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].
