Текст книги "Гринвичское время и открытие долготы"

Автор книги: Дерек Хауз

сообщить о нарушении

Текущая страница: 12 (всего у книги 15 страниц)

Атомные часы

Покончить с одним из недостатков эфемеридного времени – его недоступностью – помогли атомные часы. Первый действующий комплект системы атомных часов был разработан в Национальном бюро стандартов США (Вашингтон) Гарольдом Лайонсом и его коллегами в 1948-1949 гг. с использованием для стабилизации кварцевого генератора спектральной линии поглощения аммиака. 12 августа 1948 г. атомные часы начали действовать в качестве эталона частоты. Вскоре после этого внимание привлек другой химический элемент – цезий. Самая первая конструкция цезиевого эталона, связанная с именами Шервуда, Захариаса и особенно Рамзея, была предложена в США. Но регулярное использование цезиевого лучевого эталона, сконструированного Эссеном и Парри, началось в Национальной физической лаборатории в Англии. В июне 1955 г., когда было принято решение использовать эфемеридную секунду в качестве фундаментальной единицы времени, цезиевый эталон применили для калибровки кварцевых часов и в качестве эталона частоты. Затем в течение последующих нескольких лет лабораторные цезиевые стандарты появились в Боулдере (Колорадо), в Оттаве и Нойшателе [5].

73. Спусковой механизм Шеперда

Даже самые первые экземпляры атомных часов обладали в сотни раз большей долговременной стабильностью, чем кварцевые эталоны. Кроме того, они не были подвержены плавному изменению хода, который происходит в кварцевых генераторах из-за «старения» кристалла кварца. По этим причинам атомные часы обеспечили высокостабильную шкалу времени очень высокой точности (по крайней мере в десятки раз превышающую точность других хранителей времени), почти мгновенно доступную. Но прошло еще немало лет, прежде чем эти преимущества были реализованы. Только последние экземпляры цезиевых лучевых эталонов имеют такую же кратковременную стабильность, какую показывают кварцевые часы.

Все часы должны быть отрегулированы таким образом, чтобы они имели одинаковый ход, т.е. одинаково «хранили время», а также показывали одинаковое время. Новые атомные часы не были исключением, и первой задачей явилась их калибровка по работающим стандартным образцам, другими словами, шкалу атомного времени нужно было привести в определенное соответствие с астрономической шкалой времени. За период 1955-1958 гг. атомные часы Англии и США были откалиброваны по астрономическим шкалам времени Хёрстмонсо и Вашингтона. Первая атомная шкала времени, известная как GA (Greenwich atomic – гринвичская атомная), основывалась сначала на цезиевом эталоне Национальной физической лаборатории, согласованном с эфемеридным временем.

74. Устройство вторичных часов

С 1959 г. всемирное распространение получила шкала времени AJ обсерватории ВМС США. Ее начальная эпоха (дата) была установлена так, чтобы атомное время и UT2 были одинаковыми в полночь на 1 января 1958 г. Атомная секунда была определена на основе резонанса в атоме цезия. В 1964 г. атомная секунда была признана в международном масштабе как средство реализации эфемеридной секунды. В 1967 г. на 13-й Всемирной конференции мер и весов в Париже от астрономического определения секунды отказались и в качестве фундаментальной единицы времени в Международной системе единиц СИ приняли атомную секунду:

Единицей времени в Международной системе единиц должна быть секунда, определяемая следующим образом: секунда есть продолжительность 9192631770 периодов излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими подуровнями основного состояния атома цезия – 133 [6].

Благодаря тому что атомные часы стали применяться во многих странах мира, а их шкалы времени с помощью радиосигналов и другими способами могли сравниваться с точностью до 1 мкс (микросекунда=10-6 с) и выше, появилась возможность создания международных «усредненных часов» высокой точности, основанных на большом количестве независимых показаний всех атомных часов, идущих с исключительной равномерностью. Расхождение в ходе этих часов за год не превышало нескольких микросекунд, тогда как шкалы времени, задаваемые ими, уклонялись от шкалы, основанной на вращении Земли, более чем на секунду в год.

