Geodezja i geodynamika

Historia pojęć i procedur transformacji między ziemskim i niebieskim systemem odniesienia

Niebieski system pośredni związany z chwilową osią obrotu

Do 1980 roku rolę „równika obserwacyjnego” odgrywał równik tzw. międzynarodowego umownego średniego bieguna północnego Ziemi CIO* zdefiniowanego przez szerokości astronomiczne 5 obserwatoriów uczestniczących w Międzynarodowej Służbie Szerokości (ILS), umieszczonych na równoleżniku 39° 09'. „Zerowemu południkowi obserwacyjnemu" odpowiadał średni południk Greenwich, zdefiniowany przez długości astronomiczne około 50 obserwatoriów uczestniczących w programie Międzynarodowego Biura Czasu (BIH). Tak zdefiniowany równik CIO i „zerowy południk obserwacyjny” określały kierunki osi konwencjonalnego systemu ziemskiego CTS (od 1967 roku — GRS67).

„Równikowi pośredniemu” odpowiadał równik chwilowy, którego oś stanowiła chwilowa oś obrotu Ziemi, zaś chwilowy południk Greenwich służył jako „zerowy południk pośredni”.
Parametry ruchu bieguna wykorzystywane do przeprowadzenia bieguna CIO* w biegun chwilowy były dostarczane przez Międzynarodową Służbę Ruchu Bieguna (IPMS) (poprzedniczkę IERS).

Obrót systemu pośredniego odbywał się wokół chwilowej osi obrotu Ziemi o kąt równy prawdziwemu czasowi gwiazdowemu Greenwich GST (lub GAST) będącemu nieliniową funkcją czasu UT1. Przeprowadzał on system pośredni „ziemski" w system pośredni „niebieski", w którym była wyrażona pozycja pozorna, a po usunięciu wpływu aberracji rocznej i paralaksy rocznej, tzw. pozycja prawdziwa (barycentryczna). Uwzględnienie następnie nutacji prowadziło do transformacji do systemu niebieskiego, w którym była wyrażona tzw. pozycja średnia na epokę obserwacji, zaś uwzględnienie precesji wiązało się z kolejną transformacją systemu niebieskiego z epoki obserwacji do epoki katalogu fundamentalnego (FK4, a od 1984 r. FK5).

Niebieski Biegun Efemerydalny (CEP)

Opisana powyżej procedura transformacji systemu ziemskiego do niebieskiego uległa zasadniczym zmianom na skutek postępu w monitorowaniu ruchu obrotowego Ziemi oraz rozwoju teorii opisujących zjawiska precesji (model IAU1976) i nutacji (teoria nutacji IAU1980), odnoszących się do Niebieskiego Bieguna Efemerydalnego (CEP).

Równik określony przez bliski chwilowemu biegunowi Ziemi Niebieski Biegun Efemerydalny (CEP) zajął miejsce chwilowego równika jako „równika pośredniego”. Parametry położenia względem bieguna konwencjonalnego systemu ziemskiego dostarczane były nadal przez IPMS, a następnie od 1988 roku przez IERS.

CEP został zdefiniowany jako biegun pośredniego systemu odniesienia (pomiędzy systemami ziemskim i niebieskim), który rozdziela ruch bieguna ziemskiego systemu odniesienia na dwie części. Część niebieska dotyczyła ruchu CEP względem niebieskiego systemu odniesienia z uwzględnieniem wszystkich wyrazów długookresowych (precesja/nutacja wymuszona) i zawierała wyrazy o okresach dłuższych od 2 dób (tj. o częstotliwościach pomiędzy −0.5 i +0.5 cykli na dobę gwiazdową). Część ziemska dotyczyła ruchu CEP względem ziemskiego systemu odniesienia z uwzględnieniem wszystkich wyrazów długookresowych (ruch bieguna) i zawierała wyrazy o okresach dłuższych od 2 dób (tj. o częstotliwościach pomiędzy −0.5 i +0.5 cykli na dobę gwiazdową).

Miejsce chwilowego południka Greenwich jako „zerowego południka pośredniego” zajął chwilowy południk określony przez uwzględnienie poprawki z tytułu ruchu bieguna do południka Greenwich BIH konwencjonalnego systemu ziemskiego GRS80. Obrót systemu pośredniego odbywał się wokół osi CEP o kąt równy GST w odniesieniu do punktu równonocy wiosennej.
Rolę „równika obserwacyjnego” oraz „zerowego południka obserwacyjnego”, podobnie jak poprzednio, odgrywały równik CIO* i średni południk Greenwich BIH konwencjonalnego systemu ziemskiego.

