Дерек Хауз - Гринвичское время и открытие долготы

Существует еще одно явление, которое, хотя оно и не воздействует на скорость вращения Земли, необходимо учитывать при точном хранении времени. Это колебания полюса, или перемещение тела Земли относительно оси вращения (подобно качающемуся в механизме подшипнику), заставляющие блуждать полюса Земли приблизительно с 14-месячным периодом в пределах окружности радиусом около 8 м. Эффект колебаний полюса изменяет географические широту и долготу любого места на Земле (в чем удалось убедиться с помощью астрономических наблюдений), а это из-за изменения долготы приводит к соответствующим изменениям шкалы времени в каждом пункте на земной поверхности.

71. Покоящийся спуск

Как указал Спенсер Джонс, первое требование к фундаментальной единице - ее постоянство и воспроизводимость. Поэтому к 1950-м гг. секунда, основанная на вращении Земли, изменяющая, хотя и незначительно, свою продолжительность, перестала удовлетворять предъявляемым к ней требованиям. Возник вопрос: что же делать дальше?

Первоначально было решено отказаться от солнечных суток как фундаментальной единицы времени и вместо них пользоваться годом, продолжительность которого, хотя и не постоянна, но может быть заранее вычислена с учетом ее уменьшения приблизительно на полсекунды в столетие. Это привело к введению в международной практике в 1952 г. для некоторых целей новой шкалы времени - эфемеридного времени (ЕТ), которое стали использовать - о чем говорит уже само его название - для составления различных национальных эфемерид и ежегодников. Как мы уже говорили в предыдущей главе, в результате решения Вашингтонской конференции 1884 г. и специальных рекомендаций Международного астрономического союза, принятых в 1928 г., гринвичское время стало называться всемирным временем (UT). Поэтому далее в этой главе, когда речь пойдет о среднем солнечном времени гринвичского меридиана, мы будем оказывать предпочтение названию UT, а не GMT. Сейчас UT, основанное на вращении Земли вокруг своей оси, задает шкалу времени, необходимую для астронавигации. Но, как мы уже отмечали, скорость вращения Земли меняется, поэтому в 1956 г. для специальных потребностей служб времени возникла необходимость в более точном определении UT:

UT 0-среди ее солнечное время нулевого меридиана, полученное непосредственно из астрономических наблюдений;

UT 1- это UT 0с поправками на движение полюса (не более чем на 0,035 с). Шкала UT 1используется для астронавигации;

UT 2- это UT 0с поправками на движение полюса и на экстраполированные изменения в скорости вращения Земли (также не более чем на 0,035 с). UT 2- «сглаженная» шкала времени, задающая по возможности равномерное время. До 1972 г. эта шкала была основой сигналов времени [3].

Вопрос о шкале ЕТ и ее связи с UT слишком сложен, чтобы его рассматривать здесь. Достаточно сказать, что ЕТ довольно близко соответствует UT, поскольку продолжительность эфемеридных суток задается продолжительностью средних солнечных суток в XIX в. В 1956 г. специалисты отказались от использования средних солнечных суток в качестве международной фундаментальной единицы времени в пользу эфемеридной секунды, определенной как «1/31556925,9747 доля тропического года 0 января 1900 г. в 12 ч эфемеридного времени» [4].

72. Решетчатый маятник

Однако переход на новую систему не решил всех проблем. Благодаря своей неизменности эфемеридная секунда очень удобна для теоретических расчетов и применяется в различных эфемеридах. Но эфемеридная секунда не годится для повседневного использования по двум причинам. Во-первых, она не всегда имеется в распоряжении, так как определить ее с требуемой точностью можно только с большой задержкой после обработки многочисленных результатов наблюдений. Во-вторых, для тех, кто интересуется именно точным моментом времени, а не временным интервалом-в том числе и для широкой публики, - необходимо, чтобы сигналы времени как можно точнее соответствовали вращению Земли, смене дня и ночи. Кроме того, хотя разница между ЕТ и UT на протяжении года была очень мала, с годами она накапливается вследствие систематического замедления вращения Земли и может достигать весьма значительной величины. В 1952 г., когда ЕТ впервые было использовано, накопленная разность между этой шкалой, основанной на скорости вращения Земли в XIX в., и UT, основанной на данных 1952 г., составляла около 30 с.

Применение ЕТ в сигналах времени явилось в какой-то степени компромиссным решением, поскольку физикам и инженерам телевидения требовалось, чтобы продолжительность секунды сигнала времени была бы постоянной, т.е. «означала бы одно и то же для всех народов и во все времена», тогда как для обычных потребителей времени, а также навигаторов и геодезистов было необходимо, чтобы сигнал времени, скажем, отмечающий полдень, совпадал с полуденным расположением небесных тел. До 1944 г. сигналы времени, контролируемые Гринвичем, задавались, насколько это было возможно, вращением Земли, в результате чего секунда (получаемая из сигналов времени) ото дня ко дню могла менять свою продолжительность, хотя и очень незначительно. В 1944 г. в Великобритании была сделана попытка передавать секундные сигналы по возможности через равные промежутки времени, продолжительность которых определялась средним значением секундного интервала, задаваемого самыми точными кварцевыми часами, а при необходимости (по средам) производить коррекции «скачком» для согласования со шкалой всемирного (астрономического) времени. В то же время в США такое компромиссное решение между передачей частоты и времени не было принято; сигналы времени, передаваемые радиостанцией Аннаполиса и контролируемые обсерваторией ВМС США, поддерживались в точном соответствии с вращением Земли, а эталонная частота, контролируемая Национальным бюро стандартов США и передаваемая его радиостанцией, по возможности сохранялась неизменной.

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].