75. Взаимодействие часов со свободным маятником и вторичных часов

Международное бюро времени, координирующее с 1919 г. хранение времени в международном масштабе, сформировало вслед за США собственную шкалу атомного времени А3, основанную на трех независимых эталонах Англии, Швейцарии и США с начальной эпохой 1 января 1958 г. Шкала А3 официально была принята в 1971 г. и получила название шкалы Международного атомного времени TAI. Но и 21 год спустя, к 1 января 1979 г., равноправно существовали две шкалы: TAI (основанная на скорости вращения Земли в XIX в.) и итг (основанная на вращении Земли за период 1958-1979 гг.), опережающая TAI приблизительно на 17с.

Координация сигналов времени

А теперь снова вернемся к сигналам времени. В 1958 г. служба времени Англии ввела новую шкалу, позднее названную шкалой координированного всемирного времени (UTC), сигналы времени которой не должны были отличаться более чем на 0,1 с от UT₂. Это достигалось путем небольшого скачкообразного изменения («сдвига») частоты атомных часов, генерирующих сигналы времени, которое заставляло атомное время приблизиться к UT₂ (в 1960-х гг. его нужно было уменьшить). Величина сдвига принималась на весь календарный год, но благодаря возможности предсказывать изменения в скорости вращения Земли скачкообразная коррекция проводилась каждый месяц, чтобы сохранять уклонение UTC от UT₂ в пределах 0,1 с. Полное соответствие между службами времени Англии и США было достигнуто в 1961 г.: были синхронизованы сигналы времени и проведены годовые сдвиги и месячные скачкообразные коррекции. В 1963 г. эта система Англии и США распространилась по всему миру и была взята под контроль МБВ в Париже; тогда-то она и получила наименование UTC [7].

76. Кварцевые часы

Однако расширение и усложнение систем спутниковой и других видов электронной связи, а также навигационных систем породило новые большие практические трудности. Работа этих систем зависит от степени синхронизации как самих радиосигналов, так и частот. Скачкообразная коррекция и подстройка частоты приводили ко многим неудобствам. На фоне этого факт, что секунда радиосигналов времени не соответствовала узаконенной секунде, воспринимался скорее как неэстетическая деталь, нежели как реальное препятствие.

Дополнительная секунда

После всестороннего обсуждения на всех уровнях, государственных и международном, в эталонную систему сигналов времени были внесены существенные изменения. С 1 января 1972 г. сигналы времени стали точно соответствовать атомным секундам, отсчет времени по новой шкале UTC был установлен со сдвигом – 10 мин относительно шкалы TAI. Эта система передач точного времени действует и по сей день.

Было принято соглашение, согласно которому уклонение новой системы не должно превышать 0,7 с (позднее этот допуск увеличили до 0,9 с) от шкалы времени UT₁ используемой в навигации и астрономии. Достигается это путем коррекции часов в последний день календарного месяца, предпочтительно 31 декабря или 30 июня, при этом часы переводятся вперед или назад точно на 1 с, называемую «дополнительной секундой». Это аналогично процедуре, производимой раз в четыре года, когда к февралю високосного года добавляется один дополнительный день, поскольку год не содержит целого количества суток; точно так же добавляется или вычитается одна секунда, так как солнечные сутки не содержат целого числа атомных секунд.

77. Кварцевые часы. Это единственные кварцевые часы, которые до сих пор работают в Гринвичской обсерватории. Они содержат линзообразный (AT-среза) кристалл и генерируют сигналы с частотой 2,5 МГц. Это один экземпляр из той пары часов, которые были закуплены в США в 1964 г., после того как они прошли испытания в Морской обсерватории США (Гринвичская обсерватория.)

Таким образом, международные сигналы времени и частоты, передаваемые, например, определенными станциями в Англии и США, точно соответствуют шкале атомного времени без перерывов и каких-либо изменений на протяжении года. В тот же момент, когда добавляется дополнительная секунда (она может быть и положительной, и отрицательной), происходит лишь изменение нумерации секундных отметок. Поэтому, чтобы произвести, например, коррекцию 31 декабря добавлением «положительной» секунды, необходимую вследствие того, что UTC слишком далеко уклонилось от UT₁, последнюю «минуту» года увеличивают до 61 с. Для проведения коррекции «отрицательной» секундой последнюю «минуту» уменьшают до 59 с. Для тех, кому необходимо более точное знание UT₁ (например, навигаторам и астрономам), на основные временные и частотные сигналы накладывают определенный код, указывающий число десятых долей секунды, на которое в данный день UTC уклонилось от UT₁.

