisjetimo se da se jednolično električno polje stvara između dvije električno nabijene paralelne ploče, na primjer, kondenzatorske ploče; između nabijene ploče i točke ili dvije nabijene točke - nehomogene. Ako su električna polja prikazana uz pomoć linija sile, tada su homogena polja predstavljena linijama iste gustoće, a nehomogena - linijama nejednake gustoće, na primjer, manje u ravnini, a veća u točki, gdje je linije se konvergiraju. Metode dobivanja nehomogenih električnih polja jednog ili drugog oblika već su odavno poznate.
Molekularni generator kombinacija je izvora molekula, električnog separatora i rezonatora, koji su svi sastavljeni u cijevi iz koje se ispumpava zrak. Za duboko hlađenje, ova se cijev stavlja u tekući dušik. Time se postiže visoka stabilnost cijelog uređaja. Izvor čestica u molekularnom generatoru je balon uske cijevi ispunjen plinom amonijakom. Kroz tu rupu uski snop čestica s određenom brzinom ulazi u cijev (slika 25, a).
Snop uvijek sadrži neuzbuđene i pobuđene molekule amonijaka. Međutim, obično je mnogo više neuzbuđenih nego uzbuđenih. U cijevi se na putu ovih čestica nalazi električno nabijeni kondenzator koji se sastoji od četiri šipke - takozvani četveropolni kondenzator. U njemu je električno polje nehomogeno i ima takav oblik (slika 25, b) da se, prolazeći kroz njega, neuzbuđene molekule amonijaka rasipaju u bočne strane, a uzbuđene skreću na os cijevi i tako se fokusiraju. Stoga se u takvom kondenzatoru događa odvajanje čestica i samo pobuđene molekule amonijaka dopiru do drugog kraja cijevi.
Na ovom drugom kraju cijevi nalazi se posuda određene veličine i oblika - takozvani rezonator. Jednom u njemu pobuđene molekule amonijaka nakon kratkog vremenskog razdoblja spontano prelaze iz pobuđenog u neuzbuđeno stanje i istodobno emitiraju elektromagnetske valove određene frekvencije. Kaže se da je ovaj proces osvijetljen. Dakle, moguće je ne samo dobiti molekularno zračenje, već ga i izolirati.
Razmotrimo daljnji razvoj ovih ideja. Elektromagnetsko zračenje rezonantne frekvencije, u interakciji s neuzbuđenim molekulama, prenosi ih u pobuđeno stanje. Isto zračenje, u interakciji s pobuđenim molekulama, prenosi ih u neuzbuđeno stanje, stimulirajući tako njihovu emisiju. Ovisno o tome koje su molekule više, neuzbuđene ili pobuđene, prevladava proces apsorpcije ili inducirane emisije elektromagnetske energije.
Stvorivši u određenom volumenu, na primjer, rezonator, značajnu prevlast pobuđenih molekula amonijaka i isporučujući mu elektromagnetske oscilacije rezonantne frekvencije, moguće je pojačati ultraveliku frekvenciju. Jasno je da se ovo pojačanje događa uslijed kontinuiranog pumpanja pobuđenih molekula amonijaka u rezonator.
Uloga rezonatora nije ograničena samo na činjenicu da je posuda u kojoj se događa emisija pobuđenih molekula. Budući da elektromagnetsko zračenje rezonantne frekvencije potiče zračenje pobuđenih molekula, što je veća gustoća tog zračenja, to se aktivnije odvija taj proces induciranog zračenja.
Odabirom dimenzija rezonatora u skladu s valnom duljinom ovih elektromagnetskih oscilacija, u njemu je tako moguće stvoriti uvjete za pojavu stojećih valova (slično odabiru dimenzija cijevi organa za pojavu stojećih valova u njih odgovarajućih elastičnih zvučnih vibracija). Izradom zidova rezonatora od prikladnog materijala moguće je osigurati da oni odražavaju elektromagnetske oscilacije s najmanjim mogućim gubitkom. Obje ove mjere omogućuju stvaranje velike gustoće elektromagnetske energije u rezonatoru i na taj način povećavaju učinkovitost cijelog uređaja u cjelini.
Uz sve ostale jednake uvjete, dobitak na ovom uređaju je veći, što je veća gustoća protoka pobuđenih molekula. Izvanredno je da pri dovoljno visokoj gustoći protoka pobuđenih molekula i prikladnim parametrima rezonatora intenzitet zračenja molekula postaje dovoljno visok da pokrije različite gubitke energije, a pojačalo se pretvara u molekularni generator mikrovalnih oscilacija - tzv. nazvan kvantni generator. U ovom slučaju više nije potrebno dovoditi visokofrekventnu elektromagnetsku energiju u rezonator. Proces inducirane emisije nekih pobuđenih čestica podupire emisija drugih. Štoviše, pod prikladnim uvjetima proces stvaranja elektromagnetske energije ne prekida se čak ni u slučaju kada se dio preusmjeri u stranu.
Kvantni generator s vrlo velikom stabilnošću Daje visokofrekventne elektromagnetske oscilacije strogo definirane frekvencije i može se koristiti za mjerenje vremenskih intervala. Nema potrebe da neprekidno radi. Dovoljno je povremeno u redovitim razmacima uspoređivati \u200b\u200bfrekvenciju električnog generatora astronomskog sata s ovim standardom molekularne frekvencije i po potrebi uvesti korekciju.
Astronomski sat ispravljen molekularnim generatorom amonijaka izgrađen je krajem pedesetih. Njihova kratkotrajna nestabilnost nije prelazila 10 -12 u 1 minuti, a dugoročna nestabilnost bila je oko 10 -10, što odgovara iskrivljenjima u brojanju vremenskih intervala za samo 1 sekundu tijekom nekoliko stotina godina.
Daljnje poboljšanje frekvencijskih i vremenskih standarda postignuto je na temelju istih ideja i korištenja nekih drugih čestica kao radne tekućine, na primjer talija i vodika. Istodobno, posebno se obećava kvantni generator koji djeluje na zraku atoma vodika, a koji su početkom šezdesetih godina razvili i izgradili Goldenberg, Klepner i Ramsey. Ovaj se generator također sastoji od izvora čestica, separatora i rezonatora ugrađenih u cijev (slika 26) uronjenu u prikladno rashladno sredstvo. Izvor emitira snop atoma vodika. Ova zraka sadrži neuzbuđene i pobuđene atome vodika, a ima ih puno više nego pobuđenih.
Budući da se pobuđeni atomi vodika razlikuju od pobuđenih u magnetskom stanju (magnetski moment), tada se za njihovo razdvajanje koristi ne električno, već magnetsko polje stvoreno parom magneta. Rezonator generatora vodika također ima značajne značajke. Izrađena je u obliku taljene kvarcne tikvice čiji su unutarnji zidovi prekriveni parafinom. Zbog višestrukih (oko 10 000) elastičnih refleksija atoma vodika iz parafinskog sloja, duljina leta čestica i, u skladu s tim, vrijeme njihovog boravka u rezonatoru, u usporedbi s molekularnim generatorom, povećava se tisuće puta. Dakle, moguće je dobiti vrlo uske spektralne emisijske linije atoma vodika i, u usporedbi s molekularnim generatorom, smanjiti nestabilnost cijelog uređaja za tisuću puta.
Moderni dizajni astronomskih satova s \u200b\u200bvodikovim kvantnim generatorom premašili su standard atomskih zraka cezija u svojim performansama. Nije pronađen sustavni zanos.... Njihova kratkotrajna nestabilnost iznosi samo 6 * 10 -14 u minuti, a dugoročna - 2 * 10 -14 dnevno, što je deset puta manje od one za cezijev standard. Obnovljivost sata s vodikovim kvantnim generatorom je ± 5 * 10 -13, dok je obnovljivost cezijevog standarda ± 3 * 10 -12. Prema tome, generator vodika je u tom pogledu približno deset puta bolji. Dakle, uz pomoć vodikovog astronomskog sata moguće je osigurati točnost mjerenja vremena reda veličine 1 sekunde u intervalu od oko stotinu tisuća godina.
U međuvremenu, brojna su istraživanja posljednjih godina pokazala da ova velika točnost mjerenja vremenskih intervala, postignuta na temelju generatora atomskih zraka, još nije ograničavajući i da se može povećati.
Točan prijenos vremena
Zadatak vremenske službe nije ograničen na dobivanje i pohranjivanje točnog vremena. Jednako važan dio toga je takva organizacija prijenosa točnog vremena, u kojoj se ta točnost ne bi izgubila.
U stara vremena prijenos vremenskih signala provodio se pomoću mehaničkih, zvučnih ili svjetlosnih uređaja. U Peterburgu je točno u podne pucao top; bilo je također moguće usporediti njihove satove sa toranjskim satom Instituta za mjeriteljstvo, koji je sada nazvan po D.I.Mendeleevu. U morskim lukama padajuća kugla korištena je kao vremenski signal. S brodova koji su pristali u luci bilo je moguće vidjeti kako je točno u podne lopta pala s vrha posebnog jarbola i pala na njezino stopalo.
Za normalan tijek suvremenog intenzivnog života vrlo je važan zadatak osigurati točno vrijeme za željeznice, poštu, telegraf i velike gradove. Ne zahtijeva tako visoku točnost kao u astronomskim i zemljopisnim radovima, ali potrebno je da, s točnošću minute, u svim dijelovima grada, u svim dijelovima naše prostrane zemlje svi satovi pokazuju vrijeme isto. Ovaj se zadatak obično postiže električnim satom.
U industriji satova željeznica i komunikacijskih institucija, u industriji satova modernog grada, električni satovi igraju važnu ulogu. Njihov je uređaj vrlo jednostavan, a unatoč tome, s točnošću od jedne minute, pokazuju isto vrijeme u svim točkama grada.
Električni satovi su primarni i sekundarni. Primarni električni satovi imaju visak, kotačiće, stepenište i mjerači su u stvarnom vremenu. Sekundarni električni satovi samo su indikatori: nemaju satni mehanizam, ali postoji samo relativno jednostavan uređaj koji pomiče kazaljke jednom u minuti (slika 27). Sa svakim otvaranjem struje, elektromagnet oslobađa armaturu i "pas" pričvršćen na armaturu, naslonjen na čegrtaljka, okreće ga za jedan zub. Signali električne struje dovode se na sekundarni sat bilo iz centralne postavke ili iz primarnog električnog sata. Posljednjih godina pojavio se govorni sat, dizajniran na principu zvučnih filmova, koji ne samo da prikazuje, već i govori vrijeme.
Za prijenos točno vrijemedanas su to uglavnom električni signali koji se šalju telefonom, telegrafom i radiom. Tijekom proteklih desetljeća tehnika njihovog prijenosa poboljšala se i točnost se povećala u skladu s tim. Godine 1904. Bigurdan je prenosio ritmičke vremenske signale s Pariške zvjezdarnice, koje je opservatorij Montsouris primio s točnošću od 0,02-0,03 sek. Godine 1905. Washingtonski morski opservatorij započeo je redoviti prijenos vremenskih signala, od 1908. počeli su prenositi ritmičke vremenske signale s Eiffelovog tornja, a od 1912. s zvjezdarnice Greenwich.
