Время и его измерение

Вопрос «Который час?» можно услышать повсюду: дома, на улице, в школе, на работе... Трудно представить, что будет, если в нашей обычной жизни не пользоваться часами! Еще большее значение точное время имеет в научных исследованиях и работах: при определении координат и составлении карт, при проведении астрономических наблюдений и физических экспериментов, при запуске космических ракет и в космических исследованиях, а также в различных производственных процессах.

У халдейских жрецов в Вавилоне часами служил гномон - столб, установленный вертикально на ровной площадке. Солнце освещало гномон, который отбрасывал тень на площадку. На ней был расчерчен циферблат, позволявший узнать время. В IV в. до н. э. гномоном стали пользоваться в Греции.

Рис. Ошибка в определении времени, возникающая из-за неравномерности вращения Земли

Позже были придуманы сложные солнечные часы, пригодные для любого времени года. Затем у разных народов появились различные механические часы с зубчатыми колесами и стрелками на циферблате. Наконец, построили часы с маятником. Очень сложно устроены астрономические часы для хранения точного времени. Астрономические часы проверяют по моментам прохождения звезд через небесный меридиан. Все было бы просто, если бы Земля вращалась равномерно, но это не так.

Зафиксированы вековые, сезонные и скачкообразные изменения угловой скорости вращения Земли. Вековое замедление вращения Земли обусловлено лунно-солнечными приливами. С помощью наиболее точных атомных часов удалось определить даже сезонные неравномерности вращения Земли. Например, в июле сутки короче апрельских и ноябрьских примерно на 0,001 с, что вызвано перераспределением атмосферного давления, изменением снежного покрова и другими причинами.

Земной шар можно рассматривать как гигантские солнечные часы с циферблатом от 0 до 24 ч. За единицу времени в астрономии принимают время полного оборота Земли вокруг оси или, что то же самое, время видимого вращения небесного свода. Это время называют звездными сутками.

Солнечные сутки, которые определяются как промежуток времени между двумя последовательными верхними кульминациями центра солнечного диска, продолжительнее звездных на 3 мин 56 с, т. е. почти на 4 мин. Разница обусловлена годичным движением Солнца по эклиптике. За сутки Солнце перемещается среди звезд в направлении, обратном видимому суточному вращению небесной сферы (с запада на восток) примерно на два диаметра своего диска, т. е. на 1 градус.

Значит, чтобы Солнце оказалось на меридиане, небесной сфере нужно еще повернуться на Г, а на это уходит около 4 мин. Момент верхней кульминации Солнца называется полднем, а нижней — полночью. Положение Солнца относительно небесного меридиана, т. е. его часовой угол, определяет для данного пункта Земли местное солнечное время. Однако продолжительность солнечных суток не строго постоянна и меняется в течение года.

Это связано с изменением скорости Земли на орбите вокруг Солнца и с наклоном плоскости эклиптики к плоскости небесного экватора, поэтому астрономы ввели такое понятие, как равномерно идущее среднее солнечное время, которое может на несколько минут отличаться в ту или иную сторону от истинного солнечного времени, непосредственно связанного с положением Солнца на небе.

Если на каком-то географическом меридиане Солнце находится в верхней кульминации, то там полдень. На меридиане, лежащем на 15° восточнее, — уже 13 ч. и т. д. Наоборот, на меридианах, лежащих к западу на 15, 30, 45°, будет соответственно 11, 10, 9 ч и т. д.

Рис. Земной шар в роли часов. На каждом географическом меридиане свое местное время

Все населенные пункты, лежащие на одном и том же меридиане, имеют одинаковое местное время. Чем больше разница их долгот, тем больше разница во времени. Например, когда в Москве 12 ч, то в Нижнем Новгороде на 26 мин больше, а в Смоленске на 22 мин меньше.

Пользоваться местным временем в повседневной жизни неудобно, поэтому в 1884 г. была предложена поясная система счета времени, при которой счет времени ведется по показаниям только 24 основных географических меридианов, отстоящих друг от друга по долготе на 15°, т. е. на 1 ч.

Эти меридианы проходят приблизительно посередине каждого часового пояса. За основной меридиан нулевого пояса принят Гринвичский, от которого отсчитываются и географические долготы. Время нулевого часового полюса называют всемирным временем. Большинство стран Европы относятся к 1-му часовому поясу.

Как исследуют планеты. Методы исследования Земли

Несмотря на довольно близкие по космическим масштабам расстояния планет от Земли, эти небесные тела очень трудно исследовать — ведь в отличие от звезд планеты не излучают собственного видимого света, они требуют специфических методов исследований, а изучение мелких деталей на поверхности вообще немыслимо без дорогостоящих космических экспериментов.

Тем не менее первые систематические наблюдения планет (а также и Солнца), попытки понять их видимое движение по небу—это то, с чего начиналась самая древняя наука — астрономия.

Методы исследования Земли совершенствовались вместе с развитием науки: сначала были изучены размеры и форма нашей планеты, закономерности ее движения в пространстве, затем - основные особенности внутреннего строения Земли и происходящие в ее недрах геологические процессы. Наконец на основе совокупной информации о Солнечной системе удалось установить основные закономерности космогонии (происхождения) Солнечной системы и Земли как одной из ее планет.