Эталонные сигналы времени, координируемые МБВ в Париже, базируются на всемирных «средних часах», расчетные значения которых получаются путем усреднения информации почти восьмидесяти атомных часов, принадлежащих двадцати четырем странам мира. Участвовать в этой операции могут пока лишь те страны, которые находятся в сфере действия радионавигационной системы «Лоран-С», но в будущем системы спутниковой навигации позволят сравнивать между собой показания большего количества часов. Момент, когда должна производиться коррекция UTC, т.е. вводиться дополнительная секунда, устанавливает МБВ. В 1972 г. уклонение UTC от TAI составило точно 10 с. К 1 января 1979 г. было добавлено еще 8 дополнительных секунд, и поэтому уклонение UTC от TAI увеличилось до 18с.

С началом передач сигналов времени в 1972 г. в новой шкале UTC, связанной со шкалой атомного времени TAI, вместо старой UTC, основанной на шкале среднего солнечного времени UT₂ (которую многие неспециалисты продолжают называть GMT), возникли новые разногласия, связанные с терминологией шкал времени. Конечно, новая шкала времени по-прежнему основывалась на гринвичском меридиане, но ее уже нельзя было назвать шкалой среднего солнечного времени, основанной на меридиане Гринвича (т. е. GMT), хотя она никогда не уклонялась более чем на 0,9 с от последней. В самом деле, в настоящее время даже гринвичский меридиан уже не точно совпадает с тем, который проходил через «центр пассажного инструмента обсерватории в Гринвиче». И хотя этот инструмент до сих пор существует, наблюдения на нем не проводятся; сегодня начальный меридиан долготы и времени не зафиксирован точно каким-либо вещественным образом, а его положение определяется статистически на основании результатов наблюдений всех определяющих время станций, учитываемых МБВ при координировании эталонных сигналов времени. Но все же старый меридиан, изображенный латунной полоской во дворе старой обсерватории, находится не более чем в нескольких метрах от воображаемой линии, задающей нулевой меридиан земного шара.

78. Цезиевый лучевой эталон частоты в Хёрстмонсо, 1974 г. Изготовлен фирмой 'Хьюлетт-Паккард', тип 5060 А. (Гринвичская обсерватория.)

Хотя термин GMT в астрономии сейчас не применяется, им продолжают пользоваться в навигации, для многих гражданских целей, а также в качестве названия декретного времени во многих странах мира. Но даже эти страны, и особенно Франция, в последнее время стали противиться применению GMT. В 1975 г. 15-я Всемирная конференция мер и весов рекомендовала пользоваться сигналами времени новой шкалы UTC, a в будущем принять эту шкалу как основу декретного времени [8], заменив ею GMT, так как изменения UTC, произведенные в 1972 г., сделали шкалу GMT неопределенной [9]. Франция и Испания уже приняли соответствующие законодательные меры; в период написания настоящей книги к этому готовились Нидерланды, Швейцария и ФРГ. 9 августа 1978 г. во Франции был отменен закон от 1911 г. (который гласил, что декретное время во Франции это парижское среднее время, задержанное на 9 мин 21 с), и на всей территории страны было утверждено время, которое в дальнейшем будет определяться посредством добавления к UTC или вычитания из него определенного количества часов и которое может быть увеличено или уменьшено на некоторых отрезках года путем введения летнего времени; GMT в будущем предлагалось не употреблять [10].

Так как к 1978 г. была добавлена одна дополнительная секунда, казалось бы, можно подумать, что 1978 г. стал длиннее предыдущего года. Это, конечно, не так. Хорошо известно, что продолжительность года уменьшается только на полсекунды за столетие. На самом деле длиннее стали сутки – всемирные сутки (час, минута и секунда). Поэтому сутки 365-дневного 1978 г. стали длиннее на одну секунду суток 365-дневного года XIX в., принятого за основу для сигналов времени. Одна дополнительная секунда была добавлена к 1978 г. для того, чтобы по крайней мере в первом полугодии 1979 г. полуденный сигнал точного времени не расходился более чем на 0,9 с с истинным полуднем, определяемым расположением звезд.