Trenutno se prijenos točnih vremenskih signala provodi u mnogim zemljama. U SSSR-u takva emitiranja provodi Državni astronomski institut. P.K.Sternberg, kao i niz drugih organizacija. U isto vrijeme, niz različitih programa koristi se za prijenos srednjeg očitanja solarnog vremena putem radija. Na primjer, signalni program emitiranog vremena emitira se na kraju svakog sata i sastoji se od šest kratkih impulsa. Početak posljednjeg od njih odgovara vremenu ovog ili onog sata i 00 min 00 sek. U pomorskoj i zračnoj plovidbi koristi se program od pet serija od 60 impulsa i tri serije od šest kratkih signala odvojenih duljim signalima. Pored toga, postoji niz posebnih programa za vremensku signalizaciju. Informacije o raznim posebnim vremenskim signalnim programima objavljuju se u posebnim izdanjima.
Pogreška u prijenosu vremenskih signala za emitirane programe iznosi oko ± 0,01 - 0,001 sek, a za neke posebne ± 10 -4, pa čak i ± 10 -5 sek. Stoga su trenutno razvijene metode i uređaji koji omogućuju primanje, pohranjivanje i prijenos vremena s vrlo visokim stupnjem točnosti.
Nedavno su primijenjene bitno nove ideje na polju pohrane i prijenosa preciznog vremena. Pretpostavimo da je potrebno da u određenom broju točaka na bilo kojem teritoriju točnost očitanja satova ne smije biti niža od ± 30 sek, pod uvjetom da svi ti satovi rade neprekidno tijekom cijele godine. Takvi se zahtjevi primjenjuju, na primjer, na gradske i željezničke satove. Zahtjevi nisu vrlo strogi, međutim, kako bi ih ispunili uz pomoć autonomnih satova, dnevna brzina svakog sata trebala bi biti bolja od ± 0,1 sek, a to zahtijeva precizne kvarcne kronometre.
U međuvremenu, ako se za rješavanje ovog problema koristi univerzalni sustav vremena, koji se sastoji od primarnih satova i velikog broja sekundarnih satova povezanih s njima, tada bi samo primarni satovi trebali imati visoku točnost. Slijedom toga, čak i uz povećane troškove za primarni sat i, sukladno tome, niske troškove za sekundarne satove, moguće je osigurati dobru točnost u cijelom sustavu uz relativno niske ukupne troškove.
Naravno, u ovom je slučaju potrebno osigurati da sam sekundarni sat ne unosi pogreške. Prethodno opisani sekundarni satovi s raketnim kotačićem i šapicom, u kojima se kazaljka pomiče jednom u minuti na signal, ponekad ne uspiju. Štoviše, s vremenom se pogreška u njihovim očitanjima nakuplja. U modernim sekundarnim satovima koriste se razne vrste provjere i korekcije očitanja. Još veću točnost pružaju sekundarni satovi koji koriste izmjeničnu struju industrijske frekvencije (50 Hz), čija je frekvencija strogo stabilizirana. Glavni dio ovog sata je sinkroni elektromotor koji se pokreće izmjeničnom strujom. Dakle, u ovom je satu izmjenična struja sama po sebi kontinuirani vremenski signal s razdobljem ponavljanja 0,02 sek.
Trenutno je stvorena Svjetska sinkronizacija atomskih satova (WOSAC; naziv sastavljen od prvih slova riječi: Svjetska sinkronizacija atomskih satova). Glavni primarni sat ovog sustava nalazi se u Rimu, New York, SAD, a sastoji se od tri atomske krone (atomski cezijevi satovi), čija su očitanja u prosjeku. Dakle, osigurava se točnost mjerenja vremena, jednaka (1-3) * 10 -11. Ovaj je primarni sat povezan sa svjetskom mrežom sekundarnih satova.
Test je pokazao da su prilikom odašiljanja preciznih vremenskih signala putem WOZAK-a iz države New York (SAD) na otok Oahu (Havaji), odnosno približno 30 000 km, očitanja vremena bila usklađena s točnošću od 3 mikrosekunde.
Danas postignuta visoka točnost pohrane i prijenosa vremenskih žigova omogućuje rješavanje složenih i novih problema svemirske plovidbe na velike udaljenosti, kao i, iako stara, ali ipak važna i zanimljiva pitanja o kretanju zemljine kore .
Gdje plove kontinenti?
Sada se možemo vratiti problemu kretanja kontinenata, opisanom u prethodnom poglavlju. To je tim zanimljivije jer u pola stoljeća koja su prošla od pojave Wegenerovih djela do našeg vremena znanstveni sporovi oko tih ideja još se nisu stišali. Na primjer, W. Munk i G. Macdonald napisali su 1960. godine: "Neki su Wegenerovi podaci neporecivi, ali većina njegovih argumenata u potpunosti se temelji na proizvoljnim pretpostavkama." I dalje: "Veliki su se pomaci kontinenata dogodili prije izuma telegrafa, prosječni pomaci prije izuma radija, a nakon toga praktički nisu primijećeni pomaci."
Ove zajedljive napomene nisu bez temelja, barem u prvom dijelu. Zapravo, longitudinalna mjerenja koja su svojevremeno izveli Wegeper i njegovi suradnici u njihovim ekspedicijama na Grenland (u kojoj je Wegener tragično umro) izvedena su s točnošću nedovoljnom za rigorozno rješavanje zadatka. To su primijetili njegovi suvremenici.
Jedan od najuvjerenijih pristaša teorije kontinentalnog gibanja u njezinoj modernoj verziji je P.N.Kropotkin. 1962. godine napisao je: "Paleomagnetski i geološki podaci ukazuju da je tijekom mezozoika i kenozoika lajtmotiv kretanja zemljine kore bila usitnjavanje dva drevna kontinenta - Laurasia i Gondwana i širenje njihovih dijelova prema Tihom oceanu i prema geosinklinalnom pojasu Tethys ". Prisjetimo se da je Laurasia pokrivala Sjevernu Ameriku, Grenland, Europu i cijelu sjevernu polovicu Azije, Gondwanu - južne kontinente i Indiju. Okean Tethys protezao se od Sredozemlja preko Alpa, Kavkaza i Himalaje do Indonezije.
Isti je autor nadalje napisao: „Jedinstvo Gondvane sada se prati od pretkambrija do sredine Krede, a njegova fragmentacija sada izgleda poput dugog procesa koji je započeo u paleozoiku, a dosegao je posebno velike razmjere od sredine Krede . Od tog vremena prošlo je 80 milijuna godina. Posljedično tome, udaljenost između Afrike i Južne Amerike povećavala se brzinom od 6 cm godišnje. Ista stopa dobiva se iz paleomagnetskih podataka o kretanju Hindustana s južne polutke na sjevernu " . Nakon rekonstrukcije položaja kontinenata u prošlosti pomoću paleomagnetskih podataka, PN Kropotkin došao je do zaključka da su "u to vrijeme kontinenti doista bili srušeni u takav blok koji je nalikovao obrisu vegenerijanske primarne kontinentalne platforme".
Dakle, zbroj podataka dobivenih različitim metodama pokazuje da su suvremeni položaj kontinenata i njihovi obrisi nastali u dalekoj prošlosti kao rezultat niza rasjeda i značajnog kretanja kontinentalnih blokova.
Pitanje suvremenog kretanja kontinenata rješava se na temelju rezultata longitudinalnih studija provedenih s dovoljnom točnošću. Što u ovom slučaju znači dovoljnu točnost, može se vidjeti iz činjenice da, na primjer, na zemljopisnoj širini Washingtona, promjena dužine za jednu desettisućitku sekunde odgovara pomaku od 0,3 cm. Budući da je procijenjena brzina kretanja je oko 1 m godišnje, a usluge suvremenog vremena već postoje. Budući da je dostupna definicija vremenskih točaka, pohrana i prijenos točnog vremena s točnošću do tisućinki i desettisućitih sekundi, tada je za dobivanje uvjerljivih rezultata dovoljno provesti odgovarajuća mjerenja s razmakom od nekoliko godina ili nekoliko desetaka godina.
U tu svrhu 1926. godine stvorena je mreža od 32 točke promatranja i provedena su astronomska longitudinalna istraživanja. 1933. provedene su ponovljene astronomske longitudinalne studije, a u rad je već uključena 71 zvjezdarnica. Ova mjerenja, provedena na dobroj modernoj razini, iako ne u vrlo dugom vremenskom intervalu (7 godina), posebno su pokazala da se Amerika ne odmiče od Europe za 1 m godišnje, kako je mislio Wegener, već se približava to otprilike brzinom 60 cm godišnje.
Tako je uz pomoć vrlo točnih uzdužnih mjerenja potvrđena prisutnost modernog kretanja velikih kontinentalnih blokova. Štoviše, bilo je moguće otkriti da se pojedini dijelovi ovih kontinentalnih blokova imaju malo različita kretanja.
Precizna vremenska usluga
Zadatak službe za točno vrijeme je utvrditi točno vrijeme, moći ga spremiti i prenijeti potrošaču. Ako zamislimo da je kazaljka sata optička os teleskopa, okomito usmjerena u nebo, tada su brojčanik zvijezde, jedna za drugom padajući u vidno polje ovog teleskopa. Registracija trenutaka prolaska zvijezda kroz nišan teleskopa opći je princip klasičnog određivanja astronomskog vremena. Sudeći prema megalitskim spomenicima koji su došli do nas, od kojih je najpoznatiji Stonehenge u Engleskoj, ova metoda mrežastih serifa uspješno je korištena još u brončano doba. Sam naziv astronomske vremenske službe zastario je. Od 1988. godine ova se služba naziva Međunarodna služba rotacije Zemlje http://hpiers.obspm.fr/eop-pc/.
Klasični astronomski način određivanja točnog vremena (Univerzalno vrijeme, UT) povezan je s mjerenjem kuta rotacije bilo kojeg odabranog meridijana Zemlje u odnosu na "kuglu fiksnih zvijezda". Na kraju se pokazalo da je odabrani Greenwichov meridijan. Međutim, u Rusiji je, na primjer, dugo vremena meridijan Pulkovo uzimao nulu. U stvari, svaki meridijan na kojem je instaliran teleskop specijaliziran za registriranje trenutaka zvjezdanih prolaza (tranzitni instrument, zenitna cijev, astrolab) pogodan je za rješavanje prvog zadatka precizne vremenske službe. Ali nije svaka geografska širina optimalna za to, što je očito, na primjer, s obzirom na konvergenciju svih meridijana na geografskim polovima.
Iz metode određivanja astronomskog vremena očita je njegova povezanost s određivanjem zemljopisnih dužina na Zemlji i općenito s koordinatnim mjerenjima. U osnovi je ovo jedan zadatak koordinatno-vremenske podrške (CTS). Razumljiva je složenost ovog zadatka čije je rješenje trajalo mnogo stoljeća i dalje je najhitniji zadatak geodezije, astronomije i geodinamike.
