Тропический год

редактировать
Период времени, в течение которого эклиптическая долгота Солнца увеличивается на 360 °

A тропический год (также известный как солнечный год ) - время, которое требуется Солнцу, чтобы вернуться в ту же позицию в цикле сезонов, как видно с Земли ; например, время от весеннего равноденствия до весеннего равноденствия или от летнего солнцестояния до летнего солнцестояния. Это отличается от времени, за которое Земля совершает полный оборот вокруг Солнца, измеренного относительно неподвижных звезд (звездный год ), примерно на 20 минут из-за прецессия равноденствий.

С древних времен астрономы постепенно уточняли определение тропического года. Запись «год, тропический» в онлайн-глоссарии астрономического альманаха (2015) указывает:

период времени, в течение которого эклиптическая долгота Солнца увеличивается на 360 градусов. Поскольку эклиптическая долгота Солнца измеряется по отношению к равноденствию, тропический год включает полный цикл сезонов, а его длина в долгосрочном плане приближается к гражданскому (григорианскому) календарю. Средний тропический год составляет примерно 365 дней, 5 часов, 48 минут, 45 секунд.

Эквивалентное, более информативное определение: «Естественной основой для вычисления уходящих тропических лет является средняя долгота Солнца, рассчитанная по прецессионному движению. равноденствие (динамическое равноденствие или равноденствие даты). Когда долгота кратна 360 градусам, среднее Солнце пересекает точку весеннего равноденствия и начинается новый тропический год »(Borkowski 1991, p. 122).

Средний тропический год в 2000 году составлял 365,24219 эфемеридных дней ; продолжительность каждого эфемеридного дня 86 400 секунд СИ. Это 365,24217 средних солнечных дней (Richards 2013, стр. 587).

Содержание

  • 1 История
    • 1.1 Происхождение
    • 1.2 Раннее значение, открытие прецессии
    • 1.3 Средние века и Возрождение
    • 1.4 18-е и 19-е века
    • 1,5 20-е и 21-е века
  • 2 Шкалы времени и календарь
  • 3 Продолжительность тропического года
    • 3.1 Средний интервал времени между равноденствиями
    • 3.2 Различные определения тропического года
    • 3.3 Текущее значение среднего тропического года
  • 4 Календарный год
  • 5 См. Также
  • 6 Примечания
  • 7 Ссылки
  • 8 Дополнительная литература

История

Происхождение

Слово «тропический» происходит от греческого tropikos означает "поворот" (тропик 1992). Таким образом, тропики Рака и Козерога отмечают крайние северные и южные широты, где Солнце может появляться прямо над головой и где оно, кажется, "поворачивается" в его годовое сезонное движение. Из-за этой связи между тропиками и сезонным циклом видимого положения Солнца слово «тропический» также дало название «тропическому году». Ранние китайцы, индуисты, греки и другие приблизительно измеряли тропический год.

Раннее значение, открытие прецессии

Во 2 веке до нашей эры Гиппарх измерил время, необходимое Солнцу, чтобы пройти от равноденствия до того же момента. снова равноденствие. Он подсчитал, что длина года составляет 1/300 дня меньше 365,25 дня (365 дней, 5 часов, 55 минут, 12 секунд или 365,24667 дней). Гиппарх использовал этот метод, потому что он был лучше способен определять время равноденствий по сравнению с временем солнцестояний (Meeus Savoie 1992, стр. 40).

Гиппарх также обнаружил, что точки равноденствия перемещаются вдоль эклиптики (плоскости орбиты Земли, или того, что Гиппарх счел бы плоскостью орбиты Солнца вокруг Земли) в направление, противоположное движению Солнца, явление, получившее название «прецессия равноденствий». Он рассчитал это значение как 1 ° за столетие, значение, которое не было улучшено до примерно 1000 лет спустя исламскими астрономами. После этого открытия было проведено различие между тропическим и сидерическим годом (Meeus Savoie 1992, стр. 40).

Средние века и Возрождение

В Средние века и Возрождение был опубликован ряд все более совершенных таблиц, которые позволяли вычислять положения Солнца, Луны и планет относительно неподвижных звезд. Важным применением этих таблиц была реформа календаря.

Таблицы Альфонсина, опубликованные в 1252 году, были основаны на теориях Птолемея и были пересмотрены и обновлены. после оригинальной публикации; самое последнее обновление в 1978 г. было сделано Французским национальным центром научных исследований. Продолжительность тропического года составила 365 солнечных дней 5 часов 49 минут 16 секунд (≈ 365,24255 дней). Эта длина была использована при разработке григорианского календаря 1582 года (Meeus Savoie 1992, стр. 41).