79. Схема цезиевой лучевой трубки 'Хронорама' (Эбоше, Швейцария)

Невозможно предсказать заранее, как будет меняться скорость вращения Земли в ближайшие десятилетия. Сейчас Земля замедляет свое вращение значительно быстрее, чем в прошедшие три столетия. Но вполне возможно, что эта тенденция изменится и, скажем, в 1990-х гг. придется отменить введение дополнительной (положительной) секунды или даже ввести отрицательную дополнительную секунду. Тем не менее в будущем – возможно, в ближайшие десятки, сотни, или тысячи лет – два или даже три раза в год придется вводить положительную дополнительную секунду, если мы будем продолжать основывать нашу шкалу времени на средней продолжительности суток в XIX в. Что касается более отдаленного будущего, то эффект замедления вращения Земли – через несколько миллионов лет в году останется только 365 суток, а не 365 1/4., как сейчас, – приведет к ликвидации дополнительных високосных суток (но не дополнительных секунд).

Заключение

В этой книге мы рассказали о том, как три столетия назад, когда была основана Гринвичская обсерватория, с гринвичским временем соприкасались только один астроном и его помощник; как в 1760-х гг. издание «Морского альманаха» и изобретение морского хронометра предопределило то, что гринвичский меридиан и гринвичское время стали использоваться моряками всех стран. Далее мы узнали о том, как расширение применения часов на суше, когда каждая определенная территория имела свое местное время, привело к отмене истинного, или «солнечного», времени и замене его средним, или «часовым», временем; как несколько позднее развитие железнодорожного транспорта заставило отказаться от местного времени и перейти к национальному, или «железнодорожному», времени; как к 1884 г. расширение международных связей потребовало интернационального, или «всемирного», времени и именно гринвичское время было выбрано в качестве такового для использования на суше и на море, и, наконец, о том, как появление в 1940-х гг. кварцевых и в 1950-х гг. атомных часов (последние точнее маятниковых часов Флемстида фактически в 8 млн. раз) привело к введению атомного времени и отказу от использования неравномерно вращающейся Земли в качестве хранителя времени.

Ныне сигналы времени в Англии уже не рождаются в самом Гринвиче. Эталонное время теперь координируется Парижем (и называется всемирным). Сегодняшнее время поистине всемирно, так как оно основывается на показаниях часов, имеющихся в распоряжении двадцати четырех стран. Но тем не менее нулевой меридиан, по которому ведется отсчет долготы и времени на всем земном шаре, проходит через старую Гринвичскую обсерваторию. И хотя эталонные сигналы времени (а в некоторых странах и декретное время) основываются сегодня не на GMT, а на шкале UTC, последняя не должна уклоняться от GMT более чем на одну секунду.

Приложения

I. Определение долготы

Разность долгот любых пунктов на земной поверхности точно равняется разности значений местного времени в этих пунктах. Эта устойчивая связь и заставила нас дать книге, повествующей главным образом о времени, подзаголовок «определение долготы». Более того, до недавних пор многие из самых важных открытий, связанных с измерением времени, своим появлением были обязаны необходимости определять долготу в открытом море. Цель этого приложения, которое рекомендуется читать вместе с гл. 1, рассказывающей об истории вопроса, – наглядно показать эту связь времени и долготы.

В первой главе мы говорили о том, что географическое местонахождение характеризовалось широтой и долготой, по крайней мере, со времен Птолемея, жившего во II в. н.э. Определять широту люди умели еще в древние времена путем проведения определенных измерений высоты Солнца в полдень. Сначала с этой целью измеряли тень от гномона известной высоты, в дальнейшем применяли более сложные инструменты, используемые поначалу на суше, а с XV в. и в открытом море. Широту можно найти также, измеряя высоту Полярной звезды над горизонтом с учетом того, что эта звезда находится не точно в северном полюсе небесной сферы (который в северных широтах расположен выше горизонта на величину, точно равную искомой широте).