Pri određivanju UT astronomskim metodama potrebno je uzeti u obzir:
- da "sfera fiksnih zvijezda" ne postoji, odnosno koordinate zvijezda ("brojčanik" sideričkih sati koji određuju točnost ovih satova) moraju se neprestano pročišćavati iz promatranja,
- da os rotacije Zemlje pod utjecajem gravitacijskih sila Sunca, Mjeseca i drugih planeta vrši složena periodična (precesijska i nutacijska) kretanja, opisana redovima stotina harmonika,
- da se promatranja odvijaju s površine Zemlje koja se kreće u složenom svemiru, pa je stoga potrebno uzeti u obzir paralaksu i efekte aberacije
- da teleskopi na kojima se promatraju UT imaju vlastite varijabilne pogreške, ovisno, posebno, o klimatskim uvjetima i utvrđenim iz istih opažanja,
- da se promatranja odvijaju "na dnu" atmosferskog oceana, što iskrivljuje prave koordinate zvijezda (lom), često na što je teško odgovorno,
- da se sama os rotacije "klatne" u tijelu Zemlje i ovaj fenomen, kao i niz plimnih učinaka i učinaka uzrokovanih atmosferskim utjecajima na rotaciju Zemlje, određuju se iz samih promatranja,
- da je rotacija Zemlje oko svoje osi, koja je do 1956. služila kao standard vremena, nejednaka, što se također utvrđuje iz samih promatranja.
Standard je potreban za točno određivanje vremena. Pokazalo se da odabrani standard - razdoblje rotacije Zemlje nije posve pouzdan. Sunčev dan jedna je od glavnih vremenskih jedinica, odabran je davno. No, brzina rotacije Zemlje mijenja se tijekom cijele godine, stoga se primjenjuje prosječni solarni dan, koji se razlikuje od istinskog do 11 minuta. Zbog neravnomjernosti kretanja Zemlje duž ekliptike, usvojeni Sunčev dan je 24 sata više godišnje sa 1 zvjezdanim danom, što je 23 sata 56 minuta 4, 091 sekundu, dok su prosječna solarna 24 sata 3 minute 56, 5554 sekunde.
Tridesetih godina utvrđeno je neravnomjerno okretanje Zemlje oko svoje osi. Neujednačenost je posebno povezana sa: sekularnim usporavanjem rotacije Zemlje uslijed plimnog trenja Mjeseca i Sunca; nestacionarni procesi unutar Zemlje. Prosječni zvjezdani dan zbog povorke Zemljine osi kraći je za 0,0084 s od stvarnog razdoblja rotacije Zemlje. Plimno djelovanje Mjeseca usporava rotaciju Zemlje za 0,0023s u 100 godina. Stoga je jasno da je definicija sekunde kao jedinice vremena, koja čini 1/86400 dana, zahtijevala pojašnjenje.
Godina 1900. uzeta je kao mjerna jedinica za tropsku godinu (trajanje između dva uzastopna prolaska Sunčevog središta kroz proljetnu ravnodnevnicu) jednako 365,242196 dana, odnosno 365 dana 5 sati 48 minuta 48,08 sekundi. Kroz nju se utvrđuje trajanje sekunde \u003d 1 / 31556925.9747 tropske godine 1900.
U listopadu 1967. u Parizu, 13. generalna konferencija Međunarodnog odbora za vage i mjere određuje trajanje atomske sekunde - vremenski interval tijekom kojeg se izvodi 9 192 631 770 oscilacija, što odgovara učestalosti zacjeljivanja (apsorpcije) Atom cezija - 133 tijekom rezonantnog prijelaza između dviju hiperfinih energetskih razina atoma osnovnog stanja u odsutnosti smetnji iz vanjskih magnetskih polja i bilježi se kao radio emisija s valnom duljinom od oko 3,26 cm.
Točnost atomskog sata pogreška je 1s u 10.000 godina. Pogreška je 10-14s.
Od 1. siječnja 1972. SSSR i mnoge zemlje svijeta prešle su na atomski vremenski standard.
Precizni vremenski signali emitirani putem radija prenose se atomskim satovima radi preciznog određivanja lokalnog vremena (tj. Geografske dužine - mjesta kontrolnih točaka, pronalaska trenutaka vrhunca zvijezda), kao i za zrakoplovstvo i pomorsku plovidbu.
Prve signale točnog vremena na radiju postaja je počela emitirati u Bostonu (SAD) 1904., od 1907. u Njemačkoj, od 1910. u Parizu (radio-stanica Eiffelovog tornja). Kod nas je od 1. prosinca 1920. zvjezdarnica Pulkovo počela prenositi ritmički signal kroz petrogradsku radio stanicu "New Holland", a od 25. svibnja 1921. preko moskovske radijske stanice na Khodynki. Organizatori radiotehničke vremenske službe u zemlji bili su Nikolaj Ivanovič DNEPROVSKY (1887.-1944.), Aleksandar Pavlovič Konstantinov (1895.-1937.) I Pavel Andreevič Azbukin (1882.-1970.).
Rezolucijom Vijeća narodnih povjerenika 1924. godine na zvjezdarnici Pulkovo organiziran je Međuresorni odbor Vremenske službe koji je od 1928. godine počeo izdavati biltene sažetog trenutka. 1931. organizirane su dvije nove vremenske službe u GAISH-u i TsNIIGAiK-u, a vremenska služba Taškentske zvjezdarnice započela je s redovnim radom.
U ožujku 1932. godine na zvjezdarnici Pulkovo održana je prva astrometrijska konferencija na kojoj je donesena odluka: stvoriti vremensku službu u SSSR-u. U prijeratnom razdoblju radilo je 7 vremenskih službi, a u Pulkovu, GAISH-u i Taškentu ritmički su se vremenski signali prenosili radiom.
Najtočniji satovi koje je služba koristila (držani u podrumu pod konstantnim tlakom, temperaturom itd.) Bili su Shortov sat s dva njihala (točnost ± 0,001s / dan), F.M. Fedčenko (± 0,0003 s / dan), zatim su počeli koristiti kvarc (uz njihovu pomoć otkrivena je neravnina rotacije Zemlje) prije uvođenja atomskih satova, koje sada koristi vremenska služba. Lewis Essen (Engleska) eksperimentalni fizičar, tvorac kvarcnih i atomskih satova, 1955. stvorio je prvi atomski frekvencijski (vremenski) standard na snopu atoma cezija, što je rezultiralo tim, tri godine kasnije, vremenskom službom temeljenom na atomskom nastao je standard frekvencije.
Prema atomskom standardu SAD-a, Kanade i Njemačke, TAI se uspostavlja od 1. siječnja 1972. - prosječna vrijednost atomskog vremena na temelju koje je stvorena UTC ljestvica (univerzalno koordinatno vrijeme) koja se razlikuje od prosječne sunčevo vrijeme za najviše 1 sekundu (točnost ± 0,90 sek). UTC se prilagođava godišnje za 1 sekundu 31. prosinca ili 30. lipnja.
U posljednjoj četvrtini dvadesetog stoljeća ekstragalaktički astronomski objekti - kvazari - već su korišteni za određivanje Univerzalnog vremena. Istodobno, njihov širokopojasni radio signal bilježi se na dva radio teleskopa (vrlo dugi osnovni radio interferometri - VLBI) udaljeni tisućama kilometara u sinkroniziranoj skali atomskih vremena i frekvencijskih standarda. Uz to, koriste se sustavi na temelju promatranja satelita (GPS - Global Positioning System, GLONASS - Global Navigation Satellite System i LLS - Laser Positioning of Satellite) i kutni reflektori instalirani na Mjesecu (Laser Positioning of the Moon - LLL).
Astronomski pojmovi
Astronomsko vrijeme. Do 1925. godine, u astronomskoj praksi, trenutak gornjeg vrhunca (podne) prosječnog sunca uzimao se kao početak prosječnog sunčevog dana. Takvo se vrijeme nazivalo prosječnim astronomskim ili jednostavno astronomskim. Mjerna jedinica bila je srednja solarna sekunda. Od 1. siječnja 1925. promijenjeno u Univerzalno vrijeme (UT)
Atomsko vrijeme (AT - Atomic Time) uvedeno je 1. siječnja 1964. godine. Atomska sekunda uzima se kao vremenska jedinica, jednaka vremenskom intervalu tijekom kojeg se izvodi 9 192 631 770 oscilacija, što odgovara frekvenciji zračenja između dvije razine hiperfine strukture osnovnog stanja atoma cezija-133 u odsutnost vanjskih magnetskih polja. AT nosači su više od 200 atomskih vremenskih i frekvencijskih standarda smještenih u više od 30 zemalja svijeta. Ti se standardi (satovi) neprestano uspoređuju međusobno putem satelitskog sustava GPS / GLONASS, uz pomoć kojeg se prikazuje međunarodna atomska vremenska skala (TAI). Na temelju usporedbe vjeruje se da TAI ljestvica ne odstupa od zamišljenog apsolutno točnog sata za više od 0,1 mikrosekunde godišnje. AT nije povezan sa astronomskom metodom određivanja vremena na temelju mjerenja brzine rotacije Zemlje, pa se s vremenom skale AT i UT mogu značajno razlikovati. Da bi se to eliminiralo, koordinirano univerzalno vrijeme (UTC) uvedeno je 1. siječnja 1972.
Univerzalno vrijeme (UT) koristi se od 1. siječnja 1925. umjesto astronomskog vremena. Broji se od donjeg vrhunca srednjeg sunca na Greenwichskom meridijanu. Od 1. siječnja 1956. definirane su tri univerzalne vremenske skale:
UT0 - univerzalno vrijeme, određeno na temelju izravnih astronomskih promatranja, tj. vrijeme trenutnog Greenwichskog meridijana, čiji položaj ravnine karakterizira trenutni položaj Zemljinih polova;
UT1 je Greenwichsko srednje vrijeme meridijana određeno srednjim položajem Zemljinih polova. Razlikuje se od UT0 u korekcijama za pomicanje zemljopisnog pola uslijed pomicanja tijela Zemlje u odnosu na njegovu os rotacije;
UT2 je "izglađeno" vrijeme UT1 ispravljeno zbog sezonskih varijacija kutne brzine rotacije Zemlje.
Univerzalno koordinirano vrijeme (UTC). UTC se temelji na ljestvici AT, koja se prema potrebi, ali samo 1. siječnja ili 1. srpnja, može prilagoditi unošenjem dodatne negativne ili pozitivne sekunde tako da razlika između UTC i UT1 ne prelazi 0,8 sek. Vremensku ljestvicu UTC (SU) Ruske Federacije reproducira Državni standard vremena i frekvencije i u skladu je s ljestvicom Međunarodnog vremenskog ureda UTC. Trenutno (početak 2005.) TAI - UTC \u003d 32 sekunde. Postoje mnoge web stranice na kojima možete dobiti točno vrijeme, na primjer, na poslužitelju Međunarodnog ureda za vage i mjere (BIPM) http://www.bipm.fr/en/sciaching/tai/time_server.html.
Zvjezdani dan - vremenski interval između dvije uzastopne kulminacije istog imena točke proljetnog ekvinocija na istom meridijanu. Trenutak njegovog gornjeg vrhunca uzima se kao početak sideričkog dana. Postoji pravo i srednje sideričko vrijeme, ovisno o odabranoj točki proljetnog ekvinocija. Srednji zvijezdani dan jednak je 23 sata 56 minuta 04,0905 sekundi srednjeg solarnog dana.
Pravo sunčevo vrijeme je nejednako vrijeme određeno gibanjem istinskog sunca i izraženo u djelićima istinskog sunčevog dana. Neujednačenost istinskog sunčevog vremena (jednadžba vremena) posljedica je 1) nagiba ekliptike prema ekvatoru i 2) neravnomjernog kretanja sunca duž ekliptike zbog ekscentričnosti Zemljine orbite.