Nieobracający się Punkt Początkowy (NRO)

Koncepcja Nieobracającego się Punktu Początkowego (NRO) wprowadziła nową, kinematyczną definicję punktu początkowego pośredniego systemu odniesienia. Dotychczasowa definicja położenia punktu równonocy wiosennej była definicją dynamiczną, wiązała go z położeniem ekliptyki Systemu Słonecznego. Koncepcja NRO jest oparta na założeniu braku względnego obrotu, wokół osi z, systemów: pośredniego (IRS) i niebieskiego GCRS. Realizacją koncepcji NRO było wprowadzenie nowego pojęcia punktu początkowego niebieskiego systemu pośredniego — Niebieskiego Punktu Początkowego (CEO).

Przyjęcie koncepcji NRO, zastępującego punkt równonocy wiosennej przez CEO pozwoliło również na zastąpienie prawdziwego czasu gwiazdowego (GST) przez nowy parametr nazwany Kątem Obrotu Ziemi (ERA). Obrót o wartość ERA przeprowadzał pośredni system ziemski w pośredni system niebieski.

Stosowanie w transformacji systemów nowych pojęć (CEO, ERA) było przy tym równoprawne i równoważne do stosowania tradycyjnych pojęć: punktu równonocy wiosennej oraz czasu gwiazdowego.

Niebieski Biegun Pośredni (CIP)

Kolejne zmiany w procedurze transformacji systemu ziemskiego do niebieskiego, w latach 1990–1999, zaszły w wyniku dalszego wzrostu dokładności teorii - do poziomu μas. Definicja CEP przestała być spójna z dokładnością współczesnych technik obserwacyjnych oraz teorii.

Pełniejsze wykorzystanie koncepcji Nieobracającego się Punktu Początkowego (NRO) posłużyło do sformułowania bardziej rozwiniętej definicji CEP - Pośredniego Bieguna Niebieskiego (CIP), a także zdefiniowania punktu początkowego dla długości w systemie ziemskim, któremu nadano nazwę Ziemskiego Efemerydalnego Punktu Początkowego (TEO). Opracowano również spójną z tymi definicjami nową, spójną teorię precesyjno–nutacyjną IAU2000, definicję CIP oraz definicje parametrów opisujących ruch bieguna Ziemi.

Parametry ruchu bieguna można obecnie - na podstawie obserwacji GPS i VLBI - wyznaczać z dokładnością lepszą od milisekundy łuku. Jednocześnie wyrazy o okresach dobowych i subdobowych, występujące zarówno w opisie nutacji jak i ruchu bieguna, dają się wyznaczyć z dokładnością mikrosekund łuku. Aby sprostać tak wysokim wymaganiom dokładnościowym, dotychczas stosowane w modelowaniu matematycznym rozgraniczenie pomiędzy nutacją swobodną i wymuszoną zostało zastąpione rozgraniczeniem uwzględniającym charakterystykę częstotliwościową składowych tych efektów.

Zgodnie z Rezolucją B1.7 IAU (Manchester, 2000) Pośredni Biegun Niebieski (CIP) rozdziela ruch bieguna ziemskiego systemu odniesienia w niebieskim systemie odniesienia na dwie części, z których jedna w postaci modelu matematycznego zawiera wyrazy precesyjne oraz cześć wyrazów nutacji wymuszonej, druga zaś: wyrazy nutacji swobodnej - wyznaczane przez IERS jako parametry ruchu bieguna, efekty pływów oceanicznych oraz pozostałe wyrazy nutacji wymuszonej. Część zawierająca wszystkie wyrazy o okresach dłuższych od 2 dób (tj. o częstotliwościach pomiędzy −0.5 i +0.5 cykli na dobę gwiazdową) została określona jako precesja/nutacja - ruch CIP względem systemu niebieskiego GCRS. Część zawierająca wszystkie wyrazy ruchu wstecznego spoza pasma dobowego (tj. o częstotliwościach mniejszych od −1.5 i większych od −0.5 cykli na dobę gwiazdową) została określona jako ruch bieguna - ruch CIP względem systemu ziemskiego ITRS.