Практический метод определения долготы, однако, был найден всего лишь несколько столетий назад. Тем не менее теоретическое решение этой задачи довольно просто и было известно еще Гиппарху. Когда Солнце проходит через ваш меридиан над горизонтом, т.е. для вас – допустим, вы находитесь в пункте G, – наступает полдень, то для человека, находящегося в пункте А, отстоящего на 90° к западу от G, будет только 6 ч утра (в дни равноденствия это – восход Солнца), а для того, кто находится в пункте В, на 45° западнее G, будет 9 ч утра. Соответственно в пункте С, отстоящем на 45° к востоку, будет 15 ч, а в пункте D, расположенном на 90е к востоку, – 18 ч. Часом позже в G будет 13ч, в А – 7 ч, в В – 10 ч, в С – 16 ч и в D – 19 ч. Несмотря на то что время изменяется, разности значений времени остаются теми же и определяются разностями долгот в этих точках. Очевидно, Гиппарх выражал разность долгот в единицах времени, т.е. в количестве часов к востоку или западу; сегодня мы выражаем эту разность в единицах дуги, т. е. в определенном количестве угловых градусов, минут и секунд к западу или востоку. Время и градусы дуги в нашей книге полностью взаимосвязаны: 24 ч соответствует 360°, 12 ч – 180°, 1 ч – 15° и 4 мин – Г. Поэтому, если вы знаете, что у вас сейчас 9 ч, а у человека, находящегося в пункте Е, только 7 ч, значит, разность между этими точками будет 2 ч, или 30°, а так как в Е более ранний час, чем в G (и так как Солнце движется с востока на запад), это означает, что точка Е находится западнее G на 30°.

Но каким образом человек, находящийся в G, узнает время, скажем, в пункте Е, расположенном более чем за тысячу километров к западу от него. Для этого можно, например, перевезти из одного пункта в другой какой-либо хранитель времени, но этот метод получил распространение лишь в XVIII в. Другой метод заключается в регистрации момента наступления какого-нибудь явления, которое можно видеть из обоих пунктов одновременно и, сравнивая значения времени, зарегистрированные в двух пунктах, определить разность долгот. Тонкость этого способа заключается в том, что момент, в который должно произойти явление в некотором выбранном месте (скажем, в Гринвиче), должен быть предсказан; тогда разность долгот можно найти непосредственно, измеряя только местное время наблюдаемого явления и не ожидая сравнения точно измеренных значений времени в двух пунктах.

Измерение долготы по лунному затмению

Как мы уже видели ранее, Гиппарх предложил использовать в качестве наблюдаемого явления затмения Луны. В это время Солнце, Земля и Луна располагаются точно на одной прямой, а тень Земли пересекает лунную поверхность, причем это явление наблюдается точно в один и тот же момент в любой точке на поверхности Земли. Птолемей рекомендовал этот метод для определения долготы на суше (хотя он привел только один пример такого определения), но не указал, каким образом можно определить местное время наблюдаемого явления. В это время Солнце должно быть ниже горизонта, поэтому нельзя непосредственно применить солнечные часы; необходимы другие хранители времени – такие, как водяные или песочные часы. Что при этом имел в виду Птоломей, остается загадкой. Считал ли он, что для этого нужно было воспользоваться положением звезд или измерением позиционного угла Большой или Малой Медведицы по отношению к Полярной звезде (что делалось при помощи пассажного инструмента, изобретенного более тысячи лет назад), или измерением высоты и определением времени с помощью некой плоскосферической астролябии, или использованием тени полной Луны так, чтобы в середине затмения Луна находилась точно против Солнца? Испанцы в 1582 г. для определения долготы в Вест-Индии предлагали устанавливать на суше вертикальный гномон высотой в треть ядра (~ 0,3 м); длина его тени от Солнца, когда накануне лунного затмения (или днем позже) она оказывается самой короткой, даст широту, а направление и длина лунной тени в начале или конце затмения укажет (после сложных расчетов, которые обычно выполнялись уже по возвращении в Испанию) долготу. Сохранилось несколько отчетов, содержащих результаты, полученные с помощью этого элегантного метода, примененного при наблюдении затмений 1584 г. Так, расчетное положение Каза Риал в Мехико получилось всего лишь на 21 км южнее и на 23 км западнее истинного-замечательный результат, даже если принять в расчет большой элемент случайности [1].