Pravi solarni dan vremenski je interval između dvije uzastopne kulminacije istog imena istinskog sunca na istom meridijanu. Trenutak donjeg vrhunca (ponoć) pravog sunca uzima se kao početak istinskog sunčevog dana.
Prosječno sunčevo vrijeme jednoliko je vrijeme određeno kretanjem prosječnog sunca. Korišten je kao standard jednolikog vremena s ljestvicom od jedne prosječne solarne sekunde (1/86400 udjela prosječnog solarnog dana) do 1956.
Prosječni solarni dan - vremenski interval između dva uzastopna vrhunca istog imena prosječnog sunca na istom meridijanu. Kao početak srednjeg solarnog dana uzima se trenutak donjeg vrhunca (ponoć) prosječnog sunca.
Srednje (ekvatorijalno) sunce fiktivna je točka na nebeskoj sferi koja se jednoliko kreće duž ekvatora sa prosječnom godišnjom brzinom istinskog Sunca duž ekliptike.
Prosječno ekliptično sunce fiktivna je točka na nebeskoj sferi, krećući se jednoliko duž ekliptike prosječnom godišnjom brzinom istinskog sunca. Kretanje prosječnog ekliptičnog sunca duž ekvatora je neravnomjerno.
Proljetna ravnodnevnica je ona od dvije točke presijecanja ekvatora i ekliptike na nebeskoj sferi, koje središte sunca prolazi u proljeće. Postoje istinske (pomicanje zbog precesije i nutacije) i prosječno (kretanje samo zbog precesije) točke proljetne ravnodnevnice.
Tropska godina vremenski je interval između dva uzastopna prolaska prosječnog sunca kroz središnju točku proljetne ravnodnevnice, jednak 365,24219879 srednjeg solarnog dana ili 366,24219879 sideralnih dana.
Jednadžba vremena je razlika između istinskog solarnog vremena i srednjeg solarnog vremena. Dostiže +16 minuta početkom studenog i -14 minuta sredinom veljače. Objavljeno u Astronomskim godišnjacima.
Ephemerisovo vrijeme (ET - Ephemerisovo vrijeme) neovisna je varijabla (argument) u nebeskoj mehanici (Newtonova teorija gibanja nebeskih tijela). Predstavljen od 1. siječnja 1960. u astronomskim godišnjacima kao ujednačeniji od Univerzalnog vremena, opterećen dugotrajnim nepravilnostima u rotaciji Zemlje. Određeno promatranjem tijela u Sunčevom sustavu (uglavnom Mjeseca). Druga efemerida uzima se kao mjerna jedinica kao 1 / 31556925.9747 tropske godine za vrijeme 1900. siječnja 0, 12 sati ET ili, inače, kao 1/86400 duljine prosječnog sunčevog dana za isti trenutak.
Određivanje točnog vremena, njegovo pohranjivanje i radio prijenos cijeloj populaciji zadatak je precizne vremenske službe koja postoji u mnogim zemljama.
Signale preciznog vremena putem radija primaju navigatori morske i zračne flote, mnoge znanstvene i industrijske organizacije koje trebaju znati točno vrijeme. Znanje točnog vremena potrebno je, posebno za određivanje zemljopisnog područja
njihove dužine u različitim točkama na zemljinoj površini.
Brojanje vremena. Određivanje zemljopisne dužine. Kalendar
Iz tečaja fizičke geografije SSSR-a poznajete pojmove brojanja lokalnog, zonskog i rodiljskog vremena, a također da je razlika u zemljopisnim dužinama dviju točaka određena razlikom u lokalnom vremenu tih točaka. Taj se problem rješava astronomskim metodama pomoću promatranja zvijezda. Na temelju određivanja točnih koordinata pojedinih točaka zemljopisna površina se preslikava.
Od davnina su ljudi koristili trajanje ili lunarnog mjeseca ili solarne godine da bi brojali velika vremenska razdoblja, tj. trajanje solarne revolucije duž ekliptike. Godina određuje učestalost sezonskih promjena. Solarna godina traje 365 solarnih dana 5 sati 48 minuta 46 sekundi. Praktički je neusporediv s danima i s duljinom lunarnog mjeseca - razdoblja promjene lunarne faze (oko 29,5 dana). To je poteškoća u stvaranju jednostavnog i prikladnog kalendara. Tijekom duge povijesti čovječanstva stvoreno je i korišteno mnogo različitih kalendarskih sustava. Ali svi se oni mogu podijeliti u tri vrste: solarni, lunarni i lunizolarni. Južni pastirski narodi obično su koristili lunarne mjesece. Godina od 12 lunarnih mjeseci sadržavala je 355 solarnih dana. Da bi se uskladilo brojanje vremena prema Mjesecu i Suncu, bilo je potrebno postaviti 12 ili 13 mjeseci u godini i ubaciti dodatne dane u godinu. Jednostavniji i prikladniji bio je solarni kalendar koji se koristio u drevnom Egiptu. Trenutno je u većini zemalja svijeta također usvojen solarni kalendar, ali savršenijeg uređaja, nazvanog gregorijanski, o kojem će se dalje raspravljati. AAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA
Pri sastavljanju kalendara potrebno je uzeti u obzir da trajanje kalendarske godine treba biti što bliže trajanju Sunčeve revolucije duž ekliptike i da kalendarska godina treba sadržavati cijeli broj sunčevih dana, budući da nezgodno je započeti godinu u različito doba dana.
Te je uvjete ispunio kalendar koji je razvio aleksandrijski astronom Sozigenes i uveo 46. pr. u Rimu Julije Cezar. Kasnije je, kao što znate, iz tečaja fizičke geografije dobio ime julijanski ili stari stil. U ovom se kalendaru godine broje tri puta zaredom po 365 dana i nazivaju se jednostavnim, a godina koja slijedi je 366 dana. Zove se prestupna godina. Prestupne godine u julijanskom kalendaru su one godine čiji se brojevi ravnomjerno dijele sa 4.
Prosječna duljina godine prema ovom kalendaru je 365 dana 6 sati, tj. to je oko 11 minuta duže od prave. Zbog toga je stari stil zaostajao za stvarnim protokom vremena otprilike 3 dana svakih 400 godina.
U gregorijanskom kalendaru (novi stil), uvedenom u SSSR-u 1918. godine, pa čak i ranije usvojenom u većini zemalja, godine koje su završavale u dvije nule, s izuzetkom 1600, 2000, 2400 itd. (tj. oni u kojima je broj stotina djeljiv sa 4 bez ostatka) ne smatraju se skokom. Tako se ispravlja pogreška od 3 dana koja se akumulirala tijekom 400 godina. Tako se pokazalo da je prosječna duljina godine u novom stilu vrlo blizu razdoblju Zemljine revolucije oko Sunca.
Do XX. Stoljeća. razlika između novog stila i starog (julijanskog) stigla je 13 dana. Budući da je novi stil u nas uveden tek 1918. godine, Oktobarska revolucija, počinjena 1917. 25. listopada (po starom stilu), slavi se 7. studenog (po novom stilu).
Razlika između starog i novog stila od 13 dana ostat će u XXI. Stoljeću, au XXII. Stoljeću. povećat će se na 14 dana.
Novi stil, naravno, nije potpuno točan, ali pogreška od 1 dana akumulirat će se na njemu tek nakon 3300 godina.
Točno vrijeme
Za mjerenje kratkih vremenskih razdoblja u astronomiji osnovna jedinica je prosječno trajanje sunčevog dana, tj. prosječni vremenski interval između dva gornja (ili donja) vrhunca središta Sunca. Treba se koristiti prosječna vrijednost jer duljina sunčanog dana neznatno varira tijekom cijele godine. To je zbog činjenice da se Zemlja okreće oko Sunca ne u krugu, već u elipsi i brzina njezina kretanja se malo mijenja. To uzrokuje male nepravilnosti u prividnom kretanju Sunca duž ekliptike tijekom cijele godine.
Trenutak gornjeg vrhunca središta Sunca, kao što smo već rekli, naziva se istinskim podnevom. Ali za provjeru sata, za utvrđivanje točnog vremena, nije potrebno na njemu označavati trenutak vrhunca Sunca. Prikladnije je i preciznije obilježiti trenutke vrhunca zvijezda, budući da je razlika između trenutaka vrhunca bilo koje zvijezde i Sunca točno poznata u bilo koje vrijeme. Stoga se za određivanje točnog vremena uz pomoć posebnih optičkih uređaja bilježe trenutci vrhunca zvijezda i provjerava se ispravnost vremena "zadržavanja" sata. Ovako određeno vrijeme bilo bi apsolutno točno kad bi se promatrano okretanje nebeskog svoda odvijalo strogo konstantnom kutnom brzinom. Međutim, pokazalo se da brzina rotacije Zemlje oko svoje osi, a time i prividna rotacija nebeske sfere, s vremenom prolazi kroz vrlo male promjene. Stoga se za "pohranjivanje" točnog vremena sada koriste posebni atomski satovi čiji tijek kontroliraju oscilacijski procesi u atomima koji se događaju s konstantnom frekvencijom. Satovi pojedinih zvjezdarnica provjeravaju se prema atomskim vremenskim signalima. Usporedba vremena određenog atomskim satom i prividnog gibanja zvijezda omogućuje proučavanje nepravilnosti rotacije Zemlje.
Određivanje točnog vremena, njegovo pohranjivanje i radio prijenos cijeloj populaciji zadatak je precizne vremenske službe koja postoji u mnogim zemljama.
Signale preciznog vremena putem radija primaju navigatori morske i zračne flote, mnoge znanstvene i industrijske organizacije koje trebaju znati točno vrijeme. Znanje točnog vremena potrebno je, posebno, da bi se utvrdile zemljopisne dužine različitih točaka na zemaljskoj površini.
Brojanje vremena. Određivanje zemljopisne dužine. Kalendar
Iz tečaja fizičke geografije SSSR-a poznajete pojmove brojanja lokalnog, zonskog i rodiljskog vremena, a također da je razlika u zemljopisnim dužinama dviju točaka određena razlikom u lokalnom vremenu tih točaka. Taj se problem rješava astronomskim metodama pomoću promatranja zvijezda. Na temelju određivanja točnih koordinata pojedinih točaka zemljopisna površina se preslikava.
Od davnina su ljudi koristili trajanje ili lunarnog mjeseca ili solarne godine da bi brojali velika vremenska razdoblja, tj. trajanje solarne revolucije duž ekliptike. Godina određuje učestalost sezonskih promjena. Solarna godina traje 365 solarnih dana 5 sati 48 minuta 46 sekundi. Praktično je nesrazmjeran s danima i s duljinom lunarnog mjeseca - razdoblja promjene lunarne faze (oko 29,5 dana). To je poteškoća u stvaranju jednostavnog i prikladnog kalendara. Tijekom duge povijesti čovječanstva stvoreno je i korišteno mnogo različitih kalendarskih sustava. Ali svi se oni mogu podijeliti u tri vrste: solarni, lunarni i lunizolarni. Južni pastirski narodi obično su koristili lunarne mjesece. Godina od 12 lunarnih mjeseci sadržavala je 355 solarnih dana. Da bi se uskladilo brojanje vremena prema Mjesecu i Suncu, bilo je potrebno postaviti 12 ili 13 mjeseci u godini i ubaciti dodatne dane u godinu. Jednostavniji i prikladniji bio je solarni kalendar koji se koristio u drevnom Egiptu. Trenutno je u većini zemalja svijeta također usvojen solarni kalendar, ali savršenijeg uređaja, nazvanog gregorijanski, o kojem će se dalje raspravljati.