В 16 веке Коперник выдвинул гелиоцентрическую космологию. Эразм Рейнхольд использовал теорию Коперника для вычисления таблиц Прутеника в 1551 году и дал тропический год, равный 365 солнечных дней, 5 часов, 55 минут, 58 секунд (365,24720 дней), исходя из длины сидерический год и предполагаемая скорость прецессии. На самом деле это было менее точным, чем предыдущее значение таблиц Альфонсина.

Основные успехи в 17 веке сделали Иоганн Кеплер и Исаак Ньютон. В 1609 и 1619 годах Кеплер опубликовал свои три закона движения планет (McCarthy Seidelmann 2009, стр. 26). В 1627 году Кеплер использовал наблюдения Тихо Браге и Вальтера, чтобы составить наиболее точные таблицы того времени, Таблицы Рудольфина. Он оценил средний тропический год как 365 солнечных дней, 5 часов 48 минут 45 секунд (365,24219 дней; Meeus Savoie 1992, p. 41).

Три закона динамики Ньютона и теория гравитации были опубликованы в его Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica в 1687 году. Теоретические и математические достижения Ньютона повлияли на таблицы Эдмунда Галлея, опубликованные в 1693 и 1749 (McCarthy Seidelmann 2009, стр. 26–28) и послужили основой для всех моделей Солнечной системы до теории общей теории относительности Альберта Эйнштейна в 20 веке.

18 и 19 века

Со времен Гиппарха и Птолемея год определялся по двум равноденствиям (или двум солнцестояниям) с разницей в несколько лет, чтобы усреднить как ошибки наблюдений, так и периодические вариации (вызванные гравитационным притяжением планет и небольшим влиянием нутации на равноденствие). Эти эффекты стали понятны только во времена Ньютона. Чтобы смоделировать краткосрочные изменения времени между равноденствиями (и не допустить, чтобы они мешали усилиям по измерению долгосрочных изменений), требуются точные наблюдения и сложная теория видимого движения Солнца. Необходимые теории и математические инструменты появились в XVIII веке благодаря работам Пьера-Симона де Лапласа, Жозефа Луи Лагранжа и других специалистов в небесной механике <146.>. Они смогли вычислить периодические изменения и отделить их от постепенного среднего движения. Они могли выразить среднюю долготу Солнца в виде полинома:

L0= A 0 + A 1 T + A 2 T дней

где Т - время в юлианских веках. Производная этой формулы является выражением средней угловой скорости, а обратная ей величина дает выражение для продолжительности тропического года как линейной функции T.

В таблице приведены два уравнения. Оба уравнения показывают, что тропический год становится короче примерно на полсекунды каждое столетие.

Коэффициенты тропического года
ИмяУравнениеДата, когда T = 0
Леверье (Meeus Savoie 1992, стр. 42)Y = 365,24219647 - 6,24 × 10 T0,5 января 1900 г., эфемеридное время
Ньюкомб (1898)Y = 365,24219879 - 6,14 × 10 T0 января 1900 года, среднее время

Таблицы Ньюкома были достаточно точными, чтобы их использовать в совместном американо-британском астрономическом альманахе для Солнца, Меркурий, Венера и Марс до 1983 года (Seidelmann 1992, стр. 317).

20-й и 21-й века

Продолжительность среднего тропического года определяется на основе модели солнечной системы, поэтому любое усовершенствование, улучшающее модель солнечной системы, потенциально повышает точность среднего тропического года. Появилось много новых инструментов для наблюдений, в том числе

Сложность модели, используемой для солнечной системы, должна быть ограничена доступными вычислительными средствами. В 1920-х годах оборудование для перфокарт вошло в употребление Л. Дж. Комри в Великобритании. Для американских эфемерид, электромагнитного компьютера, с 1948 года использовался электронный калькулятор выборочной последовательности IBM. Когда стали доступны современные компьютеры, стало возможным вычислять эфемериды, используя численное интегрирование, а не общие теории ; численное интегрирование стало использоваться в 1984 году для совместных американо-британских альманахов (McCarthy Seidelmann 2009, стр. 32).

Общая теория относительности Альберта Эйнштейна предоставила более точную теорию, но точность теорий и наблюдений не требовала уточнения, обеспечиваемого этой теорией (за исключением продвижения перигелия Меркурия) до 1984 года. Шкалы времени включали общую теорию относительности, начиная с 1970-х годов (McCarthy Seidelmann 2009, стр. 37).