Определение долготы по методу лунного расстояния

В истории определения долготы не происходило ничего примечательного вплоть до 1514 г., когда, как мы уже видели в гл. 1, Иоганн Вернер описал метод лунных расстояний, который впервые породил надежду, что удастся определить долготу в море. В течение месяца Луна совершает один полный оборот вокруг Земли с запада на восток – в направлении, противоположном движению звезд. Она проходит приблизительно 0,5°, или путь, равный ее диаметру, за 1 ч. Это относительно быстрое движение Луны и навело Вернера на мысль использовать Луну как гигантские небесные часы, где сама Луна будет служить часовой стрелкой, а зодиакальные звезды-цифрами циферблата. Наблюдатель, находящийся на Земле, каждую ночь видит, как звезды движутся по небесному своду с востока на запад со скоростью более чем 15° в час, тогда как Луна за то же время проходит около 14,5°. Таким образом, Луна отстает от звезд на 0,5° в час, поэтому зодиакальная звезда, опережающая Луну, скажем, на 40° в 22.00, в полночь будет находиться впереди нее на 41° (так как Луна пройдет за это время 29°, а звезда 30°). Вернер предположил, что в определенный момент «лунное расстояние» между зодиакальной звездой и Луной должно быть одинаковым для любого наблюдателя, в какой бы географической точке он ни находился, поэтому изменение лунного расстояния можно использовать для измерения времени на некотором данном, меридиане (впредь мы будем принимать за него, например, гринвичский). Этим же методом можно воспользоваться и для определения долготы, сравнивая предсказанные расстояния Луны по отношению к звездам, и действительные расстояния, измеренные навигатором с необходимой степенью точности.

Предположение Вернера о том, что положение Луны на небе не зависит от географического положения наблюдателя, ошибочно. Штурману обычно приходилось прибегать к довольно утомительным арифметическим вычислениям, чтобы учесть параллакс и различные рефракционные эффекты, влияющие на видимые положения двух небесных тел, имеющих разные высоты. Теоретически метод Вернера был обоснован, хотя для выполнения практической работы требовались следующие условия: знание точных положений звезд относительно друг друга; возможность заранее предсказывать положение Луны по отношению к звездам (эти предсказанные положения штурман должен иметь перед отправлением в плавание, которое может продолжаться несколько лет), а также инструмент для проведения наблюдений с требуемой степенью точности. Прошло 250 лет, прежде чем эти требования удалось удовлетворить.

Возможность практического применения метода лунных расстояний была получена в 1760-х гг., когда с публикацией «Морского альманаха» было обеспечено выполнение первых двух условий. В альманахе приводились таблицы расстояний от Луны до Солнца и некоторых зодиакальных звезд на каждые три часа для всего года. Третье условие было выполнено с изобретением секстанта. Короче говоря, при использовании метода лунных расстояний было необходимо произвести три одновременных или почти одновременных наблюдения: углового расстояния между Луной и звездой или Солнцем, высоты Луны и высоты звезды или Солнца; время при этом должно было отсчитываться по самым совершенным из имевшихся в то время часам. Этот метод успешно мог применяться при полностью видимом горизонте (в дневное время или в сумерки), но это условие было не столь существенно, так как при наблюдениях высот не требовалась слишком высокая точность – достаточно было просто хоть как-то видеть горизонт. Наблюдения и обработка результатов производились следующим образом.

А. Определение местного времени в наблюдательном пункте путем измерения высоты Солнца или звезды, лучше всего в тот же самый момент, когда измерялось лунное расстояние. Если же горизонт был закрыт, можно было воспользоваться значением высоты, определенной накануне вечером или на следующее утро, учитывая при этом сдвиг во времени. Местное время относительно просто определялось путем расчетов с применением сферической тригонометрии.

Б. Определение лунного расстояния с учетом эффектов параллакса и рефракции. Для этого существовали таблицы, но вычисления были довольно трудоемкими. В результате получали исправленное расстояние между центром Луны и центром Солнца или звезды, такое, каким его можно было бы видеть из центра Земли. Для получения этих данных и были составлены таблицы «Морского альманаха».

В. Определение гринвичского времени из наблюдений. С помощью таблиц альманаха производилась интерполяция исправленного лунного расстояния, полученного на этапе Б. Так, примерно в 04.30 астрономического времени (16.30 гражданского) 4 октября 1772 г. Уильям Уэйлс, астроном, принимавший участие в экспедиции капитана Кука по Южной Атлантике на корабле «Резолюшн», произвел по пути от Плимута к мысу Доброй Надежды четыре последовательных измерения лунных расстояний. Он наблюдал лимбы (края) Солнца и Луны и после усреднения отсчетов получил лунное расстояние 102° 26'55". Исправленное лунное расстояние (этап Б) равнялось 102°36'08". Затем после интерполирования по «Морскому альманаху», где были приведены данные для 6 и 9 ч (для Солнца на 4 октября, см. рис. 17) было определено гринвичское время наблюде-ния-6 ч 23 мин 39 с (См. статьи Комитета долготы (RGO MSS), vol. 53, f. 46, где приведены эти и другие наблюдения лунных расстояний Уэйлса за 1772 г. Описание дано в книге в виде рукописи, отпечатанной шрифтом, предложенным Маскелайном).