Pri sastavljanju kalendara potrebno je uzeti u obzir da trajanje kalendarske godine treba biti što bliže trajanju Sunčeve revolucije duž ekliptike i da kalendarska godina treba sadržavati cijeli broj sunčevih dana, budući da nezgodno je započeti godinu u različito doba dana.
Te je uvjete ispunio kalendar koji je razvio aleksandrijski astronom Sozigenes i uveo 46. pr. u Rimu Julije Cezar. Kasnije je, kao što znate, iz tečaja fizičke geografije dobio ime julijanski ili stari stil. U ovom se kalendaru godine broje tri puta zaredom po 365 dana i nazivaju se jednostavnim, a godina koja slijedi je 366 dana. Zove se prestupna godina. Prestupne godine u julijanskom kalendaru su one godine čiji se brojevi ravnomjerno dijele sa 4.
Prosječna duljina godine prema ovom kalendaru je 365 dana 6 sati, tj. to je oko 11 minuta duže od prave. Zbog toga je stari stil zaostajao za stvarnim protokom vremena otprilike 3 dana svakih 400 godina.
U gregorijanskom kalendaru (novi stil), uvedenom u SSSR-u 1918. godine, pa čak i ranije usvojenom u većini zemalja, godine koje su završavale u dvije nule, s izuzetkom 1600, 2000, 2400 itd. (tj. oni u kojima je broj stotina djeljiv sa 4 bez ostatka) ne smatraju se skokom. Tako se ispravlja pogreška od 3 dana koja se akumulirala tijekom 400 godina. Tako se pokazalo da je prosječna duljina godine u novom stilu vrlo blizu razdoblju Zemljine revolucije oko Sunca.
Do XX. Stoljeća. razlika između novog stila i starog (julijanskog) stigla je 13 dana. Budući da je novi stil u nas uveden tek 1918. godine, Oktobarska revolucija, počinjena 1917. 25. listopada (po starom stilu), slavi se 7. studenog (po novom stilu).
Razlika između starog i novog stila od 13 dana ostat će u XXI. Stoljeću, au XXII. Stoljeću. povećat će se na 14 dana.
Novi stil, naravno, nije potpuno točan, ali pogreška od 1 dana akumulirat će se na njemu tek nakon 3300 godina.
Metodologija izvođenja nastave 5
"Vrijeme i kalendar"
Svrha lekcije: formiranje sustava koncepata praktične astrometrije o metodama i instrumentima za mjerenje, brojanje i pohranjivanje vremena.
Ciljevi učenja:
Opće obrazovanje: formiranje pojmova:
Praktična astrometrija o: 1) astronomskim metodama, instrumentima i mjernim jedinicama, brojanju i pohrani vremena, kalendarima i kronologiji; 2) utvrđivanje geografskih koordinata (dužine) područja prema astrometrijskim promatranjima;
O kozmičkim pojavama: revolucija Zemlje oko Sunca, revolucija Mjeseca oko Zemlje i rotacija Zemlje oko svoje osi i o njihovim posljedicama - nebeskim pojavama: uspon, zalazak, dnevno i godišnje vidljivo kretanje i kulminacije svjetiljke (Sunce, Mjesec i zvijezde), promjena u mjesečevim fazama ...
Obrazovni: formiranje znanstvenog svjetonazora i ateističkog obrazovanja tijekom upoznavanja s poviješću ljudskog znanja, s glavnim vrstama kalendara i kronološkim sustavima; razotkrivanje praznovjerja povezanih s konceptom „prijestupne godine“ i prijevodom julijanskog i gregorijanskog kalendara; politehničko i radno obrazovanje u prezentaciji materijala o uređajima za mjerenje i pohranjivanje vremena (satovi), kalendarima i kronološkim sustavima te o praktičnim načinima primjene astrometrijskog znanja.
Razvijanje: formiranje vještina: rješavanje problema za izračunavanje vremena i datuma kronologije i prenošenje vremena s jednog sustava za pohranu i računa na drugi; izvoditi vježbe o primjeni osnovnih formula praktične astrometrije; koristiti pokretnu mapu zvjezdanog neba, referentne knjige i astronomski kalendar za određivanje položaja i uvjeta vidljivosti nebeskih tijela i tijeka nebeskih pojava; odrediti zemljopisne koordinate (dužinu) područja prema astronomskim promatranjima.
Studenti bi trebali znati:
1) razlozi za svakodnevno promatrane nebeske pojave generirane rotacijom Mjeseca oko Zemlje (promjena Mjesečevih faza, prividno kretanje Mjeseca duž nebeske sfere);
2) povezanost trajanja određenih kozmičkih i nebeskih pojava s jedinicama i metodama mjerenja, brojanja i pohranjivanja vremena i kalendara;
3) jedinice za mjerenje vremena: efemeride druge; dan (zvjezdani, pravi i prosječni solarni); tjedan; mjesec (sinodički i sideralni); godina (zvjezdana i tropska);
4) formule koje izražavaju vezu između vremena: svijeta, materinstva, lokalnog, ljeta;
5) instrumenti i metode za mjerenje vremena: glavne vrste satova (solarni, vodeni, vatrogasni, mehanički, kvarcni, elektronički) i pravila za njihovu upotrebu za mjerenje i pohranjivanje vremena;
6) glavne vrste kalendara: lunarni, lunizolarni, solarni (julijanski i gregorijanski) i osnova kronologije;
7) osnovni pojmovi praktične astrometrije: principi određivanja vremena i zemljopisnih koordinata područja prema astronomskim promatranjima.
8) astronomske vrijednosti: zemljopisne koordinate rodnog grada; vremenske jedinice: efemeroid drugi; dan (zvjezdani i prosječni solarni); mjesec (sinodički i sideralni); godina (tropska) i duljina godine u glavnim vrstama kalendara (lunarni, lunizolarni, solarni julijanski i gregorijanski); brojevi vremenske zone Moskve i rodnog grada.
Studenti bi trebali biti u mogućnosti:
1) Koristite generalizirani plan za proučavanje kozmičkih i nebeskih pojava.
2) Plovi po Mjesecu.
3) Riješiti probleme vezane uz pretvorbu vremenskih jedinica iz jednog sustava brojanja u drugi prema formulama koje izražavaju odnos: a) između sideralnog i srednjeg solarnog vremena; b) univerzalno, rodiljsko, lokalno, ljetno vrijeme i korištenje karte vremenskih zona; c) između različitih sustava kronologije.
4) Riješiti zadatke za određivanje zemljopisnih koordinata mjesta i vremena promatranja.
Vizualna pomagala i demonstracije:
Fragmenti filma "Praktične primjene astronomije".
Ulomci filmskih vrpci "Vidljivo kretanje nebeskih tijela"; "Razvoj ideja o svemiru"; "Kako je astronomija opovrgnula religiozne ideje svemira."
Uređaji i instrumenti: zemljopisni globus; karta vremenske zone; gnomon i ekvatorijalni sunčani sat, pješčani sat, vodeni sat (s jednoličnom i neravnomjernom skalom); graduirana svijeća kao model vatrogasnog sata, mehaničkih, kvarcnih i elektroničkih satova.
Crteži, dijagrami, fotografije: promjene u mjesečevim fazama, unutarnja struktura i princip rada mehaničkih (njihalo i opruga), kvarcni i elektronički satovi, atomski vremenski standard.
Domaći zadatak:
1. Proučite gradivo udžbenika:
B.A. Vorontsov-Velyaminova: §§ 6 (1), 7.
E.P. Levitan: § 6; zadaci 1, 4, 7
A.V. Zasova, E.V. Kononovich: §§ 4 (1); 6; Vježba 6.6 (2.3)
2. Dovršite zadatke iz zbirke problema Vorontsov-Velyaminov BA. : 113; 115; 124; 125.
Plan učenja
|
Koraci lekcije |
Prezentacijske metode |
Vrijeme, min |
|
|
Provjera i ažuriranje znanja |
Frontalna anketa, razgovor |
||
|
Formiranje koncepata vremena, mjernih jedinica i računanja vremena na temelju trajanja kozmičkih pojava, odnosa između različitih "vremena" i vremenskih zona |
Predavanje |
7-10 |
|
|
Upoznavanje učenika s metodama za određivanje zemljopisne dužine lokacije iz astronomskih promatranja |
Razgovor, predavanje |
10-12 |
|
|
Formiranje koncepata o instrumentima za mjerenje, brojanje i pohranjivanje vremenskih satova i o atomskom standardu vremena |
Predavanje |
7-10 |
|
|
Formiranje koncepata o glavnim vrstama kalendara i kronološkim sustavima |
Predavanje, razgovor |
7-10 |
|
|
Rješavanje problema |
Rad na ploči, samostalno rješavanje problema u bilježnici |
||
|
Sažimanje obuhvaćenog gradiva, sažimanje lekcije, domaća zadaća |
|||
Tehnika prezentacije materijala
Na početku lekcije treba provjeriti znanje stečeno u tri prethodna sata, ažurirajući gradivo namijenjeno proučavanju pitanjima i zadacima tijekom frontalne ankete i razgovora sa studentima. Neki učenici izvode programirane zadatke, rješavajući probleme povezane s korištenjem pomične karte zvjezdanog neba (slično zadacima 1-3).
Niz pitanja o uzrocima nebeskih pojava, glavnim crtama i točkama nebeske sfere, zviježđima, uvjetima vidljivosti svjetiljki itd. poklapa se s pitanjima postavljenim na početku prethodnih lekcija. Dopunjeni su pitanjima:
1. Definirajte pojmove "sjaj" i "magnituda". Što znate o skali magnitude? Što određuje sjaj zvijezda? Napiši Pogsonovu formulu na ploču.
2. Što znate o vodoravnom nebeskom koordinatnom sustavu? Čemu služi? Koje su ravnine i linije osnovne u ovom sustavu? Što je: visina svjetiljke? Zenith udaljenost zvijezde? Azimut zvijezde? Koje su prednosti i nedostaci ovog nebeskog koordinatnog sustava?
3. Što znate o I ekvatorijalnom sustavu nebeskih koordinata? Čemu služi? Koje su ravnine i linije osnovne u ovom sustavu? Što je: deklinacija zvijezde? Polarna udaljenost? Sunčev satni kut? Koje su prednosti i nedostaci ovog nebeskog koordinatnog sustava?
4. Što znate o II ekvatorijalnom sustavu nebeskih koordinata? Čemu služi? Koje su ravnine i linije osnovne u ovom sustavu? Što je pravo uzdizanje zvijezde? Koje su prednosti i nedostaci ovog nebeskog koordinatnog sustava?
1) Kako se kretati terenom prema Suncu? Od strane zvijezde pol?
2) Kako iz astronomskih promatranja odrediti zemljopisnu širinu područja?
Odgovarajući programibilni zadaci:
1) Zbirka problema G.P. Subbotin, zadaci NN 46-47; 54-56; 71-72 (prikaz, stručni).
