Czas uniwersalny

Dodano: 03 stycznia 2017

Czas słoneczny

Czas słoneczny jest definiowany jako tzw. czas słoneczny prawdziwy lub czas słoneczny średni. Czas słoneczny prawdziwy odmierza się geocentrycznym kątem godzinnym środka tarczy słonecznej, zwiększonym o 12 godzin (modulo 24h). Czas słoneczny średni mierzy się kątem godzinnym tzw. Słońca średniego, tj. punktu na równiku o rektascensji równej średniej długości ekliptycznej Słońca prawdziwego, również zwiększonym o 12 godzin (modulo 24h). Czas słoneczny, jako czas obrotowy, może być czasem miejscowym lub tzw. czasem Greenwich (na Konferencji Międzynarodowej w Washington D.C. w 1884 roku południk przechodzący przez obserwatorium w Greenwich został przyjęty jako południk zerowy dla odliczania długości geograficznej, a także dla odliczania czasu).

Czas słoneczny Greenwich różni się od czasu słonecznego miejscowego o długość geograficzną (λ) południka miejscowego, która na wschód od Greenwich przybiera wartości dodatnie (zgodnie z uchwałą IAU (Patras, 1982; Rezolucja C4).

czas słoneczny miejscowy = czas słoneczny Greenwich + λ

Czas słoneczny prawdziwy jest to czas jaki daje się bezpośrednio wyznaczyć z obserwacji Słońca. Czas słoneczny średni, jako bardziej zbliżony do jednostajnego, jest stosowany w obliczeniach astronomicznych. Znajduje on również zastosowanie w nawigacji i geodezji.

Zależność między obu rodzajami czasu słonecznego wyraża się za pomocą tzw. równania czasu

czas słoneczny prawdziwy - czas słoneczny średni = E

gdzie E jest nazywane równaniem czasu — wartość E oscyluje w okresie roku w zakresie ok. ±15 minut.

Do 1 stycznia 1925 roku w obliczeniach astronomicznych używany był średni czas słoneczny Greenwich (Greenwich Mean Time — GMT o początku doby w południe), który zastąpiony został tzw. czasem uniwersalnym (UT).

 

Czas uniwersalny

Czas uniwersalny (UT «Universal Time» lub TU «Temps Universel») to średni czas słoneczny (odniesiony do ruchu dobowego Słońca średniego) południka geograficznego Greenwich.
Obecną definicję czasu uniwersalnego, oznaczanego jako UT1, obowiązującą od 1 stycznia 2003 przyjęto na mocy Rezolucji B1.8 XXIV Zgromadzenia Generalnego IAU w Manchesterze, w 2000r. Zgodnie z tą rezolucją, i po uwzględnieniu zmian terminologicznych wprowadzonych na mocy Rezolucji 2. XXVI ZG IAU w Pradze, w 2006 r.:

UT1 jest liniową funkcją Kąta Obrotu Ziemi (ERA «Earth Rotation Angle», oznaczanego także grecką literą θ), który jest kątem w płaszczyźnie równika CIP, pomiędzy wektorami jednostkowymi skierowanymi od osi CIP do Niebieskiego Pośredniego Punktu Początkowego (CIO) i Ziemskiego Pośredniego Punktu Początkowego (TIO)

θ(Tu) = 2π · (0.779 057 273 264 0 + 1.002 737 811 911 354 48 Tu)

gdzie Tu = JD(UT1) - 2451545.0

W praktyce UT1 wyznacza się z zależności:

UT1 = UTC + [UT1 - UTC]IERS

Różnice [UT1 - UTC]IERS, określające relacje pomiędzy skalą czasu astronomicznego obrotowego i skalą czasu atomowego są regularnie wyznaczane przez IERS na podstawie obserwacji VLBI, GPS, SLR i DORIS, a następnie publikowane.

Definicja UT1 zapewnia ciągłość tej skali czasu. Zawarta w niej liniowa zależność UT1 od Kąta Obrotu Ziemi (ERA) powoduje, że UT1 można interpretować jako miarę rzeczywistego ruchu obrotowego Ziemi wokół CIP względem średniego Słońca. Pochodna UT1 względem czasu jest proporcjonalna do prędkości kątowej obrotu Ziemi.