Ключевым достижением в понимании тропического года в течение длительных периодов времени стало открытие того факта, что скорость вращения Земли или, что эквивалентно, длина средних солнечных дней не является постоянный. Уильям Феррель в 1864 году и Шарль-Эжен Делоне в 1865 году предсказали, что вращение Земли замедляется приливами. Это можно было проверить наблюдением только в 1920-х годах с очень точными часами Shortt-Synchronome и позже в 1930-х годах, когда кварцевые часы начали заменять маятниковые часы в качестве эталонов времени (McCarthy Зайдельманн 2009, глава 9).

Шкалы времени и календарь

Кажущееся солнечное время - это время, показываемое солнечными часами, и определяется по видимому движению Солнца, вызванному вращением Земли. вокруг своей оси, а также вращение Земли вокруг Солнца. Среднее солнечное время скорректировано с учетом периодических изменений видимой скорости Солнца, когда Земля вращается по своей орбите. Наиболее важной такой шкалой времени является всемирное время, которое представляет собой среднее солнечное время на 0 градусах долготы (гринвичский меридиан ). Гражданское время основано на UT (фактически UTC ), а в гражданских календарях учитываются средние солнечные дни.

Однако вращение самой Земли нерегулярно и замедляется по отношению к более стабильным индикаторам времени: в частности, движению планет и атомным часам.

Эфемеридное время (ET) - это независимая переменная в уравнениях движения солнечной системы, в частности, в уравнениях из работы Ньюкомба, и это ET использовалось с 1960 по 1984 г. (McCarthy Зайдельманн 2009, с. 378). Эти эфемериды были основаны на наблюдениях, сделанных в солнечное время в течение нескольких столетий, и, как следствие, представляют собой среднюю солнечную секунду за этот период. SI секунда, определенная в атомном времени, была предназначена для согласования с эфемеридной секундой, основанной на работе Ньюкомба, что, в свою очередь, приводит ее в соответствие со средней солнечной секундой середины XIX века (McCarthy Зайдельманн 2009, стр. 81–2, 191–7). ЕТ, считаемое атомными часами, было дано новое имя, Земное время (TT), и для большинства целей ET = TT = Международное атомное время + 32,184 секунды СИ. Со времени начала наблюдений вращение Земли замедлилось, и средняя солнечная секунда выросла несколько больше, чем секунда в системе СИ. В результате временные шкалы TT и UT1 создают растущую разницу: величина, на которую TT опережает UT1, известна как ΔT или Delta T. По состоянию на январь 2017 года TT опережает UT1. на 69,184 секунды (Международная служба вращения Земли 2017 ; McCarthy Seidelmann 2009, стр. 86–7).

Как следствие, тропический год, следующий за сезонами на Земле, считая в солнечных днях UT, все больше не синхронизируется с выражениями для равноденствий в эфемеридах в TT.

Как поясняется ниже, долгосрочные оценки продолжительности тропического года использовались в связи с реформой юлианского календаря, в результате которой был создан григорианский календарь. Участники той реформы не знали о неравномерном вращении Земли, но теперь это можно в какой-то степени учесть. В таблице ниже приведены оценки Моррисона и Стивенсона (SM) 2004 и стандартные ошибки (σ) для ΔT в даты, важные в процессе разработки григорианского календаря.

СобытиеГодБлижайший год SMΔTσ
Начало по юлианскому календарю−4402h56m20s4m20s
Первый Никейский собор 3253002h8m2m
Начало григорианского календаря158216002m20s
экстраполяция с низкой точностью40004h13m
экстраполяция с низкой точностью10,0002d11h

Экстраполяции с низкой точностью вычисляются с выражение, предоставленное Morrison Stephenson (2004)

ΔT в секундах = -20 + 32t

, где t измеряется в юлианских веках с 1820 года. Экстраполяция предоставляется только для того, чтобы показать, что ΔT не может пренебречь при оценке календарь на длительный период; Борковский (1991, стр. 126) предупреждает, что «многие исследователи пытались подогнать параболу к измеренным значениям ΔT, чтобы определить величину замедления вращения Земли. Результаты, взятые вместе, довольно обескураживают ".

Продолжительность тропического года

Одно определение тропического года - это время, необходимое Солнцу, начиная с выбранной эклиптической долготы, чтобы совершить один полный цикл сезонов и вернуться к та же эклиптическая долгота.