2) Zbirka problema E.P. Slomljen, zadaci NN 4-1; 5-1; 5-6; 5-7.
3) Straut E.K. : ispitni radovi NN 1-2 teme "Praktični temelji astronomije" (pretvorene u programabilne kao rezultat rada nastavnika).
U prvoj fazi lekcije, u obliku predavanja, formiraju se koncepti vremena, mjernih jedinica i brojanja vremena, temeljeni na trajanju kozmičkih pojava (rotacija Zemlje oko svoje osi, rotacija Mjeseca oko Zemlje i rotacija Mjeseca oko Sunca), odnos između različitih "vremena" i pojasa sata. Smatramo potrebnim studentima dati općenito razumijevanje zvjezdanog vremena.
Morate obratiti pažnju učenika:
1. Duljina dana i godine ovisi o referentnom okviru u kojem se razmatra kretanje Zemlje (je li povezano s nepomičnim zvijezdama, Suncem itd.). Izbor referentnog sustava odražava se u nazivu vremenske jedinice.
2. Trajanje vremenskih jedinica povezano je s uvjetima vidljivosti (kulminacijama) nebeskih tijela.
3. Uvođenje atomskog vremenskog standarda u znanost nastalo je zbog neravnomjernosti rotacije Zemlje, koja je otkrivena povećanjem točnosti sata.
4. Uvođenje standardnog vremena nastalo je zbog potrebe za koordinacijom gospodarskih aktivnosti na teritoriju definiranom granicama vremenskih zona. Raširena pogreška u kućanstvu je identifikacija lokalnog vremena s ljetnim računanjem vremena.
1. Vrijeme. Mjerne jedinice i brojanje vremena
Vrijeme je glavna fizikalna veličina koja karakterizira uzastopne promjene pojava i stanja materije, trajanje njihovog postojanja.
Povijesno gledano, sve osnovne i izvedene jedinice vremena određuju se na temelju astronomskih promatranja tijeka nebeskih pojava uzrokovanih: rotacijom Zemlje oko svoje osi, rotacijom Mjeseca oko Zemlje i rotacijom Zemlje oko sunce. Za mjerenje i brojanje vremena u astrometriji koriste se različiti referentni sustavi, povezani s određenim nebeskim tijelima ili određenim točkama nebeske sfere. Najrasprostranjeniji su:
1. "Zvjezdana"vrijeme povezano s kretanjem zvijezda u nebeskoj sferi. Mjereno satnim kutom proljetne ravnodnevnice: S \u003d t ^; t \u003d S - a
2. "Solarni"vrijeme povezano s: prividnim kretanjem središta sunčevog diska duž ekliptike (pravo sunčevo vrijeme) ili kretanjem" prosječnog Sunca "- zamišljene točke koja se jednoliko kreće duž nebeskog ekvatora u istom vremenskom razdoblju kao pravo Sunce (prosječno sunčevo vrijeme).
Uvođenjem 1967. atomskog vremenskog standarda i Međunarodnog SI sustava, atomska sekunda se koristi u fizici.
Druga je fizička veličina, brojčano jednaka 9192631770 razdoblja zračenja koja odgovaraju prijelazu između hiperfinih razina osnovnog stanja atoma cezija-133.
Sva navedena "vremena" međusobno se podudaraju po posebnim izračunima. Prosječno solarno vrijeme koristi se u svakodnevnom životu.
Određivanje točnog vremena, njegovo pohranjivanje i prijenos putem radija čine rad Vremenske službe koja postoji u svim razvijenim zemljama svijeta, uključujući Rusiju.
Glavna jedinica sideralnog, istinskog i srednjeg solarnog vremena je dan. Zvjezdane, srednje solarne i druge sekunde dobivamo dijeljenjem odgovarajućeg dana s 86400 (24 h´ 60 m´ 60 s).
Dan je postao prva vremenska jedinica prije više od 50 000 godina.
Dan je vremensko razdoblje tijekom kojeg Zemlja napravi jednu potpunu rotaciju oko svoje osi u odnosu na bilo koji orijentir.
Zvjezdani dan - razdoblje rotacije Zemlje oko svoje osi u odnosu na fiksne zvijezde, definirano je kao vremenski interval između dvije uzastopne gornje kulminacije proljetne ravnodnevnice.
Istinski sunčev dan je razdoblje rotacije Zemlje oko svoje osi u odnosu na središte Sunčevog diska, definirano kao vremenski interval između dvije uzastopne kulminacije istog naziva središta Sunčevog diska.
Zbog činjenice da se ekliptika naginje prema nebeskom ekvatoru pod kutom od 23њ26 ¢, a Zemlja se okreće oko Sunca u eliptičnoj (malo izduženoj) orbiti, brzina vidljivog kretanja Sunca u nebeskoj sferi i, stoga će se trajanje pravih solarnih dana neprestano mijenjati tijekom cijele godine: najbrže u blizini točaka ekvinocija (ožujak, rujan), najsporije u blizini solsticijskih točaka (lipanj, siječanj).
Kako bi se pojednostavili vremenski izračuni u astronomiji, uvodi se koncept prosječnog sunčevog dana - perioda rotacije Zemlje oko svoje osi u odnosu na "prosječno Sunce".
Prosječni solarni dan definiran je kao vremensko razdoblje između dvije uzastopne istoimene kulminacije "prosječnog sunca".
Prosječni sunčev dan je 3 m 55.009 s kraći od sideričnog dana.
24 h 00 m 00 s sideralno vrijeme jednako je 23 h 56 m 4,09 s srednje solarno vrijeme.
Za određenost teorijskih izračuna, efemeride (tabelarne) drugo, jednako prosječnoj solarnoj sekundi 0. siječnja 1900. u 12 sati trenutnog vremena, a nije povezano s rotacijom Zemlje. Prije oko 35 000 godina ljudi su primijetili periodičnu promjenu izgleda mjeseca - promjenu mjesečevih faza. Faza F nebesko tijelo (Mjesec, planet itd.) određuje se omjerom najveće širine osvijetljenog dijela diska d ¢do svog promjera D:. Crta terminator razdvaja tamne i svijetle dijelove svjetlećeg diska.
 |
| Lik: 32. Mjesečeva promjena faze |
Mjesec se kreće oko Zemlje u istom smjeru u kojem se zemlja okreće oko svoje osi: od zapada prema istoku. Odraz ovog kretanja je prividno kretanje mjeseca na pozadini zvijezda prema rotaciji neba. Mjesec se svakog dana pomiče prema istoku za 13њ u odnosu na zvijezde i puni krug završava za 27,3 dana. Dakle, ustanovljena je druga mjera vremena nakon dana - mjesec (slika 32).
Zvjezdani (zvjezdani) lunarni mjesec - vremensko razdoblje tijekom kojeg Mjesec napravi jednu potpunu revoluciju oko Zemlje u odnosu na fiksne zvijezde. Jednako 27 d 07 h 43 m 11,47 s.
Sinodički (kalendarski) lunarni mjesec je vremensko razdoblje između dvije uzastopne istoimene faze (obično mlađaka) Mjeseca. Jednako 29 d 12 h 44 m 2,78 s.
 |
|
Lik: 33. Načini ciljanja |
Sveukupnost pojava prividnog kretanja Mjeseca na pozadini zvijezda i promjena u mjesečevim fazama omogućuje plovidbu po Mjesecu na tlu (slika 33). Mjesec se pojavljuje kao uski polumjesec na zapadu i nestaje u zrakama zore s istim uskim polumjesecom na istoku. Dostavimo mentalno ravnu crtu na Mjesečev polumjesec slijeva. Na nebu možemo pročitati ili slovo "P" - "raste", "rogovi" mjeseca okrenuti su ulijevo - mjesec je vidljiv na zapadu; ili slovo "C" - "starenje", "rogovi" mjeseca okrenuti su udesno - mjesec je vidljiv na istoku. U punom mjesecu, mjesec je vidljiv na jugu u ponoć.
Kao rezultat promatranja promjene položaja Sunca iznad horizonta tijekom mnogih mjeseci, pojavila se treća mjera - godina.
Godina je vremensko razdoblje tijekom kojeg Zemlja napravi jednu potpunu revoluciju oko Sunca u odnosu na bilo koji orijentir (točku).
Zvjezdana godina je sideričko (zvjezdano) razdoblje Zemljine revolucije oko Sunca, jednako 365,256320 ... prosječnih solarnih dana.
Anomalistička godina - vremenski interval između dva uzastopna prolaska prosječnog Sunca kroz točku njegove orbite (obično perihela), jednak 365,259641 ... prosječnih solarnih dana.
Tropska godina vremenski je interval između dva uzastopna prolaska prosječnog Sunca kroz proljetnu ravnodnevnicu, jednak 365,2422 ... prosječnih solarnih dana ili 365 d 05 h 48 m 46,1 s.
UTC se definira kao lokalno srednje solarno vrijeme na osnovnom (Greenwich) meridijanu.
Površina Zemlje podijeljena je na 24 područja omeđena meridijanima - vremenske zone... Nulta vremenska zona smještena je simetrično oko nultog (Greenwichskog) meridijana. Pojasevi su numerirani od 0 do 23 od zapada prema istoku. Stvarne granice pojasa usklađene su s administrativnim granicama okruga, regija ili država. Središnji meridijani vremenskih zona međusobno su udaljeni točno 15њ (1 sat), stoga se prilikom prelaska iz jedne vremenske zone u drugu vrijeme mijenja za cijeli broj sati, ali se broj minuta i sekundi ne mijenja. Novi kalendarski dan (i Nova godina) počinje datumske crte(linija razgraničenja), koji prolazi uglavnom duž meridijana 180њ istočne dužine u blizini sjeveroistočne granice Ruske Federacije. Zapadno od datumske crte, dan u mjesecu je uvijek jedan više nego istočno od njega. Kada se ta linija prijeđe od zapada prema istoku, broj kalendara smanjuje se za jedan, a kada se linija prelazi od istoka prema zapadu, broj kalendara se povećava za jedan, što eliminira pogrešku u brojanju vremena prilikom putovanja oko svijeta i premještanja ljudi od istočne do zapadne Zemljine polutke.
Vrijeme zone određuje se formulom:
T n \u003d T 0 + n
gdje T 0
- univerzalno vrijeme; n - broj vremenske zone.
Ljetno računanje vremena je standardno vrijeme koje se vladinom uredbom mijenja za cijeli broj sati. Za Rusiju je jednak struku, plus 1 sat.
Moskovsko vrijeme - standardno vrijeme druge vremenske zone (plus 1 sat):
Tm \u003d T 0 + 3
(sati).
Ljetno računanje vremena - ljetno računanje vremena, promijenjeno za dodatnih plus 1 sat prema vladinoj naredbi za ljetno računanje vremena radi uštede energije.
Zbog rotacije Zemlje, razlika između trenutaka početka pola dana ili vrhunca zvijezda s poznatim ekvatorijalnim koordinatama u 2 točke jednaka je razlici u zemljopisnim duljinama točaka, što omogućuje određivanje zemljopisna dužina dane točke iz astronomskih promatranja Sunca i drugih svjetiljki i, obratno, lokalno vrijeme u bilo kojoj točki s poznatom dužinom ...