W przeszłości istotną rolę odgrywały także inne, nie stosowane obecnie, skale czasów. Do końca lat 30-tych XX wieku czas uniwersalny UT był uważany za skalę jednostajną. Nieregularności UT dostrzeżono dopiero dzięki zastosowaniu zegarów kwarcowych, a później zegarów atomowych. Na podstawie analizy źródeł tych nieregularności, w miejsce czasu UT wprowadzono trzy jego reprezentacje, przy czym pojęcie czasu UT pozostawało nadal w użyciu przy określaniu czasu uniwersalnego gdy nie była wymagana wysoka dokładność:

  • UT0 - czas uniwersalny prawdziwy — wyznaczany bezpośrednio (po uwzględnieniu równania czasu) z obserwacji astronomicznych średni czas słoneczny, średniego południka Greenwich, od którego były odmierzane długości geograficzne. Płaszczyzna średniego południka Greenwich była określona przez dwa kierunki: kierunek linii pionu w Greenwich oraz kierunek równoległy do średniej osi obrotu Ziemi, która łączy średnie bieguny geograficzne. Prawdziwy czas uniwersalny można było uważać za kątową miarę rzeczywistego obrotu Ziemi wokół średniej osi obrotu. W latach 1967-1988 średnia oś obrotu Ziemi była określona przez międzynarodowy umowny średni biegun północny Ziemi CIO. Obecnie jest ona określona przez biegun ITRS.
  • UT1 - czas uniwersalny średni — średni czas słoneczny chwilowego południka Greenwich, odniesionego do chwilowej osi obrotu Ziemi (Czas uniwersalny średni, w którym zostały uwzględnione okresowe zmiany wywołane strefową składową pływów oznaczano przez UT1R — okresowości 5 - 35 dób, UT1S — okresowości 5 dób – 18.6 lat oraz UT1D — okresowości dobowe i krótsze: IERS Technical Note 21, 1996). Średni czas uniwersalny można było uważać za kątową miarę rzeczywistego obrotu Ziemi wokół chwilowej osi obrotu, która łączy chwilowe bieguny geograficzne. W latach 1988-2002 oś chwilowa była utożsamiana z osią bieguna CEP, od roku 2003 jest utożsamiana z osią bieguna CIP.
  • UT2 - czas uniwersalny quasi-jednostajny — średni czas słoneczny chwilowego południka Greenwich uwolniony od sezonowych nieregularności ruchu obrotowego Ziemi. Quasi-jednostajny czas uniwersalny można było uważać za kątową miarę „uśrednionego" obrotu Ziemi wokół chwilowej osi obrotu.

Powyższe definicje reprezentacji systemów czasu uniwersalnego obowiązywały do 2003 roku. Zależności między tak zdefiniowanymi systemami czasu uniwersalnego można przedstawić za pomocą następujących wzorów:

UT1 = UT0 + Δλ

UT2 = UT0 + Δλ + ΔTs = UT1 + ΔTs

Poprawki Δλ = 1/15 (x'' sin λ0 + y'' cos λ0) tan φ0 oraz ΔTs = +0.022 sin(2πτ) - 0.012 cos(2πτ) - 0.006 sin(4πτ) + 0.007 cos(4πτ), reprezentują odpowiednio efekt ruchu bieguna oraz sezonowe nieregularności ruchu obrotowego Ziemi (τ oznacza ułamek roku).

 

Czas Uniwersalny Koordynowany

Czas Uniwersalny Koordynowany (UTC lub TUC) od 1964 roku stanowi podstawę czasu cywilnego (wcześniej czas cywilny opierał się na skali średniego czasu słonecznego Greenwich «GMT», zwanej również czasem uniwersalnym «UT»). Początkowo za utrzymywanie UTC odpowiedzialne było Międzynarodowe Biuro Czasu (BIH). Od 1988 roku UTC utrzymywane jest przez Sekcję Czasu BIPM w Paryżu. Lokalne realizacje UTC prowadzone są przez narodowe laboratoria czasu.

Skalą UTC jest skala czasu atomowego (TAI). UTC jest przedziałami jednostajny. Aby zapewnić jak najlepszą zgodność ze średnim czasem słonecznym na południku Greenwich, raz na pół roku dodawana jest, jeśli to konieczne, tzw. sekunda przestępna (leap second).