Г. Определение долготы по разности местного времени, найденного на этапе А, и гринвичского времени, найденного на этапе В. Таким образом, для нашего случая получаем:

что соответствует 29° 11' з. д.

(Чтобы определить, получилась ли при этом восточная или западная долгота, можно воспользоваться следующим указанием: «восточная долгота-если гринвичское время меньше; западная долгота – если гринвичское время больше». Пример воспроизведен с полной числовой точностью, но ошибка измерения лунного расстояния в 10" соответствует ошибке около 5' в долготе.)

Определение долготы по затмениям спутников Юпитера

Изобретение телескопа в самом начале XVII в. позволило обнаружить четыре ярких спутника Юпитера. Подобно нашей Луне они при вхождении в тень планеты периодически затмевались. Галилей заметил, что если бы эти затмения можно было заранее предсказывать и точно отмечать их время, то они могли бы использоваться для определения долготы таким же образом, как это делается по затмениям Луны. Этот метод имеет дополнительное преимущество, поскольку затмения спутников Юпитера происходят гораздо чаще, а время наблюдения их много короче. Указанный метод стал интенсивно применяться для наблюдений на суше, но не нашел применения в море из-за трудностей наблюдения. В «Морском альманахе» приводились таблицы с предвычисленными моментами затмений спутников Юпитера.

Определение долготы хронометрическим методом

Этот метод, как уже отмечалось в гл. 3, стал практически возможен во второй половине XVIII в. По своему основному принципу он аналогичен методу лунных расстояний, за исключением того, что при хронометрическом методе для определения местного времени в наблюдательном пункте необходимо измерять только одну высоту небесного тела, что значительно упрощает процесс вычислений и одновременно увеличивает точность.

II. Определение времени астрономическими методами

Для астрономических целей основным является определение точного момента среднего полудня, т.е. того момента, когда среднее солнце находится в самой высокой точке небесной сферы, или кульминирует. В этот момент оно, будучи над горизонтом, пересекает меридиан наблюдателя. Интервал между двумя последовательными прохождениями средним солнцем одного и того же меридиана-это и есть средние солнечные сутки, которые можно поделить на часы, минуты и секунды с помощью какого-либо хранителя времени, например солнечных или механических часов. Среднее солнце – это фиктивное тело, принятое астрономами еще в эллинские времена, когда стало ясно, что Солнце не является совершенным хранителем времени, так как иногда оно движется немного быстрее, иногда – медленнее. Конечно, до того как были изготовлены точные часы – а это произошло всего несколько сотен лет назад, – понятие среднего солнечного времени интересовало только астрономов. В повседневной жизни пользовались истинным Солнцем – его восходом, кульминацией, заходом, – которое определяло время суток, и применяли солнечные часы, показывающие истинное солнечное время.

В этом приложении мы рассматриваем астрономические методы и поэтому будем пользоваться понятием не истинного, а среднего времени. Будучи фиктивной точкой, среднее солнце движется по небесному экватору с постоянной скоростью (тогда как истинное солнце на протяжении года движется по эклиптике неравномерно); момент среднего полудня не может быть определен непосредственно, а только путем наблюдений некоторого реального тела, в качестве которого с древних времен использовалось истинное Солнце. Момент среднего полудня можно получить с помощью уравнения времени (см. рис. 10), выражающего разность между средним и истинным солнечным временем на любой момент. Величина уравнения времени меняется в течение года в зависимости от уклонения Солнца на север или юг от небесного экватора и от расстояния между Солнцем и Землей в определенный день года. Каждый год 4 ноября, например, истинное Солнце пересекает меридиан приблизительно на 16 мин раньше наступления полудня, тогда как 2 сентября уравнение времени равняется нулю, т.е. среднее и истинное времена совпадают.