Geografska dužina područja mjeri se istočno od "nultog" (Greenwichskog) meridijana i numerički je jednaka vremenskom intervalu između istih kulminacija iste zvijezde na Greenwichskom meridijanu i na točki promatranja: gdje S- sideričko vrijeme u točki s danom geografskom širinom, S 0 - sideričko vrijeme na početnom meridijanu. Izražava se u stupnjevima ili satima, minutama i sekundama.
Da bi se odredila zemljopisna dužina područja, potrebno je odrediti trenutak kulminacije svjetiljke (obično Sunca) s poznatim ekvatorijalnim koordinatama. Prevođenjem uz pomoć posebnih tablica ili kalkulatora vremena promatranja sa srednjeg solarnog na zvjezdano i znajući iz referentne knjige vrijeme kulminacije ove zvijezde na meridijanu u Greenwichu, lako možemo odrediti dužinu područja. Jedina poteškoća u izračunima je točna pretvorba jedinica vremena iz jednog sustava u drugi. Trenutak vrhunca ne može se "gledati": dovoljno je odrediti visinu (zenitnu udaljenost) zvijezde u bilo kojem točno određenom trenutku, ali izračuni će biti prilično složeni.
U drugoj fazi lekcije učenici se upoznaju s uređajima za mjerenje, pohranjivanje i brojanje vremena - satova. Očitavanja sata služe kao referenca na temelju kojih se mogu uspoređivati \u200b\u200bvremenski intervali. Studenti bi trebali obratiti pažnju na činjenicu da je potreba za preciznim određivanjem trenutaka i intervala vremena potaknula razvoj astronomije i fizike: do sredine dvadesetog stoljeća astronomske metode mjerenja, pohranjivanja vremena i vremenskih standarda bile su u središtu svjetska vremenska služba. Točnost sata kontrolirana je astronomskim promatranjima. Trenutno je razvoj fizike doveo do stvaranja preciznijih metoda određivanja i vremenskih standarda, koje su astronomi počeli koristiti za proučavanje pojava koje su u osnovi prethodnih metoda mjerenja vremena.
Materijal je predstavljen u obliku predavanja, popraćen demonstracijama principa rada i unutarnje strukture satova različitih vrsta.
2. Instrumenti za mjerenje i čuvanje vremena
Čak su se i u Drevnom Babilonu sunčani dani dijelili na 24 sata (360њ: 24 \u003d 15њ). Kasnije je svaki sat bio podijeljen sa 60 minuta, a svaka minuta sa 60 sekundi.
Prvi instrumenti za mjerenje vremena bili su sunčani sat. Najjednostavniji sunčani sat - gnomon - predstavljaju okomiti stup u središtu vodoravne platforme s podjelama (slika 34). Sjena od gnomona opisuje složenu krivulju, ovisno o visini Sunca i mijenjajući se iz dana u dan ovisno o položaju Sunca na ekliptiki, mijenja se i brzina sjene. Sunčani sat ne zahtijeva navijanje, ne zaustavlja se i uvijek radi ispravno. naginjući platformu tako da je pol od gnomona usmjeren na pol svijeta, dobit ćemo ekvatorski sunčani sat, u kojem je brzina sjene jednolična (slika 35).
Lik: 34. Vodoravni sunčani sat. Kutovi koji odgovaraju svakom satu imaju različitu vrijednost i izračunavaju se pomoću formule: 
, gdje je a kut između podnevne linije (projekcija nebeskog meridijana na vodoravnu površinu) i smjera prema brojevima 6, 8, 10 ... koji označavaju sate; j je zemljopisna širina mjesta; h - satni kut Sunca (15њ, 30њ, 45њ)
Lik: 35. Ekvatorski sunčani sat. Svaki sat na brojčaniku odgovara kutu od 15њ
Za mjerenje vremena noću i po lošem vremenu izumljeni su satovi za pijesak, vatru i vodu.
Pješčani sat se odlikuje jednostavnošću dizajna i preciznošću, ali je glomazan i "namotava" se samo na kratko.
Vatrogasni sat je spirala ili štap izrađen od zapaljive tvari s označenim podjelama. U drevnoj Kini su se stvarale smjese koje mjesecima gore bez stalnog nadzora. Mane ovog sata: niska točnost (ovisnost brzine gorenja o sastavu tvari i vremenu) i složenost izrade (slika 36).
Vodeni satovi (clepsydras) koristili su se u svim zemljama Drevnog svijeta (slika 37.a, b).
Mehanički satovi s utezima i kotačima izumljeni su u X-XI stoljeću. U Rusiji je prvi toranjski mehanički sat instalirao u Moskovskom Kremlju 1404. godine monah Lazar Sorbin. Sat s njihalom izumio 1657. holandski fizičar i astronom H. Huygens. Mehanički satovi s oprugom izumljeni su u 18. stoljeću. U 30-ima našeg stoljeća izumljen je kvarcni sat. 1954. u SSSR-u ideja o stvaranju atomski sat - "Državni primarni standard vremena i učestalosti". Instalirani su u istraživačkom institutu u blizini Moskve i davali su slučajnu pogrešku od 1 sekunde svakih 500 000 godina.
Još precizniji atomski (optički) vremenski standard stvoren je u SSSR-u 1978. godine. Pogreška od 1 sekunde događa se jednom u 10 000 000 godina!
Uz pomoć ovih i mnogih drugih suvremenih fizičkih instrumenata bilo je moguće s vrlo velikom točnošću odrediti vrijednosti osnovnih i izvedenih mjernih jedinica vremena. Razjašnjene su mnoge karakteristike vidljivog i stvarnog kretanja kozmičkih tijela, otkriveni su novi kozmički fenomeni, uključujući promjene brzine rotacije Zemlje oko svoje osi za 0,01-1 sekunde tijekom godine.
3. Kalendari. Kronologija
Kalendar je kontinuirani brojevni sustav za velika vremenska razdoblja, zasnovan na periodičnosti prirodnih pojava, što se posebno jasno očituje u nebeskim pojavama (kretanju nebeskih tijela). Čitava stoljetna povijest ljudske kulture neraskidivo je povezana s kalendarom.
Potreba za kalendarima nastala je u tako dubokoj antici, kada ljudi još uvijek nisu mogli čitati i pisati. Kalendari su određivali početak proljeća, ljeta, jeseni i zime, razdoblja cvatnje biljaka, sazrijevanja plodova, sakupljanja ljekovitog bilja, promjene u ponašanju i životu životinja, promjene vremena, vrijeme poljoprivrednih radova i mnogo više. Kalendari odgovaraju na pitanja: "Koji je danas datum?", "Koji dan u tjednu?", "Kada se dogodio ovaj ili onaj događaj?" i omogućuju vam da regulirate i planirate život i ekonomske aktivnosti ljudi.
Tri su glavne vrste kalendara:
1. Lunarni kalendar, koji se temelji na sinodičkom lunarnom mjesecu u trajanju od 29,5 prosječnih solarnih dana. Nastao je prije više od 30 000 godina. Lunarna godina kalendara sadrži 354 (355) dana (11,25 dana kraća od solarne) i podijeljena je na 12 mjeseci od 30 (neparnih) i 29 (parnih) dana u svakom (u muslimanskom kalendaru nazivaju se: muharram , safar, rabi al- Awval, Rabi As-Sani, Jumada Al-Ula, Jumada Al-Akhira, Rajab, Sha'ban, Ramadan, Shawal, Zul-Qaada, Zul-Hidžra). Budući da je kalendarski mjesec 0,0306 dana kraći od sinodičkog i za 30 godina razlika između njih doseže 11 dana, u arapskilunarni kalendar u svakom 30-godišnjem ciklusu ima 19 "jednostavnih" godina od 354 dana i 11 "prijestupnih" godina od 355 dana (2., 5., 7., 10., 13., 16., 18., 21., 24., 26., 29. godine) godine svakog ciklusa). turskilunarni kalendar je manje precizan: u njegovom osmogodišnjem ciklusu postoji 5 "jednostavnih" i 3 "prestupne" godine. Datum Nove godine nije fiksan (polako se pomiče iz godine u godinu): na primjer, 1421 hidžre je započeo 6. aprila 2000. godine, a završit će 25. marta 2001. godine. Lunarni kalendar usvojen je kao vjerski i državni kalendar u muslimanskim državama Afganistanu, Iraku, Iranu, Pakistanu, Ujedinjenoj Arapskoj Republici i drugima. Za planiranje i regulaciju gospodarskih djelatnosti paralelno se koriste solarni i lunisolarni kalendari.
2. Solarni kalendar, koja se temelji na tropskoj godini. Nastao je prije više od 6000 godina. Trenutno je usvojen kao svjetski kalendar.
Julijanski solarni kalendar "starog stila" sadrži 365,25 dana. Razvio ga je aleksandrijski astronom Sozigenes, uveo ga je car Julije Cezar u Starom Rimu 46. pr. a zatim se proširio po cijelom svijetu. U Rusiji je usvojen 988. godine. U julijanskom kalendaru duljina godine određuje se na 365,25 dana; tri "jednostavne" godine imaju 365 dana, jedna prijestupna - 366 dana. U godini ima 12 mjeseci, po 30 i 31 dan (osim veljače). Julijska godina zaostaje 11 minuta 13,9 sekundi za tropskom godinom. Za 1500 godina njegove primjene nakupila se pogreška od 10 dana.
U gregorijanskisolarni kalendar "novi stil" dužina godine je 365, 242500 dana. 1582. Julijanski kalendar, po nalogu pape Grgura XIII., Reformiran je u skladu s projektom talijanskog matematičara Luigija Lilio Garallija (1520.-1576.). Brojanje dana pomaknuto je za 10 dana unaprijed i dogovoreno je da se svako stoljeće, koje se ne dijeli sa 4 bez ostatka: 1700, 1800, 1900, 2100 itd., Ne smije smatrati skokom. Ovo ispravlja pogrešku od 3 dana svakih 400 godina. Pogreška u jednom danu "istrčava" za 2735 godina. Nova stoljeća i tisućljeća započinju 1. siječnja "prve" godine ovog stoljeća i tisućljeća: na primjer, 21. stoljeće i 3. tisućljeće naše ere (AD) započet će 1. siječnja 2001. prema gregorijanskom kalendaru.
Kod nas se prije revolucije koristio julijanski kalendar "starog stila" čija je pogreška do 1917. bila 13 dana. 1918. godine u zemlji je uveden gregorijanski kalendar "novog stila" prihvaćen u cijelom svijetu i svi su datumi pomaknuti za 13 dana unaprijed.
Pretvaranje datuma julijanskog kalendara u gregorijanski kalendar provodi se prema formuli: 
gdje je T D i T YU - datumi prema gregorijanskom i julijanskom kalendaru; n je cijeli broj dana, S - broj cjelovitih prošlih stoljeća, S 1 - najbliži broj stoljeća, višekratnik od četiri.
Ostale sorte solarnih kalendara su:
Perzijski kalendar, koji je trajanje tropske godine odredio na 365,24242 dana; 33-godišnji ciklus uključuje 25 "jednostavnih" i 8 "prijestupnih" godina. Mnogo preciznije od gregorijanske: greška od 1 godine "istrčava" za 4500 godina. Dizajnirao Omar Khayyam 1079; koristila se na teritoriju Perzije i niza drugih država do sredine 19. stoljeća.