Pierwotnie skalę czasu koordynowanego utrzymywano w pobliżu aktualnej, przeciętnej wartości skali czasu uniwersalnego średniego UT1 (dopuszczalne odchylenie 5 × 10-9) zachowując różnicę obu czasów w granicach 0.1 sekundy. Zmiany wprowadzano skokami zmieniając częstotliwości wzorców. Od stycznia 1972 roku zaniechano jednak zmian częstotliwości wzorcowych UTC i zwiększono tolerancje różnic UT1 – UTC. Wskazania UTC mogą obecnie odbiegać od UT1 o nie więcej niż 1 sekundę i różnić się od jednoczesnych wskazań Międzynarodowego Czasu Atomowego (TAI) o całkowitą liczbę sekund. Zmiany mające zapobiec większemu niż 1 sekunda oddaleniu czasu koordynowanego od czasu uniwersalnego są dokonywane poprzez dodanie sekundy przestępnej (leap second) 31 grudnia lub 30 czerwca. Wprowadzenie sekundy przestępnej jest każdorazowo ogłaszane w wydawanym przez IERS biuletynie C.

 

Czas strefowy

Kierując się względami praktycznymi, związanymi z posługiwaniem się czasem w życiu codziennym, na Konferencji Międzynarodowej w Washington D.C. w 1884 roku wprowadzono czas strefowy. Dokonano w tym celu podziału Ziemi na 24 południkowe strefy godzinne, każda o szerokości 15°. Granice stref dostosowano do wygody i życzenia mieszkańców poszczególnych regionów (w USA określono je dopiero w 1918 roku). Wewnątrz strefy obowiązuje jednolity czas strefowy. Południki strefowe przebiegające przez środek stref czasowych: 0°, 15°, 30°, . . ., w kierunku na wschód od Greenwich ponumerowano odpowiednio liczbami całkowitymi: 0, 1, 2, . . ., przypisując każdemu południkowi strefowemu odpowiednią liczbę ΔZ.

Czas strefowy (ZT) (Zonal Time) jest to czas koordynowany (atomowy) południków strefowych. ZT jest przesunięty względem UTC (do 1964 roku względem czasu astronomicznego obrotowego GMT lub UT) o całkowitą (w większości wypadków) liczbę ΔZ godzin, tj.

ZT = UTC + ΔZ

Poszczególne kraje opierają rachubę swego czasu urzędowego przeważnie na najbliższym południku strefowym. W Polsce podstawowym czasem urzędowym jest czas środkowoeuropejski (CSE), czyli czas południka oddalonego o 15° na wschód od Greenwich (jest to w przybliżeniu południk Zgorzelca). W innych państwach ustalony czas urzędowy obowiązuje nierzadko na obszarze kilku stref czasowych lub bywa przesunięty od odpowiedniego czasu strefowego o 30 lub 15 minut. W niektórych krajach w okresie letnim jest wprowadzany tzw. czas letni. Przy przechodzeniu z czasu zimowego na letni wskazówki zegarów są przesuwane o 1 godzinę do przodu, a przy powrocie na czas zimowy są o 1 godzinę cofane. W Polsce czas letni (czyli czas wschodnioeuropejski - czas południka 30°E) obowiązywał od wiosny do jesieni w latach 1946-1949 i 1957-1964, a począwszy od 1977 roku jest wprowadzany corocznie. Relacja między letnim i zimowym czasem urzędowym w Polsce a Czasem Uniwersalnym Koordynowanym przedstawia się następująco:

czas letni = czas wschodnioeuropejski = UTC + 2h

czas zimowy = czas środkowoeuropejski (CSE) = UTC + 1h

Zestawienie okresów, w których obowiązywał w Polsce czas letni.

W zagadnieniach, w których nie jest wymagana lepsza od 1 sekundy dokładność rejestracji czasu, czas środkowoeuropejski koordynowany można utożsamiać ze średnim słonecznym czasem środkowoeuropejskim. W przypadkach jednak, w których są wyższe wymagania dokładności rejestracji czasu, np. przy precyzyjnych wyznaczeniach astronomicznych azymutu, należy rozróżnić skale czasu koordynowanego (atomowego) od skali czasu obrotowego.