Почему необходимо исследовать планеты вместе с Землей? Прежде всего, чтобы лучше понимать тот мир, в котором мы живем, его происхождение и развитие, роль человека в нем. Жизнь человека, как и всего общества в целом, основана на прогнозировании событий.

Для верного прогнозирования надо знать законы, управляющие миром. Яркий пример: именно исследование движения планет привело к открытию одного из основных законов, определяющих развитие мира, — закона всемирного тяготения. Оказалось, что математически простой закон удивительно точно описывает движение планет.

С его помощью достаточно легко моделировать их движение. Ввиду очень большого по сравнению с поперечниками планет расстояния между ними, а также вследствие низкой плотности вещества в межпланетном пространстве и огромной массы Солнца по сравнению с массой планет, движение планет можно рассматривать как движение точек, обладающих определенной массой, в поле тяготения Солнца, а взаимное притяжение планет может учитываться в качестве малой поправки.

Рис. Космический аппарат ERS-1, предназначенный для изучения различных районов земной поверхности

Точность прогнозирования движения планет (и Земли с Луной) достаточно велика, что помогает, например, определять моменты и обстоятельства солнечных затмений, зарегистрированных за всю историю человечества. Это, в частности, позволяет установить и хронологию многих исторических событий, если они «привязаны» к затмениям.

В основание изучения земли лежат два метода исследований. Первый метод —это дистанционное наблюдение, когда ученые регистрируют то или иное явление, которое затем интерпретируют с помощью построения соответствующих моделей (к таким способам наблюдений, например, относятся фотосъемка или исследование глубины океана с помощью специального гидроакустического прибора — эхолота).

Второй метод — исследование, при котором «контактным» путем непосредственно изучают свойства объекта (например, химический состав, плотность, фазовое состояние, прочностные свойства и т. д.). Дистанционные исследования в большинстве случаев сводятся к анализу электромагнитного, акустического и корпускулярного излучений объекта.

Так, исследование распространения акустических колебаний в теле Земли (сейсмических волн), возбуждаемых, в частности, при землетрясениях, позволяет познать особенности внутреннего строения нашей планеты.

Все методы, применяемые для исследования других планет, представляют собой развитие методов познания Земли — геологических, геодезических, картографических, геофизических и геохимических. Так, например, методы радиационной геохимической разведки, основанные на исследовании ядерных излучений, своеобразным образом трансформировались в методы изучения геохимии других планет.

По спектрам их гамма- и рентгеновского излучения ученые определяют содержание радиоактивных элементов в коре безатмосферных тел Солнечной системы. Неоднородность распределения радиоактивных элементов на поверхности в сочетании с другими данными о планете позволяет судить о геологических процессах и строении ее недр.

Методы так называемого нейтронного каротажа, используемые в земной геофизической разведке для поисков нефтяных месторождений, в применении к исследованиям планет позволили по спектрам нейтронов, рассеиваемых поверхностными слоями Луны и Марса, обнаружить на них неравномерно распределенные залежи водородосодержащих соединений.

Рис. КА «Луна-9», совершивший первую мягкую посадку на Луну в феврале 1966 г. Автоматическая лунная станция, размещаемая в верхней части внутри шара, показана внизу с развернутыми лепестковыми панелями. На Землю были переданы изображения панорамы окружающей местности и данные по радиации

Методы получения информации о планетах и спутниках также можно разделить на две группы:
- группа дистанционных методов наблюдения планет с Земли или с космических аппаратов (регистрация электромагнитного излучения планет или радиолокация);
- группа прямых методов изучения планет и их атмосфер.

Остановимся сначала на дистанционных методах. Электромагнитное излучение, приходящее от планет, исследуется в очень широком диапазоне — от гамма-лучей, возбуждаемых жестким корпускулярным и световым излучениями Солнца (что позволяет судить о составе, плотности, температуре верхних слоев атмосферы планет и о составе поверхностных слоев безатмосферных тел), до инфракрасного и радиоизлучения (что в сочетании с другими данными помогает изучить тепловой режим на планете, а рассеяние электромагнитных волн дает возможность судить о строении атмосфер планет и строении поверхности безатмосферных тел).

Радионаблюдения планет дают важнейшую информацию о свойствах их поверхностей. Например, эти методы используются для определения температуры на некоторой глубине под поверхностью, позволяют оценить величину диэлектрической постоянной вещества. Для изучения планет используется и радиолокация, которую можно выполнять как с Земли, так и с космических аппаратов.

По изменению смещения частоты радиосигнала, посылаемого к Земле искусственным спутником планеты или космическим зондом в окрестности планеты, определяют ее массу и гравитационные аномалии. Кроме того, радиолокация с искусственных спутников планеты позволяет оценивать профили рельефа участков планеты и ее фигуру (форму), а при использовании радиолокаторов бокового обзора — изучать рельеф поверхности планеты по рассеянию радиоволн определенной длины.