Koptski kalendar sličan je julijanskom: ima 12 mjeseci od 30 dana u godini; nakon 12 mjeseci u "jednostavnoj" godini dodaje se 5, u "skoku" - dodatnih 6 dana. Koristi se u Etiopiji i nekim drugim državama (Egipat, Sudan, Turska itd.) Na teritoriju Kopta.
3. Lunarno-solarni kalendar, u kojem je kretanje mjeseca u skladu s godišnjim kretanjem sunca. Godina se sastoji od 12 lunarnih mjeseci s po 29 i 30 dana, kojima se periodično dodaju "prijestupne" godine kako bi se računalo kretanje Sunca, a sadrže dodatnih 13. mjeseci. Kao rezultat, "jednostavne" godine traju 353, 354, 355 dana, a "prestupne" - 383, 384 ili 385 dana. Nastala je početkom 1. tisućljeća prije Krista, koristila se u Drevnoj Kini, Indiji, Babilonu, Judeji, Grčkoj, Rimu. Trenutno je usvojen u Izraelu (početak godine pada na različite dane između 6. rujna i 5. listopada), a koristi se, zajedno s državom, u zemljama jugoistočne Azije (Vijetnam, Kina itd.).
Pored gore opisanih osnovnih vrsta kalendara, stvoreni su kalendari koji uzimaju u obzir prividno kretanje planeta na nebeskoj sferi i još uvijek se koriste u nekim dijelovima Zemlje.
Istočni lunizolarno-planetarni Star 60 godina kalendar na temelju periodičnosti kretanja Sunca, Mjeseca i planeta Jupiter i Saturn. Nastao je početkom 2. tisućljeća pr. u istočnoj i jugoistočnoj Aziji. Trenutno se koristi u Kini, Koreji, Mongoliji, Japanu i nekim drugim zemljama u regiji.
U 60-godišnjem ciklusu suvremenog istočnog kalendara ima 21.912 dana (u prvih 12 godina ima 4371 dan; u drugoj i četvrtoj - 4400 i 4401 dana; u trećem i petom - 4370 dana). Dva 30-godišnja ciklusa Saturna (jednaka zvjezdanim razdobljima njegove revolucije T Saturn \u003d 29,46 "30 godina), otprilike tri 19-godišnja lunizolarna ciklusa, pet Jupiterovih 12-godišnjih ciklusa (jednako sideričkim razdobljima njegove revolucije T Jupiter\u003d 11,86 "12 godina) i pet 12-godišnjih lunarnih ciklusa. Broj dana u godini nije konstantan i može biti 353, 354, 355 dana u "jednostavnim" godinama, 383, 384, 385 dana u prijestupnoj godini. Početak godine u različitim državama pada na različite datume od 13. siječnja do 24. veljače. Trenutni 60-godišnji ciklus započeo je 1984. godine. Podaci o kombinaciji znakova istočnog kalendara dati su u Dodatku.
Srednjoamerički kalendar kultura Maja i Asteka koristio se otprilike od 300-1530. OGLAS Na temelju periodičnosti kretanja Sunca, Mjeseca i sinodičkih razdoblja revolucije planeta Venere (584 d) i Marsa (780 d). "Duga" godina u trajanju od 360 (365) dana sastojala se od 18 mjeseci po 20 dana i 5 praznika. Istodobno, "kratka godina" od 260 dana (1/3 sinodičkog razdoblja Marsove cirkulacije) korištena je u kulturne i vjerske svrhe; podijeljena je na 13 mjeseci, po 20 dana; "numerirani" tjedni sastojali su se od 13 dana, koji su imali svoj broj i ime. Trajanje tropske godine određeno je s najvećom točnošću na 365,2420 d (pogreška od 1 dana ne akumulira se tijekom 5000 godina!); lunarni sinodički mjesec - 29.53059 d.
Početkom dvadesetog stoljeća rast međunarodnih znanstvenih, tehničkih, kulturnih i gospodarskih veza iziskivao je stvaranje jedinstvenog, jednostavnog i točnog Svjetskog kalendara. Postojeći kalendari imaju brojne nedostatke u vidu: nedovoljne podudarnosti između trajanja tropske godine i datuma astronomskih pojava povezanih sa kretanjem Sunca po nebeskoj sferi, nejednake i nedosljedne duljine mjeseci, nedosljednosti broja mjesec i dane u tjednu, neusklađenost njihovih imena s položajem u kalendaru itd. Otkrivaju se netočnosti suvremenog kalendara
Idealan vječni kalendar ima nepromjenjivu strukturu koja vam omogućuje brzo i nedvosmisleno određivanje dana u tjednu za bilo koji datum kalendara. Jedan od najboljih projekata vječnih kalendara preporučila je Generalna skupština UN-a za razmatranje 1954. godine: iako je bio sličan gregorijanskom kalendaru, bio je jednostavniji i prikladniji. Tropska godina podijeljena je u 4 četvrtine od 91 dana (13 tjedana). Svaka četvrt započinje u nedjelju, a završava u subotu; sastoji se od 3 mjeseca, u prvom mjesecu 31 dan, u drugom i trećem - 30 dana. Svaki mjesec ima 26 radnih dana. Prvi dan u godini je uvijek nedjelja. Podaci za ovaj projekt dati su u Dodatku. Nije proveden iz vjerskih razloga. Uvođenje jedinstvenog univerzalnog vječnog kalendara i dalje je jedan od problema našeg vremena.
Nazvani su datum početka i sljedeći sustav kronologije doba... Početna točka ere naziva se doba.
Od antičkih vremena, početak određene ere (više od 1000 razdoblja poznato je u raznim državama različitih dijelova Zemlje, uključujući 350 u Kini i 250 u Japanu) i čitav tijek kronologije povezan je s važnim legendarnim, religioznim ili (rjeđe) stvarni događaji: vrijeme vladavine određenih dinastija i pojedinih careva, ratovi, revolucije, olimpijade, osnivanje gradova i država, „rođenje“ boga (proroka) ili „stvaranje svijeta . "
Za početak kineske ere 60-godišnjeg ciklusa uzima se datum 1. godine vladavine cara Huangdija - 2697. pr.
U Rimskom carstvu brojanje se vodilo od "osnivanja Rima" od 21. travnja 753. pr. i od dana pristupanja cara Dioklecijana 29. kolovoza 284. g. n.
U Bizantskom carstvu i kasnije, prema tradiciji, u Rusiji - od usvajanja kršćanstva od strane princa Vladimira Svjatoslavoviča (988. g. N. E.) Do ukaza Petra I (1700. g. N. E.) Godine računale su se "od stvaranja svijeta": početna točka bio je datum 1. rujna 5508. pr. Kr. (prva godina "bizantske ere"). U Drevnom Izraelu (Palestina) "stvaranje svijeta" dogodilo se kasnije: 7. listopada 3761. pr. Kr. (Prva godina "židovske ere"). Bilo je i drugih, različitih od najčešćih gore spomenutih doba "od stvaranja svijeta".
Rast kulturnih i gospodarskih veza i široko širenje kršćanske religije u zapadnoj i istočnoj Europi iznjedrili su potrebu za objedinjavanjem kronologije, mjernih jedinica i računanja vremena.
Suvremena kronologija - " naše doba", "nova era"(AD)," doba Kristova rođenja "( R.H.), Anno Domeni ( OGLAS. - "godina Gospodnja") - provodi se od proizvoljno izabranog datuma rođenja Isusa Krista. Budući da to nije naznačeno ni u jednom povijesnom dokumentu, a evanđelja si međusobno proturječe, učeni redovnik Dionizije Mali 278. godine Dioklecijanove ere odlučio je "znanstveno", na temelju astronomskih podataka, izračunati datum ere. Izračun se temeljio na: 28-godišnjem "solarnom krugu" - vremenskom razdoblju tijekom kojeg broj mjeseci pada na iste dane u tjednu i 19-godišnjem "mjesečevom krugu" - vremenskom razdoblju tijekom kojeg iste mjesečeve faze padaju u iste iste dane u mjesecu. Proizvod ciklusa "solarnog" i "lunarnog" kruga ispravljen za 30-godišnje vrijeme Kristova života (28 ´ 19S + 30 \u003d 572) dao je datum početka moderne kronologije. Brojanje godina prema eri "od Kristova rođenja" "puštalo je korijenje" vrlo sporo: do 15. stoljeća nove ere. (tj. čak 1000 godina kasnije) u službenim dokumentima zapadne Europe naznačena su 2 datuma: od stvaranja svijeta i od Kristova rođenja (A.D.).
U muslimanskom svijetu, 16. jula 622. godine nove ere, dan "hidžre" (preseljenje poslanika Muhammeda iz Meke u Medinu), prihvaćen je kao početak kronologije.
Prijevod datuma iz "muslimanskog" kronološkog sustava T M u "kršćanski" (gregorijanski) T D može se izvršiti formulom: 
(godina).
Radi praktičnosti astronomskih i kronoloških izračuna, kronologija koju je predložio J. Scaliger primjenjuje se od kraja 16. stoljeća julijsko razdoblje(J D.). Neprekidno brojanje dana provodi se od 1. siječnja 4713. pr.
Kao i u prethodnim lekcijama, učenike treba uputiti da samostalno popunjavaju tablicu. 6 informacija o svemiru i nebeskim pojavama proučenim u lekciji. To se daje ne više od 3 minute, a zatim nastavnik provjerava i ispravlja rad učenika. Tablica 6. dopunjena je informacijama:
Materijal se konsolidira pri rješavanju problema:
Vježba 4:
1. 1. siječnja sunčani sat pokazuje 10 sati. U koliko sati prikazuje vaš sat u ovom trenutku?
2. Utvrdite razliku u očitanjima preciznog sata i kronometra koji rade u sideričkom vremenu, godinu dana nakon što su istovremeno pokrenuti.
3. Odredite trenutke početka ukupne faze pomrčine Mjeseca 4. travnja 1996. u Čeljabinsku i Novosibirsku, ako se prema univerzalnom vremenu pojava dogodila u 23 h 36 m.
4. Utvrdite je li moguće promatrati pomrčinu (pokrivanje) Jupitera od strane Mjeseca u Vladivostoku ako se dogodi u 1 h 50 m UTC, a Mjesec zalazi u Vladivostoku u 0 h 30 m lokalnog dnevnog vremena.
5. Koliko je dana bilo 1918. godine u RSFSR-u?
6. Koji je najveći broj nedjelja u veljači?
7. Koliko puta godišnje Sunce izlazi?
8. Zašto je Mjesec uvijek okrenut Zemlji prema istoj strani?
9. Kapetan broda izmjerio je točno u podne 22. prosinca zenitnu udaljenost Sunca i utvrdio da je jednaka 66њ 33 ". Kronometar, koji je radio u Greenwichu, pokazao je u vrijeme promatranja 11 h 54 m ujutro Odredite koordinate broda i njegov položaj na svjetskoj karti.
10. Koje su zemljopisne koordinate mjesta na kojem je visina polarne zvijezde 64њ 12 ", a vrhunac zvijezde a Lyrae događa se 4 h 18 m kasnije nego na zvjezdarnici u Greenwichu?
11. Odredite geografske koordinate mjesta na kojem je gornji vrhunac zvijezde a - - didaktika - testovi - zadatak