Средний интервал времени между равноденствиями

Прежде чем рассматривать пример, необходимо рассмотреть равноденствие. В расчетах солнечной системы есть две важные плоскости: плоскость эклиптики (орбита Земли вокруг Солнца) и плоскость небесного экватора (проекция экватора Земли в космос). Эти две плоскости пересекаются по линии. Одно направление указывает на так называемое весеннее, северное или мартовское равноденствие, которое обозначается символом ♈︎ (символ выглядит как рога барана, потому что раньше он был направлен к созвездие Овен ). Противоположное направление обозначается символом ♎︎ (потому что раньше оно указывало на Весов ). Из-за прецессии равноденствий и нутации эти направления меняются по сравнению с направлением далеких звезд и галактик, чьи направления не имеют измеримого движения из-за их большого расстояния (см. Международная небесная система отсчета ).

эклиптическая долгота Солнца - это угол между ♈︎ и Солнцем, измеренный в восточном направлении по эклиптике. Это создает относительное, а не абсолютное измерение, потому что по мере движения Солнца направление, в котором измеряется угол, также изменяется. Удобно иметь фиксированное (относительно далеких звезд) направление для измерения; направление ♈︎ в полдень 1 января 2000 г. выполняет эту роль и обозначается символом ♈︎ 0.

20 марта 2009 г. было равноденствие, 11: 44: 43,6 TT. Равноденствие в марте 2010 г. было 20 марта 17:33: 18,1 TT, что дает интервал - и продолжительность тропического года - 365 дней 5 часов 48 минут 34,5 секунды (Astronomical Applications Dept., 2009). Пока Солнце движется, ♈︎ движется в противоположном направлении. Когда Солнце и встретились во время мартовского равноденствия 2010 г., Солнце переместилось на восток на 359 ° 59'09 ", а ♈︎ - на запад на 51", в сумме 360 ° (все относительно ♈︎ 0; Seidelmann 1992, стр.104, выражение для p A). Вот почему тропический год длится 20 мин. короче сидерического года.

При сравнении измерений тропических лет за несколько последовательных лет обнаруживаются вариации, которые вызваны возмущениями Луны и планет, действующих на Землю, а также нутацией. Meeus Savoie (1992, стр. 41) привели следующие примеры интервалов между мартовскими (северными) равноденствиями:

днейчасовминs
1985–198636554858
1986–198736554915
1987–198836554638
1988–198936554942
1989–199036555106

До начала XIX века продолжительность тропического года была найдено путем сравнения дат равноденствия, разделенных многими годами; этот подход дал средний тропический год (Meeus Savoie 1992, стр. 42).

Различные определения тропического года

Если выбрана другая начальная долгота Солнца, чем 0 ° (т. Е. Then), то продолжительность возврата Солнца к той же долготе будет другой. Это эффект второго порядка, обусловленный тем обстоятельством, что скорость Земли (и, наоборот, видимая скорость Солнца) изменяется по ее эллиптической орбите: быстрее в перигелии, медленнее в афелии.. Теперь точка равноденствия движется относительно перигелия (и оба движутся относительно неподвижной звездной системы отсчета). От одного прохода равноденствия к другому Солнце совершает не совсем полную эллиптическую орбиту. Сэкономленное время зависит от того, где оно начинается на орбите. Если начальная точка близка к перигелию (например, декабрьское солнцестояние), тогда скорость выше средней, и видимое Солнце экономит мало времени, поскольку ему не нужно проходить полный круг: «тропический год» сравнительно длинный. Если начальная точка близка к афелию, то скорость ниже, а время, сэкономленное из-за того, что не нужно проходить ту же маленькую дугу, которая прецессировала равноденствие, больше: этот тропический год сравнительно короткий.

Следующие значения интервалов времени между равноденствиями и солнцестояниями были предоставлены Meeus Savoie (1992, стр. 42) для 0 и 2000 года. сглаженные значения, учитывающие эллиптическую форму орбиты Земли с использованием хорошо известных процедур (включая решение уравнения Кеплера ). Они не принимают во внимание периодические изменения, вызванные такими факторами, как гравитационная сила вращающейся вокруг Луны и гравитационные силы других планет. Такие возмущения незначительны по сравнению с позиционной разницей, возникающей из-за того, что орбита является эллиптической, а не круговой. (Meeus 2002, p. 362)

Год 0Год 2000
Между два равноденствия в северном направлении 365,242137 дней365,242374 дня
между двумя северными солнцестояниями 365,241726365,241626
между двумя равноденствиями в южном направлении 365.242496365.242018
Между двумя южными солнцестояниями 365.242883365.242740
Средний тропический год. (выражение Ласкара)365,242310365,242189

Текущее значение среднего тропического года

Среднее значение тропического года на 1 января 2000 г. составляло 365,2421897 или 365 эфемеридных дней, 5 часов 48 минут, 45,19 секунды. Это медленно меняется; выражение, подходящее для расчета продолжительности тропического года в эфемеридных днях между 8000 г. до н.э. и 12000 г. н.э., равно