Для этих целей наряду с радиовысотомерами используются и лазерные альтиметры, у которых зондирующий импульс формируется на борту искусственного спутника при помощи лазера. Радиолокационные исследования дают возможность также оценить характерные углы склонов поверхности и степень ее изрытости.

Рис. Автоматическая станция «Венера-11», имевшая на борту спускаемый аппарат, который совершив посадку на Венеру в 1978 г. Эта станция подобна станциям «Венера-9» и «Венера-10», ставшими первыми искусственными спутниками этой планеты.

Информация, полученная спускаемыми аппаратами и комплектом приборов станций, содержала параметры частиц и полей в околопланетном пространстве, тепловые, визуальные и спектроскопические характеристики верхних слоев атмосферы, данные о взаимодействии солнечного ветра с планетой, о рельефе ее поверхности и другие характеристики. Телевизионные камеры спускаемых аппаратов передали в очень жестких условиях Венеры (температура около 740 К, давление 90 ат) первые панорамы ее поверхности

И все же основную массу информации о планетах получают путем регистрации излучения в ультрафиолетовом, видимом и инфракрасном диапазонах спектра. Самый распространенный метод —съемка поверхности планет или Луны в видимом диапазоне излучения, что позволяет производить фотометрические измерения участков и определять отражательную способность поверхности (альбедо), а также поляризационные свойства самого поверхностного слоя.

На основе этих данных создаются карты планет, на которых отображается информация о распределении видимой яркости в различных диапазонах спектра и информация о поляризации излучения, а также и другие характеристики поверхности. Наблюдая инфракрасную область спектра, ученые определяют температуру поверхности.

По характеру изменения температуры поверхностного слоя выделяют районы с различной толщиной пылевого покрова, с выходами скальных пород и обилием скальных фрагментов на поверхности. Много важной информации дают изображения поверхности планет в различных лучах спектра, получаемые космическими аппаратами с близкого расстояния.

Для этого широко используются такие детекторы излучения, как ПЗС-матрицы, позволяющие преобразовать изображение в сочетание электрических импульсов, представить его в цифровой форме и передать на Землю по радиоканалу развертку изображения в виде последовательности цифровых сигналов. Изучение планет и спутников с поверхности Земли существенно затрудняется тем, что атмосфера нашей планеты пропускает электромагнитные колебания лишь в определенных участках спектра.

Кроме того, неспокойная земная атмосфера ограничивает угловое разрешение находящихся на поверхности Земли оптических телескопов. Частично эти трудности удается преодолеть, выбирая для размещения астрономических инструментов места на значительных высотах с подходящими для исследований условиями, создавая телескопы с адаптивной (приспосабливающейся) оптикой, компенсирующей неспокойность атмосферы, и разрабатывая специальную методику получения и обработки изображений.

В настоящее время все же наиболее ценную информацию о планетах получают не с Земли, а с помощью космических аппаратов, для чего, конечно, требуются специальные методы, обеспечивающие не только проведение самих наблюдений, но и передачу их результатов на Землю.

Атмосфера поглощает все коротковолновое излучение, а также значительную часть инфракрасного излучения, миллиметрового и сантиметрового радиоизлучения. Полностью использовать весь диапазон излучения позволяют только наблюдения с борта космических аппаратов, работающих за пределами земной атмосферы. Однако для некоторых исследований мало выйти за пределы атмосферы: необходимо приблизить к планете приемник излучения.

Например, низкая интенсивность гамма- и рентгеновского излучения лунной поверхности допускает его уверенную регистрацию только при достаточной близости к поверхности, с низких селеноцентрических орбит (порядка 100 км над поверхностью Луны).

Так, исследуя гамма-излучение поверхностных пород Луны, получили данные о присутствии в них естественных радиоактивных элементов — калия, тория и урана, а также узнали содержание некоторых породообразующих элементов, таких, как кислород, кремний, магний и железо. Полученные данные позволили оценить химический состав вещества и определить тип пород, слагающих различные участки лунной поверхности.

Рис. КА «Галилео» (США) был запущен в 1989 г. и вышел на орбиту Юпитера через 6 лет полета, в 1995 г. С его помощью получили большой объем информации о Юпитере и его спутниках. Фотомонтаж. НАСА

Обратимся теперь к прямым методам изучения планет. Они в принципе не отличаются от прямых методов исследования Земли. Основные трудности создают два фактора. Во-первых, заранее плохо известен диапазон ожидаемых регистрируемых величин, что в условиях автоматических измерений требует тщательного предварительного планирования эксперимента, а при резких ограничениях на массу и энергопотребление на космических аппаратах вынуждает при последующих запусках наращивать точность измерений.

Во-вторых, это сложности технического осуществления эксперимента, дороговизна и трудность его проведения, проблема обеспечения высокой надежности и устранения систематических и случайных ошибок, способных привести к ложной интерпретации результатов.

На первых этапах космических исследований, когда стоимость средств доставки была гораздо выше стоимости научного оборудования, космические аппараты несли разнообразную аппаратуру, способную за одну экспедицию получить как можно более полную информацию.

По мере миниатюризации научной аппаратуры и удешевления средств доставки стали использоваться малые космические аппараты, позволяющие проводить исследования при существенно меньших затратах.