365,2421896698 - 6,15359 × 10 - 6 T - 7,29 × 10 - 10 T 2 + 2,64 × 10 - 10 T 3 { \ displaystyle 365.2421896698-6.15359 \ times 10 ^ {- 6} T-7.29 \ times 10 ^ {- 10} T ^ {2} +2.64 \ times 10 ^ {- 10} T ^ {3}}365.2421896698-6.15359 \ times 10 ^ {- 6} T-7.29 \ times 10 ^ {- 10} T ^ {2} +2.64 \ умножить на 10 ^ {- 10} T ^ {3}

где T находится в юлианских веках из 36 525 дней из 86 400 секунд в системе СИ, измеренных с полудня 1 января 2000 года TT (в отрицательных числах для дат в прошлом; McCarthy Seidelmann 2009, стр. 18, рассчитано по планетарной модели Ласкар 1986).

Современные астрономы определяют тропический год как время увеличения средней долготы Солнца на 360 °. Процесс поиска выражения для длины тропического года состоит в том, чтобы сначала найти выражение для средней долготы Солнца (относительно ♈︎), такое как выражение Ньюкомба, данное выше, или выражение Ласкара (1986, стр.64). Если смотреть на период в один год, средняя долгота почти линейно зависит от земного времени. Чтобы найти продолжительность тропического года, средняя долгота дифференцируется, чтобы получить угловую скорость Солнца как функцию земного времени, и эта угловая скорость используется для вычисления того, сколько времени потребуется Солнцу, чтобы переместиться на 360 °. (Meeus Savoie 1992, стр. 42; Астрономический альманах за 2011, L8).

Приведенные выше формулы дают продолжительность тропического года в эфемеридных днях (равных 86 400 секундам СИ), а не солнечным дням. Именно количество солнечных дней в тропическом году важно для синхронизации календаря с временами года (см. Ниже).

Календарный год

Григорианский календарь, используемый в гражданских и научных целях, является международным стандартом. Это солнечный календарь, который предназначен для поддержания синхронизации со средним тропическим годом (Добжицкий 1983, стр. 123). Его цикл составляет 400 лет (146 097 дней). В каждом цикле повторяются месяцы, даты и дни недели. Средняя продолжительность года составляет 146 097/400 = 365 ⁄ 400 = 365,2425 дней в году, что является близким приближением к среднему тропическому году в 365,2422 дня (Seidelmann 1992, стр. 576– 81).

Григорианский календарь - это реформированная версия юлианского календаря. Ко времени реформы 1582 года дата весеннего равноденствия сместилась примерно на 10 дней, примерно с 21 марта во время Первого Никейского собора в 325 году до примерно 11 марта. North (1983), настоящая мотивация реформ заключалась не в том, чтобы вернуть сельскохозяйственные циклы туда, где они когда-то были в сезонном цикле; Первоочередной заботой христиан было правильное соблюдение Пасхи. В правилах, используемых для вычисления даты Пасхи, использовалась обычная дата весеннего равноденствия (21 марта), и считалось важным, чтобы 21 марта приближалось к фактическому равноденствию (Север 1983, стр. 75–76).

Если общество в будущем по-прежнему придает значение синхронизации между гражданским календарем и временами года, в конечном итоге потребуется еще одна реформа календаря. Согласно Блэкберну и Холфорду-Стревенсу (которые использовали значение Ньюкомба для тропического года), если бы тропический год оставался на своем значении 1900 года, равном 365,24219878125 дней, по григорианскому календарю через 10 000 лет после Солнца было бы 3 дня, 17 минут, 33 секунды. Эта ошибка усугубляется тем, что продолжительность тропического года (измеренная в земном времени) сокращается примерно на 0,53 с за столетие. Кроме того, средний солнечный день удлиняется примерно на 1,5 мс за столетие. Эти эффекты приведут к тому, что календарь отстает почти на день от 3200. Количество солнечных дней в «тропическом тысячелетии» уменьшается примерно на 0,06 на тысячелетие (без учета колебательных изменений реальной длины тропического года). Это означает, что со временем должно быть все меньше и меньше високосных дней. Возможной реформой было бы исключить високосный день в 3200, оставить 3600 и 4000 в качестве високосных, а затем сделать все столетние года общими, кроме 4500, 5000, 5500, 6000 и т. Д. Но величина ΔT равна недостаточно предсказуемы, чтобы формировать более точные предложения (Blackburn Holford-Strevens 2003, p. 692).

См. Также

Примечания

Ссылки

Дополнительная литература

Последняя правка сделана 2021-06-11 12:33:40
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте